TSP203超前地質預報

1、3.1.13TSP203超前地質預報TSP (Tunnel Seismic Prediction)是瑞士安伯格測量公司于 20 世紀90年代初期開發(fā)研制的一套超前預報系統(tǒng)，到目前經(jīng)歷了從 TSP202、TSP203至U TSP203plus三次更新?lián)Q代。通過產品換代，該系 統(tǒng)更加輕便、操作更加簡單、功能更加強大、智能化程度更高。我國 于1996年首次引進TSP超前地質預報系統(tǒng)，到現(xiàn)在已有十幾年的歷 史，在這十幾年，該系統(tǒng)的應用得到大力推廣，被大量應用于公路、 鐵路隧道，水力、電力輸水洞，城市地鐵以及其它洞室工程地質預報。 目前，TSP系統(tǒng)已成為超前地質預報最主要的方法之一。開展TSP超前地質預

2、報可以及時了解掘進前方地質情況，為隧 道施工和支護參數(shù)調整提供科學依據(jù)，從而有效控制地質災害的發(fā) 生，降低施工風險和成本，提高掘進速度，為施工單位贏得經(jīng)濟和社 會效益。. TSP203超前地質預報概述適用范圍TSP203系統(tǒng)適用于對斷層及其影響帶、破碎帶、溶洞、裂隙發(fā) 育帶、軟弱夾層，以及地下水的預測預報。技術特點TSP203系統(tǒng)具有適用范圍廣，預報距離長(一般預報長度在100 m150m)、預報準確性高，提交結果及時，對掌子面施工干擾小等 特點。基本原理TSP20湘前地質預報系統(tǒng)是利用彈性波的反射原理進行地質預 報。預報時，通過爆破產生地震波，地震波在隧洞中的巖體內傳播， 當遇到波阻抗界面時

3、，如斷層、破碎帶、溶洞，大的節(jié)理面等，一部 分地震波被反射回來，反射波經(jīng)過一段時間后到達傳感器被記錄儀接 收，然后用專門的分析軟件進行處理，即可得到清晰的反射波圖像。 通過對反射波運動學和動力學特征的分析，如波速、延遲時間、信號 強弱、波形等，并結合區(qū)域地質資料、設計勘測資料、跟蹤觀測地質 資料就可預測預報隧洞前方及周圍地質情況， 并確定地質異常的位置 和特性。TSP203系統(tǒng)工作原理示意圖儀器設備及主要參數(shù)TSP203系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件主要包括數(shù)據(jù)記錄存 儲單元、三維地震波接收器和起爆裝置。數(shù)據(jù)記錄存儲單元將接收器 采集的信號放大，經(jīng)模數(shù)轉換后將數(shù)據(jù)信號記錄存儲起來；三維地震波接

4、收器用于接收爆破后產生的地震波的反射波信號；起爆裝置用于 起爆雷管，進而引爆炸藥。軟件包括數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件， 數(shù)據(jù)采集軟件用于采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理軟件用于處理采集到的原始數(shù) 據(jù)。TSP203系統(tǒng)主要性能參數(shù)：(1)記錄單元記錄器端口： 4個記錄道數(shù)：12采樣間隔：62.5區(qū)s、125 ”記錄帶寬：4000 Hz、8000 Hz模數(shù)轉換：24位記錄長度：14468V樣點最大輸入信號：10Vpp動態(tài)響應范圍：120dB(2)三分量傳感器靈敏度：1000mv/g5%頻率范圍：0.55000 Hz響應頻率：9kHz橫向靈敏度： 1%工作溫度：0C +65 c(3)觸發(fā)器觸發(fā)電流：約10A觸發(fā)精

5、度：約10 w s勞動力組織勞動組織體系勞動組織人員配置及分工人員人數(shù)主要任務項目負責人1全面負責測試工作的協(xié)調、組織、安排工作技術負責人1全面負責地質預報技術相關工作檢測工程師2負責指導鉆爆破孔、接收孔，安裝接收器套管；負責 測量基礎數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和se告編寫工作爆破工人2負責裝炸藥、連接雷管線，放炮風鉆操作工人2負責鉆爆破孔、接收孔，安裝接收器套管，炮孔灌水地質預報流程圖.地質預報前的準備工作資料收集測試前應將隧道概況、隧道地質縱斷面圖、隧道地質平面布置圖、 掌子面里程樁號、接收器安裝位置里程樁號等資料和數(shù)據(jù)收集齊，以 備數(shù)據(jù)處理和解釋時用。雷管、炸藥的準備雷管采用零延時電雷管，

6、每次需要24個，炸藥采用高爆速炸藥,無高爆速炸藥，也可采用爆速在4000m/s左右的普通乳化炸藥。雷管 和炸藥需有專人看管，存放和運輸過程中不得放置在一起。鉆炮孔和接收孔每次測試需鉆24個炮孔和2個接收孔。在左邊墻或右邊墻距地 面約1.0m高的水平線上，按間距1.5m、孔深1.51.8 m、孔徑35 38mm、傾角1020 ,傾向1020的標準鉆24個炮孔，最后一 個炮孔距掌子面距離根據(jù)現(xiàn)場情況而定，一般情況下應盡可能接近掌 子面。接收器孔分布在左右邊墻，與炮孔在同一水平線上，距洞口方 向的第一個炮孔1520m,其孔深2.0m、孔徑4245mm、傾角5 10 。TSP203超前地質預報炮孔、接

7、收孔分布示意圖安裝接收器套管接收器套管必須借助風鉆安裝。安裝前，檢查接收孔是否塌孔， 套管是否能順利放入孔底，然后，將三根環(huán)氧樹脂固化劑放入孔內。將套管與風鉆用專用轉換接頭連接，開動風鉆，在 5min內將套管推入孔內，套管尾部應到達孔底。在推入過程中，套管端部的刀口將環(huán) 氧樹脂固化劑劃破并通過轉動拌和使之發(fā)生反應。最后，迅速將風鉆 與轉換接頭脫離，在環(huán)氧樹脂固化劑固化前用手動扳手調節(jié)套管方 向，使套管內兩梢口的連線垂直于隧道軸線。有時會因接收孔不直或孔徑太小而使環(huán)氧樹脂固化劑無法放入 孔內，這時可用普通錨固劑代替環(huán)氧樹脂， 但必須保證套管與圍巖耦 合良好，尤其是套管尾部?；A數(shù)據(jù)測量裝炸藥之前

8、，需測量每個炮孔的孔深、傾角、傾向，相對于參考 點的位置、高度。相對于參考點的高度、孔深采用鋼尺或硬質桿測量， 傾角、傾向采用羅盤儀測量，相對于參考點的位置可采用皮尺直接測 量。.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置將傳感器連接起來放入傳感器套管，放入之前用清潔桿將套管內 清潔干凈，安裝時，傳感器有磁片的一面必須正對隧洞掌子面。將記 錄存儲單元、傳感器、觸發(fā)盒、起爆器正確連接起來后，啟動記錄存 儲單元進入TSPwin工作狀態(tài)，開始參數(shù)的設置。數(shù)據(jù)采集前需設置 的參數(shù)包括端口選擇、采樣時間間隔、記錄通道樣本值、傳感器選擇、 接收通道選擇。止匕外，應將隧道名、測試時間、操作者，以及其它相 關信息記錄并存儲下來，以

9、備查詢。端口是指用于記錄單元與便攜式電腦之間進行數(shù)據(jù)傳遞的通道,系統(tǒng)默認為1;采樣時間間隔系統(tǒng)提供了 62.5微秒和125微秒兩種選 擇，系統(tǒng)默認為62. 5微秒；記錄通道樣本值系統(tǒng)提供了 7218和14468 兩種，系統(tǒng)默認為7218;傳感器提供了 X、Y、Z三個方向的數(shù)據(jù)采 集方式，系統(tǒng)默認X、Y、Z三個方向都選；接收通道系統(tǒng)提供了 4 個，傳感器連接的通道即為選擇的通道，系統(tǒng)默認1、2通道。采樣時間間隔和樣本值由期望預報的距離決定，兩個值越大，得到的記錄時間越長，當必須改變其中一個參數(shù)以得到一個更長的記錄時間時， 首選是增加樣本值。數(shù)據(jù)采集將金屬導線與雷管導線連接起來， 兩導線必須分離開

10、，不得接觸 形成短路，否則無法引爆雷管。導線連接好后，向炮孔內灌注滿水， 同時儀器操作人員點擊操作界面上的 Acquisition 鍵，系統(tǒng)進入噪聲 自動檢測狀態(tài)，控制面板上橙色的“ BUSY顯示燈亮，幾秒鐘后，橙 色燈熄滅，綠色的“READY燈亮，這時筆記本電腦上顯示“READFOR RECORDING記錄單元進入記錄數(shù)據(jù)狀態(tài)。必須注意的是只有記錄 單元進入數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)才可以起爆雷管，開始數(shù)據(jù)采集。待工作人員撤離到安全位置后，關閉噪聲檢測界面，并開始對起爆器充電，待充 電結束，記錄存儲單元進入記錄數(shù)據(jù)狀態(tài)后，起爆電雷管，電雷管引 爆炸藥，系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)采集階段。數(shù)秒鐘后，x、y、z三個方向的反

11、 射波全部傳送到記錄單元，存儲采集到的地震波數(shù)據(jù)，此炮數(shù)據(jù)采集 工作完成。然后重復上述操作，開始第二炮的數(shù)據(jù)采集，直到最后一 炮。.數(shù)據(jù)處理及解釋數(shù)據(jù)處理流程數(shù)據(jù)處理前須將測量幾何參數(shù)輸入程序表格中，包括隧道的半徑、高度，掌子面、參考點的里程樁號，爆破孔、接收孔的孔深、傾 角、傾向以及各孔相對參考點的距離，每個炮孔的裝藥量。測量幾何 參數(shù)輸入后就可按照處理軟件設定的步驟開始數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)處理共分11步進行，每步處理前須選定合適的參數(shù)。下面是 TSP203 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖：TSP203系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖數(shù)據(jù)解釋原則數(shù)據(jù)解釋除了要充分應用數(shù)據(jù)處理后的結果， 如波速、縱橫波速 比、泊松比、密

12、度，以及各種模量外，還要結合區(qū)域地質地貌、前期 地質勘察資料、野外地質踏勘和隧洞已開挖段地質情況進行綜合分析。在數(shù)據(jù)解釋中，對于經(jīng)數(shù)據(jù)處理后直接提交的預報成果，解釋時 應遵循以下原則：(1)正反射振幅表明巖層變硬，負反射振幅表明巖層變軟；負反 射與正反射的組合表明該位置有斷裂(斷層)。(2)若S波反射較P波強,則表明巖層飽含水。Vp/Vs增加或S突然增大，常常由于流體的存在而引起。(4)若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。.地質預報質量控制要點(1)嚴格按要求鉆炮孔和接收孔。(2)準確測量炮孔的孔深、傾角、傾向，相對于參考點的位置、 局度。(3)按要求安裝接收器套管，保證套管與圍巖耦合良好。(

13、4)控制好炸藥藥量。(5)爆破時，盡量使炮孔內注滿水。(6)選擇合適的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理。(7)堅持跟蹤地質觀測。(8)數(shù)據(jù)解釋必須結合前期地質勘察資料、 野外地質踏勘和隧洞 已開挖段地質情況。.安全注意事項(1)所有工作人員進入隧洞內必須戴安全帽。(2)炸藥、雷管必須根據(jù)需要領取，不得多領。(3)炸藥、雷管必須有專人看管，使用前必須分開。(4)雷管不能放在接近電源的地方。(5)測試時必須設立安全警示員。(6)連接導線時工作人員不得正對著炮孔。(7)連接導線、灌水的工作人員未撤離到安全位置啟爆器不得充電，不得放炮（8）測試時接收器到掌子面段不得有其他無關人員。（9）測試時保證隧洞內的通風和照明。

14、.工程實例工程簡介明月山隧道跨川、渝兩省，穿越明月山，左洞長 6557米，右洞 長6555米，是滬蓉國道主干線支線忠縣至墊江高速公路的重點工程。 隧道穿越明月山背斜，兩翼須家河（T3xj）和珍珠沖（Ji.）分布區(qū)， 植被發(fā)育，測區(qū)內無大的河流。明月山背斜出露地層主要有三疊系雷 口坡組、嘉陵江組、須家河組、侏羅系上統(tǒng)珍珠沖組。其中須家河、 雷口坡組分布最廣，第四系主要分布于背斜北西翼緩傾斜坡及隧道進 出口地段，圍巖主要以泥巖、砂巖、灰?guī)r為主。隧址區(qū)位于新華夏系JI東弧形構造，華瑩山隆褶帶明月峽背斜中 段鞍部。隧道通過地段軸部最老地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（TiJ）上部，出露最老地層為三疊系中統(tǒng)雷口

15、坡組（T21）,兩翼地層為三疊 系上統(tǒng)須家河組（T3Xj ）至侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（Jiz）。隧址區(qū)地表 沿背斜軸部發(fā)育一條走向斷層（F1）。AZK1和CZK2兩個鉆孔均揭露， 嘉陵江組地層中見一層間擠壓破碎帶。 隧道節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要有 兩種類型，即構造裂隙和風化裂隙。測區(qū)三疊系中下統(tǒng)碳酸鹽巖類分布于背斜軸部， 因受兩則碎屑巖 所構成的中低山嶺脊夾峙，具備有利的巖溶發(fā)育條件，形成了特有的 隆脊型巖溶梢谷，巖溶特征與巖性、地貌條件關系密切，巖溶水運動和富集則受地質構造控制。三疊系上統(tǒng)須家河組砂頁巖和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組砂泥巖分布于背斜兩翼，巖層以傾斜狀態(tài)產出，具有形成碎 屑巖裂隙空隙層間承壓水和

16、紅層承壓水的良好儲水構造條件。尤其是北西緩翼，為典型的自流斜地，是典型的較富水類型之一。地下水主 要類型為碎屑巖類孔隙裂隙水和巖溶水。施工情況明月山隧道采取進出口同時開挖施工， 該工程從2005年11月開 始，到現(xiàn)在已接近兩年時間，目前，左、右線均還剩800余米未開挖， 工程計劃于2007年底貫通。明月山隧道地質復雜，隧址區(qū)位于新華夏系JI東弧形構造， 華瑩 山隆褶帶明月峽背斜中段鞍部，隧道穿越明月山背斜，地表沿背斜軸 部發(fā)育一條走向斷層。受地質構造影響，隧道K4+ 416K5+ 700段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶發(fā)育，巖體破碎，富含層間裂隙水和巖溶水， 穩(wěn)定性差，開挖過程中多次發(fā)生突水、坍塌，給

17、正常施工帶來嚴峻挑 戰(zhàn)，嚴重影響施工進度和工期。由于該段以II類圍巖為主，且地下水 多以股狀、大股狀產出，因此開挖方式和支護參數(shù)與設計相比都發(fā)生 很大變化，堵水墻、全斷面深孔預注漿在施工過程中都被應用。相比 隧道進口段，出口段圍巖相對較好，主要以砂巖、泥巖為主，節(jié)理裂 隙較發(fā)育，巖體較破碎較完整，圍巖以田、IV類為主。地質預報實例斷層地質預報隧址區(qū)地表沿背斜軸部發(fā)育一條走向斷層，通過鉆孔和巖層產狀推斷斷層與隧道左線軸線交于 K5+ 722,其破碎帶范圍在K5+ 722 + 773,下面是掌子面里程樁號在 K5+ 627進行TSP203系統(tǒng)測試后得到的地質預報成果圖。P波深度偏移剖面SirueN

18、me : biiUEyUJlB: FKt (TN)：第田 JClner. bxfim(rir)：5S05.juwfp Step ：Rtmectr時片加E)ClSCttk ATlpq us ，劃 waI il lilli II lillil 111 1 11 I I I I I 1 il I hil I * il I Ii 1 I E I il I I I I 1 li I * 1 I li il I II rl 1 - I IT TH%#-波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖通過地質預報成果圖分析，在YK5+ 426+468段，巖體泊松比 增大、Vp/Vs比值增大，此外該段巖體破碎，結合地質分析法，推斷 該段圍巖富含層間裂隙水。開挖揭露顯示，在YK計415+ 457段富含層間裂隙水，呈股狀、大股狀產出，其結果與TSP203系統(tǒng)預報結 果基本吻合。工程經(jīng)驗TSP203超前地質預報系統(tǒng)是基于彈性波的一種物探方法，其預報成果質量與采集