TSP203超前地质预报系统与应用实例.docx

1、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(Tunnel seismic Prediction)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-

2、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) 03-0226-05 TSP203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(Tunnelseism

3、icPrediction)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 ： A O 前言随着我国建筑工程 的不断发展 ，在

4、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 100m200m 之 间，属多波分量高分辨率地震反射波探测技术 2 】 。 该

5、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

6、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。 12 道 ； 24

7、位 A/D 转换 ； 采样间隔为 62.5us ； 带宽为 8000Hz ； 记录长 度为 7218 采样点 ； 动态范围为 120dB； 道数 为l l2 ； 可卸载的 P 笔记本电脑 。 (2) 接收单元。 三分量加速度地震检波器 ； 灵 敏 度 为 l000mv/g 5% ； 频 率 范 围 为0.5 Hz 5000.0Hz ； 横向灵敏度 1% ； 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

8、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 ： U455 O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

9、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 100m200m 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1.5 m，间距 1.5m ， 由人工制造一系列有规

10、则排收稿 日期 ： 2007-09 -11 - 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

11、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。 12 道 ； 24 位 A/D 转换 ； 采样间隔为 62.5us ； 带宽为 8000Hz ； 记录长度为 7218 采样点 ； 动态范围为 120dB； 道数为ll2；可卸载的 P 笔记本电脑 。 (2) 接收单元。 三分量加速度地震检波器 ；灵 敏 度 为 l000mv/g 5% ； 频 率 范 围 为 0.5 Hz 000.0 Hz ； 横向灵敏度 1% ； 工作3 期 胡文武等： TSP203

12、 超前地质预报 系统与应 用 实例 227环境温度 0 65 ； MSWindows 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

13、 （ 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 2.0 m ，直径为 43mm45mm ，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

14、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.1 Principles of application of the TSP203systemandOpencountryestablishment图 2TSP203 系统装置Fig.2 Equip

15、ments of the TSP203system3胡文武等： TSP203 超前地质预报 系统与应 用 实例环境温度 0 65 ； MSWindows 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 45 mm，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

16、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 43mm45mm ，距离最近 的爆破点20离隧道隧底板约 Im ，离掌子面约 55m 位N 100；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

17、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 Principles of application of the TSP203systemandOpencountryestablishment系统装置 Fig.2 of the TSP203system228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

18、 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 m。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

19、 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AR P2 V2-Pi Vl 22-ZlR=一 (1) AiP2 V2+PiVi 22+Zl式中 Pi 、 vl 、 P2 、 V2 表示分界面上 、 下二种介质的密度 ，和

20、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 RO时 ， 22Zl ， 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 RO时 ， 22Zl ， 为负反射 ，上伏岩层波阻抗明显大于下层介质 ，也就

21、是表明下伏岩层为软弱岩层 ，此时 ，地震波为致密岩层 向软弱岩层传播。(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

22、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

23、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 OvoVsE2 O 。 j一厂 1 ， o 00.20.40.60.8/42 34 2 。q1 丑冬 瘿 0 - I I 一-r0 0.20.40.60.84 234-、 - 严、 -2- 3-Vp， vs图 3 横、纵波速度比与柏松比的 函数图 Fig.3 Relation of the ratio of velocities betweenS wave andP wave poissonsratio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

24、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 ，

25、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 AR P2 V2-Pi Vl 22 -Zl R= Ai P2 V2+Pi Vi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 ；

26、 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 RO Zl为负反射 ，上伏岩层波阻岩层 ，此时 ，地震波为致密岩层 向软弱岩层传播。 (3) 根据横 、 纵波在液体介质 中 的传播特

27、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 ：Fi厂 E（1”） vP=7 pp（1+口）口： E lp(l+ ”) (3)Au是拉梅系数 ； p 是介质密度 ； E

28、 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 OvoVsE2o 0 0.2 0.4 0.6 0.8 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 Relation of the ratio of

29、velocities betweenS wave andP wave poissonsratio3 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 Vr ，所以 当孔隙率 咖增加时，地震波

30、在岩层 中的纵波波速下降。 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

31、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