13TSP203超前地质预报

3-1-13 TSP203超前地质预报1 前言TSP（Tunnel Seismic Prediction）是瑞士安伯格测量公司于20世纪90年代初期开发研制的一套超前预报系统，到目前经历了从TSP202、TSP203到TSP203plus三次更新换代。通过产品换代，该系统更加轻便、操作更加简单、功能更加强大、智能化程度更高。我国于1996年首次引进TSP超前地质预报系统，到现在已有十几年的历史，在这十几年，该系统的应用得到大力推广，被大量应用于公路、铁路隧道，水力、电力输水洞，城市地铁以及其它洞室工程地质预报。目前，TSP系统已成为超前地质预报最主要的方法之一。开展TSP超前地质预报可以及时了解掘进前方地质情况，为隧道施工和支护参数调整提供科学依据，从而有效控制地质灾害的发生，降低施工风险和成本，提高掘进速度，为施工单位赢得经济和社会效益。2 TSP203超前地质预报概述2.1适用范围TSP203系统适用于对断层及其影响带、破碎带、溶洞、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水的预测预报。2.2技术特点TSP203系统具有适用范围广，预报距离长（一般预报长度在100 m150m）、预报准确性高，提交结果及时，对掌子面施工干扰小等特点。2.3基本原理TSP203超前地质预报系统是利用弹性波的反射原理进行地质预报。预报时，通过爆破产生地震波，地震波在隧洞中的岩体内传播，当遇到波阻抗界面时，如断层、破碎带、溶洞，大的节理面等，一部分地震波被反射回来，反射波经过一段时间后到达传感器被记录仪接收，然后用专门的分析软件进行处理，即可得到清晰的反射波图像。通过对反射波运动学和动力学特征的分析，如波速、延迟时间、信号强弱、波形等，并结合区域地质资料、设计勘测资料、跟踪观测地质资料就可预测预报隧洞前方及周围地质情况，并确定地质异常的位置和特性。图13-1是TSP203系统工作原理示意图。图13-1 TSP203系统工作原理示意图2.4仪器设备及主要参数TSP203系统包括硬件和软件两部分。硬件主要包括数据记录存储单元、三维地震波接收器和起爆装置。数据记录存储单元将接收器采集的信号放大，经模数转换后将数据信号记录存储起来；三维地震波接收器用于接收爆破后产生的地震波的反射波信号；起爆装置用于起爆雷管，进而引爆炸药。软件包括数据采集软件和数据处理软件，数据采集软件用于采集数据，数据处理软件用于处理采集到的原始数据。TSP203系统主要性能参数如下：2.4.1记录单元记录器端口：4个记录道数：12采样间隔：62.5s、125s记录带宽：4000 Hz、8000 Hz模数转换：24位记录长度：14468V样点最大输入信号：10Vpp动态响应范围：120dB2.4.2三分量传感器灵敏度：1000mv/g5频率范围：0.55000 Hz响应频率：9kHz横向灵敏度：1工作温度：0+652.4.3触发器触发电流：约10A触发精度：约10s2.5劳动力组织2.5.1劳动组织体系项目负责人技术负责人检测工程师检测工程师钻孔小组放炮小组2.5.2劳动组织人员配置及分工人员人数主要任务项目负责人1全面负责测试工作的协调、组织、安排工作技术负责人1全面负责地质预报技术相关工作检测工程师2负责指导钻爆破孔、接收孔，安装接收器套管；负责测量基础数据，数据采集、数据处理和报告编写工作爆破工人2负责装炸药、连接雷管线，放炮风钻操作工人2负责钻爆破孔、接收孔，安装接收器套管，炮孔灌水2.6地质预报流程图测量基础数据钻炮孔、接收孔安装接收器套管装炸药 连接仪器连线、灌水放炮数据采集数据分析处理数据解释编写地质预报报告3 地质预报前的准备工作3.1资料收集测试前应将隧道概况、隧道地质纵断面图、隧道地质平面布置图、掌子面里程桩号、接收器安装位置里程桩号等资料和数据收集齐，以备数据处理和解释时用。3.2雷管、炸药的准备雷管采用零延时电雷管，每次需要24个，炸药采用高爆速炸药，无高爆速炸药，也可采用爆速在4000m/s左右的普通乳化炸药。雷管和炸药需有专人看管，存放和运输过程中不得放置在一起。3.3钻炮孔和接收孔每次测试需钻24个炮孔和2个接收孔。在左边墙或右边墙距地面约1.0m高的水平线上，按间距1.5m、孔深1.51.8 m、孔径3538mm、倾角1020，倾向1020的标准钻24个炮孔，最后一个炮孔距掌子面距离根据现场情况而定，一般情况下应尽可能接近掌子面。接收器孔分布在左右边墙，与炮孔在同一水平线上，距洞口方向的第一个炮孔1520m，其孔深2.0m、孔径4245mm、倾角510，图13-2是TSP203超前地质预报炮孔、接收孔分布示意图。图13-2 TSP203超前地质预报炮孔、接收孔分布示意图3.4基础数据测量装炸药之前，需测量每个炮孔的孔深、倾角、倾向，相对于参考点的位置、高度。相对于参考点的高度、孔深采用钢尺或硬质杆测量，倾角、倾向采用罗盘仪测量，相对于参考点的位置可采用皮尺直接测量。原则上可以以隧道内任意一点作为参考点，为计算方便，通常用两对称接收孔的连线与隧道轴线的交点作为参考点。3.5安装接收器套管接收器套管必须借助风钻安装。安装前，检查接收孔是否塌孔，套管是否能顺利放入孔底，然后，将三根环氧树脂固化剂放入孔内。将套管与风钻用专用转换接头连接，开动风钻，在5min内将套管推入孔内，套管尾部应到达孔底。在推入过程中，套管端部的刀口将环氧树脂固化剂划破并通过转动拌和使之发生反应。最后，迅速将风钻与转换接头脱离，在环氧树脂固化剂固化前用手动扳手调节套管方向，使套管内两槽口的连线垂直于隧道轴线。有时会因接收孔不直或孔径太小而使环氧树脂固化剂无法放入孔内，这时可用普通锚固剂代替环氧树脂，但必须保证套管与围岩耦合良好，尤其是套管尾部。3.6装炸药测试过程中通常采用普通乳化炸药，爆速在4000m/s左右，其特点是无需特殊准备，工地现场就有，且具有防水功能。装炸药前首先需确定每孔所需炸药量，炸药量的多少可通过试验来确定，方法是在最接近接收孔的两炮孔安装适量炸药，通过放炮进行数据采集，由反射波能量的大小来调整炸药量的多少。反射波能量一般在几百毫伏较适宜，最大不能超过7000mvol。在测试过程中，为节省时间，一般是在数据采集过程中进行炸药量的调整，或是根据经验确定炸药量。采用爆速在4000m/s左右的普通乳化炸药，在类围岩中，炸药量取100120g；在类围岩中，炸药量取80100g；在类及以上围岩中，炸药量取4080g较为适宜。在确定炸药量后，截取满足要求的炸药段，将电雷管插入炸药中，然后将炸药段连同电雷管用装炸药的炮杆送入每个炮孔，直到炮孔底部。在送入过程中，防止炸药与电雷管分离，且需将电雷管的导线头留在炮孔外。4 现场数据采集4.1参数设置将传感器连接起来放入传感器套管，放入之前用清洁杆将套管内清洁干净，安装时，传感器有磁片的一面必须正对隧洞掌子面。将记录存储单元、传感器、触发盒、起爆器正确连接起来后，启动记录存储单元进入TSPwin工作状态，开始参数的设置。数据采集前需设置的参数包括端口选择、采样时间间隔、记录通道样本值、传感器选择、接收通道选择。此外，应将隧道名、测试时间、操作者，以及其它相关信息记录并存储下来，以备查询。端口是指用于记录单元与便携式电脑之间进行数据传递的通道，系统默认为1；采样时间间隔系统提供了62.5微秒和125微秒两种选择，系统默认为62. 5微秒；记录通道样本值系统提供了7218和14468两种，系统默认为7218；传感器提供了X、Y、Z三个方向的数据采集方式，系统默认X、Y、Z三个方向都选；接收通道系统提供了4个，传感器连接的通道即为选择的通道，系统默认1、2通道。采样时间间隔和样本值由期望预报的距离决定，两个值越大，得到的记录时间越长，当必须改变其中一个参数以得到一个更长的记录时间时，首选是增加样本值。4.2数据采集将金属导线与雷管导线连接起来，两导线必须分离开，不得接触形成短路，否则无法引爆雷管。导线连接好后，向炮孔内灌注满水，同时仪器操作人员点击操作界面上的Acquisition键，系统进入噪声自动检测状态，控制面板上橙色的“BUSY”显示灯亮，几秒钟后，橙色灯熄灭，绿色的“READY”灯亮，这时笔记本电脑上显示“READY FOR RECORDING”，记录单元进入记录数据状态。必须注意的是只有记录单元进入数据记录状态才可以起爆雷管，开始数据采集。待工作人员撤离到安全位置后，关闭噪声检测界面，并开始对起爆器充电，待充电结束，记录存储单元进入记录数据状态后，起爆电雷管，电雷管引爆炸药，系统进入数据采集阶段。数秒钟后，x、y、z三个方向的反射波全部传送到记录单元，存储采集到的地震波数据，此炮数据采集工作完成。然后重复上述操作，开始第二炮的数据采集，直到最后一炮。5 数据处理及解释5.1数据处理流程数据处理前须将测量几何参数输入程序表格中，包括隧道的半径、高度，掌子面、参考点的里程桩号，爆破孔、接收孔的孔深、倾角、倾向以及各孔相对参考点的距离，每个炮孔的装药量。测量几何参数输入后就可按照处理软件设定的步骤开始数据分析处理。数据处理共分11步进行，每步处理前须选定合适的参数。图13-3是TSP203系统数据处理流程图。数据设置带通滤波初至拾取拾取处理P、S波分离反射波提取Q评估炮能量平衡速度分析深度偏移反射层提取图13-3 TSP203系统数据处理流程图在上述11步处理过程中，数据设置中的数据长度设置需根据期望预报的长度来确定，一般取200ms左右基本能满足测试要求；带通滤波参数的设置在处理过程中非常重要，其设置的原则是反射波的主频必须在带通滤波设置的门槛值内，且范围不宜过宽、也不宜过窄。其它参数设置多采用默认值和处理软件计算值，一般能够满足数据处理基本要求。数据处理的结果直接影响预报的结果，因此，除上边提到的一些原则外，参数的设置必须根据围岩实际情况和测试过程中积累的经验进行。5.2数据解释原则数据解释除了要充分应用数据处理后的结果，如波速、纵横波速比、泊松比、密度，以及各种模量外，还要结合区域地质地貌、前期地质勘察资料、野外地质踏勘和隧洞已开挖段地质情况进行综合分析。在数据解释中，对于经数据处理后直接提交的预报成果，解释时应遵循以下原则：（1）正反射振幅表明岩层变硬，负反射振幅表明岩层变软；负反射与正反射的组合表明该位置有断裂（断层）。（2）若S波（横波）反射较P波（纵波）强，则表明岩层饱含水。（3）Vp/Vs（纵横波速比）增加、（泊松比）突然增大，常常由于流体的存在而引起。（4）若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。6 地质预报质量控制要点（1）严格按要求钻炮孔和接收孔。（2）准确测量炮孔的孔深、倾角、倾向，相对于参考点的位置、高度。（3）按要求安装接收器套管，保证套管与围岩耦合良好。（4）控制好炸药药量。（5）爆破时，尽量使炮孔内注满水。（6）选择合适的参数进行数据处理。（7）坚持跟踪地质观测。（8）数据解释必须结合前期地质勘察资料、野外地质踏勘和隧洞已开挖段地质情况。7 安全注意事项（1）所有工作人员进入隧洞内必须戴安全帽。（2）炸药、雷管必须根据需要领取，不得多领。（3）炸药、雷管必须有专人看管，使用前必须分开。（4）雷管不能放在接近电源的地方。（5）测试时必须设立安全警示员。（6）连接导线时工作人员不得正对着炮孔。（7）连接导线、灌水的工作人员未撤离到安全位置启爆器不得充电，不得放炮。（8）测试时接收器到掌子面段不得有其他无关人员。（9）测试时保证隧洞内的通风和照明。8 工程实例8.1工程简介明月山隧道跨川、渝两省，穿越明月山，左洞长6557米，右洞长6555米，是沪蓉国道主干线支线忠县至垫江高速公路的重点工程。隧道穿越明月山背斜，两翼须家河（T3xj）和珍珠冲（J1xh）分布区，植被发育，测区内无大的河流。明月山背斜出露地层主要有三叠系雷口坡组、嘉陵江组、须家河组、侏罗系上统珍珠冲组。其中须家河、雷口坡组分布最广，第四系主要分布于背斜北西翼缓倾斜坡及隧道进出口地段，围岩主要以泥岩、砂岩、灰岩为主。隧址区位于新华夏系川东弧形构造，华蓥山隆褶带明月峡背斜中段鞍部。隧道通过地段轴部最老地层为三叠系下统嘉陵江组（T1J）上部，出露最老地层为三叠系中统雷口坡组（T21），两翼地层为三叠系上统须家河组（T3xj）至侏罗系下统珍珠冲组（J1z）。隧址区地表沿背斜轴部发育一条走向断层（F1）。AZK1和CZK2两个钻孔均揭露，嘉陵江组地层中见一层间挤压破碎带。隧道节理裂隙较发育，主要有两种类型，即构造裂隙和风化裂隙。测区三叠系中下统碳酸盐岩类分布于背斜轴部，因受两侧碎屑岩所构成的中低山岭脊夹峙，具备有利的岩溶发育条件，形成了特有的隆脊型岩溶槽谷，岩溶特征与岩性、地貌条件关系密切，岩溶水运动和富集则受地质构造控制。三叠系上统须家河组砂页岩和侏罗系下统珍珠冲组砂泥岩分布于背斜两翼，岩层以倾斜状态产出，具有形成碎屑岩裂隙空隙层间承压水和红层承压水的良好储水构造条件。尤其是北西缓翼，为典型的自流斜地，是典型的较富水类型之一。地下水主要类型为碎屑岩类孔隙裂隙水和岩溶水。8.2施工情况明月山隧道采取进出口同时开挖施工，该工程于2005年11月开工，于2007年底贯通。明月山隧道穿越明月山背斜，地表沿背斜轴部发育一条走向断层。受地质构造影响，隧道K4416K5700段围岩节理裂隙发育、岩溶发育，岩体破碎，富含层间裂隙水和岩溶水，稳定性差，开挖过程中多次发生突水、坍塌，给正常施工带来严峻挑战，严重影响施工进度和工期。由于该段以类围岩为主，且地下水多以股状、大股状产出，因此开挖方式和支护参数与设计相比都发生很大变化，堵水墙、全断面深孔预注浆在施工过程中都被应用。相比隧道进口段，出口段围岩相对较好，主要以砂岩、泥岩为主，节理裂隙较发育，岩体较破碎较完整，围岩以、类为主。8.3地质预报实例8.3.1断层地质预报隧址区地表沿背斜轴部发育一条走向断层，通过钻孔和岩层产状推断断层与隧道左线轴线交于K5722，其破碎带范围在K5722773，图13-4、图13-5、图13-6是掌子面里程桩号在K5627进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。图13-4 P波深度偏移剖面图13-5 P波反射面图13-6 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图通过地质预报成果图分析，在K5642 、K5690两处分别有一个明显反射界面，且是围岩由硬变软的反射界面，在两反射界面之间的其它反射界面也以由硬变软的信号为主，在K5738有一个围岩由软变硬的反射界面。依据TSP系统数据解释原则，结合前期地质预报结果，推断K5642690为断层及挤压破碎带，与设计资料推断的位置存在几十米的差异。后经开挖揭露，在K5644围岩裂隙发育，岩体开始变得破碎，稳定性变差，局部有错动痕迹，开挖到K5695，岩体逐渐趋于完整，到K5700围岩裂隙稍发育较发育，岩体完整，稳定性好，其结果显示与TSP203系统预报结果基本吻合，断层比设计资料显示的提前78m进入。8.3.2岩溶预报明月山隧道进口段岩性复杂，其中以灰岩为主，受区域地质构造影响，围岩节理裂隙发育、岩溶发育。图13-7、图13-8、图13-9是掌子面里程桩号在K5501进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。图13-7 P波深度偏移剖面图13-8 P波反射面图13-9 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图通过地质预报成果图分析，在K5563、K5576两处分别有一个反射界面，两反射界面都是由硬变软的信号，这两反射界面信号虽然不是很强，但参照设计资料，该段位置处于山体冲沟处，再结合开挖段地质情况，推断K5563576岩溶发育，可能发育溶洞，发生涌突水。开挖结果证明，该段溶隙、溶孔发育，在K5573处发育一个充填溶洞，并导致突泥，其结果与TSP203系统预报结果基本一致。8.3.3破碎带预报明月山隧道进口段受地质构造影响，围岩节理裂隙发育、岩溶发育，岩体破碎。图13-10、图13-11、图13-12是掌子面里程桩号在YK5387进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。图13-10 P波深度偏移剖面图13-11 P波反射面图13-12 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图通过地质预报成果图分析，在YK5395、YK5409、YK5417 三处分别有一个明显反射界面，且是围岩由硬变软的反射界面，在YK5395417段，对应的围岩密度变小、泊松比增大、