《探讨隧道地震超前预报技术现状分析与新进展[公路隧道]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《探讨隧道地震超前预报技术现状分析与新进展[公路隧道]（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、公路 隧道 2 0 1 0 年 第 1 期 总第 6 9期 隧道 地震超 前预报技术 现状分析与新进展 赵永贵 1中国科学院地质与地球物理研究所北京 蒋 辉 1 0 0 0 2 9 2北京同度工程物探技术有限公司 摘 要国内外应用的隧道超前预报技术有陆地声纳 负视速度法 H S P水平剖面法 T S P 2 0 3 T G P 2 0 6 T R T等 多种 良莠不齐 缺乏严谨的科学基础 普遍存在的技术缺陷有两点 其一是未能区分地下三维波场和滤除侧向 波 其二是不能准确地确定围岩波速和准确定位 这些技术缺陷给超前预报带来很大的风险 为克服上述点 作者 开发 出 汀 超前 预报技术 通过对隧道
2、内三维地 震波 场的 复杂性 和地震 资料处 理技术 的深入 研究 建立 起隧道 超前预报技术严谨的理论基础与技术流程 促使超前预报技术健康发展 关 键词隧道超前预报核心技术T s T技术 隧道超前预报技术对 于查 清隧道不 利地质条 件 预报掌子面前方的地质构造和含水性 保 障施工 安全具有重要作用 已成为隧道施工有效 的技术环 节 地震法超前预报 观测布置在 隧道 内 面对 的是 复杂的三维波场 回波来至四面八方 纵波 横波 面 波 直达波 反射波 转换波等震相复杂 地震记录每 一 个分量上都包含纵 波和横波振动 观测与 资料处 理技术难度较大 超前预报技术开发和应用仅十余 年 还很不成熟
3、 正在发展之中 目前应用的良莠不 齐 绝大多数缺乏严谨的科学依据 观测与资料处理 等方面还存在着严重的技术缺陷 特别是 目前应用 的陆地声纳 T S P 2 0 3 T GP 2 0 6等技术 问题更加 明 显 如不能 区分不 同方 向的回波和消 除侧 向干扰 波 不能准确确定掌子面前方 围岩波速分布 和反射 体的准确位置 在没有滤除干扰波的前提下进行纵 横波分离和偏移成像 不科学 不真实 使偏移 图像 包含虚假信 息 这些 技术缺 陷导致预报位 置不准 确 构造图像不真实 给超前预报工作带来更大的风 险 本文通过对隧道内三维波场的复杂性和地震超 前预报 的科学基础与技术流程 的深入研究 试
4、图建 立起地质超前预报严谨 的理论基础与可靠的技术流 程 并 以此对 目前流行的超前 预报技术进行分析与 评价 促进超前预报技术的升级改造 使之走上科学 健康的发展轨道 1 隧道地震超前预报 目标 与要求 地震超前预报技术是用于预报隧道灾害性地质 对象和基本地质要素的预报 隧道工程施工对超前 预报的精度和分辨能力提 出了客观要求 预报技术 应尽量满足这些要求 灾 害性地质对象 预报包括 断裂构造 含水体 溶洞 含瓦斯构造 潜在岩爆地段 基本地质要素预报包括 地层岩性 工程类别 力学性状变化 预报尺度 与精度要求 位置的定位精度误差小 于 1 O 构造 规模 尺度 误差 小 于 1 0 分辨 尺
5、度 l m 2 隧道地震 观测三维波场的复杂性 隧道地震观测是布置在 隧道 内 观测的是 三维 波场 地震回波的方 向 路径 震相复杂 其复杂性集 中表现在下列 3 个方面 1 隧道 内观测 的地 震 回波来 至各个方 向 前 后 上下 左右 不易区分 其中来 至上方地表 的回 波最强 超前预报需要的是前方 回波 其它方 向的 回波都是 干扰波 应于滤除 图 1 2 隧道 内接收的地震波类型多样 有直达波 反射波 纵波 横波 以及纵横波的转换波 特别是隧 道表面附近 由声波 横波激发形成的面波 透入围岩 深度 1 2个 波长 相 当强烈 是 主要的干扰波 图 2 3 检波器每个分量的记录都是
6、3维波场在这 一 方 向上 的振动 包含着不 同路径 不 同类型的波 X Y Z每分量的记录都是 由 3部分组成 第 1 部分 是平行方向传播的纵波 第 2 3 部分是垂直方向传 播的横波 3部 分叠加 到一起 靠 单道记 录难 于识 别 各分量地震记录如下 Ux U z Ua y s Ux z s Us一 户 Uy s Uyz U Uz z p z s Uz y s 式中第 1个下标代表振动方 向 第 2下标代表 传播方向 第 3 下标 P s 代表纵横波类型 超前预 1 公路隧道 2 0 1 0年第 1 期 总第 6 9期 报中需要其 中的前方回波 纵波和横波 Ux Ux y s Ux z
7、 s uy U z s U z s 二 前方回波 t s 波 一 一P 波 图 2 地震接收纵横波示意图 3 隧道地震超前预报技术理论基础 目前国内外应用的隧道地质超前预报方法有陆 地声纳 负视速度法 HS P水平剖面方法 T S P 2 0 3 T GP 2 0 6 T RT TS T等 都属于地震法超前预报技 术 是以地震反射或散射理论为基础 通过隧道内的 地震观测反演掌子 面前方 的地 质情况 要达到准 确 可靠预报的目标 必须有科学 的观测方案 可靠 的资料处理方法 有效 的反演方法和合理的技术流 程 这些就构成 了超前预报的技术核心 也称超前预 报的理论问题 这些理论问题的内容包含如
8、下 5 个 部分 1 科学设计观测方案 使记录资料满足掌子面 前方围岩速度分析 波场分离与滤除侧 向干扰波和 尽量减少面波干扰的要求 2 建立科学有效的三维波场分离方法 即滤除 侧向回波与面波干扰 仅保留前方回波 保证纵横波 分离科学可靠 3 建立有效的围岩波速分析方法 使围岩速度 2 分布 地质构造位置和规模的预报误差小于 1 0 4 采用先进的地震成像技术 充分运用地震波 的运动学和动力学信息 5 运用地震散射理论 提高偏移成像与速度分 析分辨率 减少斜交构造和孤立体漏报的概率 这 5 个基本理论问题是超前预报技术的科学基 础 是地震法超前预报技术 的关键组成部分 这些 科学问题 的解决应
9、遵循如下 的技术流程 首先进行 合理的观测方案设计 保证资料满足方 向滤波和速 度分析处理技术的要求 对观测资料进行预处理 包 括带通滤波 剔除噪音 接下来最重要的步骤是进行 三维波场分离 滤除侧 向波和面波 保 留前方回波 然后进行纵横波分离 确保纵横波是来 至前方的回 波 接下来是进行围岩速度扫描分析 确定围岩的速 度分布 最后是在围岩波速的基础上进行地质构造 的偏移成像 这样的流程可保证地质超前预报结果 的真实 准确 可靠 4 国 内外 隧道地震超 前预报技术现 状分析 国内外隧道超前预报技术的开发与应用仅有十 余年的历史 是一个正在发展的技术 特别是早期开 发的技术很不成熟 目前 实验
10、 和应用的有 陆地声 纳 负 视 速 度 法 S HP 水 平 剖 面 法 T S P 2 0 3 T G P 2 0 6 T R T TS T等技术 这些技术开发的时间 和背景不 同 良莠不 齐 大多数存在严重 的技术缺 陷 最普遍的技术缺陷有 2 项 其一是未认识到地震 观测接收的是地下 3 维波场 回波来至各个方向 需 要进行分析和方向滤波 滤除侧向波和面波 其二是 不能可靠地确定围岩 的波速 不能准确地确定地质 界面的位置 甚至有些方法例如陆地声纳 技术含 量低 基本没应用价值 现以超前预报 的 5 个基本 理论问题为依据 对各种技术方法的特点做深入分 析 特别是如何从技术上解决 5
11、项核心技术 问题进 行分析评价 4 1 陆地声 纳法 陆地声纳法是上世纪 9 0 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 回波的方 向 同相轴不清楚 反应 深度有限 难于分析 缺乏可靠科学依据 基本没有 应用价值 是一种非专业方法 4 2 负视 速 度法 该方法 的观测是垂直剖面法 在隧道侧壁打孔 赵永贵等 隧道地震超前预报技术现状分析与新进展 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 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 对
12、于简单地质条件 规模较 大的不 良地 质体可能预报出来 但是对于构造复杂地 质条件难 于应用 该方法不能确定掌子面前方 围岩波速 不 能区分 回波 的不 同路径 也不能运用波的动力学信 息 属于初级预报技术 图 3 f 菇 10 a0 5 o i 反 技 掌 r R 图 3 负视速度 法观测与解释原理 4 3 H S P水 平剖 面方 法 水平地震剖面法 HS P 的激发点和接收点布置 在隧道两侧 在隧道 的一个侧壁上规 则设置检 波 点 另一侧壁上规则布置炮点 接收掌子面前方的反 射信号 从而确定前方不 良地质体的位置 资料处 理是对记录进行抽道 按等时程原则重排 利用重排 后记录的线性同相
13、轴 确定反射界面的位置 该方 法有一定的直观性 能确定主要反射界 面 水平剖 面法观测系统的横 向展布较大 可进行速度分析 但 是等时程资料处理方法本身不能分析围岩速度 无 法精确确定断层 的位置 在西南铁路系统中有一定 应用 在台湾和 日本也有一些应用实例 该方法难 于区分 回波的不同路径和滤除干扰波 难于确定 围 岩波速 也不能运用波的动力学信息 图 4 4 4 P 2 0 3超 前预 报技 术 TS P 2 0 3超 前预 报 方法 Tu n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 是由瑞士 Amb e r g测量技术公 司上世纪 9 O 年代初开发
14、 的用 于隧道超 前预报 的技术 该 方法 9 O年代末引入中国 有 T S P 2 0 2 T S P 2 0 3等型号 铁 路系统引进数量较大 是 T S P的最大用户 T S P的 观测是垂直剖面法 三分量检波器埋入隧道侧壁岩 体中 1 1 5 m 炮点与检波器 同侧 该技术采用深 l 2 个爆螓魏 1 2个接收藐 纛2 辱 5 船搬 i 5 酶2 4 5 盛 2 t t d t 图 4 水平剖面法观测与解释原理 度偏移成像方法 软件名称为 T S P WI N 有 1 个 自 动处理步骤 随着近年来在 中国的应用 发现 T S P 存在很多技术缺陷 主要 问题是不能准确确定 围岩 波速
15、 不能准确确定断层位置 缺乏三维波场分析功 能 不能消除侧 向干扰波和面波 在未滤 除侧 向回 波 的情况下进行纵横波 分离是不科 学 不 真实的 偏移成像的位置不准 包含虚假成分 T S P技术缺 乏严谨的物理基础 臆造性较大 造成严重误导 预 报结果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 必须进行改造 图 5 茎 图 5 TS P的观测 方式和预报结果 3 反翳再藤 公路隧道 2 0 1 0 年第 1期 总第 6 9 期 4 5 1 GP 2 O 6超前预报技术 T GP 2 0 6技术是模 仿 TS P 2 0 3技术开发 观测 方式和处理软件与 TS P 2 0 3基本
16、相 同 采用垂直剖 面观测方式 在耦合方式和触发方式方面做 了一些 改动 与 TS P类似使用的是零偏移道集 不能准确 确定围岩波速 不能准确确定断层位置 缺乏三维波 场识别与滤除侧向回波功能 在未消除干扰波的情 况下进行纵横波分离 不科学 预报图像不真实 位 置不准确 图 6 是 TG P 2 0 6在青岛仰 口隧道的预报 结果 在左右壁观测得到 X YZ分量 形成 6幅预报 图像 这 6幅图像预报 的是同一段地质情况 结果 应该一致 然而这 6幅图像却各不相 同 无法知道 那一幅图像是真实可信的 它们之间的巨大差异可 能正反映了该技术 的固有缺 陷 不能准确确定围岩 波速 不能滤除侧 向回波和面波 干扰严重 虚假成 分较多 预报准确率低 图6 青岛仰口隧道左右侧观测的纵横波预报各不相同 4 6 T R T和 姗0 0 0隧道超前预报技术 T R T技 术 的 全称 是 Tr u e Re f l e c t i o n To mo g r a p h y 意 为 真 正 的反 射 层析 成 像 是 由美 国 NS A工程公司在上世纪末本世 纪初开发 在欧洲 亚洲开始应用 T R T
