隧道超前地质预报技术讲座二

隧道超前预报与病害诊断技术

讲座之二

国内外超前预报技术现状与问题

隧道超前预报与病害诊断技术

隧道超前预报与病害诊治技术报告主要内容常见病害与地质超前预报的内容；国内外地震法超前预报技术现状与问题；√隧道地震法超前预报技术的几个核心问题；TST隧道地震超前预报技术特点及应用；5国内外超前预报技术评价方法；；√6TST技术在隧道病害、边坡与场地勘查中的应用；7TST与高密度电法综合预报技术的应用；地震CT、SSP地震散射剖面与高密度电法隧道病害诊断技术；9滑坡与水库漏水的病害诊断技术；1地质超前预报内容与技术要求2超前预报技术发展历史回顾3国内外超前预报技术现状与问题3.1陆地声纳法3.2地震反射‘负视速度法’3.3声波HSP水平剖面法；3.4瑞士的TSP202、203超前预报技术；3.5TGP206超前预报技术；3.6美国的TRT与TRT6000超前预报技术3.7最新的TST隧道超前预报技术超前预报技术分类与评价

4.1超前预报技术分类4.2超前预报技术存在的问题4.3超前预报技术评价方法2国内外超前预报技术现状与问题1.1预报地质对象性质

灾害性不利地质对象：断裂构造、含水体、溶洞、含瓦斯构造，岩爆；基本地质要素：地层岩性、工程类别、力学性状变化；1.2预报尺度要求：位置定位精度：误差小于10%构造规模尺度：误差小于10%分辨率：1m1地质超前预报的内容2超前预报技术发展回顾

国内外的超前预报技术是一个不断发展的过程。超前预报技术的研究始于上世纪80年代末，主要方法是地质预测。90年代初中国与瑞士几乎同时起步开始物探方法超前预报研究。瑞士研究开发TSP技术，中国铁道部开立‘隧道开挖工作面前方不良地质预报’科研课题，开启了我国物探超前预报技术的研究。课题中同时开展了陆地声纳、负视速度法、HSP水平剖面法和地质雷达的超前预报研究。90年代中期铁道系统开始从瑞士引进和推广TSP202、203。公路效仿铁路也先后引进TSP，有些工程招标文件中甚至特别指定必须使用TSP203投标。在市场的推动下，不到10年的时间中国先后引进TSP超过100套，成为世界上的最大用户。美洲超前预报的起步较晚，90年代末才开始。21世纪初美国NSA公司开发出TRT技术，并开始在欧洲作为咨询工具应用，但是没多久2005年NSA公司被并购，TRT技术的一些功能还未开发完成，开发者就另辟新径离开了TRT技术。2008年TRT技术以TRT6000的名义开始进入中国（陈刚毅2009）很快就发现TRT存在很多问题需要改进（2009）。在TSP风靡全国的时候，2006年国内出现了模仿TSP技术的TGP超前预报技术（2009）。这一阶段工程界的主要需求是工程应用，急于寻找可用于地质超前预报的方法，对方法原理的科学性与准确性还来不及考虑。随着TSP技术的应用，其技术缺陷逐渐暴露，准确性不高，虚报漏报严重，引起了对TSP技术的质疑。超前预报技术发展回顾常旭等对TSP的线性排列观测系统的超前预报技术进行数值模拟时发现，于隧道斜交的断层的偏移图像是一个以隧道为对称轴的锥面，垂直于隧道的断层的图像是一个包围掌子面的椭球面（2006）。这一事实表明隧道内小孔径观测条件下，偏移成像的方位分辨很差，无法确定反射面的确切位置。为了确定位置必须对地震资料增加约束条件，给定地震回波的方向。这一研究结果与赵永贵等研究的结果不谋而合。XX等在对TSP方法的理论进行分析时指出其存在三个技术缺陷（2008，2010）其一是其观测方式不合理，不能准确确定掌子面前方围岩波速，用直达波速代替掌子面前方波速在构造复杂地区会造成定位的较大偏差，同时不能提供反应岩体力学性状变化的信息；其二是没有方向滤波，对不同方向的回波不加区分，将上下左右的侧向反射都偏移到掌子面前方，造成虚报误报，在浅埋隧道海底隧道和水平地层发育的地区尤为严重；其三是纵横波的分离方法有问题，没有经过方向滤波处理就进行纵横波分离的结果是不正确的，以此为基础的纵横波比预报含水性的结果是不可靠，国内一些隧道的涌水事故的漏报均与此有关。这些技术缺陷不仅存在于TSP中，在TGP和TRT中也同样存在。这使超前预报技术进入了理论研究的阶段。超前预报技术历史回顾历经了十年独立自主的开发，由XX主持的TST超前预报技术2007年问世。它以严谨的球物理原理和专业的数据处理技术为基础，建立了全新的观测方式与资料处理流程。使用F-K方向滤波技术进行空间波场分离，使用速度扫描技术确定掌子面前方围岩波速分布，在方向滤波的基础上进行纵横波分离，克服了TSP中存在的种种技术缺陷，同时提供地质构造偏移图像和围岩波速分布图像，便于综合分析与解释，使超前预报技术更科学、更可靠、更精确。综观各种超前预报技术，它们在观测方式和资料处理技术上的差异反映了开发者对于隧道内三维地震波场复杂性的理解程度和对地震数据的处理能力。观测方式和资料处理技术是密切相关的，它们是建立在对波场理解的基础之上。观测方式和数据处理技术科学性反应了超前预报技术的优劣，因此可以依据观测方式和资料处理技术对目前的超前预报技术进行分析和分类。3国内外超前预报技术现状与问题3.1陆地声纳法3.2地震反射‘负视速度法’3.3声波HSP水平剖面法；3.4瑞士的TSP202、203超前预报技术；3.5TGP206超前预报技术；3.6美国的TRT与TRT6000超前预报技术3.7最新的TST隧道超前预报技术3.1陆地声纳法

陆地声纳法是上世纪90年代初提出的，观测方式非常简单，在隧道表面依次敲击，将记录并排在一起，称零偏移距数据。该数据面波干扰严重，不能分析波速，不能分辨波的方向，同相轴不清楚，反应深度有限，难于分析，缺乏可续依据，无应用价值，是一种非专业方法。90年代初铁道部科研项目提出的方法。观测是在隧道侧壁打孔布置检波器和炮点，检波器和炮点在一条平行隧道轴的直线上，可称为剖面观测。利用直达波估计岩体波速，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方反射界面的位置。观测与分析方法与垂直地震剖面测井有很多相似之处，所以有时也称‘垂直剖面法’。检波器和炮点埋入到隧道侧壁岩体中1~1.5m，有效地避免了面波干扰，提高了信噪比。对于前方规模较大的不良地质体能可靠地预报，但是对于不良地质体性质的判别和定位等方面还更多地依赖于经验和对于周围地质条件的了解。该方法很难对前方岩体工程类别的变化提供更可靠的信息。仅使用了地震波的运动学信息，缺少围岩速度分析和波场分析和方向滤波功能。3.2负视速度法3.3声波HSP水平剖面法

90年代初铁道部科研项目之一。声波水平剖面法（HSP）的观测方式与负视速度法略有不同，激发点和接收点布置在隧道两侧。假定反射波来至掌子面前方，在隧道的一侧壁上规则设置检波点，另一侧壁上规则布置炮点，按反射波等路径原理单发单收，靠近掌子面激发时远离掌子面接收，根据反射波线性同相轴确定前方不良地质体的位置。与负视速度法相比，水平剖面法的观测系统为阵列方式，横向展布较大，有利于提高速度分析和定位的精度，但可惜没有速度分析功能，采用围岩波速直接测定方法。图像有一定的直观性，能确定主要反射界面，对于复杂地质条件的多反射界面处理较困难。资料处理仅运用走时这个运动学资料，缺少围岩速度分析、波场分析与方向滤波功能。在西南铁路系统中有一定应用，目前在台湾和日本有一些应用实例。声

波

水

平

剖

面

法3.4TSP202、203超前预报方法

TSP超前预报方法（TunnelSeismicPrediction）是由瑞士Amberg测量技术公司上世纪90年代初开发的用于隧道超前预报的技术。该方法在欧洲、亚洲有很多应用，中国先后引进了该公司的TSP202、TSP203等超前预报系统，特别是铁路系统引进数量较大，是TSP的最大用户国。TSP的观测是由一个三分量检波器承担，埋入隧道侧壁岩体中1-1.5m，炮点设于隧道同侧边墙岩体内，等间距排列，与接收点在一条平行隧道走向的直线上，是剖面观测方式，与国内的‘负视速度法’的观测方式基本相同。TSP在资料处理方法上是利用单侧检波器记录，采用深度偏移成像技术。该技术的分析软件名称为TSPWIN，资料处理分11步进行。随着近年来在中国的应用，逐渐发现TSP存在很多技术缺陷，主要缺陷有三点：1）不能准确确定围岩波速，不能准确确定断层位置；2）缺乏三维波场的识别和滤除侧向波功能，将不同方向回波都用于预报，造成虚报误报；3）简单地将平行隧道轴向的记录取为纵波，横向分量取为横波的做法是不合地震波场原理的，以此为基础的含水性预报也是不可靠。实际每一分量都包含着平行方向传播的纵波和横向传播的横波，用单点记录是无法将纵横波分离开的。TSP的观测方式和软件处理方法缺乏严谨的物理基础，臆造性较大，与真实地质情况相差较大，造成了很多漏报、误报和工程事故。TSP203的观测方式TSP三分量记录

TSP202超前预报技术TSP203偏移成像3.5TGP206超前预报系统

TGP206的观测方式与处理软件基本是模仿TSP203技术，其优、缺点与TSP基本相同。波速由直达波代替、定位不准确和缺少方向滤波等缺陷造成预报结果不确定。在青岛仰口隧道同一里程的6个分量的记录得到六个预报结果，互不一致。青岛仰口隧道TGP206预报的6个结果互不一致左右壁观测资料分别处理,处理结果也不一样,说明侧向波的影响很严重。青岛仰口俘隧道TG杂P206里预报的6茧个结果互飞不一致设纵波速邀度62拍00m丙/s,乌横波速菠度33咱00m欧/s波速要逆给定,尚不能随聋里程变抽化.同穷一场地喂,纵横泉波预报衔地质结框果不一牲致.3.6胶TRT匠和TRT串6000宽超前预报寇技术TRT尸技术的拔全称是跪Tru步eR究efl洽ect午ion槽To牧mog展rap积hy槽，意为明“真正皂的反射载层析成俱像”，盛是由美妙国NS房诚A工程攻公司本宪世纪初挺开发的释，在欧深洲、亚绵洲用于然工程咨怠询。T崇RT技强术的观混测方式遭采用空溜间观测纤，资料假处理方李法采用码地震偏暗移成像陈。检波泄器和激栏发炮点耳布置在立隧道两犹侧和掌很子面上苦，有效捉地扩展路横向展奇布，可于充分获愚得空间辫波场信峰息。遗裂憾的是扰TRT雾的软件埋开发没科有完成臣，中途胃停顿，牵处理软邀件还没拦有波速宁分析功倦能，掌寇子面前患方围岩深波速通恋过人为牙给定，芹并且对淋回波方郊向不加煌分辨。踩TRT们技术在挠欧洲隧肌道超前押预报中话有一些军应用，增如Bl扯isa崭don融a隧道敢、奥地武利的过奶阿尔卑蹦斯山的肆铁路双家线隧道嫂等进行淘过试验馋。20漏05年响NSA遗公司发躁生体制递变动，惊原开发倒者的离腔开使T里RT技玩术停顿搁并失去协技术支础持。2悬008焰年中国考铁科院艰的公司卷将TR争T技术唯改装成沙TRT哀600绸0在中秧国销售厌。TR楼T60项00的党接收方谎式与T辜RT明季显不同欣，它是嚷采用地载声检波蝴器，贴趴于隧道快表面，拾用锤击姿做震源盏，面波跌和声波钓干扰很眼大。应漠用发现熄存在很窗多问题后,锤铁击能量应小、声督波回响屈大、围伸岩速度陷难于准贝确估计宫，特别孟是缺乏敏三维波汤场的识概别和方棉向滤波纽奉技术，乡丰由于声节波干扰研，预报嫩结果都底是圆圈有形构造开，与原深TRT明技术相粪比有很藏大退步错。原TRT易观测技术彻与结果新TR踩T60袖00技屈术的原流理与结鸽果TRT坟600棋0确定故反射位太置是根粪据反射妻波走时捡。以发财射点、创接收点翠为两个遗焦点，贤给定波鱼速，将吩走时转猛换成路厨径长度蛙，画椭杰球面，慨推定反宁射层位胡置。缺见乏方向勇分辨能讨力，图升像全为宜椭圆。赞速度估男计不准池确会影乐响位置变不准，总能区分榜不同方眯性的回缘瑞波造成维虚报误很报。TRT丽600粒0的预若报结果TRT夜600次0的预封报结果床都是园后圈3.7善TST茎超前预报抗技术要点TST抓的技术昨特点：（1）蜡专业设砌计的2痛维阵列赤观测方缴案，同短时满足否波速分果析、争方向滤堵波和减粮少面波鸦干扰三帮项要求洒；（2）应虏用F-K贿方法进行垃波场分析之、方向滤杏波，在方仇向滤波后赏进行纵横粪波分离，略偏移图像稀真实、可释靠；（3）木准确确暗定围岩亏波速分净布，实不现地质敌结构精吨确定位仙；（4）方苹向约束条朵件下的偏牛移成像，宾充分运用轧地震信号刊的动力学酒和运动学菜信息，保顷持方向分喊辨；（5）疑以散射父理论为查基础，忆分辨率界高，不检易漏掉政斜交构远造和孤始立体。（6）骗地质构造宏深度偏移亿图像和反斗应岩体工购程类别的忌波速图像扎，便于综宗合分析，寇预报结果梯更精确，毯更可靠，胀解释更科设学；TST技榴术的观测询方案1隧粥道每侧壁邻6道接收模，埋深2夹，最大限称度扩大横顿向展布,母预报长蚕度为横向倍展布的1沿0倍;2检宋波器间距忠4-6m里,小于哨1/4地电震波长保坡证方向滤胃波精度;3激抗发点每侧须壁2-3竖个,间距幼20-2提4m,别排列总长陷度大于2幻玉-3倍波擦长,满衫足方向滤统波需要;4接否收点和情激发点转可根据元需要任外意改变敌位置，违增减数啦量。钻甘孔一般乏16-滨18个英,比扰TSP要、TG膛P少8稿-10否个。TST世的预报岩结果在空间方抱向滤波、晓围岩波速箭扫描的基泥础上，经图偏移成像美，提供地质构畅造图像和肺波速分布极图像，两电者综合进咬行超前预抓报。4衫超前预握报技术径分类与逝评价4.1锤超前预鸡报技术分剧类目前应做用的主培要地震漂反射预牺报方法摄：陆地食声纳、填负视速页度法、SHP、爽TSP、谋TRT、网TST按观测方友式分类：直线观测奋方式：负暂视速度法绞、TSP、TGP空间观央测方式响：HSP、TRT、TST，满足端波速分滔析要求肢，空间方式穿由于直线鼓观测方式叉；按资料处翅理技术分债类：走时同相开轴分析法捧：陆地声协纳、负视末速度法、HSP，运用走时分序析，使用习运动学信狡息；偏移成陵像法：TSP、TRT、TST，同时艘运用运将动学与限动力学信息黎，同时解牢决定位和劣力学性状总变化；偏移成浓像技术优于走涉时分析婚，但是针需要资迁料满足灾一些条挡件。超前预报躬资料处理捐技术分类地震资沃料处理胜技术分美两类，旧第1类糟是同相滤轴追踪科，第二郊类是偏煎移成像销。早期开氧发的陆链地声纳筹、负视废速度法矿、水平忧剖面法涛都是使艳用同相界轴追踪糖技术，名读取走反时信息宰，仅使欲用运动搭学信息滚，资料雾处理中隔根据走中时同相芝轴预报郑断层；后期开发踢的TSP属、TRT瘦、TGP矿、TST挣等使用偏挖移成像技荐术进行地备震资料处捐理，同时互运用运动苦学和动力慎学信息，氧技术比较最先进。运动学纹信息即窜地震回姨波的走肉时，动灿力学信斜息是地驰震波的易震幅大织小和极徐性。运拘动学信郑息用来禽确定围工岩速度楼和反射海/散射悦体的位因置，动沾力学信勿息用来复确地围况岩波阻将抗差异驰的大小顽和软硬舒性状。偏移成芝像的可魄靠性取芹决于使室用的资谋料，前居方回波距资料和附准确的含速度结赵构。没勉有准确来的速度获结构，柱偏移成泼像的位阅置是不坛可靠的泛，如果叫地震资帅料未经以过波场糟分离消产除侧向舟回波，常偏移成淘像中难摸免包含边虚假成案分。4.2案超前预报蹲技术存在体的主要问歼题目前应用丢的TSP蜓、TGP扑、TR书T等超前古预报技术招存在的主炉要技术问题映有三点：1）缺谢乏三维散波场的跳识别和猪滤除侧顾向波功谁能，造填成虚报腿误报，2）不能羡准确确定易围岩波速尤分布，断愿层与地层涝定位偏差涉大，丢失反应岩垮体力学性倦质的重要劳信息；3）在缺脾乏方向滤薪波的条件碗下进行纵抹横波分离承，分离方声法不科学，结跑果不可神靠，以原纵横波目对比为吴基础的重含水性如预报不笑可靠。4）隧明道小孔全径观测征给偏移区成像技叉术带来皱的丧失长方向分例辨率病态问题；存在问稠题的原择因：1缺枝乏对隧敞道内观锻测的三修维波场使的正确吉认识；2缺诊乏速度券分析、析方向滤舟波、偏旅移成像扫等地球届物理资置料处理专业望技术；4.3辱超前苗预报技脸术的评壤价超前预报卸技术评价杏原则：1地震江观测方式阵：一维的绵观测不如伴空间观测悲；2地川震方向肃滤波技侍术：无净方向滤生波结果技不可靠亩；3掌子罩面前方围爽岩波速：政人为设定离波速不如和扫描精确睛可靠；4工地震资特料处理齿方式：录走时分症析不如熔偏移成中；隧道地放震超前赶预报技橡术评价根据超互前预报朝4项核启心内容医即观测幻玉方式、拦三维波包场分离巨、速度咱分析、钳资料处餐理方法准的要求改和上述践的各种捷方法的樱介绍分骗析，可掏以对国亿内外现且有的超炊前预报悼技术优慨点和缺腹陷做出稼客观评鱼价。评造价结果氧列于下架表。陆虎地声纳冰法缺乏额技术含般量，对肾消除面朵波干扰吊、速度宁分析、茅波场识躲别、资啊料处理搬等方面芬均无相邪应技术款应对，鸭属于非犁专业化眠技术，甲没有应沾用价值轨；负视物速度法从、水平赚剖面法才资料处旨理以走冶时分析漏为主，单对波速饭、波场屑识别等甜方面没看有应对映，技术再缺陷较组多，为下初级技凡术；T撤SP2颂03济、T粥GP2迹06、量TR法T的志资料处冲理方法敌采用偏灭移成像究，但在男观测方殖式、速洁度分析买、波场视分离等缴方面存西在缺陷介，属于射中等技衣术，应像用中存巡寿在一定雀的风险孔，必须抓配合详躲细的地制面地质寇调查工川作；T柜ST满柴足5项匙核心技涛术要求荒，在理督论的严宏谨性、缎预报准吩确性、疫可靠性葱等方面躁比较都谅是目前感最好的司，属于犬高级技锤术，应并该大力泛推广应认用。下团边的列尿表汇总嘱了评价肥结果。国内外续隧道超然前预报雁技术评艇价表隧道超前号预报与病煮害诊治技螺术报告主样要内容1常纯见病害与绣地质超前绞预报的内纽奉容；国内外框地震法评超前预比报技术针现状与乎问题；隧道地漫震法超缸前预报置技术的劫几个核砌心问题育；√TST隧道地震有超前预报伴技术特点晶及应用；5国内外达超前预摄报技术誓评价方膛法6编TST技术在孕隧道病卷害、边武坡与场揉地勘截查中的屈应用；7霉TST与高密度应电法综合耀预报技术造的应用；地震CT、SSP地震散洒射剖面选与高密局度电法砌隧道病软害诊断辩技术；9滑坡与水黄库漏水的妄病害诊断挪技术；3隧道忙超前预报汉的几个核拼技术超前预报艘的几个核捏心技术问鹿题：1舟地下三洗维波场培的复性写；2质隧道超共前预报翻偏移成锯像与消脖除病害烤技术；3地抹震回波的挣方向滤波矮技术与纵章横波分离与技术；4匀掌子面秩前方围岔岩波速枪的分析剧；5假隧道超萝前预报竟观测系讲统的设蔽计原则篇；3.1耕隧道塌内地震胖波场的银复杂性与地表旺观测不侦同，隧症道内的搭观测为数三维波颤场，地绘震回波宫来至前坟后、上味下、左着右，四躁面八方裹，相互亡叠加，捏不易区意分；2地震波旨类型多君样，纵酿波、横顺波、面认波、转怠换波同易时存在叼，相互趣叠加；3每个分量冠的记录都阅是平行方余向传播的保纵波和垂衫直传播方传向的横波胜，纵横波蛇相互叠加毅，靠单点件记录难以杰区分；超前预站报需要摄的是前丢方返回争的纵波杆和横波许，其它盛波都是铺干扰波凑，必须因滤除；5鉴于波场梢的复杂性投和隧道内傅观测孔径域的限制，篇要滤除干飞扰波和进墨行围岩波榨速分析，陡需要对观价测方案进洞行专业设急计；三维地震励波场的复笔杂性复杂性省之一：隧道隧道内接送收到的反记射波来至灭四面八方猾，特别是帜山体表面们的反射最强，水睁平地底层铃、海底等刚反射比断令裂构造的沟反射还强姿；如果不加区恭别，会论误报到展掌子面唇前方。三维波场卡的复杂性赶之二：zyxP波S波P波S波客观规映律：巾T池ST吉TS停PT察GPZ方向公位移：Uz=Uzp+Uxs典z+Uy清szUz=隶UzpX方向位基移：Ux惹=Ux隔p+Uzsx牛+Uys从xUx=Uzshy方向成位移：Uy改=Uyp亭+Uxs总y+U券zsyUy=Uzs耗v前方回波侧向回拔波震源产跌生的地震波包吧含纵波和忆横波，纵予波传播速硬度快，横驳波传播速袍度慢。纵讽波的振动姐平行传播乡丰方向，横两波的振动忘垂直于传戴播方向。祥任何一个五方向的检页波器记录葛的都是平救行该方向搅传播的纵左波和垂直评该方向传筒播的横波佣振动的综窃合。而超前预悉报需要嗓的仅是推前方返矛回的纵糠波或横狱波，需派要将他小们从