TSP203超前地质预报系统与应用实例.docx

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TSP203超前地质预报系统与应用实例

TSP203超前地质预报系统与应用实例

胡文武;陈一平;张玉贵

【摘要】TSP（TunnelseismicPrediction）203仪器从数据采集、处理和成果解释及评估高度智能化等方面,是隧道施工安全和保证质量的理想仪器.这里介绍了TSP203系统应用原理及现场的施工布置,并结合实例分析证明,TSP203系统可以对隧道工程前方围岩地质的性质位置和规模进行比较准确的探测各预报,能确保隧道施工的安全,有效地控制了地质灾害的发生,对现场施工和监管具有重要的指导意义.

【期刊名称】《物探化探计算技术》

【年（卷）,期】2008（030）003

【总页数】5页（P226-230）

【关键词】TSP;地质预报;隧道施工

【作者】胡文武;陈一平;张玉贵

【作者单位】中南大学,信息物理工程学院,长沙,410083;中南大学,信息物理工程学院,长沙,410083;中南大学,信息物理工程学院,长沙,410083

【正文语种】中文

【中图分类】基础科学

第30卷第3期物探化探计算技术2008年5月文章编号：

1001-1749（2008）03-0226-05TSP203超前地质预报系统与应用实例胡文武，陈一平，张玉贵（中南大学信息物理工程学院，长沙410083）摘要：

TSP（TunnelseismicPrediction）203仪器从数据采集、处理和成果解释及评估高度智能化等方面，是隧道施工安全和保证质量的理想仪器。

这里介绍了TSP203系统应用原理及现场的施工布置，并结合实例分析证明，TSP203系统可以对隧道工程前方围岩地质的性质位置和规模进行比较准确的探测各预报，能确保隧道施工的安全，有效地控制了地质灾害的发生，对现场施工和监管具有重要的指导意义。

关键词：

TSP；地质预报；隧道施工中图分类号：

U455文献标识码：

AO前言随着我国建筑工程的不断发展，在施工中，随时会出现不同规模和形状的地质情况，严重阻碍了施工的进度，给国家带来了不可估量的损失。

较好的解决方法是通过准确的超前地质预报系统来预防。

作者在本文中着重介绍一种TSP203超前地质预报的系统原理，结合实例进行分析，说明运用TSP203系统对现场地质问题具有重要的指导意义。

1工作原理TSP203是瑞士安伯格测量公司于二十世纪九十年代研制开发的一套超前预报系统。

该系统能长距离预报地下施工的地质情况变化，如断层带和其它不良地质带，其预测范围在100m~200m之间，属多波分量高分辨率地震反射波探测技术‘2】。

该系统探测的基本原理，是应用了地震波的反射波原理（主要是联合纵波和横波的地震勘探，见下页图1）。

地震波是由特定位置进行小型爆破而产生的，布局一般是24个爆破点，沿着隧道左边墙，或右边墙平行隧道隧洞底板成直线排列。

炮孔深1.5m，间距1.5m，由人工制造一系列有规则排收稿日期：

2007-09-11改回日期：

2007-11-21列的轻微震源，形成地震震源断面。

这些震源发出的地震波遇到地层层面、接力面，特别是断层破碎带界面和岩溶、暗河、岩溶陷落柱，淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波。

地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物体界面（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）时，一部分地震信号反射回来，另一部分折射进入对方介质。

反射信号将被具有高灵敏度的地震检波器接收，由于反射信号的传送时间与到地质界面的距离成正比，因而反射信号的强度与相关的界面的性质、界面的产状密切相关。

通过计算机的软件对反射数据记录分析，得到相关隧道构造剖面及围岩的物理力学参数‘l】。

2性能组成及技术指标此次探测采用的仪器系统主要由记录单元和接收单元二大部分组成，各部分的技术指标如下。

（1）记录单元。

①12道；②24位A/D转换；③采样间隔为62.5us；④带宽为8000Hz；⑤记录长度为7218采样点；⑥动态范围为120dB；⑦道数为l—l2；⑧可卸载的PⅢ笔记本电脑。

（2）接收单元。

①三分量加速度地震检波器；②灵敏度为l000mv/g±5%；③频率范围为0.5Hz—5000.0Hz；④横向灵敏度>1%；⑤工作第30卷第3期物探化探计算技术2008年5月摘要：

TSP（TunnelseismicPrediction）203仪器从数据采集、处理和成果解释及评估高度智能化等方面，是隧道施工安全和保证质量的理想仪器。

这里介绍了TSP203系统应用原理及现场的施工布置，并结合实例分析证明，TSP203系统可以对隧道工程前方围岩地质的性质位置和规模进行比较准确的探测各预报，能确保隧道施工的安全，有效地控制了地质灾害的发生，对现场施工和监管具有重要的指导意义。

中图分类号：

U455O前言随着我国建筑工程的不断发展，在施工中，随时会出现不同规模和形状的地质情况，严重阻碍了施工的进度，给国家带来了不可估量的损失。

较好的解决方法是通过准确的超前地质预报系统来预防。

作者在本文中着重介绍一种TSP203超前地质预报的系统原理，结合实例进行分析，说明运用1工作原理是瑞士安伯格测量公司于二十世纪九十年代研制开发的一套超前预报系统。

该系统能长距离预报地下施工的地质情况变化，如断层带和其它不良地质带，其预测范围在100m~200m之间，属多波分量高分辨率地震反射波探测技术‘2】。

该系统探测的基本原理，是应用了地震波的反射波原理（主要是联合纵波和横波的地震勘探，见下页图1）。

地震波是由特定位置进行小型爆破而产生的，布局一般是24个爆破点，沿着隧道左边墙，或右边墙平行隧道隧洞底板成直线排列。

炮孔深1.5m，间距1.5m，由人工制造一系列有规则排收稿日期：

2007-09-11-1121列的轻微震源，形成地震震源断面。

这些震源发出的地震波遇到地层层面、接力面，特别是断层破碎带界面和岩溶、暗河、岩溶陷落柱，淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波。

地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物体界面（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）时，一部分地震信号反射回来，另一部分折射进入对方介质。

反射信号将被具有高灵敏度的地震检波器接收，由于反射信号的传送时间与到地质界面的距离成正比，因而反射信号的强度与相关的界面的性质、界面的产状密切相关。

通过计算机的软件对反射数据记录分析，得到相关隧道构造剖面及围岩的物理力学参数‘l】此次探测采用的仪器系统主要由记录单元和接收单元二大部分组成，各部分的技术指标如下。

（1）记录单元。

①12道；②24位A/D转换；③采样间隔为62.5us；④带宽为8000Hz；⑤记录长度为7218采样点；⑥动态范围为120dB；⑦道数为l—l2；⑧可卸载的PⅢ笔记本电脑。

（2）接收单元。

①三分量加速度地震检波器；②灵敏度为l000mv/g±5%；③频率范围为0.5Hz000.0Hz；④横向灵敏度>1%；⑤工作3期胡文武等：

TSP203超前地质预报系统与应用实例227环境温度0℃~65℃；⑥MSWindows作为软件平台。

处理及评估软件具有高度智能化，有自动和高级二种处理方式可供选择‘纠。

3现场布置TSP203超前地质预报系统的现场及测试，由一系列炮点、一到二个三维接收器（X、l，、Z方向）、接收机及处理系统组成（见图1及图2）。

在系统激发前，于隧道隧洞单或双壁呈水平直线形式布置炮孔24个，在施工条件不允许的情况下不得少于18个，深度为1.5m，直径为28mm~45mm，炮孔以等间距1.5m布置，沿轴径向，向下倾斜100—200（便于水封填炮孔），相对于隧道壁面向掌子面方向倾斜100，离隧道隧底约Im。

根据施工现场围岩的复杂性，在隧道隧洞单或双壁沿轴径向布置传感器，安置传感器的炮孔深度为2.0m，直径为43mm~45mm，距离最近的爆破点为20m，离隧道隧底板约Im，离掌子面约55m位置。

当安置传感器的套管用环氧树脂固结时，接收点钻孑L向上倾斜5。

N100；而用灰泥浆固结时，钻孔下斜10。

。

炮孔安置完毕后，将连接有雷管的炸药用PVC管推至炮孔孔底，拔出PVC管时要小心，力求不触动雷管的引线。

在引爆前，要求在装好炸药的炮孔中注满水，这样有利于减少爆破时的声波干扰，完善炸药和围岩的耦合，增加激发的能量。

在特殊情况下，还可以在装好炸药的炮孔中先充填锚固剂。

等待锚固剂结合后，在用水封堵炮孔，以便于更有效地增加激发的能量，使之达到更深的勘探目的。

其次，激发所用的炸药量可根据现场的地质情况决定。

图1TSP203系统的方法原理与野外布设Fig.1PrinciplesofapplicationoftheTSP203systemandOpencountryestablishment图2TSP203系统装置Fig.2EquipmentsoftheTSP203system3胡文武等：

TSP203超前地质预报系统与应用实例环境温度0℃~65℃；⑥MSWindows作为软件平纠3现场布置超前地质预报系统的现场及测试，由一系列炮点、一到二个三维接收器（X、l，、Z方向）、接收机及处理系统组成（见图1及图2）。

在系统激发前，于隧道隧洞单或双壁呈水平直线形式布置炮孔24个，在施工条件不允许的情况下不得少于18个，深度为1.5m，直径为28mm~45mm，炮孔以等间距1.5m布置，沿轴径向，向下倾斜100—200（便于水封填炮孔），相对于隧道壁面向掌子面方向倾斜100，离隧道隧底约Im。

根据施工现场围岩的复杂性，在隧道隧洞单或双壁沿m，直径为43mm~45mm，距离最近的爆破点20离隧道隧底板约Im，离掌子面约55m位N100；而用灰泥浆固结时，钻炮孔安置完毕后，将连接有雷管的炸药用PVC管推至炮孔孔底，拔出PVC管时要小心力求不触动雷管的引线。

在引爆前，要求在装好炸药的炮孔中注满水，这样有利于减少爆破时的声波干扰，完善炸药和围岩的耦合，增加激发的能量。

在特殊情况下，还可以在装好炸药的炮孔中先充填锚固剂。

等待锚固剂结合后，在用水封堵炮孔，以便于更有效地增加激发的能量，使之达到更深的勘探目的。

其次，激发所用的炸药量可根据现场的地质情况决定。

图1TSP203系统的方法原理与野外布设PrinciplesofapplicationoftheTSP203systemandOpencountryestablishment系统装置Fig.2oftheTSP203system228物探化探计算技术30卷在开始实际测量工作前，我们还需要通过地质分析，隧道工程记录及测区现场踏勘，了解岩性分界面或主要构造面的平均方位与隧道洞轴线的相互关系。

TSP测量剖面布置在隧道隧洞左壁或右壁，这取决于岩层结构的主导方位。

在一般情况下，测量剖面布置与岩层结构的主导方位成锐角的隧道壁，这样有利于有效信号的接收。

其次，现场的空间检测也必须到位。

例如，在首次进行TSP勘探时，要求隧道隧洞挖空的最少空间长度为50m。

同时，在测区第四系覆盖层比较厚的情况下，还应增加空间长度，以确保传感器安置在比较致密的围岩中，以免传感器安放在松散土层中时影响信号接收，因为松散土层存在很严重的滤波效应。

最后，就是仪器设备的检查，如电池情况，仪器的校准，连接线路等，具体因现场要求和规则进行。

4资料解释通过对TSP数据的处理，我们可以得到二维空间的反射波振幅分布图，横纵波的二维和三维反射界面提取图，以及围岩的力学参数表等。

依据数据处理的结果，可以给出数据的解释资料，解释依据有以下三点。

4.1横纵波及反射振幅根据反射系数的定义有R=AR/Ai。

式中AR为人射波的振幅；Ai为反射波的振幅；R为反射界面的反射系数，即反射波和入射波振幅之比。

又根据反射理论及波阻抗的定义，有ARP2V2-PiVl22-ZlR=一

（1）AiP2V2+PiVi22+Zl式中Pi、vl、P2、V2表示分界面上、下二种介质的密度，和波在介质中传播的速度；22=P2V2、Zl=PiVi表示上、下介质的波阻抗，即介质密度与地震波在其中的传播速度的乘积。

反射系数的物理意义，是指地震波垂直入射到反射界面上后，被反射回去后能量的多少，这说明在界面上有能量的分配问题。

由上述物理定义及公式可以得出以下结论。

（1）R越大，反射振幅越高，分界面波阻抗差别越大。

（2）当R>O时，22>Zl，为正反射，下伏岩层波阻抗大于上层介质明显，也就是表明下伏岩石为刚性岩层。

此时，地震波为软弱岩层向致密岩层传播；当R

（3）根据横、纵波在液体介质中的传播特性，纵波在水中的传播速度大约为l500m/s，在空气中的传播速度约为340m/s；横波在水中不传播。

所以横波在富含水的岩性分界面上反射能量较纵波强。

但是此时的比较应该特别小心，因为深层反射振幅易受随机噪音和数据处理的影响。

4.2横波与纵波的速度比根据横、纵波的传播特征（即横波的质点运动方向与地震波的传播方向垂直；而纵波的质点运动方向和地震波的传播方向一致），结合地震波的波动方程，则地震纵波和横波在介质中传播速度与介质的弹性常数之间存在定量关系：

／F≯i厂E（1一”）vP=7——=卜i

（2）～p～p（1+口）（1—2口：

K=Elp（l+”）（3）式中A、u是拉梅系数；p是介质密度；E是扬式模量；秽是泊松比。

结合式

（2）和式（3），有生一厘（1-生（4）E√1—2"由此可见，纵波与横波的速度比，取决于介质的泊松比。

因此我们可以得到横、纵波速度比与泊松比的函数图，如图3所示，实际横、纵速度比与泊松比的关系图为函数图渐进线右边的部分。

由图3可得下列结论：

（1）由于液体介质无法传播横波，泊松比近似为0.5。

从图3示意及大量的实际资料表明，当岩石固结程度较好时，1．OE>2．O。

┏━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━┓┃j一厂1┃┃┣━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━┫┃┃．．．，．√■—■o．┃┣━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━┫┃00.20.40.60.8┃/'4234┃┗━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━┛2。

q1◆●●◆—◆—●丑冬—■●■■．瘿0‘．．．-．．I．．I．．▲一-r00.20.40.60.84234-、-严、-2-．3-Vp，vs图3横、纵波速度比与柏松比的函数图Fig.3RelationoftheratioofvelocitiesbetweenSwaveandPwave＆poisson'sratio在开始实际测量工作前，我们还需要通过地质分析，隧道工程记录及测区现场踏勘，了解岩性分界面或主要构造面的平均方位与隧道洞轴线的相互关系。

TSP测量剖面布置在隧道隧洞左壁或右壁，这取决于岩层结构的主导方位。

在一般情况下，测量剖面布置与岩层结构的主导方位成锐角的隧道壁，这样有利于有效信号的接收。

其次，现场的空间检测也必须到位。

例如，在首次进行TSP勘探时，要求隧道隧洞挖空的最少空间长度为50还应增加空间长度，以确保传感器安置在比较致密的围岩中，以免传感器安放在松散土层中时影响信号接收，因为松散土层存在很严重的滤波效应。

最后，就是仪器设备的检查，如电池情况，仪器的校准，连接线路等，具体因现场要求和规则进行。

4资料解释通过对TSP数据的处理，我们可以得到二维空间的反射波振幅分布图，横纵波的二维和三维反射界面提取图，以及围岩的力学参数表等。

依据数据处理的结果，可以给出数据的解释资料，解释依据有以下三点。

根据反射系数的定义有R=AR/Ai。

式中AR为人射波的振幅；Ai为反射波的振幅；R为反射界面的反射系数，即反射波和入射波振幅之比。

又根据反射理论及波阻抗的定义，有ARP2V2-PiVl22-ZlR=AiP2V2+PiVi式中PivlP2V2表示分界面上、下二种介质的密度，和波在介质中传播的速度；22=P2V2、Zl=PiVi表示上、下介质的波阻抗，即介质密度与地震波在其中的传播速度的乘积。

反射系数的物理意义，是指地震波垂直入射到反射界面上后，被反射回去后能量的多少，这说明在界面上有能量的分配问题。

由上述物理定义及公式可以得出以下结论。

（1）R越大，反射振幅越高，分界面波阻抗差别越大。

时，22>Zl为正反射，下伏岩层波阻抗大于上层介质明显，也就是表明下伏岩石为刚性岩层。

此时，地震波为软弱岩层向致密岩层传播；当R

（3）根据横、纵波在液体介质中的传播特性，纵波在水中的传播速度大约为l500m/s，在空气中的传播速度约为340m/s；横波在水中不传播。

所以横波在富含水的岩性分界面上反射能量较纵波强。

但是此时的比较应该特别小心，因为深层反射振幅易受随机噪音和数据处理的影响。

4.2根据横、纵波的传播特征（即横波的质点运动方向与地震波的传播方向垂直；而纵波的质点运动方向和地震波的传播方向一致），结合地震波的波动方程，则地震纵波和横波在介质中传播速度与介质的弹性常数之间存在定量关系：

／F≯i厂E（1”）vP=7～p～p（1+口）口：

Elp（l+”）（3）Au是拉梅系数；p是介质密度；E是扬式模量；秽是泊松比。

结合式

（2）和式（3），有生厘（1-生（4）√2"由此可见，纵波与横波的速度比，取决于介质的泊松比。

因此我们可以得到横、纵波速度比与泊松比的函数图，如图3所示，实际横、纵速度比与泊松比的关系图为函数图渐进线右边的部分。

由图3可得下列结论：

为0.5从图3示意及大量的实际资料表明，当岩石固结程度较好时，1．OE>2┏━┳┓┣╋┫．√■—■o．00.20.40.60.8┗┻┛q◆●—◆—●丑瘿0-I▲一-r严-2-．3-Vp，vs横、纵波速度比与柏松比的函数图RelationoftheratioofvelocitiesbetweenSwaveandPwave＆poisson'sratio3期胡文武等：

TSP203超前地质预报系统与应用实例229

（2）根据地震波的时间平均方程式土一立+L尘（5）y一Vf’Vr式中y是波在岩石中的实际速度；吩是波在孔隙流体中的速度；Vr是岩石基质的速度；（b是岩石的孔隙率。

结合纵波在液体及气体中的传播特性，当岩石的孔隙充满水时，v／vs从1.4-+2.0；当岩石的孔隙充满气时，Vp/v3从1.3-*1.7。

由于vf

4.3横波分裂与裂隙发育带在各向异性介质（弹性性质与空间方位有关的固体）中，波沿各个方向是不同的。

研究结果表明，介质的各向异性P波（纵波）影响不大，但对S波（横波），特别是上SH波（横波的一个分量，质点振动在波传播方向的水平面内的波）的影响是可观的。

在裂隙发育带中，介质表现明显的各向异性，即在与裂隙的走向垂直或平行的二个方向上，介质的性质存在较大的差别。

由于在各向异性介质中，S波沿不同方向的传播速度明显不同，所以当地震通过裂隙发育带后，会出现S波分裂的现象。

根据S波分裂，就可以判断裂隙的方向和发育程度‘”。

5应用实例5.1工程简介马鹿箐隧道位于恩施市和利川市交界处，隧道进口在罗针田镇梨子坪，出口在团堡镇道湾。

隧道总长为7876m，是15.30100的单面上坡。

在隧道进出口左侧30m均设有平导。

预报区在鄂西构造溶蚀侵蚀中高山区，金子山复向斜中四方洞向斜南东翼的单斜地层中，向斜呈宽环型。

隧道穿越的地层主要有：

志留系中统纱帽组（S2S）砂质页岩、砂岩、页岩；泥盆系（D2+3）石英砂岩、泥灰岩、页岩；二叠系栖霞组（Plq）灰质页岩夹煤层、灰岩夹炭质钙质页岩、灰岩；茅口组（Plm）灰岩；吴家坪组（P2w）页岩、灰质页岩夹煤层；长兴组（P2c）灰岩；三叠系大治组（Tld）页岩、泥页岩、泥灰岩和灰岩；嘉陵江组（Tlj）灰岩、白云岩、页岩。

5.2工程问题主要工程地质问题是强可溶的碳酸岩岩溶、岩溶水、溶洞、暗河。

朱家槽一和尚鞍暗河在隧道上方约35m处通过，隧道遭遇暗河的