[PPT]隧道超前地质预报技术(TGP预报)_ppt

隧道地质超前预报技术

前言

一、二、三、隧道地震波预报与存在的问题四、五、TGP隧道地质预报观测系统TGP预报的基本原理TGP隧道地质超前预报技术TGP地质预报工程实例

前言

地质超前预报的作用与定位

隧道工程巨大：高速铁路、公路、地铁、水电、

矿山开采及军事等工程

施工勘察延伸：弥补隧道勘察工作深度的不足

前言

1)地质灾害预报2)隐伏不良地质体预报3)围岩地质条件预报

宜万铁路别岩槽隧道＋422大突水的溶腔规模：隧道长3721米，F1导水断层长483米，雨季有

350米水压差，日最大涌水量28.6万立方米。

规模：

溶岩大厅断层连通岩溶构造水，一个半小

前言

时内突水15万立方，泥石量5万立方米。

宜万铁路野三关隧道暗河岩溶溶腔

前言

齐岳山隧道掘进过程发现的岩溶构造

溶腔近200处，危及安全的有22处，其中发生5次大事故，最大瞬间突水流量每小时达5.2万方。

前言

五爪观隧道中的暗河

前言

龙鳞宫隧道的巨型岩溶溶腔

前言

掌子面突泥

前言

福建某公路隧道断层大塌方

隧道岩溶水

前言

宜万铁路岩溶突水后调查的地质剖面

前言

岩溶空腔规模大，延展70多米

宜万铁路岩溶突水后调查的地质剖面

岩溶溶腔与构造的连通性好

前言

宜万铁路岩溶突水后地质调查剖面图

前言

突水突泥反映岩溶水、构造水具有水头压力。以上地质问题与超前预报中的地震波存在何等关系？

一、TGP预报的基本原理

1,平(大)界面型

地质：构造面、岩性接触面、规模溶洞条件：界面规模大于波长应用：反射波

2,点（小）界面型

地质：溶洞、溶腔、平界面上的突变点条件：规模小于波长应用：绕射波

以岩体具有的波速、波长、和频率予以说明

有序排列条件下：随地质界面与隧道夹角的变化，地震回波时距曲线形态变化的演示。

排列与界面平行条件

二、TGP隧道地质预报观测系统

排列布孔洞轴线方向有序排列，孔中激发，孔中三分量接收，多波全震相分析。

断面与隧道正交地震回波时距曲线形态有序排列条件下：在构造与隧道正交条件下，地震回波的“时~距”曲线形态如上。

地排震列波方传式播观的测时有距利关根系据分析

利用有规律排列有利于对未知界面形态的分析

有利于：

1，纵横波速度分离，和围岩速度等参数的计算，为预报推断提供基准参数。2，对震源和接收信号质量检查，频率分析和衰减等参数的计算。

3，对有效波与干扰波的识

△X△T△T△X别，有效波利用和干扰波剔除。

（运转程序分析速度）

ⅴ＝△X／△T

非排列采集观测系统（TRT）

非排列采集的TRT记录

波序识别困难

图中等时间隔出现的波形为多次波干扰，由于采用非排列采集，难分析波的成因和类型

三、隧道地震波预报与存在的问题1、有效波频率

2、纵横波的激发与接收3、记录时间的精准性

4、套管内安装接收器的问题5、观测系统与数据质量6、隧道管波干扰7、掌子面回波干扰

8、利用波速参数预报的讨论

1，有效波频率

迄今为止，不少文章对隧道地震回波的频率论述错误。

我们应用TGP预报系统得到的结论是：黄土100～200 Hz软岩200～400 Hz硬岩400～1000Hz坚硬岩1000～1500Hz

2，纵、横波的激发与采集

应用多分量

断面与隧道正交多波预报需要：分离清晰与高信噪比的纵横波记录；分离清晰依赖：偏移距离、偏振激发、岩体性质；高信噪比信号：探头性能与耦合；激发高频与能量；

3，记录时间的精准性

误差造成：速度误差，相位误差、物性误判。

预报推断需要：精准记录地震回波的时间和相位。

左图为TGP采集的无雷管延迟记录，同相位波排序齐整；右图为有1.5ms延迟误差的记录，同相位波上下错断。

由触发方式造成的记录时间误差

TSP203\\200触发方式

存在电雷管延迟误差，左图记录首波最大错位6ms，Ⅲ级围岩计算存在5米误差的可能。

TSP203记录

4，套管内安装接收器的问题

套管固结不良或探头与管壁接触不良，造成回波

记录中出现高频干扰和套管共振干扰。

5，观测系统与数据质量

岩溶模型：洞经与隧道断面相等几种观测系统：⒈孔中激发接收⒉洞壁激发接收

岩溶地物震理波模采型集研效究果

⒊孔接收壁激发

4 排圆点表示在不同深度接收溶洞模型试验目的：哪种观测有利？

浅孔:面波A较强回波B强C较弱深孔：面波A弱回波B强C强钻孔面采波集弱的反地射震波波强呈曲线

.洞壁:面波A强回波B\\C弱洞壁面采波集强的反地射震波波弱

洞壁：面波A强回波B\\C弱模型试验结论：

⒈孔中激发接收的观测系统，地震回波强，面波弱，地震波记录质量好。

⒉后两种观测系统，地震回波弱，面波强，地震波记录质量差。

⒊受松动圈和洞壁爆破影响，后两种观测系统的地震波记录质量会更差一些。

试验结论

由此结论：

⒈TGP206采用孔中激发与接收观测系统，具有保证数据质量的优势。

⒉洞壁接收方案不可取。

6，隧道管波干扰

即隧道内预报时放炮的声波干扰

记录

红色直线：激发炮的声波随激发孔距的增加，时间呈

线性增加，沿直线传播的声波。

绿色曲线：激发炮的声波随激发孔距的增加，时间呈

曲线形态增加，为对侧洞壁反射的声波。

TSP203 隧道管波在偏移图中的假象

管波干扰的成果去除管波后的成果成果假象

红线后为管波假象去除管波后的成果隧道管波对预报成果的影响

成果图中的假象

为何在蓝线以后的曲线起伏大？您思考过吗？隧道管波对预报成果的影响

成果图中的假象

请注意TSP203／TSP200论文图的共性表现：80米至100米以后参数图中的幅度变化大。

7，掌子面回波干扰

上图为天池隧道三分量记录，纵波与横波的同相轴延长分别可见相交于掌子面附近。并可见横波的回波比纵波的回波强一些。

掌子面周边回波干扰对成果的影响

干扰波

上述纵、横波记录与对应的偏移成果图可见掌子面回波干扰的影响距离有20米左右。横波比纵波的影响要明显一些。

8、利用波速参数预报的讨论

上图为TSP203的速度参数成果图，目前存在直接利用该速度划分隧道围岩级别的现象，这种做法值得讨论。

序号里程夹角

1234567891011

2084

45°

2092

75°

2104

70°

2108

65°

2109

75°

2116

80°

2136

80°

2152

70°

2164

90°

2184

70°

2188

80°

表中数据是上图中绘制速度图的界面倾角与里程

掌子面前70米与隧道夹角70度的构造面，其射线路径见兰线，A为反射点。上图中的速度为OA方向的速度，A点距离隧道50米，直接利用，有违岩体是各向异性体的实际性状。

以上介绍隧道地震波超前预报中存在的问题，直接影响到地震波超前预报的效果。

应该明确：

1，隧道地震波特征、纵横波特点与相应采集技术、以及对设备的要求。

2，应用有效波，压制、剔除干扰波。

3，记录质量与地震波预报的关系，明确数据质量是基础的重要性。

4，预报成果缺乏地质解释系统。

结论：克服盲目性，提高科学性。

四、TGP隧道地质超前预报技术

1、检波器性能

2、接收装置与耦合技术3、管波干扰与预报距离4、覆盖观测与位置相关分析5、成果与源数据分析

6、TGP地质预报系统

1、检波器性能

轴向具有最大灵敏度，检偏离则灵敏度急剧衰减，波

器

称检波器具有高指向性。

在轴向和偏离轴向，灵敏度无明显变化，称检波器无指向性。

检波器

检波器指向性优劣决定对不同震相多波的采集质量！

检波器的高指向性能与宽带接收

P波分量SH波分量SV波分量

由记录可见：三个分量分别对P波、SH波和SV波具有明显不同的灵敏度响应。纵横波清晰分辨。

2、接收装置与耦合技术

定位安装接收器至孔底，黄油耦合，探头外壳与钻孔壁接触，地震信号由软电缆引出，孔内塞软纸团，孔口安装吸声材料制作的孔口塞。地震波直接传到检波器，孔口段阻隔干扰波。

TSP203接收器安装

压电接收器外壳连接2米长铝杆；与铝套管内壁靠公差配合接触；铝套管与钻孔壁由环氧固结；套管与铝杆由铝插座固定。

接收器与整个铝结构件为一整体，其自振共振波影响有效波信噪比，不固结套管的做法问题会更复杂。

铝管结构探头易出现的干扰波：高频毛刺干扰、共振波、隧道管波。

3、管波干扰与预报距离

加大偏移距离，延迟管波到达的时间，每增加10米加长30ms记录有效长度，约增加60米预报距离，实现规避干扰目的。

4、覆盖观测与位置相关技术

利用地质界面重复观测，排除掌子面干扰波，提高地质预报资料的可靠和准确。

5、成果与源数据分析

界面界面波形波形点击偏移图异常点，可自动追踪到源记录回波的同相轴上，根据同相轴的连续性和分布特征，分析地震回波的有效性、回波的成因和来源方向。

点击偏移图异常点“+”，自动追踪到源记录红线位置的同相轴。左图上尖灭的偏移特征，由右图断续和分叉的同相轴形成，该特征可作为推断岩溶回波的依据之一。

6、TGP地质预报系统

①偏移成果图与拟地震波形图

偏移图是纵横波分离后的地震回波经过偏移归位处理获得的成果图。

偏移异常是判断地质界面的依据，偏蓝紫色为负反射，表征该段岩土体的密度或速度低于周边围岩；偏黄红色为正反射，表征意义相反。

拟地震波形反映界面的存在和性质：

以“0”为基准线，偏下为负反射，偏上为正反射。拟地震波形的频率特征：负反射的低频波动表征存在一定规模的岩体破碎带等；高频波动表征局部裂隙发育。

②隧道围岩速度参数的估算曲线

B图为地质界面反射波的极性符号：向下为负反射，向上为正反射。兰线为纵波，红线为横波，以下同。A图为围岩速度估算曲线：根据界面回波能量的强弱估算得出，反应围岩的相对差异性。以炮孔段实测走时计算的波速为基准参考值。

③地质界面产状图

地质界面的产状包括：走向、倾向与倾角。A图表示走向及与隧道轴线的夹角；

B图表示倾向与倾角。

兰线由纵波回波计算得到，红线由横波回波计算得到。与产状线关联的小方块表示回波反射点的位置，方块内的颜色表示回波的强弱。

④隧道预报地质界面3D成果图

TGP地震多波3D预报图（根据纵波极化方向3D归位）：1为3D偏移归位的反射点图；2为反射界面图，3为地质构造的空间分布与产状图。

不同的圆色标表示回波的空间返回位置，由正负之分。

隧道预报地质界面3D成果图

岩溶的空间形态增加回波圆色标分布的多元化，在高程和里程的分布具有连续密集排列的表现，在左图圆色标分布隧道高程附近，在右图呈现与隧道大角度斜交的排列趋势。成因不同的岩溶发育不同，需要总结经验。

TGP隧道地质超前预报3D成果图的基本原理

TGP全空间的3D成果依据8个方向（图A）的多波偏移扇面图（图B）经过计算合成为3D成果图（图C），图C中的园色标为绕射回波强能量方向的空间归位的位置。

TGP隧道地质超前预报3D成果图的质量需要设备保证隧道地震波具有纵横波明晰分离

图A为原始记录中三个分量的地震波记录；

图B为提取的绕射回波，红线时窗内为某界面回波；图C为极化波投影和三个分量显示。

全波震相分析重视对单分量震波记录中各种震相的识别和分析，更重视三分量或多分量震波记录的合成和分析，这样，可以大大提高全波震相分析解决地质地球物理问题的能力。

隧道地震波预报必须保证数据质量，需要设备装置、

观测系统、激发接收系统和处理分析系统等多方面条件的保证。

确立数据质量为基础的认识，应用合格记录中的有

效波进行处理和解释，确保依据真实数据处理解释预报的每个环节，实现预报整体质量的提高。

结论：

⒈由隧道施工发生的地质灾害说明地质超前预报工作的重要性，明确隧道地质预报工作的目的。

⒉明确隧道地震波预报机制，认识隧道地震波传播的三分量特征，明确有效波数据质量是基础。

⒊设备功能和采集过程的每个环节应满足数据的高质量采集，提高数据的信噪比。

⒋处理系统功能和预报成果图应采用多波多分量的全波震相分析技术，提高解决复杂地质问题的能力

⒌处理系统具有成果与源数据的互检功能，有利于分析成果的成因和推断地质体的性质。

⒍地质条件是复杂的，对成果的分析需要总结经验、总结规律，提高认识，促进地质预报结论水平的提高，有效的发挥地质预报的作用。

应用保有证效成波果，的真实性

五、TGP隧道预报工程实例

⒈天宝高速公路花石山隧道

工程实例图解

勘察资料钻孔揭露断层，但其规模和具体分布需要通过预报给予确定。

偏移归位与构造产状图

A.偏移归位图

B.构造产状图

A图：明显2条偏移异常，其拟地震波形2处波动；

B图：断层走向呈60°角，前界面俯倾，后界面近直立。

估算速度与反射符号

估算速度曲线呈“凹”形低速反映Vp=2700米/秒，推断围岩为碎块状强风化。

横波速度在断层带前26米呈低速反映，为断层影响带。回波反射符号见图中标示。

断层构造3D图

（带三维偏移背景）

TGP隧道预报成果3D图：断层构造的分布与产状直观。隧道围岩的断层带宽度70-86米，其中：A段为影响带，B+C段为断层带宽度，C段岩体破碎严重发育。

TGP隧道预报工程实例

⒉贵都高速公路猫冲2号隧道

猫冲2号隧道主要岩性为白云岩，其中夹有2段泥质页岩为软弱岩层带，需要预报确定宽度和里程位置。

偏移归位与估算速度曲线图

估算速度与反射

符估算速度曲线：40521至40495段降低，至40485速号度有提高。推断泥质页岩厚度为36米。在40521至40500横波速度低，说明该段页岩风化强。

泥质页岩3D图

负反射界面正反射界面泥质页岩3D图：

里程40521为负反射，里程40480为正反射，该区间为泥质页岩，之后隧道围岩进入白云岩。

TGP地震波预报工程实例

三亚绕城高速迎宾隧道

偏移归位与构造产状分布图

由产状图可见：多条界面密集、走向与隧道近正交，俯倾状。推断围岩受多组构造作用岩体破碎、风化严重。

比速度与反射符号图

由图见：726至700段纵、横波估算速度曲线呈台阶状明显降低，说明泥化严重或裂隙充水，预报结论围岩由3级降为5级。事实证明预报准确。

三亚迎宾公路隧道预报岩性界面3D图

三亚迎宾隧道3D成果图清楚显示：738至710段，呈倒三角楔形的垮塌界面。

利用亮点推断岩溶分布区间

正视图看分布高程侧视图看分布里程亮点归位技术

利用3D成果分析岩溶构造，根据岩溶界面不规则变化易产生多点绕射回波的条件，利用深度偏移归位点排列的规律性，有助于分析判断。

谢谢!