精選對瑞士安伯格TSP類系統(tǒng)預(yù)報隧道工程巖體速度的質(zhì)疑

1、精選對瑞士安伯格TSP類系統(tǒng)預(yù)報隧道工程巖體速度的質(zhì)疑對瑞士安伯格TSP類系統(tǒng)預(yù)報隧道工程巖體速度的質(zhì)疑2006-8-3 來源：劉云禎 點擊：393 字體： HYPERLINK javascript:fontZoom(16) 大 HYPERLINK javascript:fontZoom(14) 中 HYPERLINK javascript:fontZoom(12) 小前言隨著我國基本建設(shè)規(guī)模的擴大，隧道工程已經(jīng)成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。根據(jù)國內(nèi)外隧道施工的經(jīng)驗和教訓(xùn)，開展隧道地質(zhì)超前預(yù)報是非常重要的一個環(huán)節(jié)，科學(xué)的有效的開展隧道地質(zhì)預(yù)報工作，對于隧道工程的安全施工極為重

2、要。近幾年來隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)已經(jīng)成為工程物探學(xué)術(shù)界的熱門話題之一，自然也會出現(xiàn)各顯神通的局面，因此，圍繞隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)開展必要的討論，促進應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)發(fā)展是非常必要的。 1，隧道地震超前預(yù)報技術(shù)圍繞隧道地質(zhì)超前預(yù)報工作的需要，有地震波、電磁波和紅外線等多種技術(shù)方法。隧道地震超前預(yù)報是隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的一種技術(shù)，它的基本原理是利用地震反射波方法，采集隧道掌子面前方“聲阻抗界面”反射回來的地震波，達到推斷“聲阻抗界面”的空間位置、規(guī)模和性質(zhì)的目的。聲阻抗是介質(zhì)速度與介質(zhì)密度的乘積，具有聲阻抗界面表明界面兩側(cè)的介質(zhì)聲阻抗不一致。隧道地震超前預(yù)報中的聲阻抗界面，一般由地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、軟弱

3、帶、巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖溶發(fā)育帶等地質(zhì)病害體與隧道正常圍巖、或者是不同巖性的接觸帶組成。在隧道施工中，采用隧道地震超前預(yù)報方法對隧道掌子面前方存在的地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、軟弱帶、巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖溶發(fā)育帶等地質(zhì)病害體、以及巖性的接觸帶進行準(zhǔn)確預(yù)報，為隧道施工提供可靠資料，是一項非常重要和具有一定技術(shù)難度的工作。我國鐵道部第一勘測設(shè)計院是較早研究隧道地震超前預(yù)報的單位。他們在1992年7月，利用地震反射波方法對云臺山隧道進行隧道超前預(yù)報，預(yù)報成果與開挖后的隧道左壁“破碎帶”和“斷層”的位置基本一致。從上個世紀(jì)90年代初開始，我國物探技術(shù)人員一直沒有停止對隧道地震超前預(yù)報技術(shù)的深入研究。曾昭璜

4、（1994）研究利用多波進行反演的“負(fù)視速度法”，這種方法利用來自掌子面前方的縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所產(chǎn)生的負(fù)視速度同相軸來反演反射界面的空間位置與產(chǎn)狀。北方交通大學(xué)的陳立成等人（1994）從全波震相分析理論和技術(shù)的角度研究隧道前方界面多波層析成像問題，進行隧道超前預(yù)報。他們的研究成果在頡河隧道、老爺嶺隧道地質(zhì)預(yù)報的數(shù)據(jù)處理和推斷解釋中應(yīng)用，取得預(yù)期的效果。隧道地震波超前預(yù)報技術(shù)，翻譯成英語是“TunnelSeismicPrediction”，用英語字頭表示即“TSP”技術(shù)?！癟SP”一詞不是指隧道超前地震預(yù)報中的某一種儀器，而是隧道地震超前預(yù)報技術(shù)方法的同義詞。我國

5、研究隧道地震超前預(yù)報技術(shù)、或者“TSP”技術(shù)，在隧道現(xiàn)場應(yīng)用的初期采用地震波勘探中的地震儀器，接收裝置采用單分量的速度型檢波器；后來采用三分量速度型檢波器。在模型試驗中采用聲波儀器和壓電換能器等設(shè)備。對數(shù)據(jù)處理編程中的數(shù)學(xué)計算依據(jù)，有的采用地震波運動學(xué)原理；有的采用地震波動力學(xué)原理；有的采用垂直地震波測井的原理；有的采用層析成像學(xué)原理。之所以采用多種數(shù)學(xué)計算的方法研究，原因是在隧道局限的幾何空間條件下采集的地震波數(shù)據(jù)的有限性、和面對全空間條件下，如何克服隧道超前預(yù)報中多項要求之間的矛盾。2000年我國北京市水電物探研究所研制開發(fā)“TGP12”隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括儀器設(shè)備和相應(yīng)的隧道

6、地震超前預(yù)報處理系統(tǒng)?！癟GP12”隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)，對以上計算的數(shù)學(xué)原理進行了充分的研究分析，利用不同傳播路徑的多波多震相，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，預(yù)報隧道掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、軟弱帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖性的接觸帶和巖溶發(fā)育帶等地質(zhì)病害體，為隧道施工提供可靠的地質(zhì)預(yù)報資料。“TGP12”隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)為了適應(yīng)隧道中長期預(yù)報和短期預(yù)報的要求，在采集系統(tǒng)中安裝長期預(yù)報和短期預(yù)報兩種功能，長期預(yù)報采用地震反射回波方法，短期預(yù)報采用瞬態(tài)面波方法。目前隧道地震超前預(yù)報技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問題。從隧道施工的角度對隧道地震超前預(yù)報的要求：一方面要求預(yù)報隧道掌子面前方是否存在不良地質(zhì)體、以及其位置、

7、規(guī)模和分布等；一方面要求預(yù)報隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的介質(zhì)性質(zhì)。目前對第一個方面的要求可以基本上實現(xiàn)；而對第二個方面的要求，結(jié)合隧道施工地質(zhì)工作，可以進行定性的推斷解釋。因為利用地震方法預(yù)報巖體介質(zhì)的性質(zhì)，需要預(yù)報段巖體介質(zhì)準(zhǔn)確的縱波和橫波速度值。在隧道預(yù)報中病害地質(zhì)體界面是在全空間任意分布的，而采集地震波信息的裝置僅是布置在一個固定的方向上，首先難于確定地震射線是否具有覆蓋的條件，同時也難于滿足由地震波射線獲得“均方根速度”后，計算分段巖體介質(zhì)“層速度”的條件?！皩铀俣取钡姆囱萦嬎氵^程受到采用的速度值和界面傾角的雙參數(shù)影響，而這兩個參數(shù)又都是難于準(zhǔn)確確定的。在現(xiàn)行的隧道地震預(yù)報中往往是確定一

8、個參數(shù)來計算另一個參數(shù)的辦法，所以由此計算獲得的縱波速度和橫波速度，代表隧道掌子面前方巖體介質(zhì)速度的可靠性是個值得研究的問題。2，目前隧道地震超前預(yù)報技術(shù)中的誤區(qū)近幾年以來，隨著我國隧道工程的增多，加強隧道工程施工的安全突出地提到日程上來，隧道地震超前預(yù)報的任務(wù)需求大增，僅有少數(shù)設(shè)計院物探隊伍承擔(dān)的局面已不能滿足建設(shè)的需要，隧道施工部門的地震超前預(yù)報隊伍發(fā)展起來。但是由于他們?nèi)狈κ炀殢氖碌卣鸩辈斓募夹g(shù)人員，他們需要操作方便，而且自動解釋出成果的設(shè)備。市場需求是廠商開發(fā)的動力，應(yīng)市場需求產(chǎn)品也會應(yīng)運而生。國外瑞士安伯格公司“TSP203”儀器，用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報。瑞士安伯格公司宣傳“TSP2

9、03”儀器的處理系統(tǒng)具有超前預(yù)報隧道工程巖體速度的功能，其軟件系統(tǒng)在預(yù)報成果圖中提供不同里程段的巖體縱波、橫波速度值，和由這兩個參數(shù)計算得到的巖體動彈性模量值、動剪切模量值、泊松比參數(shù)值，還計算出巖體密度值，并以此分段巖體的速度等參數(shù)值進行隧道超前預(yù)報。有的單位直接利用上述參數(shù)進行隧道掌子面前方巖體的圍巖分級，甚至依此作為變更隧道支護設(shè)計的依據(jù)。如果“TSP203”系統(tǒng)果真具有能夠預(yù)報隧道掌子面前方分段巖體速度的功能，絕對是一件好事，而且是一種“叫絕”的技術(shù)。但是很遺憾，作為一名從事地震波勘探和關(guān)心并研究隧道地震超前預(yù)報的老地質(zhì)工作者，我認(rèn)為：瑞士安伯格公司對“TSP203”系統(tǒng)具有該功能的宣

10、傳，違背彈性波檢測巖體速度的基本理論基礎(chǔ)，以此引導(dǎo)隧道地震預(yù)報是個誤區(qū)。為此，提出我的認(rèn)識，供大家探討分析。3，地震波檢測巖體彈性波速度的原理在巖土工程專業(yè)中，巖體具有各向異性、非均質(zhì)和非連續(xù)的地質(zhì)屬性，是檢測和研究巖體工程地質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)知識，這一點是眾所周知的。在利用地震波或聲波物探檢測方法研究巖石和巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的實際工作中，根據(jù)研究對象布置測線和測點。有的測線選擇在巖體的露頭上，有的測線布置在隧道洞壁上，有的布置在鉆孔中。具體到檢測方法：或利用地震直達波方法，或利用地震折射波方法，或利用地震反射波方法。地震直達波速度代表地震波傳播方向上該段巖體的速度。地震折射波速度代表地震波傳播方向

11、上該段巖體的“視速度”，巖體的“視速度”與巖體速度是不同的概念，“視速度”數(shù)值的大小受折射波傳播界面與地表面夾角大小的影響。在折射波傳播界面與地表面平行（即夾角為0）時，折射波的“視速度”與巖體界面方向的速度數(shù)值相等，非這種條件以外獲得的“視速度”均不等于巖體的速度，而且夾角越大偏差越大。地震反射波方法獲得巖土介質(zhì)速度是地震反射波射線范圍內(nèi)巖土介質(zhì)的“均方根速度”。在反射界面與地表面平行（即夾角為0）時，“均方根速度”與巖土介質(zhì)的平均速度數(shù)值相等，非這種條件以外獲得的“均方根速度”不等于巖土體介質(zhì)的平均速度，而且夾角越大偏差越大。以上介紹可以得出：欲獲得某段巖體的速度必須滿足地震波的傳播路徑通

12、過該段巖體的條件。針對巖體具有各向異性、非均質(zhì)、非連續(xù)的特點，欲獲得某段、某方向上巖體的速度必須滿足地震波的傳播路徑通過該段巖體、同時滿足傳播路徑方向相一致的條件。我們設(shè)想隧道軸線方向與掌子面前方構(gòu)造面的幾種狀態(tài)：1軸線方向與構(gòu)造面走向垂直，構(gòu)造面傾角變化；2構(gòu)造面傾角為90，構(gòu)造面走向變化；3軸線方向與構(gòu)造面走向不垂直且夾角在360變化；構(gòu)造面傾角也不為90，而且傾角也在360變化；4多組狀態(tài)3組成的構(gòu)造面存在。對于狀態(tài)1地震反射波射線在鉛錘面上；對于狀態(tài)2地震反射波射線在水平面上；對于狀態(tài)3、4地震反射波射線構(gòu)成的平面將會在全空間內(nèi)分布，不同構(gòu)造界面的地震反射波射線重疊或者交匯的可能性會降

13、低許多。在實際工作中3、4兩種狀態(tài)應(yīng)該是經(jīng)常遇到的狀態(tài)。因此實現(xiàn)掌子面前方巖體速度檢測和計算條件的困難性大為增加。4，對“TSP203”系統(tǒng)提供掌子面前方巖體速度圖等資料的分析圖（1）安伯格公司TSP203系統(tǒng)成果圖上圖為“TSP203”系統(tǒng)提供的掌子面前方巖體的速度圖等資料。圖的上半部分為三項參數(shù)的直方圖，由上往下為巖體分段的縱、橫波速度參數(shù)值；巖體的分段密度值；巖體的分段動彈性模量值。圖的下半部分為反射界面的分布圖。我們以圖中的反射界面線與隧道里程線的交點為序，統(tǒng)計反射界面與隧道軸線夾角匯總成表，見表1。表1：反射界面統(tǒng)計圖序號1234567891011里程2084209221042108

14、2109211621362152216421842188夾角4575706575808070907080以表1中最后兩個界面的里程和夾角設(shè)計模型，根據(jù)隧道地震反射波的傳播理論，采用作圖方法，地震反射波的射線路經(jīng)，見圖（2）。圖（2）隧道地震預(yù)報中的射線原理圖圖中：上部為2188里程處構(gòu)造面，與隧道夾角80，反射段在隧道軸線的投影里程為21812182，其地震射線與隧道夾角1015，反射段偏離隧道距離3237米；下部為2184里程處構(gòu)造面，與隧道夾角70，反射段在隧道軸線的投影里程為21622165，其地震射線與隧道夾角0，反射段偏離隧道距離4959米。圖（1）中的TSP203處理系統(tǒng)成果圖，利

15、用的上述兩組地震射線方向完全不同、射線路經(jīng)范圍也不具備重合條件，并且反射段是偏離隧道50多米以外的資料，作為隧道掌子面前方巖體的速度數(shù)據(jù)是完全沒有道理的。圖（1）中TSP203系統(tǒng)成果圖中的預(yù)報距離為96米，如果以構(gòu)造面距離為150米計算，上述構(gòu)造界面的反射段偏離隧道為7080米；以構(gòu)造面距離為200米計算，上述構(gòu)造界面的反射段偏離隧道為8595米。偏離如此大的距離，而且地震波射線與隧道軸線方向存在著較大的夾角，其地震反射波的“均方根速度”是通過怎樣的計算轉(zhuǎn)換為分段巖體的速度？其速度值資料代表隧道掌子面前方巖體的速度值，用作隧道前方巖體的彈性波速度分類使用，有多大的準(zhǔn)確性呢？上述計算僅利用表（

16、1）中兩組陡傾角的構(gòu)造界面，如果采用構(gòu)造界面傾角為計算，隧道掌子面前方米的構(gòu)造面，其反射段偏離的距離超過米以上。有以上介紹，我們已經(jīng)明確：利用地震反射波方法預(yù)報隧道前方巖體速度起碼應(yīng)該滿足地震反射波上下行射線覆蓋該段巖體的基本條件，和根據(jù)巖體具有各向異性、非均質(zhì)、非連續(xù)的性質(zhì)，計算相應(yīng)地震反射波射測線方向的數(shù)據(jù)資料的要求。根據(jù)我對TSP203系統(tǒng)的了解，我認(rèn)為目前TSP203系統(tǒng)中尚不具備我對其質(zhì)疑的功能。至于“TSP203”系統(tǒng)提供的掌子面前方巖體的其他參數(shù)值，例如：巖體的分段動彈性參數(shù)值，屬于根據(jù)其相應(yīng)的縱波和橫波速度計算而得到的二級參數(shù)，其可靠性與上相同，毋庸多說。但是在計算巖體的分段動彈性模量參數(shù)的過程中要用到巖體的密度值參數(shù)，TSP203處理系統(tǒng)對于該參數(shù)的確定是利用彈性波速度，結(jié)合巖性來計算確定的。我們知道，在實驗室中利用聲波方法檢測巖石試塊的波速，大量實驗結(jié)果表明同種巖性其波