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TGP隧道地震预报系统与预报技术探讨
刘云祯   北京市水电物探研究所
前言
随着中国基本建设规模的扩大, 隧道工程已经成为铁路、 公路和水利水电等大型项目中的重要工程。在这种形势下, 隧道工程的重要性越来越显著, 隧道工程的数量大幅度增加, 隧道工程的长度明显增加, 规模不断扩大。因此隧道工程的顺利安全施工和贯通, 是不可回避重要任务和技术难题。危及隧道工程施工的地质病害大致分为三类: 1不良工程地质条件, 诸如岩体的裂隙发育密集带、 构造破碎带、 岩溶发育带、 以及人工采矿造成的不良地质条件和高地应力造成的危害等; 2不良水文地质条件, 诸如岩溶水、 构造和裂隙水等; 3不良环境条件, 诸如有毒有害气体和较强放射性的环境。在隧道工程的勘察设计阶段, 已经投入大量的地质勘察工作, 可是由于地质、 地形和相应勘察技术水平, 以及时间、 经费等条件的限制, 勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段的精度要求。国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训是不少的, 例如, 日本越新干线中山隧道涌水淹没竖井; 前苏联贝加尔—阿穆尔干线上某隧道, 挖通含水层, 发生水泥沙浆喷出; 中国成昆线、 大秦线、 衡广复线建设过程中, 因地质问题造成停工的时间, 约占施工总工期的1/4～1/3; 以及不久前发生的四川某隧道瓦斯爆炸, 造成重大事故和人员伤亡。以上隧道施工事故的危害是巨大的, 因此在国内外隧道施工中强调加强隧道施工预报的重要性。
中国隧道地震波超前预报技术的研究起始于上个世纪的90年代, 铁道部第一勘测设计院物探队提出”负视速度方法”。中国铁道部第一勘测设计院是较早研究隧道地震超前预报的单位。她们在1992年7月, 利用地震反射波方法对云台山隧道进行隧道超前预报, 预报成果与开挖后的隧道左壁”破碎带”和”断层”的位置基本一致。从上个世纪90年代初开始, 中国物探技术人员一直没有停止对隧道地震超前预报技术的深入研究。曾昭璜( 1994) 研究利用多波进行反演的”负视速度法”, 这种方法利用来自掌子面前方的纵波、 横波、 转换波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所产生的负视速度同相轴来反演反射界面的空间位置与产状。北方交通大学的陈立成等人( 1994) 从全波震相分析理论和技术的角度研究隧道前方界面多波层析成像问题, 进行隧道超前预报。她们的研究成果在颉河隧道、 老爷岭隧道地质预报的数据处理和推断解释中应用, 取得预期的效果。该方法的工作原理是以地震反射波方法为基础。工作中她们根据娴熟的地震反射波技术进行数据采集和数据解释, 当时没有开发出针对隧道地震预报的处理系统, 同时受当时条件所限制, 该项技术未能得到进一步深入研究和发展。1995年左右铁道部下属单位引进瑞士”TSP202”, 经过个别工程试验, 认为其技术与”负视速度方法”基本一致。对其处理解释系统所提供的成果, 认识褒贬不一, 因此, 对该设备技术的消化吸收工作也就搁置下来。
随着中国基本建设规模的扩大, 隧道工程应用的增多, 客观形势对隧道地质超前预报技术提出迫切要求。北京市水电物探研究所研究地震波勘察检测技术已经有 历史, 而且是多道瞬态面波勘察技术的创造单位, 生产的SWS型工程勘察与工程检测仪器系统, 已经为300多家勘察设计、 高等院所广泛应用, 而且出口日本等国家。该所 投入人力物力研究隧道地震波预报技术, 即TSP技术, 推出”TGP12”型隧道地质超前预报仪器, 孔中高灵敏三分量检波器, 和方便的孔中耦合技术, 和Windows编程的数据处理软件系统。在经过数十次预报实践的验证后, 于 经过了由国家隧道中心王梦恕院士组织的国内著名隧道专家的评审鉴定。该仪器系统推向市场不到一年的时间, 已经有近十台套投入到隧道超前地质预报工作中应用, 反馈信息普遍受到用户的好评。
一、 隧道地震超前预报技术的概念解释
隧道地震波超前预报技术翻译成英语是”Tunnel Seismic Prediction”, 简称”TSP”。在中国《客运专线铁路隧道施工技术指南》的第5.0.8条使用了”TSP”缩写词。原来是一种正常规程标准用语, 可是出现被歪曲利用的现象, 把”TSP技术”硬说成是”TSP***仪器”, 对中国隧道超前预报技术的发展, 甚至隧道施工的招投标和设备招标造成一定的影响。
因此, 明确认识: TSP技术即隧道地震超前预报技术, 对于正确执行中国《客运专线铁路隧道施工技术指南》, 保证中国隧道工程的建设, 规范正常的招投标活动, 促进诚实诚信的学风和技术服务, 是隧道施工中的一个重要问题。
二、 隧道地震波方法的预报原理
隧道地质超前预报工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波, 弹性波在向三维空间传播的过程中, 遇到声阻抗界面, 即地质岩性变化的界面、 构造破碎带、 岩溶和岩溶发育带等, 会产生弹性波的反射现象, 这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来, 输入到仪器中进行信号的放大、 数字采集和处理, 实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息, 达到预报的目的。

  图( 1) 中隧道上方和下前方会形成地震波反射, 是因为岩体中存在的岩性变化带和构造破碎带, 其介质的密度和其传播弹性波的速度乘积, 与正常岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积具有明显的差别, 像玻璃的背后附有水银会反光一样。岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积物理学中称为”声阻抗”, 岩体中界面两侧介质”声阻抗”的差异越大, 其界面上反射地震波的能力越强, 反之亦反。界面与隧道轴线交角不同, 仪器屏幕上采集显示的反射波同相轴形态会表现出不同, 参见图( 2) 、 图( 3) 、 和图( 4) :

图( 2) 界面与隧道轴平行条件下的反射同相轴形态

图( 3) 界面与隧道轴交角20度条件下的反射同相轴形态图

图( 4) 界面与隧道轴交角60度条件下的反射同相轴形态

以上图件能够看出岩体病害界面与隧道轴线的交角不同, 地震反射波同相轴形态会具有明显的差别。超前预报的物理基础是根据获得的地震波形态变化实现预报。这里列举的图形完全是理想化的表现模式, 实际工作中采集到的地震波信息是错综复杂的。
三、 TGP隧道地质超前预报系统
隧道地震波预报的早期研究, 是由研究和利用地震波在时间空间域中的运动学特征变化开始的, 可是仅仅利用地震波的运动学特征和动力学特征是远远不够的。隧道工程埋藏在山体内, 地震波在全三维环境条件下传播, 这种条件比平面半无限空间状态下的地震波传播要复杂得多, 而且在隧道内地震波接收装置的布置受到局限, 能够得到的地质构造面上信息量大大减少。针对这种状况, 设计TGP系统采集地震波的多波列信息, 研究和利用地震波的多波列震相特征信息, 以及研究上述信息与隧道地质条件的相关关系, 因此TGP系统与一般仅利用地震波运动学特征的仪器系统相比较, 功能明显加强。
TGP隧道地质超前预报系统包括仪器设备的配套部分和处理软件两大部分。其中仪器设备的配套部分包括有TGP型仪器主机、 接收传感器、 孔中定位安装工具和电缆等; 处理软件部分包括地质构造面的产状分析等若干模块。图( 5) 是TGP隧道地质超前预报系统的仪器设备部分。

图( 5) TGP12型隧道地质超前预报系统的仪器设备

经过现场试验证明, TGP型隧道地质预报系统获得500多米距离的地震反射波信息, 具有足够的信噪比, 综合考虑预报距离和分辨精度两方面要求, 在现场工作中预报距离一般采用150米至200米的做法。TGP型隧道地质预报系统具有登记全部测长距离内地质构造信息的功能, 用于逐次递进预报中进行相关分析, 去伪存真和排除异常信息, 并提供预报信息资料可信度评估信息, 提高预报成果的质量。工程实践证明国产TGP性隧道地质超前预报系统的科学性和适用性。该系统 8月底由国内知名隧道、 地质、 物探专家组成的专家组评审鉴定。经过认真慎重的比对和评审, 专家们一致认为”TGP12仪器与相关的处理系统, 性能稳定可靠, 采集的波形完整, 信噪比高, 与国外同类仪器对比整体上具有国际先进水平, 可替代进口产品。”具体评审意见如下:
1、 TGP12是集放大、 转换、 采集、 存储、 控制为一体的全密封防水防震的物探设备; 优于利用微机与机箱装配式结构的仪器, TGP12适合在恶劣的隧道环境中使用。
2、 TGP12的三分量速度型检波器具有高灵敏度, 指向性强和较宽的频带响应等特点, 因而表现在拾取的地震波信号具有高的质量品质。TGP12孔中接收检波器采用黄油耦合, 方便、 经济、 快捷。优于在钻孔中需要锚固异型钢导管的方式。2米长的钢导管难于携带、 运输, 价格昂贵, 一次性使用, 费事费工费财。
3、 TGP12的地震波采集触发是开路触发方式, 即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断, 信号线同时开路触发仪器采集, 仪器采集无延时差, 保证定位的准确性。超前预报仪器若采用起爆器电脉冲同时触发电雷管和触发主机采集的方案, 由于电雷管起爆的延时时间难于做到一致, 因此会造成仪器采集的走时误差, 这种触发方式在中国的地震波勘探规程中明确规定不宜使用, 更何况隧道岩体的速度比覆盖层介质的速度高出几倍以上, 以岩体波速4500米/秒 ~ 5500米/秒为例计算, 每一毫秒的读数误差则会造成2~3米的预报距离误差, 一般瞬发电雷管的延时误差不止一毫秒, 因此由20多次激发的平均线计算隧道岩体速度, 和由存在误差的时间计算预报的距离, 两次误差的乘积造成的误差是不容忽视的。
4、 TGPWIN隧道地震波处理分析软件是由国内知名物探专家领衔开发的, 它借鉴了已有相关软件的长处, 并充分考虑弹性波在三维空间的传播特点, 以及根据TGP12仪器采集的数据格式编写。功能特点如下:
● 全中文界面, 通俗易懂, 对地震波信号的处理过程, 如同相位波幅的调整等操作, 直观、 方便, 具有友好的人机操作界面。
● 对P波、 SH波、 和SV波的分离完善合理, 这是超前地质预报数据处理的关键工作之一。
● 处理软件具有相关部分互相检查的功能, 例如点击偏移归位成果图上的反射界面位置, 程序会转到该位置界面的反射波组位置, 经过分析反射波组的连续性、 反射波的极性和能量, 确定反射界面的可靠性和性质。有助于去伪存真, 由此及彼, 由表及里, 深化认识, 使预报结论科学可靠。
● TGPWIN处理中既有自动处理方式, 也有手动处理方式, 还具有深入分析异常可靠程度的追踪功能, 这种功能既适应非物探专业的普通工程技术人员使用, 又适应物探或专业人员利用弹性波传播特性, 对隧道复杂地质条件进行深入研究工作的需要。
5、 TGP12系统只要增加不多的配套附件和软件模块, 就能够增加仪器用于隧道检测的其它功能, 例如: 对已衬砌的隧道进行衬砌脱空检测, 检查隧道围岩中隐蔽的病害( 岩溶) 。也能够在掌子面上用锤击的激发方式做到短距离更为精确的地质预报, 因而它是一机多能的设备。

TGP12的性价比与国外仪器相比较具有明显的优势。而且研发、 生产在国内, 用户能够获得及时周到的技术服务和技术支持, 以及仪器维修等方面的方便性。

四、 工程应用实例

图( 6) 左壁DK53+224Vsh波和Vp波偏移归位成果
宜万铁路凉风亚隧道的岩性为灰岩, 在该隧道内TGP12仪器与进口仪器进行了同点试验, 预报成果如下。

图( 7) 左壁DK53+224Vsh波Vp波衰减与性质成果

由以上成果图能够看出: 在DK53+322—DK53+346; DK53+370—DK53+380; DK53+390—DK53+420三处存在构造异常, 其中DK53+322—DK53+346、 DK53+370—DK53+380两处Vsh波比Vp波反射幅度大, 推断在以上两处的构造带存在有充水的可能性、 或岩溶发育。此结论经过日后的隧道开挖证明完全正确。在隧道施工《变更设计建议书》中结论: ”在隧道左壁的DK53+322段发现岩溶, 溶蚀带宽度为2.5米, 溶蚀带穿过隧道拱顶至右壁的DK53+340米段, 并向边墙外延伸, 雨后DK53+322处溶洞有较大水量流出, DK53+339处溶洞有少量渗水。该段围岩较破碎, 节理发育, 受溶洞影响, 拱顶岩层出现楔体破坏、 掉块”。
TGP12隧道地质预报系统经过在云南水富高速公路冷水溪隧道, 宜万铁路王家岭隧道、 凉风垭隧道, 青岛海滨高速仰口隧道, 重庆地区数条公路隧道, 以及武广客运专线大瑶山隧道等工程使用, 获得较好的预报效果。大量的工程实例见北京市水电物探研究所提供的TGP系统资料书。

五、 隧道地震波预报( TSP) 技术探讨
( A) 隧道地震波预报中得接收与激发问题
在隧道地震预报采集时, 有的做法是将接收与激发布置在隧道的洞壁上, 这种做法不妥当。众所周知, 由于爆破震动和应力的释放过程使洞壁岩体松动和裂隙进一步发育, 因此在洞壁布置接收与激发, 会造成地震波传播路径和传播衰减的复杂化, 有效波的信噪比大为降低, 这是被大量资料已经证明的。除此以外, 有一个重要问题需要注意: 在隧道洞壁布设激发和接收, 隧道洞壁表面波的传播, 对地震反射波会形成不容忽视的干扰。因此不应采取在洞壁激发与接收的做法, 应该采取在洞壁的钻孔中布置激发和接收的方法。
地震波的产生由钻孔中炸药爆破实现, 控制采用小药量、 同时保持孔中充满水条件下爆破, 易于产生高频地震波, 高频地震波信号具有较高的分辨率。
地震波的接收由钻孔中的地震接收装置获得。国外仪器有的采用环氧固化钻孔中的金属管, 地震接收装置贴靠在金属管内壁上接收地震波信号。具有一定长度和厚度的金属管在受震条件下产生自震, 这种干扰波不可避免地被地震接收装置在接收地震波信号的同时一同接收下来。如果钻孔中的金属管与岩体的固结不好, 产生的干扰波信号将会更加复杂。国产TGP预报系统中采用黄油把接收装置与孔壁岩体直接耦合, 对于避免上述金属管受震产生干扰波影响是有利的。
( B) 隧道地震波预报的距离问题
隧道地震波预报的距离与”隧道管波”和隧道埋深有关。
⑴”隧道管波”是激发孔炸药爆炸产生的振动声波泄放到隧道中, 传播过程中又被接收传感器接收所形成, 见图8。图中”红线”处表示传播速度为340米/秒, 即空气中声波的传播速度, 我们定义这种波为”隧道管波”。”隧道管波”幅度的大小及对有效反射波影响的程度, 与激发和接收条件有关; ”隧道管波”在地震波记录上出现的位置与采集偏移距离有关。图中蓝色线表示纵波, 紫色线表示横波。上部的蓝色线和紫色线分别表示直达纵波与横波, 下部的蓝色线和紫色线分别表示反射纵波与横波。由图看出反射纵波的大部分和全部反射横波淹没在”隧道管波”中, 而无法利用。由此得出, 在具有”隧道管波”条件下, 改变地震波采集的偏移距离, 实现”隧道管波”下移, 方可增加预报的距离内纵横波的综合利用。
对于”隧道管波”是否能够采取滤波方式处理的问题, 我们作过分析。”隧道管波”的频率与隧道的直径和长度、 隧道围岩的性质、 激发和接收条件等有关系, 就当前采集到的资料分析其频率与地震反射波的频率比较, 不存在有效分离和滤除的差别条件, 因此无法经过滤波方式处理。而且需要提出, 盲目采取滤波处理, 使得地震波信息改变, 造成预报成果假象。对于压制”隧道管波”方法措施, 我们进行过试验, 图( 9) 是甘肃天宝高速公路某隧道预报的记录。
图( 9) 中未见”隧道管波”的影响。分析认为”隧道管波”的影响程度与激发和接收条件有关, 产生的源头在激发条件。例如: 激发孔没有注水、 或激发孔太浅, 激发能量的大量外泄, 造成隧道内产生”鸣震”是首要的原因。

图( 8) ”隧道管波”图        

图( 9) 压制”隧道管波”的采集图

⑵ 隧道埋深条件与预报距离的关系, 有一位从事海底隧道地震超前预报( TSP) 技术的工程师向我询问有关预报距离问题。海底隧道在基岩和海底的松散沉积地层中穿过, 基岩面的起伏较大。这一类情况与地面上的浅埋山体隧道一样。在隧道地震超前预报( TSP) 技术中, 山体的地形面和海底起伏的基岩面同样是地震波的反射面, 隧道预报检测段居于其中, 因此, 无论是预报检测段前方地形基岩面产生的反射波, 还是预报检测段后方地形基岩面产生的反射波, 均会被仪器接收下来, 与地质构造面产生反射波叠加在一起, 使地震记录复杂化而影响预报, 这应该是不难理解的问题。因此, 隧道地震超前预报的距离与隧道的埋藏深度有关系,超前预报的距离应该小于隧道基岩面的埋藏深度。

( C) 对于预报岩体速度及提供其它岩体弹性参数的问题
图10为国外某公司提供的”TSP203”预报成果图。图中上半部分为三项参数的直方图, 由上往下为岩体分段的纵、 横波速度参数值; 岩体的分段密度值; 和岩体的分段动弹性模量值。图的下半部分为反射界面的分布图。我们以图中的反射界面线与隧道里程线的交点为序, 统计反射界面与隧道轴线夹角汇总成表1。
表1: 反射界面统计图
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
里程
2084
2092
2104
2108
2109
2116
2136
2152
2164
2184
2188
夹角
45°
75°
70°
65°
75°
80°
80°
70°
90°
70°
80°

图( 10) 安伯格公司TSP203系统成果图
以表1中最后两个界面的里程和夹角设计模型, 根据隧道地震反射波的传播理论, 采用作图方法, 地震反射波的射线路经, 见图( 11) 。

图( 11) 隧道地震预报中的射线原理图
 图中: 上部为2188里程处构造面, 与隧道夹角80°, 反射段在隧道轴线的投影里程为2181～2182, 其地震射线与隧道夹角10°～15°, 反射段偏离隧道距离32～37米; 下部为2184里程处构造面, 与隧道夹角70°, 反射段在隧道轴线的投影里程为2162～2165, 其地震射线与隧道夹角20°～30°, 反射段偏离隧道距离49～59米。图( 11) 中的TSP203预报成果图, 利用的上述两组地震射线方向完全不同、 射线路经范围也不具备重合条件, 而且反射段是偏离隧道50多米以外的资料, 作为隧道掌子面前方岩体的速度数据是完全没有道理的。图( 11) 中的预报距离仅为96米, 如果以正常预报距离为150米计算, 150米处构造界面的反射段偏离隧道为70～80米, 偏离如此大的距离, 而且不同走向和产状的构造面, 其地震波射线的重合性千差万别, 如何利用地震反射波的”均方根速度”求算分段岩体的速度? 众所周知, 岩体是各向异性、 非均质和非连续的地质体, 如此射线方向的岩体速度在多大程度上代表隧道掌子面前方岩体的性质, 并用作评价隧道前方岩体的弹性波速度分级有多大的准确性呢? 面对瑞士安伯格公司提供的TSP203资料, 具有地质和物探知识的工程师不难得出正确的结论。至于图中提供的其它岩体动参数, 例如: 动弹性模量、 动剪切模量、 动泊松比和岩体密度值等参数, 皆由岩体的纵波和横波速度计算而来, 上述速度数值的准确性和代表性已经成问题, 因此由其计算而来的参数利用问题更毋庸多说。
我看到一些利用上述图表编写的报告和交流论文, 而且冠以某某仪器具有自动功能, 我斗胆进言: 如此进行隧道地质预报的做法是进入了误区, 偏离了进行隧道地质预报的真正目的。

六、 结语
 随着中国基本建设规模的扩大, 隧道工程已经成为铁路、 公路和水利水电等大型项目中的重要工程。根据国内外隧道施工的经验和教训, 开展隧道地质超前预报是非常重要的一个环节, 科学的有效的开展隧道地质预报工作, 对于隧道工程的安全施工极为重要。近几年来隧道地质超前预报技术已经成为工程物探学术界的热门话题之一, 自然也会出现各显神通的局面, 因此, 围绕隧道地质超前预报技术展开讨论, 进行必要的技术交流, 对于促进应用技术的科学进步, 促进隧道地震超前预报技术的提高, 科学的进行隧道地震超前预报工作, 是非常必要的。

TGP206隧道地质预报仪

主要技术参数:
•双输入三分量通道端口
•双模数转换: 20+bit

•采样率: 50、 100、   150、 200 ms

•频带宽度: 10-5000Hz

•主机为整体密封式, 适应隧道恶劣环境

•规格: 40×30×16cm

                                                             TGP206隧道地质预报系统
( 1) 主机( 2) 主机外包装箱( 3) 工具箱( 4) 工具箱
( 5) 接收探头及连接线 ( 6) 探头推进器( 7) 黄油泵