隧道超前预报与病害诊断技术 讲座之三 TST技术特点与应用 隧道超前预报与病害诊断技术 隧道超前预报与病害诊治技术 报告主要内容 1 常见病害与地质超前预报的内容； 2 国内外地震法超前预报技术现状与问题； 3 隧道地震法超前预报技术的几个核心问题； 4 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 6 TST技术在隧道病害、边坡与场地 勘查中的应用； 7 TST与高密度电法综合预报技术的应用； 8 地震CT、SSP地震散射剖面与高密度电法隧道病害 诊断技术； 9 滑坡与水库漏水的病害诊断技术； 4 TST超前预报技术要点 TST技术的6大特点： （1）专业的空间阵列观测设计方案，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方向滤波技术进行波场分析、方向滤波，在仅保留前方 回波的条件下进行纵横波分离，使偏移图像真实、可靠； （3）应用叠加能量最大化原理进行围岩波速扫描，准确确定掌子面前 方定围岩波速分布，实现地质结构精确定位； （4）射线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，消除了病态问题，保持了方向分辨率； （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围岩体波速分布图像，便于综合分析 ，预报结果更精确，更可靠，更科学； 4.1 TST超前预报技术的观测方案 1 隧道每侧壁6道接收，埋深2，最大限度扩大横向展布, 预报距离为横向展布的10倍; 2 检波器间距小于1/4地震波长保证方向滤波精度; 3 激发点每侧壁2-3个, 排列总长度大于2-3倍波长, 满足方向滤波需要; 4 接收点和激发点可根据需要任意改变位置，增减数量钻孔一般16-18个, 比TSP、 TGP少8-10个 TST技术超前预报的方位 根据工作需要预报的方位可以朝前，也可向侧面 4.2 TST的波场的方向滤波 直达波、面波、侧向回波、前方回波等波的频率范围很接近，靠传统 的带通滤波技术是不能将他们彼此分开的F-K方向滤波是一种空间滤波 技术，是根据波场传播的方向特征进行滤波，能有效地将不同传播方向 的波分辨开来不同方向的回波在地震排列记录中的视速度是不同的 前方回波依次到达检波器，视速度小，波速数值为负；侧向回波几乎同 时到达检波器，视速度很大面波与直达波，视速度低，速度值为正 根据视速度的这些差异可以将不同方向的回波进行区分，滤除干扰波， 仅保留前方回波。
TST的方向滤波效果 方向滤波前，直达波、面波与掌子面附近的侧向回波很强，掩盖了前 方的回波；方向滤波后，直达波、面波、侧向回波被滤掉，掌子面前方回 波明显突出出来，用它进行超前预报能避免虚报误报 TST的方向滤波和纵横波分离 三维波场中任一方向检波器记录的都是来至不同路径的、不同类型的振动的 混叠，其中包含平行方向传播的纵波与垂直方向传播的横波： Z方向位移：Uz=Uzp+Uzxs+Uzys （隧道轴向≠P） X方向位移：Ux=Uxp+Uxzs+Uxys （平行隧道壁≠ SH） y方向位移： Uy=Uyp+Uyxs+Uyzs （垂直隧道壁≠SV ） 超前预报要求使用前方回来的纵波，或是前方回来的横波；要将前方返回的 纵波和横波从混叠的记录中分离出来，首先就要进行方向滤波，滤掉侧向波 、直达波、面波等各种波，取出从前方返回的纵波和横波这是三维波场分 析的主要任务在速度分析与偏移成像之前滤除面波、侧向波等干扰波，分 离出前方纵、横回波，才能保证速度分析和偏移成像的正确性滤波后从 z 方向获得纵波，x、y方向合成为横波； Z方向位移： Uz=Uzp （隧道轴向=P） X方向位移： Ux=Uxzs （平行隧道壁= SH） y方向位移： Uy=Uyzs （垂直隧道壁 = SV ） 4.3 TST的掌子面前方围岩速度分析 围岩波速分析的条件和步骤： 1 围岩波速分析需要观测资料具有不同的横向偏移距，要保证速度 分析和定位的误差优于10%，要求最大横向偏移距大于0.1倍的预报距 离； 2 围岩波速分析需要科学的数学物理判据，能有效地判别速度扫描 结果的优劣，遴选出最优速度值。
3 TST使用的是叠加能量最大化原理，即当扫描速度接近围岩真实 速度时，从同一界面反射的能量会相干叠加到一起，使偏移图像的叠 加能量取最大值 4 通过分段速度扫描，可寻找出不同里程围岩速度的真实分布使 用真实的速度分布和前方回波记录资料，偏移图像的结果能代表真实 的地质结构特征 TST的围岩波速扫描步骤和过程 1 速度扫描使用具有不同横向偏移距的地震记录， 基于叠 加能量最大化原理求取最优围岩速度； 2 首先是整体扫描对整个预报区间进行速度扫描，给定 速度范围和增量，观察各里程的叠加效果和总体能量变 化，获得最优里程-速度参考曲线和最优平均波速； 3 分段扫描依次分段进行速度扫描，根据各段能量最大 值对应的波速，修正能量-速度分布曲线； •对分段速度进行插值，完成预报区段围岩速度分布曲线 ； 提醒：分段速度扫描时区间不可太小，否则容易产生假 象； 整体扫描（上图）和分段扫描（下图） 整 体 速 度 扫 描 分 段 速 度 扫 描 TST硬件与技术参数 1 TST硬件组成： 记录器： 松下工程机（日本制） 采集单元：DMT-TST（德国DMT公司定制） 信号分离器：12道 检波器：内置IC放大器、拉埋式加速度传感器，15只； 信号电缆，特制安装杆：2套 2 主要技术指标： 通道：12道； A/D: 24Bit， 采样间隔：22.5μs， 采样长样长 度：16ks/道 频带频带 ：1Hz—5kHz TST-DMT硬件设备 TST硬件现场工作连接方式 4.5 TST在超前预报中的应用 1 云南保龙高速、祥临高速； 2 重庆绕城高速玉峰山隧道； 3 四川雅西高速石棉隧道； 4 贵州夏蓉高速、城郊高速； 5 汕头—昆明高速顶效隧道； 6 河北张石高速、阜平高速； 7 大连环城轨道 8 青海引大济湟 9 山东金矿 10 焦作煤矿 岩溶地区某隧道现场超前预报 隧道内数据采集 TST超前预报结果解释4项原理 1 TST预报结果包含地质构造偏移图像和波速分布图像，地质解释以 构造偏移图像为主，以速度图像为辅，两者互相对应，进行综合分 析，对地质构造特征进行分段描述； 2 构造偏移图像解释原则：偏移图像横座标为里程，纵坐标为宽度， 图中红色线条为岩体由软变硬的界面，蓝色线条为岩体由硬变软的 界面；先蓝后红的组合表明此处为断裂带；线条密集表明构造发育 、岩体破碎；线条稀疏表示岩体完整。
3 波速图像解释原则：岩体波速高表示岩体完整致密，动弹性模量高 ；波速低表示岩体破碎松散，弹性模量低；波速与岩体工程类别有 对应关系 工程类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 波速(km/s) >5 4-5 3-4 2-3 1-2 <1 4 构造偏移图像与波速图像的对应关系：偏移图像中红蓝线条密集， 后蓝色线条发育的区域，波速图像中对应的位置应为低速区；红蓝 线条部分稀疏或以红线条为主的区域，波速图像中对应的区域为高 速区如果与这些规律不一致，则速度扫描结果有问题，重新扫描 改正 TST在重庆某隧道地质超前预报中的应用 注：红色代表围岩由软变硬的界面，蓝色为由硬变软的界面； 蓝红条纹组合为断裂构造位置 云南x高速x隧道超前预报 地质构造偏移图像 围岩波速分布 四川x高速石棉隧道TST超前预报结果 波速分布与深度偏移成像 贵阳x隧道 隧道位于贵阳市郊，穿越灰岩夹白云岩地层，为浅埋隧道，岩体风化严 重，节理裂隙极其发育，施工的最大风险是坍方冒顶在隧道施工中对 K2+728—K2+580段进行了TST应用演示实验，预报结果与解释如下 扎营山隧道超前预报 XX环城XX隧道 山东x金矿采空区探测 x金矿采空区探测 x金矿采空区探测 XX引水隧洞---TBM施工 TBM卡钻 TBM隧洞TST的检波器埋设方法 青海xTBM隧洞超前预报结果 TST对TSP203 的升级改造 TSP技术因为存在三类技术缺陷，给超前预报带来虚报误报、定位不准、 含水性预报虚假等风险。
为避免这些风险，需要对TSP的观测方式与资料 处理技术进行升级改造在继续使用TSP的硬件系统基础上，采用新的观 测方式和TST处理技术，对TSP进行升级改造 TSP新观测方案+TST软件= TSP技术升级 新方案=每侧（1个检波器+12个炮点） 软件增加功能：方向滤波+速度分析+Kirchhoff偏移成像 6 TST技术在工程地质勘查应— SSP地震散射剖面 • 1 河北x隧道坍塌地质病害诊断； • 2 5.12大地震x厂坍塌边坡工程地质勘 探； • 3 x水电站x河边坡地质条件的勘探; TST边坡勘查数据采集 SSP地面散射剖面地质解释： 1 探测区垂直剖面内岩体上下层差异明显，地表40m范围内围岩为破碎岩体， 波速小于2.5km/s，其下为较致密白云岩，波速3.0-3.5km/s 2 隧道ZK41+465--+415的50m范围内为断裂破碎带，产状较陡该断裂带内隧道 上方20m的范围内发现3-4处零星松动空区（蓝色区域），推断与塌方影响有关 处理建议：隧道围岩处理范围+415--+465的50m，沿断裂带注浆，注浆深度15m TST技术工程勘查应用 SSP地震散射剖面技术与应用 基于地震散射成像技术，反射地震技术在地质条件复杂的山区应用效果 不好，反射层横向不连续，波速变化剧烈，无法获得有效的CDP叠加剖面 。
为满足山区复杂地质条件的需要，亟待开发新的浅层地震处理技术SSP 技术正是针对山区复杂地质条件 的需要开发的浅层地震剖面技术， 它可同时确定岩土介质的 波速分布和岩土界面的位置与形 态图像直观、分辨率高展现 垂直剖面内岩、土波速分布、岩 土界面深度与形态该技术于适 合岩土介质波速结构在纵向和横 向上有较大变化的场合，特别适 合复杂造山带和坍塌区的浅层地 震勘查,在汶川地震灾区边坡勘查 中取得了很好的效果 SSPx河边坡地质勘查 待续：讲座四 工程与地质病害诊治技术 作者：赵永贵 zhaoyonggui@ 。