超前地质预报

TSP203隧道地质超前预报TSP203超前地质预报系统属于工程地震勘探技术的一种，是一种用人工震源（炸药）所激发产生的地震波在地下岩层、土壤或其他介质中传播来解决工程地质问题的方法，也叫浅层地震勘探。在地质类院校地球物理系有对工程勘探详细介绍的课程，属于“近地表地球物理”─围绕近地表地质因素和物理、化学等环境污染源于地球物理场的关系等基础理论问题，通过对各种复杂而特殊的近地表弹性波、电磁波等物理场本构关系的研究，提高浅层地震反射法、折射法、面波法、电磁场法、放射性法、岩石和土壤磁性、温度测量等方法的数据采集技术和资料分析解释技术，并针对工程勘察、大型工程建设质量检测、地质灾害调查与评估、环境污染与变迁、地下水资源勘查等领域所涉及的关键技术问题展开方法试验与研究。工程地球物理勘探现代地球物理勘探技术用来为工程地质和水文地质勘察服务，可加快勘察速度，减少投资,充实工程地质和水文地质勘察所需的物理参数,使勘察效果更趋完善，是有广阔前景的重要勘察手段。工程物探具有即快速又准确、“透视性”、效率高、成本低以及可以在现场进行原位岩土物理力学性质测试，以及人们需要了解的任何范围内的土层性质，地震学方法不需要采集试样，不需要破坏岩体的连续性和土层的天然结构，就可确定岩体、土质的工程地质指标的优点。这些优点使工程地震勘探在提高效率、保证质量和节约资金方面起到重大作用。在工程勘察中日益得到重视和发展。但是各种物探方法都具有条件性和局限性，多数方法还存在多解性，因此正确选择和运用各种物探方法，进行综合物探，并与现有的地质、钻探资料作对比，才能获得好的地质效果。工程地震勘探主要为城市规划建设、工业建设、公共设施建设提供必要的工程地质依据。随着我国建设事业的发展，新型工业城市、大型厂房、地下铁道、高速公路、桥梁、隧道等繁多的新型的高标准工程建设项目日益增多。这不仅对各工程基础的地质条件提出了跟高的要求。并且也要求用较少的人力和资源，快速可靠的完成勘察任务。因此，作为工厂勘察手段之一的地球物理学方法得到了广泛的应用，尤其是工程地震勘探占有非常重要的地位，各种地震TSP是瑞士安伯格测量技术公司与20世纪90年代初期开发研制的一套隧道超前地质系统，是目前隧道超前地质预报中最新的地球物理探测方法之一，属于多波多分量地震勘探方法。TSP203是在TSP202经验基础上开发研制的，并且具有卓越的特色。不仅改善了硬件而且出现了全新的TSPWIN软件，该系统软件从数据采集、处理和成果评估高度智能化。具有使用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、数据处理简单、省时、结果直观等特点。因为系统为新引进，在人员操作及仪器的保养方面欠缺一定专业知识；数据解析是一个复杂的过程，对解析人员专业知识要求较高，解析水平还有待提高；TSP203数据采集时间较长，26个炮孔从每个炮孔的钻取到各个炮孔参数的测量，起爆到数据采集，两位技术员，两把风枪共需要7个小时左右（原则上要求预留半天时间专门给TSP数据采集），这与兰州枢纽的快节奏存在一定的矛盾。超前地质预报主要解决三个方面的施工地质问题：⑴根据隧道围岩的变化情况，修正地面勘查资料，提供设计变更资料。⑵探查施工工作面前方不良地质体所在里程，提前采取预案，规避施工风险，保证施工安全。⑶在遭遇大型不良地质体后，查明该地质体的空间位置，为隧道通过方案提供依据。拟新建长寿山隧道位于大砂坪与仁寿山之间，为原大砂坪隧道、长寿山隧道、仁寿山隧道、罗锅沟1、2号中桥，曹家湾中桥及路基工程变更设计而成，进口位于大砂坪，出口位于富民村，进出口均为喇叭口形式。进口左线单线段里程为HDK41+900~HDK42+074,长174米；进口右线单线段里程为HDK41+901~HDK42+074,长173米；出口左线单线段里程为HDK54+188~HDK54+426，长238米；出口右线单线段里程为HDK54+188~HDK54+525，长337米.方向与北滨河路大致平行，起讫里程分别为HDK41+910~HDK54+426.隧道全长12625米，为双层集装箱双线隧道。隧道洞身沿约N77°W的方向贯穿于低中山底部，除进口端位于砂质黄土层中外，大多位于混合岩、花岗岩、片岩及砂岩夹砾岩层中，路线经过处山体起伏，相对高差50~110米，隧道最深大约340米，沟内有便道通行，交通较为方便。隧道经过范围内罗锅沟、大沙沟等局沟谷有少量季节性地表水，地下水主要为第四系孔隙潜水及少量基岩裂隙水，受大气降水补给，其中HDK42+900～HDK42+980、HDK43+140～HDK43+270与HDK52+060～HDK52+210段内沟谷内有第四系孔隙潜水发育，地下水位埋深2～4m赋存于黄土及卵砾土层中，含水厚度6～8m，渗透系数为15m/d。隧道穿过处构造相对简单。在十里店附近发育一复式背斜。轴向约西北，由皋兰第一群（Anεgl1）组成，轴部有花岗岩侵入，由于受花岗岩侵入的影响，褶皱岩性多变质较深，局部有混合岩化并导致隧道通过段局部基岩节理裂隙发育，叫破碎。存在的不良地质主要在HDK42+180有十个掏砂洞组成的掏砂洞群分布，另在HDK43+600～800段左侧50～90m上坡上分布有13个掏砂洞。线路HDK42+870～910段分布有粉砂，大都位于隧道洞身，部分位于轨底以下，处于潮湿，稍密状，承载力较低，稳定性较差，为软弱地层。第四系上更新统风积砂质黄土具Ⅲ～Ⅳ级严重自重湿陷性，湿陷厚度可达20～40m，冲击砂质黄土具Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性及Ⅱ级自重湿陷性，湿陷厚度可达5～15m，在隧道出口及浅埋段对隧道有较大影响。根据化验报告，隧道洞身以上局部发育的泥岩的自由膨胀率46%，阳离子交换量285mmol/kg，蒙脱石含量24.9%，按照相关规定，泥岩应按膨胀岩考虑，易暴露崩解，遇水易软化。长寿山隧道经过地段地质条件复杂，围岩变化较大，按照隧道施工要求同时也考虑到为顺利实现隧道的贯通，防止不良地质体影响施工进度和安全，同时总结以往隧道施工经验，对比分析决定采用TSP203超前地质预报系统，为隧道开挖提供前方围岩力学参数，指导隧道开挖。详细科学技术内容2.2.1、总体思路地层或地层或断层入射波前反射波前震源传感器传感器隧道图1TSP探测原理激发的地震波在介质中传播时，由于不同的岩层具有不同的弹性特征（如速度、密度等），当地震波通过这些岩层的分界面时，将产生发射或折射，并且有纵波、横波、面波之分。而且这些不同类型的波具有不同传播速度、路径、频率和强度。用仪器记录各种波的传播时间和波形特征的变化规律，分析解释地震记录，可以推断有关岩石性质、结构和几何位置等参数，从而达到勘探的目的。技术方案与创新成果：由微型爆破引发的地震信号分别沿不同的路径以直达波和反射波的形式到达传感器，与直达波相比反射波需要的时间较长，TSP地震数据处理的第一步石油测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算地震波的传播速度Vp：Vp=X1/T1（1）式中：X1--爆破孔与传感器的距离（m）T1--直达纵波的传播时间（s）以知地震波的传播速度就可以通过测得的反射波传播的时间推导出反射界面与接收器的距离以及与隧道断面的距离，整个推导过程可以有式（2）导出：T2=(X2+X3)/Vp=（2X2+X1）/Vp（2）式中：X2--爆破孔与反射面的距离（m）T2--反射波的传播时间（s）X3--传感器与反射面的距离（m）对于振动测量来说最大的困难不是上述的数学运算，而是在准确判断反射界面的基础上给出反射波的传播时间，准确判定反射界面的前提是通过某种方式将反射波从含有直达波和其他的干扰信号的总体混合信号中清楚的分离出来。与直达波相比反射波的振幅非常小，他一方面取决于反射界面与传感器的距离，另一反面取决于地震波在反射界面的反射系数。反射系数的定义如下：（3）对于球面波而言，地震波振幅还随着传播距离的增加而呈反比衰减。综合上述有关反射波振幅Ar与直达波振幅Ad的比值可以用下式表示：（4）为了便于了解Ar与Ad比值的大致范围，特举例说明。假设条件为p1≈p2Vp1=5000m/s，Vp2=4000m/s，X1=50m，X2=100m，X3=150m。由（3）式得出反射系数为R=-11%,也就是说89%入射波经过反射面继续向前传播，只有11%的入射波反射回来。反射系数前面的负号表示入射波在反射波之间存在180°的相位差，产生相位变化的条件是地震波在传播过程中遇到一由硬变软的岩石界面。地震波在设计的震源点（通常布置在地层或构造的走向与隧道轴向相交成锐角的边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来（图1），一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的加速度地震传感器器接收并以数字形式记录下来。采集数据通过TSPwin专用软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）和位置及规模。2.2.2、仪器采用1套TSP203plus超前地质预报系统。系统主要组成及其技术特性：①记录单元：12道，24位A/D转换，采样间隔62.5μs和125μs，最大记录长度为1808.5ms，记录带宽8000Hz和4000Hz，动态范围120dB。②接收器（检波器）：三分量加速度地震检波器，灵敏度为1000mV/g±5%，频率范围为0.5～5000Hz，共振频率9000Hz，横向灵敏度＞1%，操作温度0℃～65℃。③TSPwinPLUS2.1软件：数据采集、处理及评估一体化，高度智能。2.3、野外数据采集进入隧道进行数据采集工作。2.3.1、观测系统设计隧道采用台阶法施工。接收器位置在HDKxx+xx，掌子面位置为HDKxx+xx+50，设计24炮（位于隧道右边墙），2个接收器位于隧道左边墙接收。观测系统详细情况如下：接收器孔炮孔数量2个，位于隧道右边墙位于隧道右边墙，24个直径φ50mm钻头钻孔Φ50mm钻头钻孔深度2m1.5m定向垂直隧道边墙，上倾5°～10°垂直隧道边墙，下倾10°～20°高度离隧底高1m离隧底1m位置距离开挖面50m第1个炮点离同侧接收器孔20m，炮点距1.5m实际观测系统示意见图2。掌子面掌子面50m20m炮孔S1S2S3S23S24隧道轴接收器R1图2观测系统示意图（左边墙）2.3.2、仪器参数及数据采集数据采集时，采用X-Y-Z三分量同时接收，采样间隔62.5μs，记录长度451.125ms（7218采样数）。激发地震波时，采用无爆炸延期的瞬发电雷管，防水乳化炸药（药卷包装，200克/卷），激发药量为第1～20炮孔xx克，21~24炮孔xx克（具体药量要根据实际围岩情况确定），起爆前注水封堵炮孔。实际激发和记录地震数据xx炮，由于炮孔注水封堵能量较差，所记录的xx炮地震数据质量一般，可用于后续数据处理（xx为未知量）。2.4、数据处理采集的数据采用TSPwinPLUS2.1专用软件进行处理。基本处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。图3数据处理流程处理的最终成果包括P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数（表1）等，以及反射层二维分布（图2）。表1岩石物理力学参数图2反射层浏览（局部）2.5、处理结果解释与评估处理成果的解释与评估，主要基于以下的地震勘探基本准则：①反射振幅越强，反射系数和波阻抗的差别越大。②正反射振幅（红色）表明正的反射系数，表明坚硬岩层；负反射振幅（蓝色）表明软弱岩层。③若横波反射比纵波强，则表明岩层饱含水。④纵横波速度比有较大的增加或泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起。⑤若纵波速度下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。发现、发明及创新由于使用仪器时间不长以及TSP203系统的先进性，对仪器在使用过程中的发明及创新还不成熟。下面只对仪器在使用过程中如何确保数据质量以及提高预报的准确度谈谈一些发现。3.1现场在做TSP准备工作应注意的问题3.1.1接收器空的深度不得大于2m，孔径φ45～50mm钻头，钻孔的圆心要求基本在一条直线上，接收器的方位角要尽量接近法线方向。3.1.2炮孔深度1.5m左右，炮孔的角度要严格按照要求钻孔，角度向下10～20°，炮孔的位置要尽量接近法线。但现场实际操作过程中往往都做的不是那么好，所以叫要求我们在测量参数时尽量准确，最好能用一把50m的皮尺一次测设完毕，并且可以同时测设炮孔的高度，这样可以避免每个炮孔间距累计误差的产生。有时炮孔的深度大于雷管线的总长度，这是我们要根据雷管线的总长度来确定炮孔孔深的参数。有时候边墙并不都是平齐的，例如避车洞、断面加宽段上的炮孔位置，叫要用实际测量的深度加上避车洞的深度值或断面加宽直，只有这样才能计算得到较准确的炮点坐标。方位角的测量可能是测量过程中比较难测也容易忽视的问题，方位角也是对炮检距计算影响最大底。3.1.3安设TSP套管前务必要将接收器孔内的岩末、残渣以及积水清理干净，如果没有清理干净那么在孔底的位置，可能会导致接收器和岩面不能很好的耦合，导致环氧树脂在孔底处没能很好的硬化。安设套管的风枪要有足够的风压（一般不小于1.0Mpa），确保在1分钟内将套管快速钻入孔底并迅速调整套管方向。3.1.4测量时要避免干扰，要终止一切大的干扰源，原则上要求专门为测量停止掌子面附近的一切施工。3.1.5人工震源也是影响数据质量的一个重要因素。现场实际采集时要根据围岩的实际情况来判断使用的药量，一般来说围岩差的地段，药量要适当的增加，完整～较完整的岩体药量在50g左右，较破碎地段药量100g左右，破碎地段150g左右，另外特殊情况特殊对待。雷管一定是瞬发的电雷管。在起爆前要用水封法封闭炸药。这样不会导致产生重复冲击，能得到较好的地震波有效能量。3.2数据处理3.2.1在数据处理的过程中测量参数输入后一定要看三位视图是否做到了建模正确，特别注意检波器1，一般情况只要参数正确，那么就可以了；而检波器的接受器点的坐标点和炮孔的坐标点之间的距离不是直线距离，而是炮孔药包震源点的地震波首先传递到边墙底，然后经过隧道底传播至另一侧边墙底，然后传递到接收器2的坐标点。保密要点(暂无)与当前国内外同类性研究、同类技术的综合比较地质宏观预报地质宏观预报在超前地质预报占有非常重要的地位。良好的地质宏观预报可以为物探方法提供积极地指导作用，避免物探结果的多解性，提高其探测的有效性。但是良好的地质宏观预报需要预报人员有扎实的地质知识和现场经验，因此正确的做好宏观预报并非易事。TSP超前地质预报探测系统Tsp方法属于多波多分量高分辨率反射法。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性的变化）时，一部分地震信号放射回来，一部分地震信号透射进入前方介质。反射的地震波信号将被高灵敏度加速度地震传感器接收并以数字形式记录下来。采集的数据通过TSPwin专用软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的位置、性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）及规模。现场探测中炮眼及接收器孔布置情况通常如下表2所示参数接收器孔炮孔数量2个，位于隧道左右边墙24个，位于隧道左边墙或右边墙直径Ф50mm钻头钻孔Ф50mm钻头钻孔深度1.8~2m1.5m倾角面向隧道边墙，下倾10~20°面向隧道边墙，上倾5~10°高度离隧底面高1m离隧底面高1m位置距离最后一个炮孔20m第一个炮孔里掌子面2m左右，炮孔间距1.5m现场数据处理要经过11个基本处理流程，即：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。优缺点：tsp超前地质预报探测系统是目前比较常用的一种预报手段，与其它仪器相比较其优点是探测距离远、精度高。但TSP对现场探测条件要求较高，如：打孔质量要合格，雷管要精度高的瞬发电雷管。这两个要求现场不能很好满足，则很难取得好的现场数据。另外，数据处理过程中很多操作步骤受人为因素影响较大，例如有效频率的截取、横波斜率的确定，不同操作人员会得出不同结果，数据处理对操作人员的物探知识要求较高。最后，探测结果的解译则有要求解译人员有丰富的地质知识。所以一个好的解释结果是在良好的探测数据基础上，综合应用地址和物探知识得到的，如果这几个要求达不到满足，则探测结果的精度就会明显降低。探地雷达探地雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，发射天线将高频（1M~1Ghz）的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收。测试剖面布置根据掌子面的情况，一般水平方向布置1~3条，垂直方向沿中心线布置2条。优缺点：探地雷达在隧道衬砌方面应用较好，在隧道超前地质预报反面由于其预报距离相对较短(每次在30m左右)而且受现场影响较大，应用相对较少，只是在地质复杂地段与其他探测方法互相进行验证。红外探测仪物体的红外探测能量与其温度的4次方成正比，当前方存在不良地质情况（断层水、岩溶水、瓦斯）时，其余周围围岩的温度有一定的差异，红外探测仪就是根据红外辐射的能量的差异来判断前方不良地质体的情况。优缺点：红外探测仪应用于隧道中还不是很成熟，存在一定问题，比如在隧道围岩较差、易坍塌区段（通常这些地段都是初期支护紧跟掌子面），喷锚后混凝土存在干燥的过程中释放出大量的