TGP隧道地质超前预报的优势.docx
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TGP隧道地质超前预报的优势
TGP隧道地质超前预报系统的优势
前言
本文针对隧道地质的复杂性、地震波测量环境的局限性、以及各种干扰波的影响等,介绍国产TGP隧道地质预报系统的优势技术和设备,供从事隧道施工管理和地质预报工作者参考。
1、TGP预报仪器的主机
目前国内外隧道预报仪器有两种结构:
一种采用分离插装式结构,其控制单元和存储显示使用笔记本电脑,通过电脑接口连接地震信号放大电路;一种采用整体机箱式结构,其CPU控制单元、存储、显示单元与放大电路,整体结构安装在仪器机箱内,仪器箱体具有防静电、防电磁、防水、防震,并且牢固轻便。
从应用环境分析,隧道内粉尘多、湿度大、渗水现象时有发生,笔记本电脑的开放式键盘不适宜;从仪器的信噪比参数分析,笔记本电脑的杂散感应电压影响仪器的噪音水平;从数据存储的安全角度分析,笔记本电脑的硬盘在隧道内外温差大和湿度大条件下,电脑硬盘结雾存在数据存储的安全问题。
我所研制的TGP型隧道预报仪器充分考虑到隧道内应用的条件,在仪器的结构和电路设计多方面进行了优化,采用了整体机箱密封式结构、信号控制的光隔离技术和电子器件存储技术,因此,TGP预报仪器具有整机性能高,适应环境条件的功能强。
TGP型预报仪器的结构见图
(1)。
2、接收传感器
接收传感器是隧道地震数据采集关键的设备之一,其性能直接关系到地震数据的质量和预报成果图的质量。
隧道地震波预报需要精密三分量检波器,检波器应具有高保真和高指向性性能、应具有高灵敏度和相对较高频率的宽带频响特性。
以上检波器性能是保证地震波波形完整、纵横波信息丰富明确的重要环节。
TGP型隧道地震波预报系统采用速度型检波器,与压电式检波器相比较,TGP速度型检波器在高灵敏度、高指向性方面具有突出的优势,同时具有与隧道岩体中地震波传播相适应的高频宽带特性。
地震波在非均质、非连续、和各向异性的地质体中传播时,由结构面、构造面产生的地震反射波具有椭球体性质,椭球体携带有反射面空间分布的重要信息和反射面性质的信息,定位明确的三分量检波器可以实现上述信息的采集,实现地震波极化分析、计算和多波预报的目的。
这与仅利用地震波旅行时间的“负视速度法”比较,是一项重要的技术进步。
隧道预报要求检波器具有较高的频率和宽频带的频响特性,隧道围岩有多种岩性,有松散的覆盖层介质,有岩体介质,二者传播地震波的频率具有较大的差异,纵横波的传播频率也存在差异,因此需要检波器具有与检测对象相适应的频响特性。
我们统计大量预报资料说明,不同岩性地震波传播的频率:
一般软岩为200~400Hz;硬岩400~1000Hz,完整新鲜的坚硬岩为1000~1500Hz。
这个频带采用速度型传感器较为适应,同时具有高的灵敏度特性。
而压电类传感器的频率远高于隧道岩体中传播的地震波频率,而且灵敏度相对低一些。
为方便大家实际了解隧道地震波的记录面貌,图
(2)列举TGP型隧道地质超前预报仪器采集的地震波数据,供参考。
图
(2)中记录上从波序、波形幅度和频率均可以明确看到纵、横波同相轴分离清晰,地震波形清晰完整、无震荡的高频杂波毛刺。
图(3)为天宝高速公路某砂页岩隧道,其纵波主频频率为173Hz,横波主频频率为96Hz。
图(4)为铁路武广客运专线大瑶山某灰岩隧道,其纵波主频频率为960Hz,横波主频频率为260Hz。
图(5)为纵横波反射的回波记录,由图可见纵横波反射回波具有较强的信噪比,纵波频率高于横波的频率,而且横波Vsh与横波Vsz具有差异性,反映出岩体的各向异性性质。
以上资料说明:
TGP型隧道预报仪器的三分量检波器具有高灵敏度、高指向性、和与隧道围岩中传播的地震波频率相适应的高频宽带特性。
3、耦合方式
地震波检测工作需要检波器与被测物牢固接触。
在地表是依靠检波器尾锥插入地面,在钻孔中检波器不能采用插入方式,一般则通过某种方式或者介质实现检波器的良好接收。
采取的方式称为耦合方式,使用的介质称为“耦合剂”。
钻孔中采用的耦合方式和接收的效果分别如下:
①采用与钻孔岩体声阻抗一致的材料灌浆固结,实现检波器与岩体的无声阻抗界面固结,效果最好,但是检波器为一次性使用,成本高,同时现场固结需要较长时间。
②挤压检波器贴紧钻孔壁,即物探测井的贴壁方式,效果好,但是在孔经小的钻孔中难操作;
③TGP型预报仪器的传感器通过耦合剂实现与钻孔岩体的直接耦合,并且采取软线引出信号,减少干扰环节,波形可靠,操作便捷,成本低。
④有的预报仪器的传感器采用金属套管安装,设计金属管采用环氧固结在钻孔岩体上,而检波器贴在套管内。
这种方式存在多种问题:
套管易产生自震;套管固结存在差异;检波器贴紧效果无法检查;以及硬杆的震动影响等,易形成多种干扰波,同时成本很高。
综合以上分析可以明确:
能够高保真采集地震波信号,具有压制干扰波功能,同时方便快捷经济实用的耦合方式是首选的原则。
图(6)是TGP隧道预报检波器采用黄油作耦合剂的安装示意图;图(7)是采用金属管安装检波器的示意图。
由于TGP检波器通过黄油直接与岩体接触,无中间过渡介质,而且采用吸声衰减材料封堵孔口,因此可以避免因金属管造成的自震和隧道内的干扰波影响。
同时也不存在环氧固结的效果与材料保质期的问题、不存在环氧树脂与固化剂搅拌不均匀影响金属管与岩体的固结等问题。
地震波检测中检波器的耦合与安装方式的优劣是保证地震波信息可靠接收的关键之一,是影响地震波数据采集质量的关键。
4、触发采集的方式与触发误差
在应用地震波检测技术中,地震波信号的传播时间要准确测量,也就是说要准确采集震源产生的同步信号和地震波传播到某点的信号。
触发方式是指如何采集震源的同步信号,在弹性波检测工作中,一般采用:
回线开路触发记时方式和脉冲内触发记时方式。
回线开路触发记时方式是把回线绑扎在震源上,震源爆炸的同时炸断回线触发仪器进行采集,这种方式与爆炸产生过程中的雷管延迟没有关系,在回线不松脱条件下不存在触发误差,我国的地震波勘查规范推荐回线记时方式。
脉冲内触发记时方式一般送出两路脉冲信号:
一路脉冲信号触发仪器开始记时;另一路脉冲信号引爆震源,引爆震源需要时间过程,该时间的大小与引爆电压和电雷管的延迟时间有关系。
众所周知所有瞬发电雷管的技术指标中表明有“时间延迟差”,即从受电到爆炸的时间,该数值为几毫秒。
隧道施工部门使用的电雷管延迟为1~5毫秒。
这样,仪器开始记时早,震源波产生迟,造成地震波传播时间测量的误差。
经过对比试验统计,该时间误差为1毫秒至4毫秒,影响到预报中的距离误差为2米至8米不等。
由以上介绍可以明确:
内脉冲的触发时间精度不能反映仪器采集时的精度,而电雷管的延迟时差才是真正的触发误差精度。
预报仪器采取内脉冲触发方式,以内脉冲触发精度10微秒介绍其测量时间的精确度,不代表其真实的误差。
图(8)是不同触发方式采集的地震波记录:
TGP12仪器采集的记录上地震波初至波(最前面的同向轴)排序呈基本线性的时间增加;而TSP203仪器采集的记录上地震波初至,各道初至波上下跳动,反映出其脉冲内触发方式造成的误差。
5、隧道管波干扰的认识与处理
在应用地震波勘探和检测工作中,存在着有效波与干扰波,因此研究加强有效波和压制干扰波的采集技术是一门重要学问。
如果缺乏对干扰波的正确认识而当成有效波使用,将会造成严重的后果。
本节通过介绍“隧道管波”产生的原因,探讨采集方法和处理技术。
在TGP型仪器的研制阶段,曾在铁路宜万线的两个隧道进行过不同仪器的对比试验,图(9)和图(10)分别是不同仪器在同一个地段的偏移成果图。
上半图为TGP成果、下半图为TSP203成果,两者偏移图存在明显差异。
TSP203仪器成果的色条线明显的多,而且随着远离隧道掌子面其色条线变宽,颜色变重,若根据偏移图解释在远离掌子面的位置存在构造面,而实际上不存在。
在隧道施工的“变更设计书”中,描述在距离隧道掌子面50米左右的位置存在构造岩溶,而在其后地段未见地质异常。
“变更设计书”的结论证明了TGP偏移成果图中前端有负偏移后段无异常的的正确性。
在施工地质的考验下,我们开始研究偏移成果中假异常的问题。
图(11)为一次预报记录,其记录左下角的波形同向轴视速度为340m/s,与空气中的声波速度接近。
我认为该波为激发炮产生的声波由空气传播被记录下来,经过多次试验得到验证,我命名这种波为“隧道管波”。
图(12)中上图为含有隧道管波的偏移成果图,下图为该记录去除隧道管波后的偏移成果图,两者对照可以明确隧道管波产生的假象异常现象。
如果对此缺乏认识,将会严重影响地质预报结论的正确性。
关于隧道管波影响地质预报的严重性,在以后的论文中有专门的阐述。
TGP型预报系统强调有效波的利用,因此在系统中设计压制隧道管波等功能,处理系统具有多种干扰波去除功能,保证预报成果资料的真实性,实践证明效果是显著的。
6、地震反射波衰减参数的综合利用
TGP偏移成果图中彩色条的颜色由红到紫,依据由最大正反射到最小负反射而变化。
色条存在是地质界面存在的反映,正、负反射由地质界面两边介质的性质决定。
正反射表明界面后方的声阻抗高,负反射表明界面后方的声阻抗低。
偏移图上偏移条带的多寡反映地质界面的频度(即单位长度上界面的多少)。
在存在多个界面情况下,岩体的整体性质变化较大,如何评价具有组合界面地质体的性质是问题的关键。
TGP处理系统增加反射波通过各界面过程中反射波衰减参数的记录,绘制衰减的整体反应曲线,为推断组合界面的地质体性质提供方便。
图(13)是地震反射波衰减参数的综合成果。
图(13)的上半图曲线记录传播过程中地震波衰减的变化过程。
以中线为“0”,向上反映为正的反射,向下反映为负的反射,据此可以帮助推断隧道前方地质围岩的性质。
该成果采集地点为宜万线某隧道,图中两处负反射曲线段为构造破碎带,前者严重破碎、宽度也较大,后者一般破碎,宽度较小。
图(14)为纵、横波三分量偏移图,根据相同地质界面的纵、横波偏移成果的反应,进行地质性质的推断和解释。
一般情况下,横波反射强反映界面间具有充水和夹泥的可能性。
客观地质体是错综复杂的,纵、横波成果既有共性,也有差异性,应用中应不断总结经验。
图(15)为布置在隧道两侧的相同分量获得的偏移成果,图中出现同一地质界面的偏移存在位置错开,该现象与地质界面和隧道的交角有关系。
TGP地质预报系统利用反射波衰减参数与偏移图进行综合对比分析的功能,有利于对复杂地质条件进行预报的推断工作。
7、偏移成果的可靠性分析
偏移成果是判断岩体连续性的关键资料,因此偏移成果的可靠性如何?
是应用者非常关心的问题。
因此检查偏移成果的可靠性、检查是否由有效波生成成果,是非常必要的。
TGP处理系统增加“偏移成果的可靠性分析”功能。
程序中设计在偏移成果的色带上点击,可以显示和标记生成对应成果的地震回波同向轴。
根据地震回波同向轴的连续性和形态可以判断地震回波的有效性和来源方向。
例如地震回波同向轴中,各道地震波幅度显示由前向后的衰减变化,则可以判断回波来源在隧道的前方。
如果显示由中间向两边道的衰减变化,说明构造面与隧道存在夹角关系,或者是不良地质体的反应。
还具有通过标记回波时间,返回到原始记录中检查记录面貌,该功能有助于分析成果来源是否由有效波生成。
例如由隧道管波生成的偏移,点击后显示标记的回波,返回到原始记录的相同位置,分析原始记录上地震波的属性,步步查实分析,可以达到评估成果图的真实性和可靠性的目的。
图(16)和图(17)均是偏移成果的评估分析图,事实证明:
这种利用生成的结果反向追踪到原始记录进行检查的功能,有助于在错综复杂的地震波场中,分析来自隧道前方的反射波,同时方便识别由干扰波生成的偏移假象。
图(16)中箭头部位的偏移色带长度延展好,可以明确推断为面状(构造面)的反映。
图(17)中的偏移色带延展较短、颜色变化也较快者,同时回波同向轴呈现向两头衰减趋势,而且不连续的特征,可以作为“体”状地质体(岩溶洞穴和溶腔)推断的依据。
TGP处理系统增加“偏移成果的可靠性分析”功能,有利于追索到原始记录中,通过检查原始记录的质量,进行有效波和干扰波分析,实现对偏移成果图质量的评估,有益于提高预报成果图的可靠性。
8、地质界面产状和强反射点位置的分析功能
在总结研究国外地震波超前预报技术的基础上,根据预报工作要求,TGP型隧道地质超前预报仪器系统增加“地质界面产状和强反射点位置”预报的功能。
该功能具有预报地质构造面产状的功能,即预报隧道前方地质界面与隧道的夹角和倾角,预报地质界面上反射点的位置,有利于评估地质构造或者病害地质体对隧道的影响程度。
图(18)为地质界面产状和反射点位置的预报成果图。
在图上可以直接解释隧道前方构造面发育的里程位置、构造带宽度、以及构造面的组成、各构造面与隧道的水平夹角和倾角关系。
图中的线条(蓝色线表示由纵波生成;红色线表示由横波生成)表示构造面,线旁标注的小方块表示反射点位置,方块内标注的颜色表示反射的强弱,其颜色由红色到蓝色表示反射由强到弱。
图中上半图显示的线(蓝线或者红线)表示构造面与过隧道轴线水平面的交线,即构造走向在水平向与隧道的夹角。
反射点方块在轴线附近,表示构造面与轴线近正交。
方块在轴线的上方或下方,则表示构造面与隧道的左壁或右壁存在夹角。
图中下半图显示的线表示构造面与过隧道轴线铅锤面的交线,即构造的倾向和倾角,反射点方块在轴线附近,表示构造面近直立。
方块在轴线的上方,表示构造面为俯倾;方块在轴线的下方表示构造面为仰倾。
图中构造的走向、倾向、夹角,以及它们所在的隧道里程位置,全部汇集在参数表中。
TGP处理系统中具有根据地震波反射的强弱和相似性,设计逐级显示构造的功能,可以实现凸现主要构造异常和主要地质病害的目的,同时通过纵、横波差异性对照,推断地质性质,见图(19)和图(20)。
图中相关系数的采用应与隧道施工地质工作配合,总结地质构造或病害规模与采用相关系数的关系,检验使用的分级是否合理,确定该隧道使用的合理分级参数,提高地质超前预报的质量。
TGP预报系统具有的地质界面产状和强反射点位置的预报功能,对于推断隧道地质界面产状和研究地质界面的发育的分布,对于结合地质勘察报告进行深入分析,提供帮助。
9、无间断预报工作方法
通过理论和大量预报资料分析,在隧道的掌子面周边存在发生绕射波的条件,绕射波的强弱程度与隧道的岩性和断面尺寸等有关,因此在隧道掌子面前方20至30米范围,存在由隧道尺寸效应产生的绕射波问题,该绕射波影响预报的成果。
TGP隧道预报系统的“无间断预报工作方法”,指在克服干扰波条件下,获得较大距离的地质预报资料,在此基础上确定下一次隧道掌子面施工的位置,预留出大于绕射波干扰的距离段资料。
例如获得250米资料,建议隧道施工200米进行下次预报,留出50米资料与下一次的资料对比分析。
该方法在同里程段具有前后两次预报的资料对比,有利于排除非地质原因造成的假象、和其他随机干扰波假象,有利于提高预报成果的质量。
以上是前后两次预报成果图:
图(21)的预报资料为DK36+480~DK36+120,成果资料距离为360米,提交报告的预报距离为200米;图(22)的预报资料为DK36+250~DK36+020,预报成果资料的距离为230米。
在隧道里程的DK36+250~DK36+120段,为两次预报的重合段。
图(21)中在里程DK36+180~DK36+150为构造破碎带,前后构造面近平行,宽度30米,与隧道左壁夹角近50度,倾角近直立。
图(22)中在DK36+187~DK36+165段,又发现该构造,为交叉的两组构造面组成,宽度22米,与隧道夹角45~80度,倾角近直立。
两次预报成果中基本上在相同位置均显示该构造的存在,规模和倾角基本相同。
所不同的是后一次预报距离该构造近一些,预报显示的构造面多一些。
显现出预报距离近时,对目标的预报会更准确一些的道理。
第二次预报资料中横波反映构造面比纵波多、而且幅度强,说明该构造破碎带中有泥化夹层或含水。
“无间断预报工作方法”需要:
仪器具有足够的信噪比和抗干扰性能;
能够获得大距离有效波预报资料;
安照预报单位确定的位置进行下次预报。
在隧道地质条件复杂,环境噪音大等影响条件下,该方法有利于排除由隧道掌子面周边效应引起的假象,有助于剔除测量过程中的随机干扰信号,同时实现两次预报资料的对比分析。
因此通过实践检验表明,TGP系统采取预报成果重复相关分析与无间断预报方法,不仅有利于识别隧道掌子面周边的绕射波等假象,而且有助于提高预报的质量。
10、隧道围岩估算参数的应用
以上介绍主要围绕预报地质界面(构造破碎带、节理裂隙密集带)和病害地质体。
如何对界面之间的岩体条件进行评价?
是本节介绍的内容。
TGP隧道地质预报系统具有:
前行波(向隧道前方传播的波)与回波(反射波)振幅能量的测量;回波极性符号的测量,以及回波射线偏离隧道轴线张角的测量等,由此实现地质界面之间岩体参数的估算功能。
图(23)为京西黎园岭隧道围岩估算参数成果图,由成果图上的估算岩体速度曲线划分隧道前方围岩为五个相对的地质单元。
图(24)为天宝高速花石山隧道围岩估算速度参数成果图,由图中估算速度曲线判断在两个构造面之间为宽度60米的构造破碎带,该构造破碎带在勘察报告中有描述,预报资料对构造的位置、宽度和性质给出定量数据,该预报资料被隧道施工所验证。
TGP地质预报系统通过提供与测量段岩体(即炮孔布置段岩体)相比较的估算速度参数,结合构造面产状的分布综合分析,对隧道进行分段地质评价,具有相对直观的作用。
结语
本文从十个方面阐述TGP隧道地质超前预报系统的优势技术。
其中用大量文字叙述隧道地质条件的复杂性,隧道内地震波传播与环境条件的复杂性,以及各种不容忽视的干扰波造成的影响等。
因为加强对隧道地质超前预报工作难度的认识,有利于克服盲目性,提高科学性,有利于仪器系统的更新,促进隧道地震预报技术的深入发展。
有的文章描绘隧道地震波预报“简单”,甚至在评述中使用“对前方岩层清晰扫描”的词语,我不敢苟同。
我认为:
隧道地震波预报是物探检测中难度比较大,技术比较复杂的工作,工作中要高度重视。
同时要加强与施工地质的配合工作,应用中注意物探解释与地质相结合,做到不断总结和提高。
对于岩溶发育和富水区的隧道地质超前预报工作,务必结合探水预报等技术,做到综合预报,确保隧道施工的安全。
我们从十个方面论述隧道地震波预报技术,是杞人忧天,还是客观实际的需要!
我的结语是:
地质环境是复杂的,检测条件是局限的,干扰波是客观存在的,搞好工作需要严格把握隧道预报工法。
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