TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)-new

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)北京市水電物探研究所ccsws@劉云禎1一.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的作用二.TGP隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)三.隧道地震波預(yù)報(bào)儀器四.結(jié)論21、確保施工安全：

當(dāng)前隧道工程巨大，在高速鐵路、公路、地鐵、水電、礦山開采及軍事等工程中，隧道所占比重越來越大。施工過程中存在諸多隱患，如突水、突泥、塌方等，這些隱患嚴(yán)重威脅隧道工程的安全施工。2、施工勘察延伸：

隨著隧道工程的規(guī)模、數(shù)量、長度和跨度的不斷增加，隧道勘察階段的工作難度也隨之加大，超前預(yù)報(bào)可以彌補(bǔ)隧道勘察工作深度的不足。

鐵建設(shè)[2007]102號(hào)文件明確指出：科學(xué)地進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)已經(jīng)列為隧道施工的重要工序。3隧道工程是高速鐵路、公路、水電、國防工程等項(xiàng)目中的重要組成部分4

隧道工程比重超過50%5五爪觀隧道暗河別巖槽隧道突水溶腔野三關(guān)隧道暗河掌子面突泥宜萬鐵路隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，突水、突泥嚴(yán)重影響施工安全。6

宜萬鐵路隧道構(gòu)造巖溶高壓水突水7

宜萬鐵路隧道事故警示別巖槽隧道＋422大突水：溶腔與導(dǎo)水?dāng)鄬舆B通，斷層長483米，雨季有350米水壓差，日最大涌水28.6萬立方。野三關(guān)隧道：溶巖呈大廳，斷層連通巖溶構(gòu)造水，一個(gè)半小時(shí)內(nèi)突水15萬立方，泥石量5萬立方。齊岳山隧道：構(gòu)造巖溶溶腔近200處，危及安全的有22處5次大事故，瞬間突水每小時(shí)達(dá)5.2萬方。馬鹿箐隧道突水（錄像資料是2008年4月發(fā)生突水，十幾萬方水瞬間涌入，致使5人死亡。）中國鐵路建設(shè)史上最大涌水隧道，曾8個(gè)月內(nèi)發(fā)生5次特大突水，造成多人傷亡。8面對(duì)形勢做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)9101112小結(jié)：⑴隧道工程建設(shè)發(fā)展，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，面對(duì)勘察現(xiàn)狀、事故教訓(xùn)，確保施工安全

需要要警鐘長鳴；⑵地質(zhì)超前預(yù)報(bào)納入隧道施工工序管理；⑶制定科學(xué)的預(yù)報(bào)方案；⑷落實(shí)責(zé)任、對(duì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的真實(shí)性負(fù)責(zé)；⑸采用綜合互補(bǔ)的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法。13

141、隧道地震波特點(diǎn)與預(yù)報(bào)原理2、觀測系統(tǒng)3、采集技術(shù)4、成果可靠性檢查與分析5、地震波地質(zhì)預(yù)報(bào)成果6、位置相關(guān)預(yù)報(bào)工法7、綜合預(yù)報(bào)技術(shù)工法⑴隧道地震波特點(diǎn)三分量記錄X分量

Y分量

Z分量15有效波干擾波地震波在“時(shí)間-空間”域的分布前行波隧道管波干擾反射回波目前采集參數(shù)：偏移距：20米；炮間距：2米；存在問題：縱橫波分離距離小，有效波域短16

⑵預(yù)報(bào)原理

①大界面型地質(zhì)：構(gòu)造帶、巖性接觸帶、規(guī)模溶洞條件：界面規(guī)模大于波長應(yīng)用：反射波

②小界面型地質(zhì)：溶洞、溶腔、孤石等條件：規(guī)模小于波長應(yīng)用：繞射波

（=vt=v/f，若v=5000m/s、f=1000Hz，則=5m）TGP預(yù)報(bào)系統(tǒng)的優(yōu)勢：反射波與繞射波相結(jié)合。波長？17反射波適用大界面：斷層、巖性接觸帶、規(guī)模巖溶（可接收范圍）1819如何理解可接收范圍？O：固定的光源點(diǎn)AB：夾角固定的反光板在OS24測線的哪個(gè)區(qū)域能夠看到光源O的反射呢？（S1S24段）接收O炮孔S1-S24選定界面產(chǎn)狀固定在O點(diǎn)可以接收到AB段的反射信號(hào)--應(yīng)用反射波預(yù)報(bào)20收到！長界面，形成反射波界面反射波短界面狀況：BC界面的反射偏離S1-S24外，

因此裝置收不到反射波！21收不到？TGP預(yù)報(bào)：反射波繞射波二者結(jié)合22收到！震源O在短界面上形成新的震源點(diǎn)A，S1S24段接收由A點(diǎn)形成的繞射波。震源O在圓形界面形成新的震源點(diǎn)A，S1S24段接收由A點(diǎn)形成的繞射波。界面繞射波⑶多波多分量采集的檢波器檢波器軸線方向具有最大靈敏度，偏離軸線方向則急劇衰減，稱檢波器具有高指向性。檢波器指向靈敏度特性的優(yōu)劣，對(duì)多波和多分量采集具有控制性作用！23檢波器軸線方向能量最強(qiáng)，偏離軸線方向能量急劇減弱——高指向性各個(gè)方向能量沒有變化——無指向性檢波器的高指向性能與寬帶接收P波分量

SH波分量以上是檢波器接收同一震源激發(fā)的地震波記錄，由兩個(gè)分量記錄可見：兩個(gè)分量分別對(duì)P波、SH波具有明顯不同的靈敏度響應(yīng)?？v橫波清晰分辨。24SH波方向能量強(qiáng)P波方向能量強(qiáng)小結(jié)：⑴根據(jù)地震波傳播規(guī)律選擇有效波時(shí)窗；⑵掌握地震反射波和繞射波預(yù)報(bào)原理；⑶明確縱橫波和多分量采集，對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià)和界面空間定位的重要性。25

⑴觀測方式縱向排列橫向排列26接收點(diǎn)激發(fā)點(diǎn)TGP、TSP觀測布置圖激發(fā)點(diǎn)接收點(diǎn)

縱向排列觀測采集的記錄形態(tài)（TGP/TSP采用縱向排列，前行波與回波同相軸呈喇叭口狀，有益識(shí)別。）27掘進(jìn)方向前行波回波①震源在后、排列在前：前行波增加、回波減小，同相軸反向、呈喇叭口。28縱向排列觀測順序討論結(jié)合隧道預(yù)報(bào)的復(fù)雜性，TGP儀器采用炮檢互換方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，互換后相當(dāng)于第①種排列。①接收點(diǎn)激發(fā)點(diǎn)②②震源在前、排列在后：前行波減小、回波減小，同相軸同向、呈平行狀。橫向排列觀測采集的記錄形態(tài)TRT橫向散點(diǎn)觀測：橫偏距小CD段增加有限；前行波與回波同相軸同向、可對(duì)比道少、識(shí)別困難；29TRT傳感器布設(shè)俯瞰圖隧道寬度橫偏距離反射段距離隧道環(huán)境下，加上洞腔、洞壁干擾，采用橫向散點(diǎn)布設(shè)方式，弊利界面與軸線垂直在界面非正交、橫向布置距離有限條件下，CD段長度有限?？v向與橫向排列接收的討論30縱向排列橫向排列縱向排列與橫向散點(diǎn)排列的反射段長度比較巖溶物理模型研究地震波采集效果⑵接收方式：31巖溶模型：洞徑與隧道斷面相等接收方式：⒈深孔接收⒉淺孔接收⒊洞壁接收4排接收點(diǎn)（洞壁、淺孔、深孔）隧道地震波觀測系統(tǒng)模型鉆孔采集的地震波面波弱.反射波強(qiáng)呈曲線孔中接收的優(yōu)點(diǎn)：避開表面波干擾及洞壁巖體衰減大等；

提高反射波和繞射波的接收能量。32洞壁接收:面波A強(qiáng)回波B、C弱深孔接收：面波A弱回波B強(qiáng)、C強(qiáng)小結(jié)：⑴縱向排列：前行波與回波同相軸呈喇叭口狀，易區(qū)分，且利于波型識(shí)別。⑵橫向排列：洞徑有限、洞徑與預(yù)報(bào)距離的比值較小，意義不大。⑶橫向排列回波難識(shí)別，干擾波難區(qū)分。⑷單分量接收無法實(shí)現(xiàn)界面的空間定位。⑸孔中方式，提高回波信噪比、壓制面波干擾。⑹洞壁巖體松動(dòng)，地震波衰減增大，不利于激發(fā)與接收。⑺洞壁錘擊能量有限，聲波影響，有效預(yù)報(bào)距離短。33⑴采集觸發(fā)方式TSP203/200的脈沖觸發(fā)方式，存在電雷管延遲誤差，記錄中首波上下錯(cuò)動(dòng)。左圖記錄誤差達(dá)6ms，按Ⅲ級(jí)圍巖速度計(jì)算存在5米距離誤差。TSP203/200采用脈沖觸發(fā)方式的地震波記錄34誤差造成：速度誤差距離誤差相位誤差物性誤判TGP206采用回線開路觸發(fā)，爆炸與計(jì)時(shí)同步，無時(shí)間誤差。若藥卷綁扎松脫會(huì)出現(xiàn)誤差，如圖中紅線標(biāo)記道，但對(duì)比鄰道即可校正。TGP206回線開路觸發(fā)方式采集的記錄35記錄存在觸發(fā)誤差的影響分析左圖兩個(gè)記錄為同一記錄：左圖是實(shí)際采集記錄。前行波與回波同相軸排列整齊；右圖是將左圖人為處理，隔道錯(cuò)動(dòng)1ms，前行波與回波同相軸錯(cuò)亂；影響預(yù)報(bào)成果。36⑵檢波器耦合技術(shù)靈敏度指向性耦合效果經(jīng)濟(jì)TGP206探頭耦合方式TSP203探頭耦合方式檢波器安放孔內(nèi)，采用黃油耦合貼孔壁。檢波器直接接觸巖體，有利波形保真。檢波器安放在固結(jié)套管內(nèi)，貼管壁。檢波器間接接觸巖體，環(huán)節(jié)多，波形易失真。37TGP接收探頭P波分量SH波分量SV波分量TGP206采集記錄P波、SH波、SV波分辨清晰；波形完整；反映三分量檢波器接收效果與質(zhì)量優(yōu)良。38在地震波信號(hào)質(zhì)量保證的條件下，利用TGP記錄，獲得正確的頻率認(rèn)識(shí)：黃土100～200Hz

軟巖200～400Hz硬巖400～1000Hz

堅(jiān)硬巖1000～1500Hz39TSP203采集記錄由于套管固結(jié)不良或探頭與管壁接觸不良；或套管不固結(jié)而重復(fù)使用，記錄中出現(xiàn)高頻干擾和套管共振干擾。曹哲明總工曾多次質(zhì)疑宜萬線TSP203預(yù)報(bào)記錄中的過高頻率。40TSP203/200套管露出孔口或探頭觸點(diǎn)貼管壁不緊，

記錄中隧道管波和高頻毛刺干擾嚴(yán)重。41Offset:20米o(hù)ffset:30米

offset:40米；隧道管波干擾回波時(shí)窗偏移距offset增加:有效波時(shí)窗增加縱橫波分離改善⑶規(guī)避隧道管波42小結(jié)：⑴實(shí)現(xiàn)界面空間定位，三分量記錄是偏振、矢量和極化波處理的基礎(chǔ)。

TGP206/TSP203應(yīng)用三分量；TRT單分量。⑵實(shí)現(xiàn)三分量采集的關(guān)鍵為檢波器，根據(jù)采集記錄分析，動(dòng)圈式比壓電式檢波器具有優(yōu)勢。⑶耦合技術(shù)優(yōu)劣關(guān)系到數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)選擇可靠、方便、經(jīng)濟(jì)、快捷的耦合技術(shù)。⑷保證地震波走時(shí)測量準(zhǔn)確，要減少儀器觸發(fā)誤差。⑸隧道管波干擾的存在是客觀的，通過加大偏移距離規(guī)避干擾，對(duì)提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性有利。43⑴偏移成果的可靠性檢查可靠成果源于真實(shí)數(shù)據(jù)，又是地質(zhì)推斷的基礎(chǔ)；針對(duì)成果檢查對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，是物探熟知的捷徑?？煽砍晒墙忉尰A(chǔ)44界面波形隧道管波在偏移圖中的假象隧道管波偏移成果假象

地質(zhì)誤判剔除成果中假象45未去除管波干擾的成果去除管波干擾的成果掌子面回波：隧道開挖應(yīng)力釋放；掌子面附近巖體形成地震波傳播界面，產(chǎn)生非地質(zhì)成因的回波。利用同相軸交點(diǎn)位置可予以識(shí)別。掌子面回波在三個(gè)分量中均有表現(xiàn)，但橫波分量更嚴(yán)重。通過檢查識(shí)別掌子面回波⑵掌子面回波檢查46利用前行波與回波交點(diǎn)的位置與掌子面的關(guān)系，判斷成果中的異常成因。47掌子面回波干擾P波偏移成果圖SH波偏移成果圖⑶速度參數(shù)曲線檢查TSP203/200成果：80-100米以后速度曲線異常，非地質(zhì)原因——隧道管波——造成。為何變化大？隧道管波造成速度異常48TSP203/200速度曲線的隧道管波假象49⑷估算速度校正背景：速度代表性無查驗(yàn)；優(yōu)勢：排除虛假速度異常，進(jìn)行速度校正，與已知段巖體

進(jìn)行比較使用。50非校正速度曲線解釋存在：①各向異性體的代表性；

②沒交代相對(duì)估算速度；51小結(jié)：⑴預(yù)報(bào)成果是地質(zhì)性質(zhì)和地質(zhì)特征推斷的基礎(chǔ)，

應(yīng)通過檢查確認(rèn)可靠后再使用；⑵隧道地震波預(yù)報(bào)如同其他物探方法一樣，存

在有效波與干擾波，而且隧道環(huán)境下更加復(fù)

雜，建立有效波預(yù)報(bào)的觀點(diǎn)。⑶管波和掌子面回波干擾具有規(guī)律性，應(yīng)用中

還存在施工震動(dòng)干擾和地形回波等干擾，應(yīng)

用中應(yīng)避免簡單化。⑷估算速度曲線依據(jù)回波能量計(jì)算，本質(zhì)上映

界面兩側(cè)巖體聲阻抗差異，應(yīng)用中與開挖段

巖體比較，實(shí)用性強(qiáng)。52⑴TSP203地震預(yù)報(bào)成果圖TSP203/200

偏移成果圖53TSP203/200速度曲線與參數(shù)成果圖54⑵TRT地震預(yù)報(bào)成果圖TRT6000單分量偏移成果圖553D空間產(chǎn)狀分布圖；2D產(chǎn)狀與估算速度曲線；⑶TGP206地震預(yù)報(bào)成果圖56工程實(shí)例圖解①天寶高速公路花石山隧道勘察報(bào)告推斷斷層存在，但其規(guī)模和具體位置不清，需要地震波預(yù)報(bào)給予確定。57（4）TGP儀器預(yù)報(bào)工程實(shí)例58A.偏移歸位圖B.構(gòu)造產(chǎn)狀圖走向圖傾向圖A圖：2條偏移異常，擬地震曲線2處低頻波動(dòng)；B圖：斷層與隧道夾角60°，前界面俯傾，后界面近直立。估算速度與反射符號(hào)速度曲線呈“凹”形低速，Vp=2700米/秒；降低達(dá)1/3多，推斷巖體碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化。橫波在斷層帶前26米呈低速，為斷層影響帶。界面回波符號(hào)見圖中標(biāo)示。59估算速度曲線圖提供斷層空間分布與產(chǎn)狀，斷層帶寬度70-80米，其中：紫色為強(qiáng)負(fù)反射，紅色為強(qiáng)正反射，反射符號(hào)與強(qiáng)弱用顏色色標(biāo)區(qū)分。60TGP隧道預(yù)報(bào)3D圖由圖見：726至700段縱、橫波速度呈臺(tái)階狀曲線降低，橫波降低幅度大，已開挖段頁巖具有泥化特征，裂隙水呈淋雨?duì)睢?jù)此推斷預(yù)報(bào)段頁巖泥化嚴(yán)重、或裂隙水加重，預(yù)報(bào)結(jié)論圍巖具有垮塌可能，由3級(jí)降為5級(jí)圍巖。②三亞迎賓隧道61走向圖傾向圖估算速度曲線圖三亞迎賓隧道預(yù)報(bào)巖性界面3D圖三亞迎賓隧道3D成果圖顯示：隧道拱頂738至710段呈倒三角楔形，與事故處理后的垮塌形狀吻合。62③大瑤山巖溶發(fā)育方向預(yù)報(bào)試驗(yàn)俯視圖—水平方向發(fā)育空間繞射波點(diǎn)提取技術(shù)63正視圖—高程發(fā)育小結(jié)：本章展示了國內(nèi)外三種儀器的地震波預(yù)報(bào)成果圖，由圖可見：

⑴偏移處理是共同采用的模式；因計(jì)算方法不同存在一定差別；

⑵

TGP偏移成果強(qiáng)化收斂處理，增加擬地震曲線；

⑶

TGP增加三維空間定位成果；

⑷

TGP增加繞射回波點(diǎn)空間定位成果；

⑸

TGP速度曲線附加反射點(diǎn)位置；總之：鑒于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集條件的局

限性，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)地質(zhì)化成果圖，有利于地質(zhì)結(jié)合

進(jìn)行綜合分析。64利用界面可重復(fù)觀測、隨機(jī)干擾不可重復(fù)進(jìn)行觀測，提高預(yù)報(bào)成果的可靠性；該技術(shù)適用于盾構(gòu)與TBM

施工的預(yù)報(bào)。6566兩個(gè)圖片是前后相鄰兩次預(yù)報(bào)的成果。兩次預(yù)報(bào)互相驗(yàn)證，提高準(zhǔn)確性。重復(fù)預(yù)報(bào)區(qū)域負(fù)反射界面正反射界面背景：采用雷達(dá)同樣存在對(duì)突水、突泥難判斷；優(yōu)勢：利用具有互補(bǔ)效果的手段67工程實(shí)踐證明：作為長距離預(yù)報(bào)技術(shù)，地震波預(yù)報(bào)在如下方面能夠發(fā)揮作用：①對(duì)于斷層帶、裂隙密集帶、軟硬巖性帶劃分，以及地質(zhì)界面的空間產(chǎn)狀分布；②對(duì)于構(gòu)造巖溶發(fā)育帶、具有一定規(guī)模的巖溶溶腔、以及巖溶通道發(fā)育分布的預(yù)報(bào)；③對(duì)于界面之間巖體地質(zhì)性質(zhì)的評(píng)價(jià)等方面；

在地下水預(yù)報(bào)方面，尤其是對(duì)水壓與水量的預(yù)報(bào)，超出地震波預(yù)報(bào)的范圍。應(yīng)明確地震波預(yù)報(bào)是一種技術(shù)手段，面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和隧道安全施工要求，應(yīng)探討能夠與地震波預(yù)報(bào)互補(bǔ)的其它手段。68其它輔助手段探討：①水平超前鉆探

探查長度大，可以獲取巖芯；占時(shí)長，布孔有限；②超深炮孔鉆探

探查長度短，不取巖芯，鉆孔快，可以面積布孔；兩種手段各有短長，研究巖體厚度抵抗水作用力關(guān)系，針對(duì)巖溶分布、形態(tài)不確定因素，選擇超深炮孔作為地震波預(yù)報(bào)的一種輕便輔助手段，具有可靠、可行、快捷、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。問題的關(guān)鍵需要了解巖體的安全厚度，分析宜萬鐵路線隧道巖溶突水突泥的過程，認(rèn)為可以采用一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺作為安全的巖體厚度，在地震波預(yù)報(bào)確定異常區(qū)段的基礎(chǔ)上，選擇使用超深炮孔方法。69具體實(shí)施方案如下：①采用多孔、逐次循環(huán)錯(cuò)位的布孔原則；②掌子面周邊的采用放射狀鉆孔，鉆探深度以開挖后仍然留有4米的巖體厚度設(shè)計(jì)；③掌子面鉆孔深度以不小于6-8米設(shè)計(jì)；④隧道施工采用小藥量、短