TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)北京市水電物探研究所電話65543405Email:ccsws@劉云禎金榮杰1

TGP地質(zhì)超前預(yù)技術(shù)與系統(tǒng)，是北京市水電物探研究所在總結(jié)了國內(nèi)外超前預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過創(chuàng)新與改進(jìn)，2005年研發(fā)成功的。TGP系統(tǒng)是適應(yīng)隧道環(huán)境、專門用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的專用設(shè)備，采用多波震相分析與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將物探成果轉(zhuǎn)化為地質(zhì)成果，為隧道信息化施工提供地質(zhì)預(yù)警和地質(zhì)條件等重要信息。2前言隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的作用一、TGP預(yù)報(bào)的基本原理二、TGP預(yù)報(bào)的觀測系統(tǒng)三、隧道地震波預(yù)報(bào)與存在的問題四、TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)五、TGP地質(zhì)預(yù)報(bào)工程實(shí)例3

前言地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的作用

1、確保施工安全：

當(dāng)前隧道工程巨大，在高速鐵路、公路、地鐵、水電、礦山開采及軍事等工程中，隧道所占比重越來越大。施工過程中存在諸多隱患，如突水、突泥、塌方等，這些隱患嚴(yán)重威脅隧道工程的安全施工，科學(xué)地進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)已經(jīng)列為隧道施工的重要工序。

2、施工勘察延伸：隨著隧道工程的規(guī)模、數(shù)量、長度和跨度的不斷增加，隧道勘察階段的工作難度也隨之加大，超前預(yù)報(bào)可以彌補(bǔ)隧道勘察工作深度的不足。

前言4突水溶腔—宜萬鐵路別巖槽隧道＋422規(guī)模：隧道長3721米，F(xiàn)1導(dǎo)水?dāng)鄬娱L483米，雨季有350米水壓差，日最大涌水量28.6萬立方米。

前言5暗河巖溶溶腔—宜萬鐵路野三關(guān)隧道規(guī)模：圖中所示為巖溶大廳，斷層與巖溶構(gòu)造連通，一個半小時內(nèi)突水15萬立方，泥石量5萬立方米。前言6巖溶構(gòu)造—齊岳山隧道整條隧道有溶腔近200處，危及安全的有22處，其中發(fā)生5次大事故，最大瞬間突水流量每小時達(dá)5.2萬方。

前言7掌子面突泥前言8斷層大塌方—福建某公路隧道前言9巖溶突水前言10一、TGP預(yù)報(bào)的基本原理

TGP系統(tǒng)應(yīng)用地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)—即TSP技術(shù)（TunnelSeismicPrediction）進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。1、大界面地質(zhì)：構(gòu)造面、巖性接觸面、規(guī)模溶洞條件：界面規(guī)模大于波長應(yīng)用：反射波2、小界面地質(zhì)：溶洞、溶腔、平界面上的突變點(diǎn)條件：界面規(guī)模小于波長應(yīng)用：繞射波

11地震波傳播時間與距離的關(guān)系檢測排列與探查界面平行檢測排列與探查界面垂直排列界面12斷面與隧道正交地震回波形態(tài)藍(lán)線：反射波紅線：繞射波二、TGP預(yù)報(bào)的觀測系統(tǒng)激發(fā)孔沿軸線方向有序排列，孔中激發(fā)，孔中三分量探頭接收，進(jìn)行多波全震相分析。13激發(fā)孔有序排列TGP觀測系統(tǒng)立體示意圖接收孔采用有規(guī)律的排列有利于對未知界面形態(tài)進(jìn)行分析（接收孔與激發(fā)孔的深度是2m）TGP觀測系統(tǒng)平面示意圖14ⅴ＝△X／△T1、有利于縱橫波速度分離、計(jì)算圍巖速度參數(shù)等，為預(yù)報(bào)推斷提供基準(zhǔn)參數(shù)。

2、可檢查震源和接收信號的質(zhì)量、進(jìn)行頻譜分析和計(jì)算衰減參數(shù)等。3、可以識別有效波與干擾波，從而利用有效波剔除干擾波。TGP觀測系統(tǒng)的優(yōu)勢15△T

△X

△X

△T

縱波橫波其它觀測系統(tǒng)--非排列采集（TRT）16非排列采集的TRT記錄波序規(guī)律性差波序識別困難17記錄中等時間隔出現(xiàn)波形起伏（綠線），判斷為干擾波，但由于是非排列采集，難以分析波的成因和類型。18三、隧道地震波預(yù)報(bào)及存在的問題（也是以往隧道地震波預(yù)報(bào)中“被糊涂”的問題：1、有效波頻率2、縱橫波的激發(fā)與接收3、觸發(fā)時間精準(zhǔn)性4、套管內(nèi)安裝接收器的問題5、孔中接收與數(shù)據(jù)質(zhì)量6、隧道管波干擾7、掌子面回波干擾8、利用波速參數(shù)預(yù)報(bào)的討論191、有效波頻率通過大量實(shí)驗(yàn)，得到不同巖性地震波傳播頻率：黃土100～200Hz

軟巖200～400Hz硬巖400～1000Hz

堅(jiān)硬巖1000～1500Hz這個頻帶范圍與TSP203采集記錄中的幾千赫茲頻率有較大的差別，通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)TSP203幾千赫茲的頻率應(yīng)該屬于高頻干擾。173.6720應(yīng)用多分量2、縱、橫波的激發(fā)與采集多波預(yù)報(bào)需要：分離清晰、高信噪比的縱橫波記錄；分離清晰條件：偏移距離、偏振激發(fā)、高指向性探頭；高信噪比措施：探頭性能與耦合；激發(fā)頻率與能量；（隧道內(nèi)的地震波勘察環(huán)境不同于地面的半無限空間，需要采用多波、多分量傳感器；檢波器要具有高精度、高指向性并與巖體緊密接觸。震源需要激發(fā)高頻地震波并且保證激發(fā)能量。）21斷面與隧道正交3、觸發(fā)時間的精準(zhǔn)性預(yù)報(bào)推斷需要：精準(zhǔn)記錄地震回波的時間和相位。(記錄時間誤差會造成：速度誤差，相位誤差、物性誤判)左圖為TGP系統(tǒng)采集的無雷管延遲記錄，同相位波排序整齊；右圖為用左圖模擬的有1.5ms延遲誤差的記錄，同相位波上下錯斷。22

TSP203記錄

左圖記錄首波時間最大相差達(dá)6ms，按Ⅲ級圍巖計(jì)算存在5米誤差的可能。由觸發(fā)方式造成的記錄時間誤差23采用脈沖觸發(fā)方式，由于電雷管的延遲誤差導(dǎo)致記錄時間出現(xiàn)誤差。4、套管內(nèi)安裝接收器的問題通過套管固結(jié)探頭，由于套管固結(jié)不良或探頭與管壁接觸不良，容易造成回波記錄中出現(xiàn)高頻干擾和套管共振干擾。高頻干擾共振干擾24巖溶物理模型研究地震波采集效果溶洞5、孔中接收與數(shù)據(jù)質(zhì)量巖溶模型：洞徑與隧道斷面相等接收方式：⒈深孔接收⒉淺孔接收⒊洞壁接收為了了解接收方式與數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)系，清華大學(xué)聲學(xué)研究室在有機(jī)玻璃板中用超聲波進(jìn)行了試驗(yàn)。接收點(diǎn)（洞壁、淺孔、深孔）25隧道鉆孔采集的地震波面波弱.反射波強(qiáng)呈曲線26淺孔接收:面波A較強(qiáng)回波B強(qiáng)、C較弱深孔接收：面波A弱回波B強(qiáng)、C強(qiáng)洞壁采集的地震波面波強(qiáng)反射波弱上洞壁接收:面波A強(qiáng)回波B、C弱27下洞壁接收：面波A強(qiáng)回波B、C弱模型試驗(yàn)的結(jié)論：⒈深孔中接收，地震回波強(qiáng)，面波弱，地震波記錄質(zhì)量好。⒉淺孔與洞壁接收，地震回波弱，面波強(qiáng)，地震波記錄質(zhì)量差。⒊由于松動圈和洞壁爆破的影響，不利于接收反射波，所以后兩種觀測系統(tǒng)的地震波記錄質(zhì)量會更差一些。由此結(jié)論：

⒈TGP系統(tǒng)采用深孔中激發(fā)與接收的觀測系統(tǒng)，具有保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)勢。

⒉洞壁接收方案不可取。試驗(yàn)結(jié)論286、隧道管波干擾（隧道管波：爆破形成的聲波在隧道中形成的干擾波）TSP203記錄紅色直線：爆破產(chǎn)生的聲波隨激發(fā)距離的增加，時間

呈線性增加，沿直線傳播的聲波。藍(lán)色曲線：爆破產(chǎn)生的聲波隨激發(fā)距離的增加，時間

呈曲線形態(tài)增加，為對側(cè)洞壁反射的聲波。29隧道管波在偏移圖中的假象成果假象30未去除管波干擾的成果去除管波干擾的成果隧道管波對預(yù)報(bào)成果的影響成果圖中的假象TSP203／TSP200預(yù)報(bào)成果中的共性表現(xiàn)：參數(shù)圖中80~100米（紅線）以后都會出現(xiàn)幅度變化很大的情形。（這種現(xiàn)象就是隧道管波對成果圖的干擾，這些大的幅度變化是干擾波形成的。）317、掌子面回波干擾天池隧道三分量記錄紅線標(biāo)記的向前傳播的波與藍(lán)線標(biāo)記的回波相交于掌子面附近，說明這幾組回波是由掌子面反射回來的。32X分量Y分量Z分量掌子面周邊回波干擾對成果的影響干擾波由縱、橫波記錄與對應(yīng)的偏移成果圖可見：掌子面回波干擾的影響距離有20米左右。橫波比縱波的影響要明顯一些。33橫波偏移圖縱波偏移圖8、波速參數(shù)預(yù)報(bào)的誤區(qū)討論TSP203速度參數(shù)成果圖目前存在直接利用該速度劃分隧道圍巖級別的現(xiàn)象，這種做法值得討論。34序號1234567891011里程20842092210421082109211621362152216421842188夾角45°75°70°65°80°80°80°70°90°70°80°表中數(shù)據(jù)是上圖中繪制速度圖的界面傾角與里程AB界面是上圖中的一個界面，與隧道夾角70度，其射線路徑見藍(lán)線，A為反射點(diǎn)。A點(diǎn)距離隧道軸線50米，直接用OA方向的速度表示OB方向的速度是不對的，因?yàn)閹r體是各向異性體。35

以上介紹了隧道地震波超前預(yù)報(bào)中“被糊涂”的問題，這些問題直接影響到了地震波超前預(yù)報(bào)的效果。

因此應(yīng)該明確：

1.隧道地震波的特征、縱橫波特點(diǎn)與相應(yīng)采集技術(shù)以及

對設(shè)備的要求。

2.應(yīng)用有效波，壓制、剔除干擾波。

3.記錄質(zhì)量與地震波預(yù)報(bào)密切相關(guān)，明確數(shù)據(jù)質(zhì)量是預(yù)報(bào)

基礎(chǔ)的重要性。

4.預(yù)報(bào)成果要與地質(zhì)資料相結(jié)合。所以進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)需要克服盲目性，提高科學(xué)性。36四、TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)（針對前文所述存在的問題，TGP預(yù)報(bào)技術(shù)在以下方面進(jìn)行了創(chuàng)新與提高）1、檢波器性能2、接收裝置的耦合技術(shù)3、規(guī)避管波干擾，加大預(yù)報(bào)距離4、覆蓋觀測與位置相關(guān)分析5、成果與源數(shù)據(jù)分析371、檢波器性能—采用具有高指向性、高靈敏度

的三分量接收探頭。

高指向性—軸向具有最大靈敏度，偏離則靈敏度急劇衰減。

X分量Y分量Z分量同一點(diǎn)采集的3個分量記錄X、Y、Z分量分別對P波、SH波和SV波具有明顯不同的靈敏度響應(yīng)。而且縱橫波清晰分辨。382、接收裝置的耦合技術(shù)TGP系統(tǒng)采用黃油做耦合劑，使探頭與孔壁直接接觸。39TGP206接收探頭安裝示意圖40TSP203接收器安裝示意圖41TSP203通過套管與鉆孔耦合，探頭與孔壁間接接觸。采用鋁管結(jié)構(gòu)安裝探頭接收的地震波記錄易出現(xiàn)的干擾波：高頻毛刺干擾、共振波、隧道管波。423、規(guī)避管波干擾，加大預(yù)報(bào)距離采用線性排列，加大偏移距離，可以延遲管波到達(dá)的時間。（偏移距離每增加10米，管波到達(dá)時間可延遲約30ms，約增加60米預(yù)報(bào)距離，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)避管波干擾，加大預(yù)報(bào)距離的目的。）43管波到達(dá)時間4、覆蓋觀測與位置相關(guān)技術(shù)利用地質(zhì)界面重復(fù)觀測，排除掌子面繞射波影響，提高地質(zhì)預(yù)報(bào)資料的可靠性和準(zhǔn)確性。這兩張圖是前后相鄰兩次預(yù)報(bào)的成果。兩次預(yù)報(bào)互相驗(yàn)證，提高準(zhǔn)確性。44繞射波假象：

通過大量預(yù)報(bào)資料的分析，在隧道的掌子面周邊存在發(fā)生繞射波的條件，繞射波的強(qiáng)弱程度與隧道巖性和隧道斷面尺寸等有關(guān)，因此在隧道掌子面前方20至30米范圍，由隧道尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的繞射波存在影響有效波預(yù)報(bào)的問題，即繞射波假象。45界面波形TGP系統(tǒng)具有從處理成果追蹤到源數(shù)據(jù)的功能，可以檢測預(yù)報(bào)的可靠性。（點(diǎn)擊偏移圖中異常點(diǎn)，可自動追蹤到源記錄回波的同相軸，根據(jù)同相軸的連續(xù)性和分布特征，分析地震回波的有效性、回波的成因和來源方向，從而保證預(yù)報(bào)成果的真實(shí)可靠性。）界面波形5、預(yù)報(bào)成果與源數(shù)據(jù)分析46點(diǎn)擊偏移圖中異常點(diǎn)“+”，自動追蹤到源記錄紅線標(biāo)記的同相軸。左圖上尖滅的偏移特征，由右圖斷續(xù)和分叉的同相軸形成，該特征可作為推斷巖溶回波的依據(jù)之一。47應(yīng)用有效波，保證成果的真實(shí)性通過以上分析，得出以下結(jié)論：⒈隧道施工發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害說明了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作的重要性，超前預(yù)報(bào)可以確保施工安全。⒉

認(rèn)識隧道地震波傳播的三分量特征，明確有效波數(shù)據(jù)質(zhì)量是預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。⒊設(shè)備功能和采集過程的每個環(huán)節(jié)應(yīng)滿足數(shù)據(jù)的高質(zhì)量采集，提高數(shù)據(jù)的信噪比。⒋處理系統(tǒng)和預(yù)報(bào)成果應(yīng)采用多波多分量的全波震相分析技術(shù)，提高解決復(fù)雜地質(zhì)問題的能力。⒌處理系統(tǒng)應(yīng)具有成果與源數(shù)據(jù)的互檢功能，有利于分析成果的成因和推斷地質(zhì)體的性質(zhì)，并保證其真實(shí)性。⒍地質(zhì)條件是復(fù)雜的，對成果的分析需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)規(guī)律，提高認(rèn)識，促進(jìn)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論水平的提高，有效的發(fā)揮地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用。48工程實(shí)例圖解五、TGP隧道預(yù)報(bào)工程實(shí)例⒈天寶高速公路花石山隧道勘察資料鉆孔揭露有斷層，但其規(guī)模和具體分布需要通過預(yù)報(bào)給予確定。49A.偏移歸位圖B.構(gòu)造產(chǎn)狀圖走向圖傾向圖A圖：有明顯2條偏移異常，表示前方有兩個反射界面；B圖：斷層走向呈60°角，前界面俯傾，后界面近直立。超前預(yù)報(bào)成果：偏移歸位圖與構(gòu)造產(chǎn)狀圖50超前預(yù)報(bào)成果：估算速度圖與極性反射圖估算速度曲線呈“凹”形低速反映，Vp=2700m/s，推斷圍巖為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化。橫波速度在斷層帶前26米呈低速反映，為斷層影響帶。回波反射符號見圖中標(biāo)示。極性反射圖估算速度圖51超前預(yù)報(bào)成果：斷層構(gòu)造3D圖（帶三維偏移背景）斷層構(gòu)造的分布與產(chǎn)狀直觀形象根據(jù)預(yù)報(bào)推斷：斷層帶寬度70-86米，其中：A段為影響帶，B+C段為斷層帶寬度，C段巖體破碎嚴(yán)重發(fā)育。52TGP地震波預(yù)報(bào)工程實(shí)例

2.三亞繞城高速迎賓隧道

偏移歸位圖構(gòu)造產(chǎn)狀分布圖由產(chǎn)狀圖可見：多條界面密集、走向與隧道近正交，俯傾狀。推斷圍巖受