隧道地质超前预报中的关键技术课件

1、隧道地质超前预报中的关键技术蒋 辉北京同度工程物探技术有限公司 技术部经理中国科学院地质与地球物理研究所 博士后隧道地质超前预报方法概述关键技术I：逆散射偏移成像关键技术II：方向滤波关键技术III：速度分析TST系统及应用实例目 录一、隧道地质超前预报方法概述1、我国隧道数量巨大，施工事故频发铁路+公路：8600多座， 4370多公里，世界第一-交通部，2002年统计2006-2008年铁路隧道施工中：17次事故， 42人死亡-现代隧道技术,20102004-2008年全国共发生隧道事故：24次， 76人死亡-中国安全科学学报，2010，引用安监总局数据岩溶坍塌TBM卡机突水一、隧道地质超前

2、预报方法概述1、我国隧道数量巨大，施工事故频发裂缝山体开裂1、我国隧道数量巨大，施工事故频发一、隧道地质超前预报方法概述施工中的隧道地质超前预报是十分必要的2、隧道地质超前预报方法概述一、隧道地质超前预报方法概述雷达超前预报实例高密度电法实例瞬变电磁实例BEAM法实例2、隧道地质超前预报方法概述地质类方法地球物理方法：电磁类一、隧道地质超前预报方法概述上行出口下行入口+620+588+546地震CT法实例2、隧道地质超前预报方法概述地球物理方法：地震法TST法实例其他：红外探水 一、隧道地质超前预报方法概述以地震法为主，雷达辅助；地震法：负视速度HSP TSP/TGP TRT TST；漏报、误

3、报依然很多，宜万线、翔安海底隧道 2、隧道地质超前预报方法概述勘查方法对比内容地球物理法预报地质法预报弹性波地质雷达冲击钻探水平钻探勘查范围200m0接近侧壁围岩波速侧向回波受与隧道轴夹角控制很大后方回波0与夹角有关顶板回波受与隧道轴夹角控制很大前方回波0很小频率低，能量强结论：前方回波在视速度的方向与绝对值上，均与其他方向回波有显著差异2、如何辨别“杂波”掌子面直达波侧向回波后方回波前方回波面波正视速度负视速度时间偏移距三、关键技术II：波场分离视速度的计算 二维FFT变换KF直达波面波侧面和顶板回波后方回波前方回波v2v1KF前方回波v2v1滤波器3、方向滤波计算模型三、关键技术II：波场

4、分离隧道前面回波，视速度较低隧道侧向回波，视速度较高滤波后只保留视速度较低的部分4、验证理论模型 三、关键技术II：波场分离5、不能方向滤波是误报产生的根源负视速度法的空间采样点过少，无法实现方向滤波。隧道震源孔接收孔反射界面HSP的观测是不可能实现方向滤波。接收点激发点TSP/TGP的观测方案中，前方回波与直达波、面波传播方向一致，很难分离出前方回拨TRT的观测方案无法实现方向滤波。只有TST技术解决了方向滤波问题三、关键技术II：波场分离Ux =前方纵波Uy =前方SHUz =前方SV 泊松比=(VP2-2VS2)/2(VP2-VS2)TSP/TGP认为检波器的不同分量代表着纵波、横波；

5、6、 TSP/TGP系统中的纵横波分离-偷换概念检波器的每个分量都是各个方向的波在该方向上的投影的叠加；xyzP波S波P波S波前方回波侧向回波Ux=Uxp+Uysx+UzsxUy=Uyp+Uxsy+UzsyUz=Uzp+Uxsz+UyszX 检波器分量对应纵波/横波，非常不严谨；三、关键技术II：波场分离1、波速对定位的影响至关重要隧道中观测空间狭小，横向展布对速度分析十分重要四、关键技术III：波速分析xHxLxV2V1接收点1激发点x10tstx1trtrT1-T2=tx1-tx2线性相关，方程组无解可看做VSP测井，可以测定侧壁波速，但无法确定孔底（前方）波速掌子面断层界面ts=Lx/v

6、1tr=(Hx-Lx)/v2tx=(Lx-X)/v1T=ts+2*tr+tx2、无横向展布情况下，波速分析无法进行T1=ts+2*tr+tx1T2=ts+2*tr+tx2接收点2x2tx2四、关键技术III：波速分析3、TST波速分析叠加能量最大化法 增加横向偏移距，改线性观测为空间观测；改解析方法为求最优值方法，不必读取同相轴；当预报区的扫描速度接近围岩的真实速度时，偏移图像能量最大；当 时，V为最优速度四、关键技术III：波速分析信号1tt1信号2tt2叠加速度v1合适信号1tt1信号2tt2叠加后信号叠加速度v2不合适信号1tt1信号2tt2叠加后信号3、TST波速分析叠加能量最大化法四

7、、关键技术III：波速分析3、TST波速分析叠加能量最大化法最优速度叠加能量四、关键技术III：波速分析TSP/TGP等用侧壁围岩波速替代前方围岩波速，是不严谨的，也是其经常误报的原因之一。4、波速分析对观测方案的要求断层地震记录器炮点检波器检波器横向展布1/10预报长度四、关键技术III：波速分析（1）TST波速分析要求观测方案为二维阵列式（2）其他方法无波速分析TST：(Tunnel Seismic Tomography)是在完备的隧道地质超前预报理论指导下开发的系统核心问题方法表现隧道地震散射模型方向滤波波速分析现场观测硬件设备分析软件预报距离：150米；位置误差：200m；2、加速度型

8、，频带101kHz；3、带阻尼；4、压电晶体；5、埋入式，配有碳纤维拉绳；1、为IC检波器供电；2、交直流信号分离；A型：内置电池，可用810小时B型：由Summit主机供电A型B型五、TST系统-标准硬件配置前方回波微弱，为此需要灵敏度高、抗干扰性强、频带宽的检波器15支单分量10支三分量或SmartSeis地震仪Geode地震仪重庆地质仪器厂地震仪骄鹏地震仪五、TST系统-非标准配置（1）工程地震仪可替换配置原则：24位A/D，通道数 24，采样频率10Khz（采样间隔10微秒）五、TST系统-非标准配置（2）基于TST模型改造TSP系统TSP硬件+TST观测方案+TST分析软件LXYS2

9、P13P15L2S1P1P3P5P7P17L2参考点左掌子面右LL2L2L2L2L2L2P11P9P14P16L2P2P4P6P8P18L2L2L2L2L2L2L2P12P10L2L2P19L2P20L2P21L2P22L2P23L2P24L2五、TST系统-观测方案TST单分量观测方案LXYS7S8S9S10S11S12P1P3L0L2S6S5S4S3S2S1P2P4P5P6L0L0L0L0L0L0L0L0L0L2L2L2隧道中轴线D1主机信号分离器道1道2道3道4道5道6道12道11道10道9道8道7参考点L0L0W左掌子面右L埋入围岩，避免面波影响空间采样间隔1/4波长，满足方向滤波要求

10、二维阵列式观测，具有横向展布，满足速度分析要求空间观测总长度大于3个波长，满足方向滤波要求五、TST系统-观测方案TST三分量观测方案XYS4S3S2S1P1P3L2S5S6S7S8P2P4P5P6WL0L0L0L0L0L0L2L2L2隧道中轴线D1L2L2P7P8主机信号分离器道1,2,3X/Y/Z道4,5,6X/Y/Z道7,8,9X/Y/Z道10,11,12X/Y/Z参考点道22,23,24X/Y/Z道19,20,21X/Y/Z道16,17,18X/Y/Z道13,14,15X/Y/ZL0L0左掌子面右LL检波点减少，炮点增加，以满足方向滤波需要五、TST系统-分析软件步骤1/5、参数设置五

11、、TST系统-分析软件步骤2/5 、信号预处理五、TST系统-分析软件步骤3/5 、方向滤波五、TST系统-分析软件步骤4/5 、扫描成像五、TST系统-分析软件步骤5/5、地质解释五、TST系统-分析软件公路隧道铁路隧道水利隧道矿山巷道地铁隧道五、TST系统-应用实例五、TST系统-部分客户a、TSP结果：左侧检波器结果，反射界面众多右侧检波器结果，与左侧结果完全不同b、用TSP设备按照TST方法观测，用TST软件处理结果：预报结果为在K43+35处为溶洞。1、与TSP的对比试验五、TST系统-应用实例c、实际结果：在K43+68K43+15处，隧道拱顶穿过溶洞，最低点在K43+31刀盘前盾

12、伸缩盾尾盾撑靴支撑盾盾壳总长12.5m边刀正滚刀出渣口人洞刮刀直径5m德国维尔特(Wirth)公司生产2、在TBM隧洞中的TST五、TST系统-应用实例利用灌浆孔安装检波器和激发。2、在TBM隧洞中的TST五、TST系统-应用实例桩号里程K16+775K16+765K16+765K16+745K16+745K16+715K16+715K16+675长度（m）10203040波速（VP）km/s1.41.51.41.5围岩级别VVVV地质预报结果属断层破碎带，岩体破碎极破碎，稳定性极差，地下水较多，呈滴水或线状流水有发生塌方或突泥导致TBM卡钻的可能围岩完整性和稳定性稍好，地下水表现为渗水或滴水岩体极破碎，围岩稳定性极差，地下水较多，呈滴水或线状流水，有发生塌方或突泥导致TBM卡钻的可能围岩完整性和稳定性稍好，地下水表现为渗