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1、隧道超前预报与病害诊断技术讲座之二国内外超前预报技术现状与问题 隧道超前预报与病害诊断技术 赵永贵中国科学院地质与地球物理研究所研究员北京同度工程物探技术有限公司技术总监中国地球物理学会工程地球物理专委会主任电话 13601109131 邮箱 zhaoyonggui 隧道超前预报与病害诊治技术 报告主要内容常见病害与地质超前预报的内容 国内外地震法超前预报技术现状与问题 隧道地震法超前预报技术的几个核心问题 TST隧道地震超前预报技术特点及应用 5国内外超前预报技术评价方法 6TST技术在隧道病害 边坡与场地勘查中的应用 7TST与高密度电法综合预报技术的应用 地震CT SSP地震散射剖面与高
2、密度电法隧道病害诊断技术 9滑坡与水库漏水的病害诊断技术 1地质超前预报内容与技术要求2超前预报技术发展历史回顾3国内外超前预报技术现状与问题3 1陆地声纳法3 2地震反射 负视速度法 3 3声波HSP水平剖面法 3 4瑞士的TSP202 203超前预报技术 3 5TGP206超前预报技术 3 6美国的TRT与TRT6000超前预报技术3 7最新的TST隧道超前预报技术超前预报技术分类与评价4 1超前预报技术分类4 2超前预报技术存在的问题4 3超前预报技术评价方法 2国内外超前预报技术现状与问题 1 1预报地质对象性质灾害性不利地质对象 断裂构造 含水体 溶洞 含瓦斯构造 岩爆 基本地质要素
3、 地层岩性 工程类别 力学性状变化 1 2预报尺度要求 位置定位精度 误差小于10 构造规模尺度 误差小于10 分辨率 1m 1地质超前预报的内容 2超前预报技术发展回顾 国内外的超前预报技术是一个不断发展的过程 超前预报技术的研究始于上世纪80年代末 主要方法是地质预测 90年代初中国与瑞士几乎同时起步开始物探方法超前预报研究 瑞士研究开发TSP技术 中国铁道部开立 隧道开挖工作面前方不良地质预报 科研课题 开启了我国物探超前预报技术的研究 课题中同时开展了陆地声纳 钟世航 1995 负视速度法 曾昭璜 1994 HSP水平剖面法 柳杨春 1997 和地质雷达的超前预报研究 90年代中期铁道
4、系统开始从瑞士引进和推广TSP202 203 肖书安 1998 公路效仿铁路也先后引进TSP 有些工程招标文件中甚至特别指定必须使用TSP203投标 在市场的推动下 不到10年的时间中国先后引进TSP超过100套 成为世界上的最大用户 美洲超前预报的起步较晚 90年代末才开始 21世纪初美国NSA公司开发出TRT技术 并开始在欧洲作为咨询工具应用 但是没多久2005年NSA公司被并购 TRT技术的一些功能还未开发完成 开发者就另辟新径离开了TRT技术 2008年TRT技术以TRT6000的名义开始进入中国 陈刚毅2009 很快就发现TRT存在很多问题需要改进 利奕年 2009 在TSP风靡全国
5、的时候 2006年国内出现了模仿TSP技术的TGP超前预报技术 刘云帧 2009 这一阶段工程界的主要需求是工程应用 急于寻找可用于地质超前预报的方法 对方法原理的科学性与准确性还来不及考虑 随着TSP技术的应用 其技术缺陷逐渐暴露 准确性不高 虚报漏报严重 引起了对TSP技术的质疑 超前预报技术发展回顾 常旭等对TSP的线性排列观测系统的超前预报技术进行数值模拟时发现 于隧道斜交的断层的偏移图像是一个以隧道为对称轴的锥面 垂直于隧道的断层的图像是一个包围掌子面的椭球面 常旭 2006 这一事实表明隧道内小孔径观测条件下 偏移成像的方位分辨很差 无法确定反射面的确切位置 为了确定位置必须对地震
6、资料增加约束条件 给定地震回波的方向 这一研究结果与赵永贵等研究的结果不谋而合 赵永贵等在对TSP方法的理论进行分析时指出其存在三个技术缺陷 赵永贵 2008 2010 其一是其观测方式不合理 不能准确确定掌子面前方围岩波速 用直达波速代替掌子面前方波速在构造复杂地区会造成定位的较大偏差 同时不能提供反应岩体力学性状变化的信息 其二是没有方向滤波 对不同方向的回波不加区分 将上下左右的侧向反射都偏移到掌子面前方 造成虚报误报 在浅埋隧道海底隧道和水平地层发育的地区尤为严重 其三是纵横波的分离方法有问题 没有经过方向滤波处理就进行纵横波分离的结果是不正确的 以此为基础的纵横波比预报含水性的结果是
7、不可靠 国内一些隧道的涌水事故的漏报均与此有关 这些技术缺陷不仅存在于TSP中 在TGP和TRT中也同样存在 这使超前预报技术进入了理论研究的阶段 超前预报技术历史回顾 历经了十年独立自主的开发 由赵永贵主持的TST超前预报技术2007年问世 它以严谨的球物理原理和专业的数据处理技术为基础 建立了全新的观测方式与资料处理流程 使用F K方向滤波技术进行空间波场分离 使用速度扫描技术确定掌子面前方围岩波速分布 在方向滤波的基础上进行纵横波分离 克服了TSP中存在的种种技术缺陷 同时提供地质构造偏移图像和围岩波速分布图像 便于综合分析与解释 使超前预报技术更科学 更可靠 更精确 综观各种超前预报技
8、术 它们在观测方式和资料处理技术上的差异反映了开发者对于隧道内三维地震波场复杂性的理解程度和对地震数据的处理能力 观测方式和资料处理技术是密切相关的 它们是建立在对波场理解的基础之上 观测方式和数据处理技术科学性反应了超前预报技术的优劣 因此可以依据观测方式和资料处理技术对目前的超前预报技术进行分析和分类 3国内外超前预报技术现状与问题 3 1陆地声纳法3 2地震反射 负视速度法 3 3声波HSP水平剖面法 3 4瑞士的TSP202 203超前预报技术 3 5TGP206超前预报技术 3 6美国的TRT与TRT6000超前预报技术3 7最新的TST隧道超前预报技术 3 1陆地声纳法 陆地声纳法
9、是上世纪90年代初提出的 观测方式非常简单 在隧道表面依次敲击 将记录并排在一起 称零偏移距数据 该数据面波干扰严重 不能分析波速 不能分辨波的方向 同相轴不清楚 反应深度有限 难于分析 缺乏可续依据 无应用价值 是一种非专业方法 90年代初铁道部科研项目提出的方法 观测是在隧道侧壁打孔布置检波器和炮点 检波器和炮点在一条平行隧道轴的直线上 可称为剖面观测 利用直达波估计岩体波速 利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方反射界面的位置 观测与分析方法与垂直地震剖面测井有很多相似之处 所以有时也称 垂直剖面法 检波器和炮点埋入到隧道侧壁岩体中1 1 5m 有效地避免了面波干扰 提高了信噪
10、比 对于前方规模较大的不良地质体能可靠地预报 但是对于不良地质体性质的判别和定位等方面还更多地依赖于经验和对于周围地质条件的了解 该方法很难对前方岩体工程类别的变化提供更可靠的信息 仅使用了地震波的运动学信息 缺少围岩速度分析和波场分析和方向滤波功能 3 2负视速度法 3 3声波HSP水平剖面法 90年代初铁道部科研项目之一 声波水平剖面法 HSP 的观测方式与负视速度法略有不同 激发点和接收点布置在隧道两侧 假定反射波来至掌子面前方 在隧道的一侧壁上规则设置检波点 另一侧壁上规则布置炮点 按反射波等路径原理单发单收 靠近掌子面激发时远离掌子面接收 根据反射波线性同相轴确定前方不良地质体的位置
11、 与负视速度法相比 水平剖面法的观测系统为阵列方式 横向展布较大 有利于提高速度分析和定位的精度 但可惜没有速度分析功能 采用围岩波速直接测定方法 图像有一定的直观性 能确定主要反射界面 对于复杂地质条件的多反射界面处理较困难 资料处理仅运用走时这个运动学资料 缺少围岩速度分析 波场分析与方向滤波功能 在西南铁路系统中有一定应用 目前在台湾和日本有一些应用实例 声波水平剖面法 3 4TSP202 203超前预报方法 TSP超前预报方法 TunnelSeismicPrediction 是由瑞士Amberg测量技术公司上世纪90年代初开发的用于隧道超前预报的技术 该方法在欧洲 亚洲有很多应用 中国
12、先后引进了该公司的TSP202 TSP203等超前预报系统 特别是铁路系统引进数量较大 是TSP的最大用户国 TSP的观测是由一个三分量检波器承担 埋入隧道侧壁岩体中1 1 5m 炮点设于隧道同侧边墙岩体内 等间距排列 与接收点在一条平行隧道走向的直线上 是剖面观测方式 与国内的 负视速度法 的观测方式基本相同 TSP在资料处理方法上是利用单侧检波器记录 采用深度偏移成像技术 该技术的分析软件名称为TSPWIN 资料处理分11步进行 随着近年来在中国的应用 逐渐发现TSP存在很多技术缺陷 主要缺陷有三点 1 不能准确确定围岩波速 不能准确确定断层位置 2 缺乏三维波场的识别和滤除侧向波功能 将
13、不同方向回波都用于预报 造成虚报误报 3 简单地将平行隧道轴向的记录取为纵波 横向分量取为横波的做法是不合地震波场原理的 以此为基础的含水性预报也是不可靠 实际每一分量都包含着平行方向传播的纵波和横向传播的横波 用单点记录是无法将纵横波分离开的 TSP的观测方式和软件处理方法缺乏严谨的物理基础 臆造性较大 与真实地质情况相差较大 造成了很多漏报 误报和工程事故 TSP203的观测方式 TSP三分量记录 TSP202超前预报技术 TSP203偏移成像 3 5TGP206超前预报系统 TGP206的观测方式与处理软件基本是模仿TSP203技术 其优 缺点与TSP基本相同 波速由直达波代替 定位不准
14、确和缺少方向滤波等缺陷造成预报结果不确定 在青岛仰口隧道同一里程的6个分量的记录得到六个预报结果 互不一致 青岛仰口隧道TGP206预报的6个结果互不一致 左右壁观测资料分别处理 处理结果也不一样 说明侧向波的影响很严重 青岛仰口隧道TGP206预报的6个结果互不一致 设 纵波速度6200m s 横波速度3300m s 波速要给定 不能随里程变化 同一场地 纵横波预报地质结果不一致 3 6TRT和TRT6000超前预报技术 TRT技术的全称是TrueReflectionTomography 意为 真正的反射层析成像 是由美国NSA工程公司本世纪初开发的 在欧洲 亚洲用于工程咨询 TRT技术的观
15、测方式采用空间观测 资料处理方法采用地震偏移成像 检波器和激发炮点布置在隧道两侧和掌子面上 有效地扩展横向展布 可充分获得空间波场信息 遗憾的是TRT的软件开发没有完成 中途停顿 处理软件还没有波速分析功能 掌子面前方围岩波速通过人为给定 并且对回波方向不加分辨 TRT技术在欧洲隧道超前预报中有一些应用 如Blisadona隧道 奥地利的过阿尔卑斯山的铁路双线隧道等进行过试验 2005年NSA公司发生体制变动 原开发者的离开使TRT技术停顿并失去技术支持 2008年中国铁科院的公司将TRT技术改装成TRT6000在中国销售 TRT6000的接收方式与TRT明显不同 它是采用地声检波器 贴于隧道
16、表面 用锤击做震源 面波和声波干扰很大 应用发现存在很多问题 锤击能量小 声波回响大 围岩速度难于准确估计 特别是缺乏三维波场的识别和方向滤波技术 由于声波干扰 预报结果都是圆圈形构造 与原TRT技术相比有很大退步 原TRT观测技术与结果 新TRT6000技术的原理与结果 TRT6000确定反射位置是根据反射波走时 以发射点 接收点为两个焦点 给定波速 将走时转换成路径长度 画椭球面 推定反射层位置 缺乏方向分辨能力 图像全为椭圆 速度估计不准确会影响位置不准 能区分不同方性的回波造成虚报误报 TRT6000的预报结果 TRT6000的预报结果都是园圈 3 7TST超前预报技术要点 TST的技术特点 1 专业设计的2维阵列观测方案 同时满足波速分析 方向滤波和减少面波干扰三项要求 2 应用F K方法进行波场分析 方向滤波 在方向滤波后进行纵横波分离 偏移图像真实 可靠 3 准确确定围岩波速分布 实现地质结构精确定位 4 方向约束条件下的偏移成像 充分运用地震信号的动力学和运动学信息 保持方向分辨 5 以散射理论为基础 分辨率高 不易漏掉斜交构造和孤立体 6 地质构造深度偏移图像和反应岩
