TSP203地質(zhì)預報系統(tǒng)在金子山隧道的應用

.zTSP203地質(zhì)預報系統(tǒng)在金子山隧道的應用【摘要】結(jié)合在宜萬鐵路金子山隧道中的應用情況，文中簡要介紹了TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)的根本原理、使用方法，并分析其實際效果，從而總結(jié)出該系統(tǒng)的一些特點及使用時應注意的問題，為掌握和正確使用TSP203提供參考。【關鍵詞】隧道施工TSP203超前地質(zhì)預報反射地震法1引言隨著隧道工程向深埋、長大方向開展，面對復雜多變、形態(tài)各異的隧道，要想在設計階段完全搞清楚隧道所處位置的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，以及不良地質(zhì)體的狀態(tài)特征是非常困難的。遵循工程工程逐步確立“以人為本〞的建立理念，保證施工平安，改善作業(yè)環(huán)境，減少地質(zhì)災害的發(fā)生及降低災害損失，加強預防、制訂必要預案是一項重要手段。隧道施工中做好超前地質(zhì)預測預報工作，提前發(fā)現(xiàn)隧道前方的地質(zhì)變化，為施工提供較為準確的地質(zhì)資料，及時調(diào)整施工工藝，是躲避風險，確保隧道施工順利進展的重要保證。超前地質(zhì)預報的主要內(nèi)容包括地層巖性、褶皺、斷層、巖脈、破碎帶、長大節(jié)理、地下水狀況、地應力狀況、巖性和圍巖類別等。預報的重點是斷層、巖脈、破碎帶、溶洞、暗河、煤系地層及其它不良地質(zhì)體在掌子面前方的出露位置和對施工的影響。2TSP地震波超前地質(zhì)預報系統(tǒng)工作原理TSP(TunnelSeismicPrediction)系統(tǒng)是瑞士Amberg〔安伯格〕測量技術公司研制的，是目前隧道超前地質(zhì)預報中最新的地球物理探測方法之一，屬于多波多分量地震勘探方法。2.1TSP203簡介TSP203最大探測*圍可達200m，可以為平安高效的隧道施工提供決策依據(jù)。該系統(tǒng)獲瑞士國家專利，代表了當今隧道地質(zhì)超前預報的最新水平。作為一項先進、成熟的長距離超前預報系統(tǒng)，在預報軟弱地層的分布，斷層及其影響帶和裂隙發(fā)育帶等方面，所表現(xiàn)出的優(yōu)勢非常突出。我們在金子山隧道投入使用的TSP203PLUS是安伯格公司最新研制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在TSP202根底上開發(fā)研制的，并且具有卓越特色。TSP203PLUS系統(tǒng)不僅僅改善了有關的硬件，而且應用了全新TSPWIN軟件，該軟件集數(shù)據(jù)采集、處理和評估為一體，高度智能化。2.2TSP203根本工作原理TSP隧道地震波超前地質(zhì)預報系統(tǒng)屬于多波多分量高分辨率地震反射法，利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射特性，預報隧道掘進前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)體狀況。地震波在設計的震源點〔通常在隧道掌子面前方的左或右邊墻上有規(guī)則排列的爆破孔〕依次進展微弱爆破激發(fā)產(chǎn)生。地震波信號在隧道周圍巖體內(nèi)傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面〔巖石強度發(fā)生變化、遇到地層層面、節(jié)理面〕時，特別是斷層破碎帶界面，和溶洞、暗河、巖溶、淤泥帶等不良地質(zhì)界面時，一局部地震信號被反射回來，一局部信號透射進入前方介質(zhì)。如圖1所示圖1TSP探測原理圖1TSP探測原理地層或斷層入射波前反射波前震源檢波器檢波器隧道隧道反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收?；夭ㄐ盘枖?shù)據(jù)根據(jù)返回的傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向，通過TSPWIN軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)〔軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等〕和位置及規(guī)模。反射信號的傳送時間與地質(zhì)界面的距離成正比，反射信號的強度與相關界面的性質(zhì)、界面的產(chǎn)狀密切相關。在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)屢次采用上述方法，可以得到前方地層的地質(zhì)力學參數(shù)。如楊氏模量和橫向變形系數(shù)等?，F(xiàn)場工程技術人員結(jié)合相關的地質(zhì)資料可以準確地預知前方及周圍地質(zhì)變化狀況。測量原理如圖2所示2.3TSP可解決的主要技術問題〔1〕探測作業(yè)面前方是否存在斷層、特殊軟巖、富水巖層和煤系地層，以及其他地層的界限及巖溶發(fā)育地區(qū)的溶洞、暗河和巖溶陷落柱，巖漿巖巖體巖脈等特殊地質(zhì)體；〔2〕查明作業(yè)面前方不良工程地質(zhì)體的位置和規(guī)模；〔3〕判斷不良地質(zhì)體的圍巖類別，和發(fā)生塌方等地質(zhì)災害的可能性。圖2TSP超前地質(zhì)預報圖2TSP超前地質(zhì)預報測線布置示意圖3觀測與數(shù)據(jù)采集TSP探測技術主要包括：震源點布置，設備安裝與記錄儀測試操作，現(xiàn)場測試之后的記錄儀數(shù)據(jù)傳輸，和WFP計算與成圖共四步操作技術。3.1測線點的布置在隧道邊墻的同一水平線上從外向里布置一個傳感器鉆孔和18～24個炮孔，傳感器鉆孔距第一個炮孔20m，其余各接續(xù)爆破孔間距1.5m，炮孔直徑38～45mm，深度1.5m,孔向垂直隧道軸向或向前與掌子面成100夾角，并向下傾斜100～200?？孜桓叨仍诘酌嬉陨霞s1.0m。各鉆孔呈直線分布。3.2數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示采集的數(shù)據(jù)采用配套的TSPWIN專用軟件進展處理，其根本方式是波場別離，用時間的偏移修正和濾波來處理反射波，從而得到地震波剖面。采集前首先正確輸入隧道及炮點和接收點的幾何參數(shù)，剔除質(zhì)量差的記錄道，確保質(zhì)量合格的地震道用于數(shù)據(jù)處理和判釋。TSPWIN軟件處理流程包括11個主要步驟，即：數(shù)據(jù)設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波別離→速度分析→深度偏移→提取反射層。處理的最終成果包括P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數(shù)、各反射層能量大小等，以及反射層在探測*圍內(nèi)的2D和3D空間分布。3.3TSP地震波波速的獲得TSP203地震波數(shù)據(jù)處理的第一步是由測得的從震源直接到達傳感器的縱波傳播時間，根據(jù)該時間及爆破點和接收器之間的距離，換算巖體彈性波速度。己知地震波的傳播速度就可以通過測得的反射波傳播時間，推導出發(fā)射事件與接收傳感器的距離以及與隧道端面的距離。4數(shù)據(jù)分析及成果判釋4.1數(shù)據(jù)分析雖然地震波在介質(zhì)中的傳播穩(wěn)定，衰減較慢，但由于本身的能量很小，由其所形成的反射波的能量就更微弱，同時地震波在傳播的過程中遇到諸如節(jié)理、斷層、層理或不同性質(zhì)巖石的交界而等構(gòu)造而時，只會有其中一局部波從構(gòu)造面反射回來，另一局部則透射過構(gòu)造而進入第一種介質(zhì)繼續(xù)向前傳播。而且地震波在反射時又會再度派生成縱波(P波)和橫波，因此要有效準確地承受到遠距離傳回來的這局部能量微弱的反射縱波(P波)，除了傳感器自身須具有極高的靈敏度外，在整個探測過程中，傳感器還必須確認準確的位置，采取最正確的承受方式和展布角度才能實現(xiàn)。要確定一個地區(qū)的合理的搜索角，就必須首先確定該地區(qū)的主體構(gòu)造的優(yōu)選產(chǎn)狀，然后根據(jù)它們與施工隧道中軸線的交角求出其特有的空間角，進一步確定該地區(qū)的合理的搜索角。在進展超長距離的探測預報工作時，要控制延長系統(tǒng)的采樣時間和提高地震波在巖石介質(zhì)中的傳播速度。這樣就可以為傳感器收集更遠距離處的構(gòu)造而反射的P波提供了充足的等待、記錄時間。第三要根據(jù)現(xiàn)場巖石力學性質(zhì)，選取適宜的探測炸藥種類和用量。依據(jù)不同種類的炸藥產(chǎn)生的爆轟波速度，有效控制探測距離和采樣時間。4.2處理結(jié)果的解釋原則：在成果解釋中，以P波剖面資料為主對巖層進展劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進展解釋。①反射振幅越強，反射系數(shù)和波阻抗的差異越大。②正反射振幅〔紅色〕說明正反射系數(shù)，說明剛性巖層；負反射振幅〔蘭色〕指向軟弱巖層。③假設S波反射比P波強，則說明巖層飽含水。④Vp/Vs較大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流體的存在而引起。⑤假設Vp下降，則說明裂隙密度或孔隙度增加。4.5TSP的應用實例：以下是金子山隧道TSP超前地質(zhì)預報的截圖。圖4P波深度偏移剖面〔上〕及提取的反射層〔下〕中，110m位置的藍色反射為隧道的F1斷層，本次探測成功預報了該斷層的準確位置較設計提前了約20m，從而提前采取了支護手段，確保了隧道的平安施工。圖2-2R1Y分量原始記錄圖2-1R1*分量原始記錄圖2-2R1Y分量原始記錄圖2-1R1*分量原始記錄圖2-4R2*分量原始記錄圖2-3R1Z分量原始記錄圖2-4R2*分量原始記錄圖2-3R1Z分量原始記錄圖2-6R2Z分量原始記錄圖2-5R2Y分量原始記錄圖2-6R2Z分量原始記錄圖2-5R2Y分量原始記錄圖3-1R1頻譜圖圖3-2R2頻譜圖圖3-1R1頻譜圖圖3-2R2頻譜圖圖4-1R1P波深度偏移剖面〔上〕及提取的反射層〔下〕圖4-1R1P波深度偏移剖面〔上〕及提取的反射層〔下〕圖4-2R2P波深度偏移剖面〔上〕及提取的反射層〔下〕圖4-2R2P波深度偏移剖面〔上〕及提取的反射層〔下〕圖5R1-P波2D成果顯示圖5R1-P波2D成果顯示-.z反射層波型極性里程(m)Vp(m/s)Vp/Vs泊松比密度(g/cm3)切變模量(GPa)拉梅常數(shù)(GPa)體變模量(GPa)E動(GPa)E靜(GPa)1P1.00265206.5333271.780.272.2989152152P-1.00265215.8833091.780.272.2889152153P1.00265218.4132811.780.272.2889142054P-1.00265222.9134951.850.292.32812172265P1.00265226.3432611.760.262.2889142156P1.00265230.6333511.740.252.3299152377P-1.00265234.8433511.740.252.3299152378P1.00265238.2833771.760.262.3189152269P1.00265245.6633691.830.292.288101621510P1.00265248.2532161.610.192.33951224811P1.00265252.0932811.740.252.29881421612P1.00265258.5332081.620.192.32961223713P-1.00265263.8433181.790.272.29891521514P-1.00265270.0633581.790.272.308101521515P-1.00265302.4433581.840.292.27810162041SV-1.00265169.3818411.770.272.2789142042SV1.00265178.2818411.770.262.2789142043SV-1.00265178.8118491.770.262.2889142154SV1.00265190.1618761.760.262.2989142155SV-1.00265191.5918571.780.272.2889152156SV1.00265192.6318491.780.272.2889142157SV-1.00265196.7518531.790.272.2889152158SV-1.00265197.1618471.750.262.2788142059SV1.00265205.0618711.730.252.28881321510SV1.00265211.5618971.760.262.30891522611SV1.00265226.1318331.940.322.308141921512SV-1.00265236.0918071.860.302.277111620413SV1.00265281.9718981.690.232.29871321614SV1.00265296.0018411.820.282.288101521515SV-1.00265298.0919261.670.222.3197132261SH1.00265172.7818471.760.262.2889142052SH-1.00265180.5918721.750.262.2988142153SH1.00265183.7518341.790.272.2789142044SH-1.00265191.7218701.770.262.2989142155SH1.00265195.3118211.780.272.2679142046SH-1.00265197.1318701.780.272.2989152157SH-1.00265197.2818211.820.282.27810152048SH1.00265197.5018691.770.272.2989142159SH1.00265204.9118391.