[PPT]隧道超前地质预报技术讲座二_ppt

1、隧道超前预报与病害诊断技术讲座之二国内外超前预报技术现状与问题隧道超前预报与病害诊断技术 隧道超前预报与病害诊治技术 报告主要内容常见病害与地质超前预报的内容；国内外地震法超前预报技术现状与问题；隧道地震法超前预报技术的几个核心问题；TST隧道地震超前预报技术特点及应用；5 国内外超前预报技术评价方法；6 TST技术在隧道病害、边坡与场地 勘查中的应用；7 TST与高密度电法综合预报技术的应用；地震CT、SSP地震散射剖面与高密度电法隧道病害诊断技术；9 滑坡与水库漏水的病害诊断技术；1 地质超前预报内容与技术要求2 超前预报技术发展历史回顾3 国内外超前预报技术现状与问题 3.1 陆地声纳法

2、 3.2 地震反射负视速度法 3.3 声波 HSP水平剖面法； 3.4 瑞士的TSP202、203超前预报技术； 3.5 TGP206超前预报技术； 3.6 美国的TRT与TRT6000超前预报技术 3.7 最新的TST隧道超前预报技术超前预报技术分类与评价 4.1 超前预报技术分类 4.2 超前预报技术存在的问题 4.3 超前预报技术评价方法2 国内外超前预报技术现状与问题1.1 预报地质对象性质 灾害性不利地质对象： 断裂构造、含水体、溶洞、含瓦斯构造，岩爆； 基本地质要素： 地层岩性、工程类别、力学性状变化；1.2 预报尺度要求：位置定位精度：误差小于10%构造规模尺度：误差小于10%

3、分辨率： 1m1 地质超前预报的内容2 超前预报技术发展回顾 国内外的超前预报技术是一个不断发展的过程。 超前预报技术的研究始于上世纪80年代末，主要方法是地质预测。90年代初中国与瑞士几乎同时起步开始物探方法超前预报研究。瑞士研究开发TSP技术，中国铁道部开立隧道开挖工作面前方不良地质预报科研课题，开启了我国物探超前预报技术的研究。课题中同时开展了陆地声纳、负视速度法、HSP水平剖面法和地质雷达的超前预报研究。90年代中期铁道系统开始从瑞士引进和推广TSP202、203。公路效仿铁路也先后引进TSP，有些工程招标文件中甚至特别指定必须使用TSP203投标。在市场的推动下，不到10年的时间中国

4、先后引进TSP超过100套，成为世界上的最大用户。美洲超前预报的起步较晚，90年代末才开始。 21世纪初美国NSA公司开发出TRT技术，并开始在欧洲作为咨询工具应用，但是没多久2005年NSA公司被并购，TRT技术的一些功能还未开发完成，开发者就另辟新径离开了TRT技术。2008年TRT技术以TRT6000的名义开始进入中国（陈刚毅2009）很快就发现TRT存在很多问题需要改进（2009）。在TSP风靡全国的时候，2006年国内出现了模仿TSP技术的TGP超前预报技术（2009）。这一阶段工程界的主要需求是工程应用，急于寻找可用于地质超前预报的方法，对方法原理的科学性与准确性还来不及考虑。随着

5、TSP技术的应用，其技术缺陷逐渐暴露，准确性不高，虚报漏报严重，引起了对TSP技术的质疑。超前预报技术发展回顾 常旭等对TSP的线性排列观测系统的超前预报技术进行数值模拟时发现，于隧道斜交的断层的偏移图像是一个以隧道为对称轴的锥面，垂直于隧道的断层的图像是一个包围掌子面的椭球面（2006）。这一事实表明隧道内小孔径观测条件下，偏移成像的方位分辨很差，无法确定反射面的确切位置。为了确定位置必须对地震资料增加约束条件，给定地震回波的方向。这一研究结果与赵永贵等研究的结果不谋而合。XX等在对TSP方法的理论进行分析时指出其存在三个技术缺陷（2008，2010）其一是其观测方式不合理，不能准确确定掌子

6、面前方围岩波速，用直达波速代替掌子面前方波速在构造复杂地区会造成定位的较大偏差，同时不能提供反应岩体力学性状变化的信息；其二是没有方向滤波，对不同方向的回波不加区分，将上下左右的侧向反射都偏移到掌子面前方，造成虚报误报，在浅埋隧道海底隧道和水平地层发育的地区尤为严重；其三是纵横波的分离方法有问题，没有经过方向滤波处理就进行纵横波分离的结果是不正确的，以此为基础的纵横波比预报含水性的结果是不可靠，国内一些隧道的涌水事故的漏报均与此有关。这些技术缺陷不仅存在于TSP中，在TGP和TRT中也同样存在。这使超前预报技术进入了理论研究的阶段。超前预报技术历史回顾 历经了十年独立自主的开发，由XX主持的

7、TST超前预报技术2007年问世。它以严谨的球物理原理和专业的数据处理技术为基础，建立了全新的观测方式与资料处理流程。使用F-K方向滤波技术进行空间波场分离，使用速度扫描技术确定掌子面前方围岩波速分布，在方向滤波的基础上进行纵横波分离，克服了TSP中存在的种种技术缺陷，同时提供地质构造偏移图像和围岩波速分布图像，便于综合分析与解释，使超前预报技术更科学、更可靠、更精确。 综观各种超前预报技术，它们在观测方式和资料处理技术上的差异反映了开发者对于隧道内三维地震波场复杂性的理解程度和对地震数据的处理能力。观测方式和资料处理技术是密切相关的，它们是建立在对波场理解的基础之上。观测方式和数据处理技术科

8、学性反应了超前预报技术的优劣，因此可以依据观测方式和资料处理技术对目前的超前预报技术进行分析和分类。3 国内外超前预报技术现状与问题3.1 陆地声纳法3.2 地震反射负视速度法3.3 声波 HSP水平剖面法；3.4 瑞士的TSP202、203超前预报技术；3.5 TGP206超前预报技术；3.6 美国的TRT与TRT6000超前预报技术3.7 最新的TST隧道超前预报技术3.1 陆地声纳法 陆地声纳法是上世纪90年代初提出的，观测方式非常简单，在隧道表面依次敲击，将记录并排在一起，称零偏移距数据。该数据面波干扰严重，不能分析波速，不能分辨波的方向，同相轴不清楚，反应深度有限，难于分析，缺乏可续

9、依据，无应用价值，是一种非专业方法。90年代初铁道部科研项目提出的方法。观测是在隧道侧壁打孔布置检波器和炮点，检波器和炮点在一条平行隧道轴的直线上，可称为剖面观测。利用直达波估计岩体波速，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方反射界面的位置。观测与分析方法与垂直地震剖面测井有很多相似之处，所以有时也称垂直剖面法。检波器和炮点埋入到隧道侧壁岩体中11.5m，有效地避免了面波干扰，提高了信噪比。对于前方规模较大的不良地质体能可靠地预报，但是对于不良地质体性质的判别和定位等方面还更多地依赖于 经验和对于周围地质条件的了解。该方法很难对前方岩体工 程类别的变化提供更可靠的信息。仅使用了地震波

10、的运动学信息，缺少围岩速度分析和波场分析和方向滤波功能。3.2 负视速度法3.3 声波HSP水平剖面法 90年代初铁道部科研项目之一。声波水平剖面法（HSP）的观测方式与负视速度法略有不同，激发点和接收点布置在隧道两侧。假定反射波来至掌子面前方，在隧道的一侧壁上规则设置检波点，另一侧壁上规则布置炮点，按反射波等路径原理单发单收，靠近掌子面激发时远离掌子面接收，根据反射波线性同相轴确定前方不良地质体的位置。与负视速度法相比，水平剖面法的观测系统为阵列方式，横向展布较大，有利于提高速度分析和定位的精度，但可惜没有速度分析功能，采用围岩波速直接测定方法。图像有一定的直观性，能确定主要反射界面，对于复

11、杂地质条件的多反射界面处理较困难。资料处理仅运用走时这个运动学资料，缺少围岩速度分析、波场分析与方向滤波功能。在西南铁路系统中有一定应用，目前在台湾和日本有一些应用实例。 声波水平剖面法3.4 TSP202、203超前预报方法 TSP超前预报方法（Tunnel Seismic Prediction）是由瑞士Amberg测量技术公司上世纪90年代初开发的用于隧道超前预报的技术。该方法在欧洲、亚洲有很多应用，中国先后引进了该公司的TSP202、TSP203等超前预报系统，特别是铁路系统引进数量较大，是TSP的最大用户国。TSP的观测是由一个三分量检波器承担，埋入隧道侧壁岩体中1-1.5m，炮点设于

12、隧道同侧边墙岩体内，等间距排列，与接收点在一条平行隧道走向的直线上，是剖面观测方式，与国内的负视速度法的观测方式基本相同。TSP在资料处理方法上是利用单侧检波器记录，采用深度偏移成像技术。该技术的分析软件名称为TSPWIN，资料处理分11步进行。随着近年来在中国的应用，逐渐发现TSP存在很多技术缺陷，主要缺陷有三点：1）不能准确确定围岩波速，不能准确确定断层位置；2）缺乏三维波场的识别和滤除侧向波功能，将不同方向回波都用于预报，造成虚报误报；3）简单地将平行隧道轴向的记录取为纵波，横向分量取为横波的做法是不合地震波场原理的，以此为基础的含水性预报也是不可靠。实际每一分量都包含着平行方向传播的纵

13、波和横向传播的横波，用单点记录是无法将纵横波分离开的。 TSP的观测方式和软件处理方法缺乏严谨的物理基础，臆造性较大，与真实地质情况相差较大，造成了很多漏报、误报和工程事故。TSP203 的观测方式TSP三分量记录TSP202超前预报技术TSP203 偏移成像3.5 TGP206超前预报系统 TGP206的观测方式与处理软件基本是模仿TSP203技术，其优、缺点与TSP基本相同。波速由直达波代替、定位不准确和缺少方向滤波等缺陷造成预报结果不确定。在青岛仰口隧道同一里程的6个分量的记录得到六个预报结果，互不一致。青岛仰口隧道TGP206预报的6个结果互不一致左右壁观测资料分别处理,处理结果也不一

14、样,说明侧向波的影响很严重。青岛仰口隧道TGP206预报的6个结果互不一致设纵波速度6200m/s,横波速度3300m/s波速要给定,不能随里程变化.同一场地,纵横波预报地质结果不一致.3.6 TRT和TRT6000超前预报技术 TRT技术的全称是True Reflection Tomography ，意为“真正的反射层析成像”，是由美国NSA工程公司本世纪初开发的，在欧洲、亚洲用于工程咨询。TRT技术的观测方式采用空间观测，资料处理方法采用地震偏移成像。检波器和激发炮点布置在隧道两侧和掌子面上，有效地扩展横向展布，可充分获得空间波场信息。遗憾的是TRT的软件开发没有完成，中途停顿，处理软件还

15、没有波速分析功能，掌子面前方围岩波速通过人为给定，并且对回波方向不加分辨。TRT技术在欧洲隧道超前预报中有一些应用，如Blisadona隧道、奥地利的过阿尔卑斯山的铁路双线隧道等进行过试验。2005年NSA公司发生体制变动，原开发者的离开使TRT技术停顿并失去技术支持。2008年中国铁科院的公司将TRT技术改装成TRT6000在中国销售。TRT6000的接收方式与TRT明显不同，它是采用地声检波器，贴于隧道表面，用锤击做震源，面波和声波干扰很大。应用发现存在很多问题, 锤击能量小、声波回响大、围岩速度难于准确估计，特别是缺乏三维波场的识别和方向滤波技术，由于声波干扰，预报结果都是圆圈形构造，与

16、原TRT技术相比有很大退步。原TRT观测技术与结果新TRT6000技术的原理与结果 TRT6000确定反射位置是根据反射波走时。以发射点、接收点为两个焦点，给定波速，将走时转换成路径长度，画椭球面，推定反射层位置。缺乏方向分辨能力，图像全为椭圆。速度估计不准确会影响位置不准，能区分不同方性的回波造成虚报误报。TRT6000的预报结果TRT6000的预报结果都是园圈3.7 TST超前预报技术要点TST的技术特点：（1）专业设计的2维阵列观测方案，同时满足波速分析、 方向滤波和减少面波干扰三项要求； （2）应用F-K方法进行波场分析、方向滤波，在方向滤波后进行纵横波分离，偏移图像真实、可靠； （3

17、）准确确定围岩波速分布，实现地质结构精确定位；（4）方向约束条件下的偏移成像，充分运用地震信号的动力学和运动学信息，保持方向分辨；（5）以散射理论为基础，分辨率高，不易漏掉斜交构造和孤立体。（6） 地质构造深度偏移图像和反应岩体工程类别的波速图像，便于综合分析，预报结果更精确，更可靠，解释更科学；TST技术的观测方案1 隧道每侧壁6道接收，埋深2，最大限度扩大横向展布, 预报长度为横向展布的10倍;2 检波器间距4-6m, 小于1/4地震波长保证方向滤波精度;3 激发点每侧壁2-3个,间距20-24m, 排列总长度大于2-3倍波长, 满足方向滤波需要;4 接收点和激发点可根据需要任意改变位置，

18、增减数量。钻孔一般16-18个, 比TSP、TGP少8-10个。TST的预报结果 在空间方向滤波、围岩波速扫描的基础上，经偏移成像，提供地质构造图像和波速分布图像，两者综合进行超前预报。4 超前预报技术分类与评价4.1 超前预报技术分类目前应用的主要地震反射预报方法：陆地声纳、负视速度法、 SHP、TSP、TRT、TST按观测方式分类： 直线观测方式：负视速度法、TSP、TGP 空间观测方式：HSP、TRT、 TST，满足波速分析要求， 空间方式由于直线观测方式；按资料处理技术分类： 走时同相轴分析法：陆地声纳、负视速度法、HSP，运 用走时分析，使用运动学信息； 偏移成像法：TSP、 TRT

19、、 TST，同时运用运动学与动 力学信息，同时解决定位和力学性状变化； 偏移成像技术 优于走时分析，但是需要资料满足一些条件。超前预报资料处理技术分类地震资料处理技术分两类，第1类是同相轴追踪，第二类是偏移成像。 早期开发的陆地声纳、负视速度法、水平剖面法都是使用同相轴追踪技术，读取走时信息，仅使用运动学信息，资料处理中根据走时同相轴预报断层； 后期开发的TSP、TRT、TGP、TST等使用偏移成像技术进行地震资料处理，同时运用运动学和动力学信息，技术比较先进。 运动学信息即地震回波的走时，动力学信息是地震波的震幅大小和极性。运动学信息用来确定围岩速度和反射/散射体的位置，动力学信息用来确地围

20、岩波阻抗差异的大小和软硬性状。 偏移成像的可靠性取决于使用的资料，前方回波资料和准确的速度结构。没有准确的速度结构，偏移成像的位置是不可靠的，如果地震资料未经过波场分离消除侧向回波，偏移成像中难免包含虚假成分。4.2 超前预报技术存在的主要问题 目前应用的TSP、TGP、 TRT等超前预报技术存在的主要技术问题有三点：1）缺乏三维波场的识别和滤除侧向波功能，造成虚报误报，2）不能准确确定围岩波速分布，断层与地层定位偏差大，丢 失反应岩体力学性质的重要信息；3）在缺乏方向滤波的条件下进行纵横波分离，分离方法不科 学，结果不可靠，以纵横波对比为基础的含水性预报不可靠。4）隧道小孔径观测给偏移成像技

21、术带来的丧失方向分辨率病 态问题；存在问题的原因： 1 缺乏对隧道内观测的三维波场的正确认识； 2 缺乏速度分析、方向滤波、偏移成像等地球物理资料处 理专业技术；4.3 超前预报技术的评价超前预报技术评价原则：1 地震观测方式：一维的观测不如空间观测；2 地震方向滤波技术：无方向滤波结果不可靠；3 掌子面前方围岩波速：人为设定波速不如扫描精确可靠；4 地震资料处理方式：走时分析不如偏移成；隧道地震超前预报技术评价 根据超前预报4项核心内容即观测方式、三维波场分离、速度分析、资料处理方法的要求和上述的各种方法的介绍分析，可以对国内外现有的超前预报技术优点和缺陷做出客观评价。评价结果列于下表。陆地

22、声纳法缺乏技术含量，对消除面波干扰、速度分析、波场识别、资料处理等方面均无相应技术应对，属于非专业化技术，没有应用价值；负视速度法、水平剖面法资料处理以走时分析为主，对波速、波场识别等方面没有应对，技术缺陷较多，为初级技术；TSP203 、 TGP206、 TRT 的资料处理方法采用偏移成像，但在观测方式、速度分析、波场分离等方面存在缺陷，属于中等技术，应用中存在一定的风险，必须配合详细的地面地质调查工作；TST满足5项核心技术要求，在理论的严谨性、预报准确性、可靠性等方面比较都是目前最好的，属于高级技术，应该大力推广应用。下边的列表汇总了评价结果。国内外隧道超前预报技术评价表隧道超前预报与病

23、害诊治技术 报告主要内容1 常见病害与地质超前预报的内容；国内外地震法超前预报技术现状与问题；隧道地震法超前预报技术的几个核心问题；TST隧道地震超前预报技术特点及应用；5 国内外超前预报技术评价方法6 TST技术在隧道病害、边坡与场地 勘查中的应用；7 TST与高密度电法综合预报技术的应用；地震CT、SSP地震散射剖面与高密度电法隧道病害诊断技术；9 滑坡与水库漏水的病害诊断技术；3 隧道超前预报的几个核技术超前预报的几个核心技术问题：1 地下三维波场的复性；2 隧道超前预报偏移成像与消除病害技术；3 地震回波的方向滤波技术与纵横波分离技术；4 掌子面前方围岩波速的分析；5 隧道超前预报观测

24、系统的设计原则；3.1 隧道内地震波场的复杂性与地表观测不同，隧道内的观测为三维波场，地震回波来至前后、上下、左右，四面八方，相互叠加，不易区分；2 地震波类型多样，纵波、横波、面波、转换波同时存在，相互叠加；3 每个分量的记录都是平行方向传播的纵波和垂直传播方向的横波，纵横波相互叠加，靠单点记录难以区分； 超前预报需要的是前方返回的纵波和横波，其它波都是干扰波，必须滤除；5 鉴于波场的复杂性和隧道内观测孔径的限制，要滤除干扰波和进行围岩波速分析，需要对观测方案进行专业设计；三维地震波场的复杂性复杂性之一：隧道隧道内接收到的反射波来至四面八方，特别是山体表面的反射最强，水平地底层、海底等反射比断裂构造的反射还强；如果不加区别，会误报到掌子面前方。三维波场的复杂性之二：zyxP波S波P波S波客观规律： TST TSP TGPZ方向位移：Uz=Uzp+Uxsz+Uysz Uz=UzpX方向位移：Ux=Uxp+Uzsx+Uysx Ux=Uzshy方向位移：