隧道地质超前预报技术

隧道地质超前预报技术

刘云祯

北京市水电物探研究所

ccsws@

隧道地质超前预报技术

前言

一、TGP隧道地质预报观测系统

二、TGP预报的基本原理

三、隧道地震波预报与存在的问题

四、TGP隧道地质超前预报技术

五、TGP地质预报工程实例

前言前言

地质超前预报的作用与定位

隧道工程巨大：高速铁路、公路、地铁、水电、

矿山开采及军事等工程

施工勘察延伸：弥补隧道勘察工作深度的不足

1)地质灾害预报

2)隐伏不良地质体预报

3)围岩地质条件预报

前言

宜万铁路别岩槽隧道＋422大突水的溶腔

规模：隧道长3721米，F1导水断层长483米，雨季有

350米水压差，日最大涌水量28.6万立方米。

前言

规模：

溶岩大厅

断层连通岩溶构

造水，一个半小

时内突水15万立

方，泥石量5万立

方米。

宜万铁路野三关隧道暗河岩溶溶腔

前言齐岳山隧道掘进过程发现的岩溶构造

溶腔近200处，危及安全的有22处，其中发生5次

大事故，最大瞬间突水流量每小时达5.2万方。

前言五爪观隧道中的暗河

前言龙鳞宫隧道的巨型岩溶溶腔

前言掌子面突泥

前言福建某公路隧道断层大塌方

前言

隧道岩溶水

宜万铁路岩溶突水后调查的地质剖面

前言岩溶空腔规模大，延展70多米

宜万铁路岩溶突水后调查的地质剖面

前言岩溶溶腔与构造的连通性好

宜万铁路岩溶突水后地质调查剖面图

前言

突水突泥反映岩溶水、构造水具有水头压力。

以上地质问题与超前预报中的地震波存在何等关系？

一、TGP预报的基本原理

1,平(大)界面型

地质：构造面、岩性接触面、规模溶洞条件：界面规模大于波长

应用：反射波

2,点（小）界面型

地质：溶洞、溶腔、平界面上的突变点条件：规模小于波长

应用：绕射波

以岩体具有的波速、波长、和频率予以说明

有序排列条件下：随地质界面与隧道夹角的变化，地震回波时距曲线形态变化的演示。

排列与界面平行条件

二、TGP隧道地质预报观测系统

排列布孔

洞轴线方向有

序排列，孔中

激发，孔中三

分量接收，多

波全震相分析。

排列方式观测有利根据地震波传播的时距关系分析断面与隧道正交

地震回波时

距曲线形态

有序排列条件下：在构造与隧道正交条件下，地震回波的“时~距”曲线形态如上。

利用有规律排列有利于对未知界面形态的分析

△X △T △X △T ⅴ＝△X ／△T

有利于：

1，纵横波速度分离，和围

岩速度等参数的计算，为

预报推断提供基准参数。

2，对震源和接收信号质量

检查，频率分析和衰减等

参数的计算。

3，对有效波与干扰波的识别，有效波利用和干扰波

剔除。

（运转程序分析速度）

非排列采集观测系统（TRT）

非排列采集的TRT记录

波序识别

困难

图中等时间隔出现的波形为多次波干扰，由于采用非排列采集，难分析波的成因和类型

三、隧道地震波预报与存在的问题

1、有效波频率

2、纵横波的激发与接收

3、记录时间的精准性

4、套管内安装接收器的问题

5、观测系统与数据质量

6、隧道管波干扰

7、掌子面回波干扰

8、利用波速参数预报的讨论

1，有效波频率

迄今为止，不少文章对隧道地震回波的频率论述错误。

我们应用TGP预报系统得到的结论是：

黄土100～200 Hz软岩200～400 Hz

硬岩400～1000Hz坚硬岩1000～1500Hz

2，纵、横波的激发与采集

应

用

多

分

量

断面与隧

道正交

多波预报需要：分离清晰与高信噪比的纵横波记录；

分离清晰依赖：偏移距离、偏振激发、岩体性质；

高信噪比信号：探头性能与耦合；激发高频与能量；

3，记录时间的精准性

误差造成：

速度误差，

相位误差、

物性误判。

预报推断需要：精准记录地震回波的时间和相位。

左图为TGP采集的无雷管延迟记录，同相位波排序齐整；右图为有1.5ms 延迟误差的记录，同相位波上下错断。

由触发方式造成的记录时间误差

TSP203\200触发方式

存在电雷管延迟误差，

左图记录首波最大错

位6ms，Ⅲ级围岩计算

存在5米误差的可能。

TSP203记录

4，套管内安装接收器的问题

套管固结不良或探头与管壁接触不良，造成回波记录中出现高频干扰和套管共振干扰。

岩溶物理模型研究地震波采集效果溶洞5，观测系统与数据质量

岩溶模型：

洞经与隧道断面相等

4 排圆点表示

在不同深度接收几种观测系统：

⒈孔中激发接收

⒉洞壁激发接收⒊孔接收壁激发

模型试验目的：哪种观测有利？