TSP203地质预报系统在金子山隧道的应用.doc

TSP203地质预报系统在金子山隧道的应用【摘 要】 结合在宜万铁路金子山隧道中的应用情况，文中简要介绍了TSP203超前地质预报系统的基本原理、使用方法，并分析其实际效果，从而总结出该系统的一些特点及使用时应注意的问题，为掌握和正确使用TSP203提供参考。【关键词】 隧道施工 TSP203 超前地质预报 反射地震法1 引 言随着隧道工程向深埋、长大方向发展，面对复杂多变、形态各异的隧道，要想在设计阶段完全搞清楚隧道所处位置的工程地质、水文地质条件，以及不良地质体的状态特征是非常困难的。遵循工程项目逐步确立“以人为本”的建设理念，保证施工安全，改善作业环境，减少地质灾害的发生及降低灾害损失，加强预防、制订必要预案是一项重要手段。隧道施工中做好超前地质预测预报工作，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，是规避风险，确保隧道施工顺利进行的重要保证。超前地质预报的主要内容包括地层岩性、褶皱、断层、岩脉、破碎带、长大节理、地下水状况、地应力状况、岩性和围岩类别等。预报的重点是断层、岩脉、破碎带、溶洞、暗河、煤系地层及其它不良地质体在掌子面前方的出露位置和对施工的影响。2 TSP地震波超前地质预报系统工作原理TSP(Tunnel Seismic Prediction)系统是瑞士Amberg（安伯格）测量技术公司研制的，是目前隧道超前地质预报中最新的地球物理探测方法之一，属于多波多分量地震勘探方法。2.1 TSP203简介TSP203最大探测范围可达200m，可以为安全高效的隧道施工提供决策依据。该系统获瑞士国家专利，代表了当今隧道地质超前预报的最新水平。作为一项先进、成熟的长距离超前预报系统，在预报软弱地层的分布，断层及其影响带和裂隙发育带等方面，所表现出的优势非常突出。我们在金子山隧道投入使用的TSP203 PLUS是安伯格公司最新研制的系统，该系统是在TSP202基础上开发研制的，并且具有卓越特色。TSP203 PLUS系统不仅仅改善了有关的硬件，而且应用了全新TSPWIN软件，该软件集数据采集、处理和评估为一体，高度智能化。2.2 TSP203基本工作原理TSP隧道地震波超前地质预报系统属于多波多分量高分辨率地震反射法，利用地震波在不均匀地质体中产生的反射特性，预报隧道掘进前方及周围临近区域地质体状况。地震波在设计的震源点（通常在隧道掌子面后方的左或右边墙上有规则排列的爆破孔）依次进行微弱爆破激发产生。地震波信号在隧道周围岩体内传播，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（岩石强度发生变化、遇到地层层面、节理面）时，特别是断层破碎带界面，和溶洞、暗河、岩溶、淤泥带等不良地质界面时，一部分地震信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。如图1所示图1 TSP探测原理地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。回波信号数据根据返回的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向，通过TSPWIN软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）和位置及规模。反射信号的传送时间与地质界面的距离成正比，反射信号的强度与相关界面的性质、界面的产状密切相关。在一定间隔距离内连续多次采用上述方法，可以得到前方地层的地质力学参数。如杨氏模量和横向变形系数等。现场工程技术人员结合相关的地质资料可以准确地预知前方及周围地质变化状况。测量原理如图2所示2.3 TSP可解决的主要技术问题（1）探测作业面前方是否存在断层、特殊软岩、富水岩层和煤系地层，以及其他地层的界线及岩溶发育地区的溶洞、暗河和岩溶陷落柱，岩浆岩岩体岩脉等特殊地质体；（2）查明作业面前方不良工程地质体的位置和规模；（3）判断不良地质体的围岩类别，和发生塌方等地质灾害的可能性。图2 TSP超前地质预报测线布置示意图3 观测与数据采集TSP探测技术主要包括：震源点布置，设备安装与记录仪测试操作，现场测试之后的记录仪数据传输，和WFP计算与成图共四步操作技术。3.1 测线点的布置在隧道边墙的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻孔和1824个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔20m，其余各接续爆破孔间距1.5m，炮孔直径3845 mm，深度1.5m, 孔向垂直隧道轴向或向前与掌子面成100夹角，并向下倾斜100200。孔位高度在底面以上约1.0 m。各钻孔呈直线分布。3.2 数据处理和结果显示采集的数据采用配套的TSPWIN专用软件进行处理，其基本方式是波场分离，用时间的偏移修正和滤波来处理反射波，从而得到地震波剖面。采集前首先正确输入隧道及炮点和接收点的几何参数，剔除质量差的记录道，确保质量合格的地震道用于数据处理和判释。TSPWIN软件处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置带通滤波初至拾取拾取处理炮能量均衡Q估计反射波提取P、S波分离速度分析深度偏移提取反射层。处理的最终成果包括P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等，以及反射层在探测范围内的2D和3D空间分布。3.3 TSP地震波波速的获得TSP203地震波数据处理的第一步是由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间，根据该时间及爆破点和接收器之间的距离，换算岩体弹性波速度。己知地震波的传播速度就可以通过测得的反射波传播时间，推导出发射事件与接收传感器的距离以及与隧道端面的距离。4 数据分析及成果判释4.1 数据分析虽然地震波在介质中的传播稳定，衰减较慢，但由于本身的能量很小，由其所形成的反射波的能量就更微弱，同时地震波在传播的过程中遇到诸如节理、断层、层理或不同性质岩石的交界而等结构而时，只会有其中一部分波从结构面反射回来，另一部分则透射过结构而进入第一种介质继续向前传播。而且地震波在反射时又会再度派生成纵波(P波)和横波，因此要有效准确地接受到远距离传回来的这部分能量微弱的反射纵波(P波)，除了传感器自身须具有极高的灵敏度外，在整个探测过程中，传感器还必须确认准确的位置，采取最佳的接受方式和展布角度才能实现。要确定一个地区的合理的搜索角，就必须首先确定该地区的主体结构的优选产状，然后根据它们与施工隧道中轴线的交角求出其特有的空间角，进一步确定该地区的合理的搜索角。在进行超长距离的探测预报工作时，要控制延长系统的采样时间和提高地震波在岩石介质中的传播速度。这样就可以为传感器收集更远距离处的结构而反射的P波提供了充足的等待、记录时间。第三要根据现场岩石力学性质，选取合适的探测炸药种类和用量。依据不同种类的炸药产生的爆轰波速度，有效控制探测距离和采样时间。4.2 处理结果的解释原则：在成果解释中，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。 反射振幅越强，反射系数和波阻抗的差别越大。 正反射振幅（红色）表明正反射系数，表明刚性岩层；负反射振幅（兰色）指向软弱岩层。 若S波反射比P波强，则表明岩层饱含水。 Vp/Vs较大的增加或泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起。 若Vp下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。4.5 TSP的应用实例：以下是金子山隧道TSP超前地质预报的截图。图4P波深度偏移剖面（上）及提取的反射层（下）中，110m位置的蓝色反射为隧道的F1断层，本次探测成功预报了该断层的准确位置较设计提前了约20m，从而提前采取了支护手段，确保了隧道的安全施工。图2-2 R1 Y分量原始记录图2-1 R1 X分量原始记录图2-4 R2 X分量原始记录图2-3 R1 Z分量原始记录图2-6 R2 Z分量原始记录图2-5 R2 Y分量原始记录图3-1 R1频谱图图3-2 R2频谱图图4-1 R1 P波深度偏移剖面（上）及提取的反射层（下）图4-2 R2 P波深度偏移剖面（上）及提取的反射层（下）图5 R1-P波2D成果显示第9页共9页反射层波型极性里 程(m)Vp (m/s)Vp/Vs泊松比密 度(g/cm3)切变模量(GPa)拉梅常数(GPa)体变模量(GPa)E动 (GPa)E静 (GPa)1P1.00265206.5333271.780.272.2989152152P-1.00265215.8833091.780.272.2889152153P1.00265218.4132811.780.272.2889142054P-1.00265222.9134951.850.292.32812172265P1.00265226.3432611.760.262.2889142156P1.00265230.6333511.740.252.3299152377P-1.00265234.8433511.740.252.3299152378P1.00265238.2833771.760.262.3189152269P1.00265245.6633691.830.292.288101621510P1.00265248.2532161.610.192.33951224811P1.00265252.0932811.740.252.29881421612P1.00265258.5332081.620.192.32961223713P-1.00265263.8433181.790.272.29891521514P-1.00265270.0633581.790.272.308101521515P-1.00265302.4433581.840.292.27810162041SV-1.00265169.3818411.770.272.2789142042SV1.00265178.2818411.770.262.2789142043SV-1.00265178.8118491.770.262.2889142154SV1.00265190.1618761.760.262.2989142155SV-1.00265191.5918571.780.272.2889152156SV1.00265192.6318491.780.272.2889142157SV-1.00265196.7518531.790.272.2889152158SV-1.00265197.1618471.750.262.2788142059SV1.00265205.0618711.730.252.28881321510SV1.00265211.5618971.760.262.30891522611SV1.00265226.1318331.940.322.308141921512SV-1.00265236.0918071.860.302.277111620413SV1.00265281.9718981.690.232.29871321614SV1.00265296.0018411.820.282.288101521515SV-1.00265298.0919261.670.222.3197132261SH1.00265172.7818471.760.262.2889142052SH-1.00265180.5918721.750.262.2988142153SH1.00265183.7518341.790.272.2789142044SH-1.00265191.7218701.770.262.2989142155SH1.00265195.3118211.780.272.2679142046SH-1.00265197.1318701.780.272.2989152157SH-1.00265197.2818211.820.282.27810152048SH1.00265197.5018691.770.272.2989142159SH1.00265204.9118391.760.262.27881320410S