隧道超前地质预报技术研究

隧道超前地质预报技术研究

1隧道超前地质预测预报系统的特点tsp是瑞士安伯罗测量技术公司在20世纪90年代初开发和开发的一套隧道前地质预警系统。它对隧道施工干扰面积大，施工距离长，隧道施工干扰小，数据处理简单，及时，结果直观等特点。近些年来,该系统被不断应用于复杂地质条件下隧道地质预测预报2TSPTSP超前地质预报系统工作流程包括数据采集、数据分析和成果提交,简单介绍如下。2.1测试单元的准备工作TSP系统的数据采集包括以下几个步骤:(1)根据岩层产状与隧洞轴线的关系,在隧道边墙布置传感器安装孔和炮点装药孔。(2)对传感器安装孔参数进行复测,然后将接收器套管放入探测孔中。(3)对炮点炮孔参数进行复测,用木制炮棍将炸药包安放到位。(4)将接收器放入测试套管内,放置时对好方向,连接信号数据传输线,接受信号线一端连接传感器,另一端连接数据记录单元。(5)启动记录单元,设置采集参数为。(6)连接炮点起爆系统,和信号记录触发系统。起爆线一端接电雷管脚线,另一端接记录触发盒。(7)在噪音检查模式下测试记录单元功能,做好噪音监视。(8)依次单个激发震源炮点,进行地震波信号数据采集。2.2波的采集和质量估算利用TSPwin软件对TSP探测系统所采集的数据进行处理,包括以下流程:(1)设置数据长度,根据地质情况和探测目的,合理设置数据最大记录长度以节约计算时间、内存和存储空间。(2)设置带通滤波器参数,对软件处理得到的地震波频谱进行分析,根据以往测试得到的不同岩层的地震波频谱特性,选择合理的滤波参数,目的是将干扰波滤掉,保留能够反映地层特性的地震波。(3)首先到达信号波的舍取,数据采集过程中接受器采集的信号包括爆破地震波的直达波、反射波和干扰波,干扰波信号可以通过滤波的方式进行处理。由于TSP系统利用的是反射波信号,所以识别直达波和反射波信号是关键。(4)初至处理,由纵波初至确定横波初至,TSPwin需要横波初至来计算横波速度,并且为了下面的质量估算需要放置一个短的分析窗口在直达横波波形上。起跳点是否清晰是评价数据采集质量的重要指标,理论起跳点的连线是一条直线。(5)药炮能量平衡,对每一炮由于弹性能量释放变化进行补偿。(6)估算质量因子,由初至波确定衰减参数(7)反射波的提取,包括Radon变换和(8)P-S波分离,将(9)地震波速度分析,包括4个步骤:创建一个速度模型、由此模型计算旅行时间、偏移地震数据到一个同激发距离道集上,以及由这些偏移得出一个新模型。(10)反射界面的深度偏移,主要是通过纵、横波偏移将地震振幅由时间域映射到物理空间。(11)地震波反射界面的提取,由最终的偏移结果使用影像处理和结果列表提取主要的纵波和横波反射界面,包括P波反射界面的提取、SH波反射界面的提取和SV波反射界面的提取。2.3岩体力学参数TSP探测成果提交内容包括:(1)围岩等级、长度、空间位置和岩体力学参数(包括岩体中P波和S波的传播速度(2)不良地质体及构造的空间位置分布、规模和类别(如断层、岩层分界面、岩溶或含水量等)。(3)通过不同地段和不良地质体的施工方案和措施。3反射波信号的采集要求及处理办法为保证TSP系统能够高质量的进行超前地质预测预报,必须要采集到高质量的反射地震波信号,建立正确的地震波信号处理软件数据库,及合理地设置滤波参数。为此,要注意以下几个方面的问题。3.1测线和氧传质布置根据地震反射波法的测试原理,为保证地震信号采集的真实性,进行测线布置和传感器安装应该注意以下几点:(1)测线的布置方向应与隧道的走向一致。(2)尽量使炮点和接收器钻孔处于同一平面上,炮点和接收器钻孔应尽量平行,且炮点钻孔孔底应位于同一条直线上。(3)接收器中传感器的地震波接收平面应该与隧道走向相垂直一致。(4)接收器安装套管应与探测孔耦合良好,以保证接收器与围岩振动一致。3.2激发地震地震波震源地震波在地层中传播时,地震波能量随着传播距离加大,会不断衰减,当地震波强度低于一定值时,无法被地震波传感器采集到。在同一地层中,频率越高,地震波衰减越快。反之,地震波衰减得越慢。同一频率的地震波,在完整性好、强度高的地层中传播,地震波衰减得慢。反之,地震波衰减得快。当地震波强度低于一定值时,接收器无法采集到地震波信号。所以在一定的探测距离内,为了使反射地震波信号能够被接受器采集到,就要求震源激发的地震波强度足够强。为此,为获得良好的地震波震源必须采取以下措施:(1)根据炮点布置点的围岩特性,合理确定炮点装药量。一般围岩强度高,完整性好时,装药量可以小些。围岩强度低,完整性较差时,装药量应该大些。(2)炮点装药应该选择防水强、爆速高、密度大的猛炸药。(3)制作炮点药包时,药量必须用天平准确称量,并做好标记。(4)炮点装药时,用木质炮棍将炮药轻轻送至炮孔底部,避免炮药和雷管分离。(5)药包装入炮孔后,往炮孔内注水,使装药与炮孔孔壁处于水耦合状态。(6)用炮泥对炮孔进行封堵,并保证足够的填充长度,以抑制爆破噪音和爆破冲击波信号对地震波信号的干扰。3.3影响电雷管点火时间的因素在TSP超前地质预报系统中,采用放炮器放电方式触发地震信号记录,所以为保证地震信号记录与炸药起爆具有同时性,要求采用瞬发电雷管起爆炸药。实际上,现在使用的瞬发电雷管发火时间在3～7ms之间漂移,并不是真正意义上的瞬发电雷管。从理论上分析,如果所使用的电雷管发火时间相同,就不会影响预报结果的准确性。影响电雷管发火时间的因素有,雷管引火头的成分、雷管桥丝电阻、和起爆电流的大小。为减小瞬发电雷管发火时间的漂移范围,应采取以下措施(1)同一次地震波反射信号数据采集当中,必须选用同一厂家同一批号生产的电雷管,以保证雷管引火头的成分相同。(2)在制作炮点药包前,应该对使用的电雷管进行导通测试,要求同一次使用的电雷管电阻的差值不超过2Ω。(3)起爆器每次要有足够的充电时间,使起爆器都在最大额定起爆电压条件下放电起爆,也就保证了电雷管每次都具有相同的起爆电流。(4)由于每百米放炮母线的电阻仅仅是电雷管的电阻的1/4～1/3,所以电雷管的电阻对起爆电流的影响很大。为了控制电雷管电阻差异,对起爆电流的影响,可以在放炮母线上接入一个电阻值100Ω左右的控制电阻。3.4固定线及传输线的安装所采集的地震信号质量如何,将直接影响到超前地质预报的结果,所以地震信号采集过程中要注意以下几点:(1)在探测系统线路连接过程中,要求数据线接口与测试仪器接口连接要牢固,以保证数据线处于良好导通状态。(2)数据传输线应处于松弛状态,并放置于地面上,尽量避免悬空布置。(3)数据传输线要远离高压电缆和大功率用电设备布置,避免由此产生的电磁场干扰所采集的地震信号。(4)地震信号采集时,如果背景噪音强度过高,那么仪器将无法采集到所需的地震信号,所以要严格控制地震信号采集过程中的背景噪音强度,大于60dB时不能放炮,必要时应切断干扰源。可用爆炸机和试验电阻进行模拟爆破测试。3.5地震数据处理地震波的数据处理中,只有所建立的数据库正确,确定的滤波范围合理,才有可能够获得准确的地质构造界面位置,和不同里程范围内岩体的物理力学参数,所以数据处理要注意以下方面:(1)所建立的地震波信号处理软件数据库中的数据要正确。进行现场探测前,必须对测试孔和炮点装药孔的几何参数(深度、倾角),炮点、掌子面到接受器的距离要进行测量复测,每个炮点的装药量和掌子面里程必须正确。(2)合理设置滤波参数范围。当所采集的地震波信号质量高,不含干扰信号时,直接采用处理软件默认的滤波参数,就能够得到很好的处理结果。如果采集的地震信号质量不高,干扰信号成分较多时,就不能直接采用处理软件默认的滤波参数进行滤波。必须对软件处理得到的地震波频谱进行分析,根据以往测试得到的不同岩层的地震波频谱特性,选择合理的滤波参数,将干扰波滤掉,保留真正反映地层特性的地震波。(3)识别首先到达信号波,进行起跳点信号处理。根据首先到达信号波的特征,确定每道地震波信号的起跳点。准确确定起跳点,是减少软件处理结果误差的基本保证。(4)根据掌子面前方可能的地层特性,合理确定超前地质预报范围,以保证超前地质预报的精度。(5)进行不同个数地震波反射界面提取数量的设置