TGP206、TSP20、TST隧道地质超前预报系统的区别

TGP206隧道地质超前预报系统TGP型隧道地质超前预报仪与国外进口的TSP203、TSP200型仪器在同一工区、同一地点进行了多次试验对比，试验结果表明，不论是现场数据采集还是数据处理结果，TGP系统都明显优于国外的TSP203、TSP200。国内外的隧道地质超前预报技术正在发展之中，目前TSP203技术在中国的用户较多，它采用一维观测系统，获得的地震资料是零偏移距反射道集，不能准确确定掌子面前方围岩的波速分布，也不能准确推定反射地质界面的位置和力学性状，造成很多漏报和误报，亟待改进。作为改进对策，TGP隧道超前预报技术采用二维和三维观测系统和偏移成像处理技术，利用不同偏移距的共散射点道集，同时利用走时和振幅等运动学和动力学信息，准确确定掌子面前方围岩速度分布、反射地质构造的准确位置和界面两侧围岩力学性状的差异，具有坚实的物理基础，克服了TSP203技术的缺陷，大大地提高了超前预报的准确性和可靠性，降低了预报的风险。一、探测的方法、设备及原理1．检测原理TGP206是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在另外两个孔中，左右洞壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等。工作中结合相关的地质资料和施工地质工作，总结预报经验可以提高预报的准确性。2．检测仪器简介采用TSP（TunnelSeismicPrediction）技术进行预报中，使用的仪器为TGP12隧道地质超前预报系统，TGP206（TunnelgeologyPrediction)由北京市水电物探研究所研制，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。TGP206隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。3.探测方法采用黄油耦合，定向安置孔中三分量检波器；记录接受器孔、距离接收器最近的炮孔和隧道掌子面的公路里程桩号，以及各炮孔间的距离，爆破孔药量一般控制在50～70克，采用计时线炸断的触发方式，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。TST地质超前预报技术TST地质超前预报技术适用于高速公路、铁路的隧道、煤矿井下、输水隧洞、地铁等地下工程的地质超前预报。TST有多种观测方式，也可用于边坡和场地的工程地质结构勘察。TST地质超前预报技术具有如下优点：TST隧道超前预报技术是国内外唯一的实现了地下三维波场识别与分离的超前预报技术，有效消除侧向波和面波干扰，保证成像的真实性；TST是唯一的实现了围岩波速精确分析的超前预报技术，保证构造定位的精确性；TST是建立在逆散射成像原理基础上的超前预报技术，与传统的反射地震技术相比具有更高的分辨率。同时运用了地震波的运动学和动力学信息，不但可精确确定地质构造的位置，同时获得围岩力学性状的空间变化；TST采用独特专业设计的观测方式，保证观测数据同时满足围岩波速分析、三维波场分离和方向滤波的需要。TST技术(TunnelSeismicTomography)是隧道地震CT成像技术的简称，其基本原理是逆散射成像技术。隧道围岩中激发的地震波在围岩中向周围传播，波的传播满足波动方程。（1）在地震勘探中习惯使用反射理论，观测和资料处理都按CDP或CMP方法进行。在隧道超前预报中，不能按反射理论处理，否则斜交断层的反射波不可能收到。反射理论的适用条件是反射面尺度D远大于波长λ，Dλ的场合。工程应用中地震波长一般为几米到几十米，目标体的尺度多为米级，很难满足反射条件，应该使用散射理论。散射理论适用的范围更广泛，反射只是散射中的一种特殊情况，是散射体足够大时的一种逆向散射。散射与反射理论的适用条件主要决定使用的波长与目标体尺度的关系，可以简单的表述如下。即目标体远大于波长时适用反射理论，目标体与波长相近时使用米散射理论，目标体远小于波长时使用瑞利散射理论。•DλRayleighscattering瑞利散射•D=λMiescattering米散射•DλSnellreflecting反射反射波的能量一般比散射波能量大。在使用波长一定的条件下，散射理论比反射理论有更高的分辨率。应用散射理论可识别比波长小得多的异常体，应用反射理论只能识别远大于波长的目标体。散射理论遵从波动方程，当地震波遇到岩性变化、地质构造等波阻抗变化界面时发生散射，散射波返回到接收点时被记录下来。地震波的散射发生在介质波阻抗分布不均的部位，假定用α(r)表示均匀介质中局部平方波速的百分比异常，百分比异常的分布表征了地质结构的主要特征。则介质中的波动方程可表为：（2）其中U为总的地震波场，它是由入射波场UI和散射波场US之和组成。将入射场和散射场带入（2）式，并考虑通常条件下散射波场比入射场弱得多，有波恩BORN近似，可得到入射波和散射波分别满足的方程（3）和（4）：（3）式是入射波满足的方程，与方程（1）的形式完全相同。（4）式是散射波满足的方程，其右端项代表入射波产生的惯性力。该方程表明散射波是一个有源波场，异常体的作用相当于一个被动的场源，在入射波惯性力的激励下产生散射波。当边界很远时，边界散射波的影响可以忽略。根据达郎贝原理，散射方程（4）在频率域内的解为：（5）Us(rs,r0,ω)为发射点在r0接收点在rs时接收到的Ω体系内的总散射场。Ui(r,r0,ω)为发射点位于r0时在散射点在r处产生的入射场。（5）式表明，散射场Us是域内各散射点散射波的叠加，其散射点强度与入射波强度Ui和波速异常幅值α(r)成正比。其中g(r,rs,ω)为散射点在r，接收点在rs的格林函数：g(r,rs,ω)=e-β|r-r0|/|r-r0|，时间域中的格林函数包含有延迟式。既然接收到的散射波是域内散射点散射能量的叠加，就可反过来根据观测到的散射记录资料，由克希霍夫偏移方法，重建波速异常体的空间结构图像，得到异常散射体的强度与位置分布：（6）其中gsg0分别为入射波和散射波的格林函数。如公式（6）所示，在重建异常结构图像的过程中，首先要确定最优偏移速度v，如果速度不准确，图像就不真实。•速度分析偏移成像中速度的真实性直接影响到图像结构的真实性。散射成像计算的基本单元是射线，射线是从发射点经散射点到接收点折线或曲线。每条地震记录是具有相同发射点和相同接收点的不同射线散射信号的总合，一条记录包括很多条射线的散射信号。空间散射点上散射信号的走时是经该点的射线的几何路径长度与对应的平均波速的比值，不同的射线其平均速度是不同的。通过射线路径及平均速度Va计算出走时ti，可在对应的地震记录的走时部位获知散射信号US的动力学特征，即信号的幅值和极性：Us(ti),其中ti=(R0+Rs)/Va图1地震射线与散射信号记录对于空间的任意的散射A，当射线坐标如果平均速度真实，则按走时计算获得的各相关射线上散射信号的叠加应该取极大值。实际上无法对每一个点求的极值，只能对一个区域求相对极值。可以通过偏移叠加能量最大化来获得最优偏移速度。通过速度扫描寻找偏移叠加能量最大的速度为最优偏移速度：，,(6)式中M为偏移区总像点数。在保证偏移速度可靠的前提下偏移图像才是真实的，这是TST技术的基本原理。为获得可靠的偏移速度，观测方式必须保证有足够的横向偏移，使用不同偏移距的散射道集数据，叠加能量对于真实的速度才有最大值。•偏移成像地震偏移成像依据的主要是反射纵波，波的走时和振幅是偏移成像重要要素。隧道中观测到的反射波时间序列可表示为：（1）其中A(t,mi,mj)表示爆炸点在mj，观测点在mi记录到的反射信号的时间序列，n表示反射事件的总数，R(mk)表示在掌子面前方位置mk处界面的反射强度，满足-1=R(mk)=1，tk表示反射波的走时，由两部分组成，分别是发射点到反射点的走时和反射点到接收点的走时，满足：.（2）反射强度R(mk)是一个综合量，它是前行波的折射系数E1i、回折波的折射系数E2j与射线最前端的反射系数Rk的联积：R(mk)=E11R12...E1k-1RkE2k-1E2k-2...E21（3）前行波与回折波的折射系数都大于零小于1，因而反射强度R(mk)的符号由最前端的反射系数Rk的符号决定。在介质波阻抗差异不大、透射层数不多的情况下，反射强度R(mk)的强弱和极性主要由最前端反射系数决定，近似有：R(mk)=Rk.（4）它代表了掌子面前方地质结构差异和地质构造的主要特征。地震偏移成像是通过反演获得掌子面前方各反射面的位置和强度R(mk)以及相应的速度分布V(m)。用R(mk)的分布图像可表征地质结构与构造特征，如果需要也可以进一步将其换算成各层反射系数Rk的分布。根据各次观测资料的总合，可以反演出掌子面前方地质结构的反射强度R(mk)分布：（5）其中L，P分别代表爆炸点数和接收点数。ti满足走时方程（2），V的分布使方程（5）取极值，可通过速度扫描确定。TST地震偏移成像超前预报技术是3-D成像技术，对不同的对象和目的要求可设计多种观测方式，处理软件支持各种观测方式的资料处理。这里列举出工作中常见的掌子面向前预报、巷道侧面预报、边坡探测等三种观测方式和成像结果。•掌子面前方超前预报布置方式和成像结果掌子面前方超前预报是公路、铁路隧道最常用的工作方式。为保证掌子面前方围岩波速分析的准确性、可靠性，在TST工作方式下，将检波器与炮点布置在隧道两侧，检波器尽量靠近掌子面，炮点远离掌子面，预报的距离100-200m：掌子面附近观测布置示意图TST的预报结果包括掌子面前方地质构造的偏移图像和围岩的速度分布，速度表征围岩的弹性模量分布。掌子面前方地质构造与围岩波速预报结果•巷道内一侧探测布置与成像结果巷道内一侧的探测预报在采矿、地下洞室和隧道病害诊断中时有所需。检波器在侧壁内一字排开，间距2-3m，炮间距6-8m。如果巷道观测长度足够大，预报的深度可达400m，预报的精度和分辨率可大大提高，对构造、地层、溶洞等地质结构作出精确预报。巷道一侧观测布置示意图巷道侧向探测煤田构造偏移图像结果•TST偏移成像边坡探测方式与成像结果造山带地区的地质结构变化剧烈，横向变化大，传统的反射和折射地震勘探方法因资料处理方法基于成层的假定，在山区应用效果不佳，特别是对于边坡和地震坍塌堆积体，更是无能为力。基于散射成像的TST技术对细小的地质变化都有显示，能有效地适应地质结构的横向变化，对边坡和堆积体进行有效地勘探，效果良好。观测可沿山坡地表布置，检波器间距2-3m，炮间距6-8m，探测深度可达50-100m。边坡探测布置示意图汶川地震坍塌边坡TST勘测3-D地质剖面TST软件系统命名TDWIN-TST，它是超前预报技术的核心。TST软件运行于WINDOWS平台，以图形、图像显示，交互式运作，界面友好，便于操作。软件功能包括地震资料预处理、几何参数编辑、三维波场分析与方向滤波、围岩最优速度分析、地质构造偏移成像、地质解释等主要功能。输出的预报结果包括地质构造图像和围岩速度图像两部分，便于综合分析。1预处理功能：预处理功能包括数据格式转换、地震文件与记录道选取、走时拾取、地震记录显示等；2几何参数编辑功能：输入和编辑检波器与炮点桩号、坐标；3一维与二维滤波功能：一维滤波对记录道施行，有高通、低通、带通滤波，目的是消除干扰；二维滤波是F-K滤波，对一组记录道施行，根据视速度差异，滤除侧向波，保留前方向回波，以保证用于速度分析和偏移成像的信号正实、可靠