TGP隧道地质超前预报技术-new.ppt

1,隧道地质超前预报技术,ccsws,2,3,1、确保施工安全：当前隧道工程巨大，在高速铁路、公路、地铁、水电、矿山开采及军事等工程中，隧道所占比重越来越大。施工过程中存在诸多隐患，如突水、突泥、塌方等，这些隐患严重威胁隧道工程的安全施工。2、施工勘察延伸：随着隧道工程的规模、数量、长度和跨度的不断增加，隧道勘察阶段的工作难度也随之加大，超前预报可以弥补隧道勘察工作深度的不足。铁建设2007102号文件明确指出：科学地进行隧道地质超前预报已经列为隧道施工的重要工序。,4,隧道工程是高速铁路、公路、水电、国防工程等项目中的重要组成部分,5,隧道工程比重超过50%,6,宜万铁路隧道地质条件复杂，突水、突泥严重影响施工安全。,7,宜万铁路隧道构造岩溶高压水突水,8,9,面对形势做好地质超前预报,10,11,12,13,交通部2008年8月21日（交质监发2008274号）发布执行的公路水运工程试验检测机构等级标准及公路水运试验检测机构等级评定程序中将“隧道施工超前地质预报”作为专项列出并明确了其设备配置。,14,小结：隧道工程建设发展，地形地质条件复杂，面对勘察现状、事故教训，确保施工安全需要要警钟长鸣；地质超前预报纳入隧道施工工序管理；制定科学的预报方案；落实责任、对超前预报数据的真实性负责；采用综合互补的地质预报技术方法。,15,16,隧道地震波特点,三分量记录,X分量Y分量Z分量,有效波,干扰波,17,目前采集参数：偏移距：20米；炮间距：2米；存在问题：纵横波分离距离小，有效波域短,18,预报原理大界面型地质：构造带、岩性接触带、规模溶洞条件：界面规模大于波长应用：反射波小界面型地质：溶洞、溶腔、孤石等条件：规模小于波长应用：绕射波（=vt=v/f，若v=5000m/s、f=1000Hz，则=5m）,TGP预报系统的优势：反射波与绕射波相结合。,波长？,19,反射波适用大界面：断层、岩性接触带、规模岩溶（可接收范围）,20,如何理解可接收范围？,O：固定的光源点AB：夹角固定的反光板在OS24测线的哪个区域能够看到光源O的反射呢？（S1S24段）,21,接收O炮孔S1-S24选定界面产状固定在O点可以接收到AB段的反射信号-应用反射波预报,收到！,长界面，形成反射波,界面反射波,22,短界面状况：BC界面的反射偏离S1-S24外，因此装置收不到反射波！,收不到？,23,TGP预报：反射波绕射波二者结合,收到！,震源O在短界面上形成新的震源点A，S1S24段接收由A点形成的绕射波。,震源O在圆形界面形成新的震源点A，S1S24段接收由A点形成的绕射波。,界面绕射波,24,多波多分量采集的检波器,检波器,轴线方向具有最大灵敏度，偏离轴线方向则急剧衰减，称检波器具有高指向性。,检波器指向灵敏度特性的优劣，对多波和多分量采集具有控制性作用！,检波器,轴线方向能量最强，偏离轴线方向能量急剧减弱高指向性,各个方向能量没有变化无指向性,25,检波器的高指向性能与宽带接收,P波分量SH波分量,以上是检波器接收同一震源激发的地震波记录，由两个分量记录可见：两个分量分别对P波、SH波具有明显不同的灵敏度响应。纵横波清晰分辨。,SH波方向能量强,P波方向能量强,26,小结：根据地震波传播规律选择有效波时窗；掌握地震反射波和绕射波预报原理；明确纵横波和多分量采集，对地质评价和界面空间定位的重要性。,27,观测方式,纵向排列横向排列,接收点,激发点,TGP、TSP观测布置图,激发点,接收点,28,纵向排列观测采集的记录形态（TGP/TSP采用纵向排列，前行波与回波同相轴呈喇叭口状，有益识别。）,掘进方向,前行波,回波,29,震源在后、排列在前：前行波增加、回波减小，同相轴反向、呈喇叭口。,纵向排列观测顺序讨论,结合隧道预报的复杂性，TGP仪器采用炮检互换方式进行数据采集，互换后相当于第种排列。,震源在前、排列在后：前行波减小、回波减小，同相轴同向、呈平行状。,30,横向排列观测采集的记录形态TRT横向散点观测：横偏距小CD段增加有限；前行波与回波同相轴同向、可对比道少、识别困难；,TRT传感器布设俯瞰图,隧道环境下，加上洞腔、洞壁干扰，采用横向散点布设方式，弊利,界面与轴线垂直,31,在界面非正交、横向布置距离有限条件下，CD段长度有限。,纵向与横向排列接收的讨论,纵向排列,横向排列,纵向排列与横向散点排列的反射段长度比较,32,岩溶物理模型研究地震波采集效果,接收方式：,地震波观测系统模型,33,钻孔采集的地震波面波弱.反射波强呈曲线,孔中接收的优点：避开表面波干扰及洞壁岩体衰减大等；提高反射波和绕射波的接收能量。,34,小结：纵向排列：前行波与回波同相轴呈喇叭口状，易区分，且利于波型识别。横向排列：洞径有限、洞径与预报距离的比值较小，意义不大。横向排列回波难识别，干扰波难区分。单分量接收无法实现界面的空间定位。孔中方式，提高回波信噪比、压制面波干扰。洞壁岩体松动，地震波衰减增大，不利于激发与接收。洞壁锤击能量有限，声波影响，有效预报距离短。,35,采集触发方式,36,误差造成：速度误差距离误差相位误差物性误判,37,38,检波器耦合技术,灵敏度指向性耦合效果经济,TGP接收探头,39,40,在地震波信号质量保证的条件下，利用TGP记录，获得正确的频率认识：黄土100200Hz软岩200400Hz硬岩4001000Hz坚硬岩10001500Hz,41,42,TSP203/200套管露出孔口或探头触点贴管壁不紧，记录中隧道管波和高频毛刺干扰严重。,43,Offset:20米offset:30米offset:40米；,隧道管波干扰,回波时窗,偏移距offset增加:有效波时窗增加纵横波分离改善,规避隧道管波,44,小结：实现界面空间定位，三分量记录是偏振、矢量和极化波处理的基础。TGP206/TSP203应用三分量；TRT单分量。实现三分量采集的关键为检波器，根据采集记录分析，动圈式比压电式检波器具有优势。耦合技术优劣关系到数据质量，应选择可靠、方便、经济、快捷的耦合技术。保证地震波走时测量准确，要减少仪器触发误差。隧道管波干扰的存在是客观的，通过加大偏移距离规避干扰，对提高数据的真实性有利。,45,偏移成果的可靠性检查,可靠成果源于真实数据，又是地质推断的基础；针对成果检查对应数据，是物探熟知的捷径。,可靠成果是解释基础,46,隧道管波在偏移图中的假象,隧道管波偏移成果假象地质误判,剔除成果中假象,47,掌子面回波：隧道开挖应力释放；掌子面附近岩体形成地震波传播界面，产生非地质成因的回波。利用同相轴交点位置可予以识别。,掌子面回波在三个分量中均有表现，但横波分量更严重。,通过检查识别掌子面回波,掌子面回波检查,48,利用前行波与回波交点的位置与掌子面的关系，判断成果中的异常成因。,掌子面回波干扰,P波偏移成果图,SH波偏移成果图,49,速度参数曲线检查,TSP203/200成果：80-100米以后速度曲线异常，非地质原因隧道管波造成。,为何变化大？,隧道管波造成速度异常,50,TSP203/200速度曲线的隧道管波假象,51,估算速度校正,背景：速度代表性无查验；优势：排除虚假速度异常，进行速度校正，与已知段岩体进行比较使用。,52,非校正速度曲线解释存在：各向异性体的代表性；没交代相对估算速度；,53,小结：预报成果是地质性质和地质特征推断的基础，应通过检查确认可靠后再使用；隧道地震波预报如同其他物探方法一样，存在有效波与干扰波，而且隧道环境下更加复杂，建立有效波预报的观点。管波和掌子面回波干扰具有规律性，应用中还存在施工震动干扰和地形回波等干扰，应用中应避免简单化。估算速度曲线依据回波能量计算，本质上映界面两侧岩体声阻抗差异，应用中与开挖段岩体比较，实用性强。,54,TSP203地震预报成果图,TSP203/200偏移成果图,55,TSP203/200速度曲线与参数成果图,56,TRT地震预报成果图,TRT6000单分量偏移成果图,57,3D空间产状分布图；2D产状与估算速度曲线；,TGP206地震预报成果图,58,工程实例图解,天宝高速公路花石山隧道,勘察报告推断断层存在，但其规模和具体位置不清，需要地震波预报给予确定。,（4）TGP仪器预报工程实例,59,A.偏移归位图,B.构造产状图,走向图,倾向图,A图：2条偏移异常，拟地震曲线2处低频波动；B图：断层与隧道夹角60，前界面俯倾，后界面近直立。,60,估算速度与反射符号,速度曲线呈“凹”形低速，Vp=2700米/秒；降低达1/3多，推断岩体碎块状强风化。横波在断层带前26米呈低速，为断层影响带。界面回波符号见图中标示。,估算速度曲线图,61,提供断层空间分布与产状，断层带宽度70-80米，其中：紫色为强负反射，红色为强正反射，反射符号与强弱用颜色色标区分。,TGP隧道预报3D图,62,由图见：726至700段纵、横波速度呈台阶状曲线降低，横波降低幅度大，已开挖段页岩具有泥化特征，裂隙水呈淋雨状。据此推断预报段页岩泥化严重、或裂隙水加重，预报结论围岩具有垮塌可能，由3级降为5级围岩。,三亚迎宾隧道,63,三亚迎宾隧道预报岩性界面3D图,三亚迎宾隧道3D成果图显示：隧道拱顶738至710段呈倒三角楔形，与事故处理后的垮塌形状吻合。,64,大瑶山岩溶发育方向预报试验,俯视图水平方向发育,空间绕射波点提取技术,正视图高程发育,65,小结：本章展示了国内外三种仪器的地震波预报成果图，由图可见：偏移处理是共同采用的模式；因计算方法不同存在一定差别；TGP偏移成果强化收敛处理，增加拟地震曲线；TGP增加三维空间定位成果；TGP增加绕射回波点空间定位成果；TGP速度曲线附加反射点位置；总之：鉴于地质条件的复杂性，隧道内数据采集条件的局限性，应尽量实现地质化成果图，有利于地质结合进行综合分析。,66,利用界面可重复观测、随机干扰不可重复进行观测，提高预报成果的可靠性；该技术适用于盾构与TBM施工的预报。,67,两个图片是前后相邻两次预报的成果。两次预报互相验证，提高准确性。,重复预报区域,68,背景：采用雷达同样存在对突水、突泥难判断；优势：利用具有互补效果的手段,69,工程实践证明：作为长距离预报技术，地震波预报在如下方面能够发挥作用：对于断层带、裂隙密集带、软硬岩性带划分，以及地质界面的空间产状分布；对于构造岩溶发育带、具有一定规模的岩溶溶腔、以及岩溶通道发育分布的预报；对于界面之间岩体地质性质的评价等方面；在地下水预报方面，尤其是对水压与水量的预报，超出地震波预报的范围。应明确地震波预报是一种技术手段，面对复杂地质条件和隧道安全施工要求，应探讨能够与地震波预报互补的其它手段。,70,其它辅助手段探讨：水平超前钻探探查长度大，可以获取岩芯；占时长，布孔有限；超深炮孔钻探探查长度短，不取岩芯，钻孔快，可以面积布孔；两种手段各有短长，研究岩体厚度抵抗水作用力关系，针对岩溶分布、形态不确定因素，选择超深炮孔作为地震波预报的一种轻便辅助手段，具有可靠、可行、快捷、经济的特点。问题的关键需要了解岩体的安全厚度，分析宜万铁路线隧道岩溶突水突泥的过程，认为可以采用一个掘进循环进尺作为安全的岩体厚度，在地震波预报确定异常区段的基础上，选择使用超深炮孔方法。,71,具体实施方案如下：采用多孔、逐次循环错位的布孔原则；掌子面周边的采用放射状钻孔，钻探深度以开挖后仍然留有4米的岩体厚度设计；掌子面钻孔深度以不小于6-8米设计；隧道施工采用小药量、短掘进工法；应用中针对不同地质条件，增加和减少孔数和深度；钻孔布置图如下：,72,73,逐次错位布置加大探查密度，发现岩溶或断层构造水，采取测量水压等数据，制定施工处理措施，度过高风险地质地段。,74,TGP12,1.TGP隧道地震预报仪器,TGP206A,主机为整机密封方式，仪器信噪比高，抗干扰能力强。,75,仪器结构-信噪比,2.TSP203隧道地震预报仪器,76,3.TRT6000隧道地震预报仪器,笔记本+无线接收+单分量接收+锤击,77,隧道地震波超前预报仪器对比,78,现场试验,多条隧道进行现场试验和同类技术对比,79,80,铁道部工程设计鉴定中心编著的高速铁路隧道一书，对TGP12进行推介。,81,通过与国外仪器对比试验认为：1，主机性能稳定，达到国际先进水平，可以替代进口。