超前地質預報

TSP203隧道地質超前預報TSP203超前地質預報系統屬于工程地震勘探技術的一種，是一種用人工震源（炸藥）所激發產生的地震波在地下巖層、土壤或其他介質中傳播來解決工程地質問題的方法，也叫淺層地震勘探。在地質類院校地球物理系有對工程勘探詳細介紹的課程，屬于“近地表地球物理”─圍繞近地表地質因素和物理、化學等環境污染源于地球物理場的關系等基礎理論問題，通過對各種復雜而特殊的近地表彈性波、電磁波等物理場本構關系的研究，提高淺層地震反射法、折射法、面波法、電磁場法、放射性法、巖石和土壤磁性、溫度測量等方法的數據采集技術和資料分析解釋技術，并針對工程勘察、大型工程建設質量檢測、地質災害調查與評估、環境污染與變遷、地下水資源勘查等領域所涉及的關鍵技術問題展開方法試驗與研究。工程地球物理勘探現代地球物理勘探技術用來為工程地質和水文地質勘察服務，可加快勘察速度，減少投資,充實工程地質和水文地質勘察所需的物理參數,使勘察效果更趨完善，是有廣闊前景的重要勘察手段。工程物探具有即快速又準確、“透視性”、效率高、成本低以及可以在現場進行原位巖土物理力學性質測試，以及人們需要了解的任何范圍內的土層性質，地震學方法不需要采集試樣，不需要破壞巖體的連續性和土層的天然結構，就可確定巖體、土質的工程地質指標的優點。這些優點使工程地震勘探在提高效率、保證質量和節約資金方面起到重大作用。在工程勘察中日益得到重視和發展。但是各種物探方法都具有條件性和局限性，多數方法還存在多解性，因此正確選擇和運用各種物探方法，進行綜合物探，并與現有的地質、鉆探資料作對比，才能獲得好的地質效果。工程地震勘探主要為城市規劃建設、工業建設、公共設施建設提供必要的工程地質依據。隨著我國建設事業的發展，新型工業城市、大型廠房、地下鐵道、高速公路、橋梁、隧道等繁多的新型的高標準工程建設項目日益增多。這不僅對各工程基礎的地質條件提出了跟高的要求。并且也要求用較少的人力和資源，快速可靠的完成勘察任務。因此，作為工廠勘察手段之一的地球物理學方法得到了廣泛的應用，尤其是工程地震勘探占有非常重要的地位，各種地震TSP是瑞士安伯格測量技術公司與20世紀90年代初期開發研制的一套隧道超前地質系統，是目前隧道超前地質預報中最新的地球物理探測方法之一，屬于多波多分量地震勘探方法。TSP203是在TSP202經驗基礎上開發研制的，并且具有卓越的特色。不僅改善了硬件而且出現了全新的TSPWIN軟件，該系統軟件從數據采集、處理和成果評估高度智能化。具有使用范圍廣、預報距離長、對隧道施工干擾小、數據處理簡單、省時、結果直觀等特點。因為系統為新引進，在人員操作及儀器的保養方面欠缺一定專業知識；數據解析是一個復雜的過程，對解析人員專業知識要求較高，解析水平還有待提高；TSP203數據采集時間較長，26個炮孔從每個炮孔的鉆取到各個炮孔參數的測量，起爆到數據采集，兩位技術員，兩把風槍共需要7個小時左右（原則上要求預留半天時間專門給TSP數據采集），這與蘭州樞紐的快節奏存在一定的矛盾。超前地質預報主要解決三個方面的施工地質問題：⑴根據隧道圍巖的變化情況，修正地面勘查資料，提供設計變更資料。⑵探查施工工作面前方不良地質體所在里程，提前采取預案，規避施工風險，保證施工安全。⑶在遭遇大型不良地質體后，查明該地質體的空間位置，為隧道通過方案提供依據。擬新建長壽山隧道位于大砂坪與仁壽山之間，為原大砂坪隧道、長壽山隧道、仁壽山隧道、羅鍋溝1、2號中橋，曹家灣中橋及路基工程變更設計而成，進口位于大砂坪，出口位于富民村，進出口均為喇叭口形式。進口左線單線段里程為HDK41+900~HDK42+074,長174米；進口右線單線段里程為HDK41+901~HDK42+074,長173米；出口左線單線段里程為HDK54+188~HDK54+426，長238米；出口右線單線段里程為HDK54+188~HDK54+525，長337米.方向與北濱河路大致平行，起訖里程分別為HDK41+910~HDK54+426.隧道全長12625米，為雙層集裝箱雙線隧道。隧道洞身沿約N77°W的方向貫穿于低中山底部，除進口端位于砂質黃土層中外，大多位于混合巖、花崗巖、片巖及砂巖夾礫巖層中，路線經過處山體起伏，相對高差50~110米，隧道最深大約340米，溝內有便道通行，交通較為方便。隧道經過范圍內羅鍋溝、大沙溝等局溝谷有少量季節性地表水，地下水主要為第四系孔隙潛水及少量基巖裂隙水，受大氣降水補給，其中HDK42+900～HDK42+980、HDK43+140～HDK43+270與HDK52+060～HDK52+210段內溝谷內有第四系孔隙潛水發育，地下水位埋深2～4m賦存于黃土及卵礫土層中，含水厚度6～8m，滲透系數為15m/d。隧道穿過處構造相對簡單。在十里店附近發育一復式背斜。軸向約西北，由皋蘭第一群（Anεgl1）組成，軸部有花崗巖侵入，由于受花崗巖侵入的影響，褶皺巖性多變質較深，局部有混合巖化并導致隧道通過段局部基巖節理裂隙發育，叫破碎。存在的不良地質主要在HDK42+180有十個掏砂洞組成的掏砂洞群分布，另在HDK43+600～800段左側50～90m上坡上分布有13個掏砂洞。線路HDK42+870～910段分布有粉砂，大都位于隧道洞身，部分位于軌底以下，處于潮濕，稍密狀，承載力較低，穩定性較差，為軟弱地層。第四系上更新統風積砂質黃土具Ⅲ～Ⅳ級嚴重自重濕陷性，濕陷厚度可達20～40m，沖擊砂質黃土具Ⅰ級（輕微）非自重濕陷性及Ⅱ級自重濕陷性，濕陷厚度可達5～15m，在隧道出口及淺埋段對隧道有較大影響。根據化驗報告，隧道洞身以上局部發育的泥巖的自由膨脹率46%，陽離子交換量285mmol/kg，蒙脫石含量24.9%，按照相關規定，泥巖應按膨脹巖考慮，易暴露崩解，遇水易軟化。長壽山隧道經過地段地質條件復雜，圍巖變化較大，按照隧道施工要求同時也考慮到為順利實現隧道的貫通，防止不良地質體影響施工進度和安全，同時總結以往隧道施工經驗，對比分析決定采用TSP203超前地質預報系統，為隧道開挖提供前方圍巖力學參數，指導隧道開挖。詳細科學技術內容2.2.1、總體思路地層或地層或斷層入射波前反射波前震源傳感器傳感器隧道圖1TSP探測原理激發的地震波在介質中傳播時，由于不同的巖層具有不同的彈性特征（如速度、密度等），當地震波通過這些巖層的分界面時，將產生發射或折射，并且有縱波、橫波、面波之分。而且這些不同類型的波具有不同傳播速度、路徑、頻率和強度。用儀器記錄各種波的傳播時間和波形特征的變化規律，分析解釋地震記錄，可以推斷有關巖石性質、結構和幾何位置等參數，從而達到勘探的目的。技術方案與創新成果：由微型爆破引發的地震信號分別沿不同的路徑以直達波和反射波的形式到達傳感器，與直達波相比反射波需要的時間較長，TSP地震數據處理的第一步石油測得的從震源直接到達傳感器的縱波傳播時間換算地震波的傳播速度Vp：Vp=X1/T1（1）式中：X1--爆破孔與傳感器的距離（m）T1--直達縱波的傳播時間（s）以知地震波的傳播速度就可以通過測得的反射波傳播的時間推導出反射界面與接收器的距離以及與隧道斷面的距離，整個推導過程可以有式（2）導出：T2=(X2+X3)/Vp=（2X2+X1）/Vp（2）式中：X2--爆破孔與反射面的距離（m）T2--反射波的傳播時間（s）X3--傳感器與反射面的距離（m）對于振動測量來說最大的困難不是上述的數學運算，而是在準確判斷反射界面的基礎上給出反射波的傳播時間，準確判定反射界面的前提是通過某種方式將反射波從含有直達波和其他的干擾信號的總體混合信號中清楚的分離出來。與直達波相比反射波的振幅非常小，他一方面取決于反射界面與傳感器的距離，另一反面取決于地震波在反射界面的反射系數。反射系數的定義如下：（3）對于球面波而言，地震波振幅還隨著傳播距離的增加而呈反比衰減。綜合上述有關反射波振幅Ar與直達波振幅Ad的比值可以用下式表示：（4）為了便于了解Ar與Ad比值的大致范圍，特舉例說明。假設條件為p1≈p2Vp1=5000m/s，Vp2=4000m/s，X1=50m，X2=100m，X3=150m。由（3）式得出反射系數為R=-11%,也就是說89%入射波經過反射面繼續向前傳播，只有11%的入射波反射回來。反射系數前面的負號表示入射波在反射波之間存在180°的相位差，產生相位變化的條件是地震波在傳播過程中遇到一由硬變軟的巖石界面。地震波在設計的震源點（通常布置在地層或構造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻，大約24個炮點）用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來（圖1），一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的加速度地震傳感器器接收并以數字形式記錄下來。采集數據通過TSPwin專用軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）和位置及規模。2.2.2、儀器采用1套TSP203plus超前地質預報系統。系統主要組成及其技術特性：①記錄單元：12道，24位A/D轉換，采樣間隔62.5μs和125μs，最大記錄長度為1808.5ms，記錄帶寬8000Hz和4000Hz，動態范圍120dB。②接收器（檢波器）：三分量加速度地震檢波器，靈敏度為1000mV/g±5%，頻率范圍為0.5～5000Hz，共振頻率9000Hz，橫向靈敏度＞1%，操作溫度0℃～65℃。③TSPwinPLUS2.1軟件：數據采集、處理及評估一體化，高度智能。2.3、野外數據采集進入隧道進行數據采集工作。2.3.1、觀測系統設計隧道采用臺階法施工。接收器位置在HDKxx+xx，掌子面位置為HDKxx+xx+50，設計24炮（位于隧道右邊墻），2個接收器位于隧道左邊墻接收。觀測系統詳細情況如下：接收器孔炮孔數量2個，位于隧道右邊墻位于隧道右邊墻，24個直徑φ50mm鉆頭鉆孔Φ50mm鉆頭鉆孔深度2m1.5m定向垂直隧道邊墻，上傾5°～10°垂直隧道邊墻，下傾10°～20°高度離隧底高1m離隧底1m位置距離開挖面50m第1個炮點離同側接收器孔20m，炮點距1.5m實際觀測系統示意見圖2。掌子面掌子面50m20m炮孔S1S2S3S23S24隧道軸接收器R1圖2觀測系統示意圖（左邊墻）2.3.2、儀器參數及數據采集數據采集時，采用X-Y-Z三分量同時接收，采樣間隔62.5μs，記錄長度451.125ms（7218采樣數）。激發地震波時，采用無爆炸延期的瞬發電雷管，防水乳化炸藥（藥卷包裝，200克/卷），激發藥量為第1～20炮孔xx克，21~24炮孔xx克（具體藥量要根據實際圍巖情況確定），起爆前注水封堵炮孔。實際激發和記錄地震數據xx炮，由于炮孔注水封堵能量較差，所記錄的xx炮地震數據質量一般，可用于后續數據處理（xx為未知量）。2.4、數據處理采集的數據采用TSPwinPLUS2.1專用軟件進行處理。基本處理流程包括11個主要步驟，即：數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。圖3數據處理流程處理的最終成果包括P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數（表1）等，以及反射層二維分布（圖2）。表1巖石物理力學參數圖2反射層瀏覽（局部）2.5、處理結果解釋與評估處理成果的解釋與評估，主要基于以下的地震勘探基本準則：①反射振幅越強，反射系數和波阻抗的差別越大。②正反射振幅（紅色）表明正的反射系數，表明堅硬巖層；負反射振幅（藍色）表明軟弱巖層。③若橫波反射比縱波強，則表明巖層飽含水。④縱橫波速度比有較大的增加或泊松比突然增大，常常因流體的存在而引起。⑤若縱波速度下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加。發現、發明及創新由于使用儀器時間不長以及TSP203系統的先進性，對儀器在使用過程中的發明及創新還不成熟。下面只對儀器在使用過程中如何確保數據質量以及提高預報的準確度談談一些發現。3.1現場在做TSP準備工作應注意的問題3.1.1接收器空的深度不得大于2m，孔徑φ45～50mm鉆頭，鉆孔的圓心要求基本在一條直線上，接收器的方位角要盡量接近法線方向。3.1.2炮孔深度1.5m左右，炮孔的角度要嚴格按照要求鉆孔，角度向下10～20°，炮孔的位置要盡量接近法線。但現場實際操作過程中往往都做的不是那么好，所以叫要求我們在測量參數時盡量準確，最好能用一把50m的皮尺一次測設完畢，并且可以同時測設炮孔的高度，這樣可以避免每個炮孔間距累計誤差的產生。有時炮孔的深度大于雷管線的總長度，這是我們要根據雷管線的總長度來確定炮孔孔深的參數。有時候邊墻并不都是平齊的，例如避車洞、斷面加寬段上的炮孔位置，叫要用實際測量的深度加上避車洞的深度值或斷面加寬直，只有這樣才能計算得到較準確的炮點坐標。方位角的測量可能是測量過程中比較難測也容易忽視的問題，方位角也是對炮檢距計算影響最大底。3.1.3安設TSP套管前務必要將接收器孔內的巖末、殘渣以及積水清理干凈，如果沒有清理干凈那么在孔底的位置，可能會導致接收器和巖面不能很好的耦合，導致環氧樹脂在孔底處沒能很好的硬化。安設套管的風槍要有足夠的風壓（一般不小于1.0Mpa），確保在1分鐘內將套管快速鉆入孔底并迅速調整套管方向。3.1.4測量時要避免干擾，要終止一切大的干擾源，原則上要求專門為測量停止掌子面附近的一切施工。3.1.5人工震源也是影響數據質量的一個重要因素。現場實際采集時要根據圍巖的實際情況來判斷使用的藥量，一般來說圍巖差的地段，藥量要適當的增加，完整～較完整的巖體藥量在50g左右，較破碎地段藥量100g左右，破碎地段150g左右，另外特殊情況特殊對待。雷管一定是瞬發的電雷管。在起爆前要用水封法封閉炸藥。這樣不會導致產生重復沖擊，能得到較好的地震波有效能量。3.2數據處理3.2.1在數據處理的過程中測量參數輸入后一定要看三位視圖是否做到了建模正確，特別注意檢波器1，一般情況只要參數正確，那么就可以了；而檢波器的接受器點的坐標點和炮孔的坐標點之間的距離不是直線距離，而是炮孔藥包震源點的地震波首先傳遞到邊墻底，然后經過隧道底傳播至另一側邊墻底，然后傳遞到接收器2的坐標點。保密要點(暫無)與當前國內外同類性研究、同類技術的綜合比較地質宏觀預報地質宏觀預報在超前地質預報占有非常重要的地位。良好的地質宏觀預報可以為物探方法提供積極地指導作用，避免物探結果的多解性，提高其探測的有效性。但是良好的地質宏觀預報需要預報人員有扎實的地質知識和現場經驗，因此正確的做好宏觀預報并非易事。TSP超前地質預報探測系統Tsp方法屬于多波多分量高分辨率反射法。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性的變化）時，一部分地震信號放射回來，一部分地震信號透射進入前方介質。反射的地震波信號將被高靈敏度加速度地震傳感器接收并以數字形式記錄下來。采集的數據通過TSPwin專用軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的位置、性質（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）及規?！，F場探測中炮眼及接收器孔布置情況通常如下表2所示參數接收器孔炮孔數量2個，位于隧道左右邊墻24個，位于隧道左邊墻或右邊墻直徑Ф50mm鉆頭鉆孔Ф50mm鉆頭鉆孔深度1.8~2m1.5m傾角面向隧道邊墻，下傾10~20°面向隧道邊墻，上傾5~10°高度離隧底面高1m離隧底面高1m位置距離最后一個炮孔20m第一個炮孔里掌子面2m左右，炮孔間距1.5m現場數據處理要經過11個基本處理流程，即：數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。優缺點：tsp超前地質預報探測系統是目前比較常用的一種預報手段，與其它儀器相比較其優點是探測距離遠、精度高。但TSP對現場探測條件要求較高，如：打孔質量要合格，雷管要精度高的瞬發電雷管。這兩個要求現場不能很好滿足，則很難取得好的現場數據。另外，數據處理過程中很多操作步驟受人為因素影響較大，例如有效頻率的截取、橫波斜率的確定，不同操作人員會得出不同結果，數據處理對操作人員的物探知識要求較高。最后，探測結果的解譯則有要求解譯人員有豐富的地質知識。所以一個好的解釋結果是在良好的探測數據基礎上，綜合應用地址和物探知識得到的，如果這幾個要求達不到滿足，則探測結果的精度就會明顯降低。探地雷達探地雷達依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，發射天線將高頻（1M~1Ghz）的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質（或埋藏物）反射，然后由接收天線接收。測試剖面布置根據掌子面的情況，一般水平方向布置1~3條，垂直方向沿中心線布置2條。優缺點：探地雷達在隧道襯砌方面應用較好，在隧道超前地質預報反面由于其預報距離相對較短(每次在30m左右)而且受現場影響較大，應用相對較少，只是在地質復雜地段與其他探測方法互相進行驗證。紅外探測儀物體的紅外探測能量與其溫度的4次方成正比，當前方存在不良地質情況（斷層水、巖溶水、瓦斯）時，其余周圍圍巖的溫度有一定的差異，紅外探測儀就是根據紅外輻射的能量的差異來判斷前方不良地質體的情況。優缺點：紅外探測儀應用于隧道中還不是很成熟，存在一定問題，比如在隧道圍巖較差、易坍塌區段（通常這些地段都是初期支護緊跟掌子面），噴錨后混凝土存在干燥的過程中釋放出大量的