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TSP203超前地质预报系统与应用实例
刘某人 马姓某 王人某
(××××大学信息物理工程学院,湖北荆州,430083)
 
     
刘某人, 马姓某, 王人某. TSP203超前地质预报系统与应用实例. 物探装备, 2008, 18(2):
TSP203是Amberg测量技术公司研制开发的。该仪器从数据采集、处理和成果解释及评估高度智能化,是隧道施工安全和质量的理想仪器。本文介绍了TSP203系统应用原理,通过实例分析,表明TSP203对存在的地质问题具有重要的指导意义。
关键词 TSP 地质预报 隧道施工
ABSTRACT
Liu Mouren, Ma Xingmou and Wang Renmou. Advanced geological prediction of TSP203 system and application of example. EGP, 2008, 18(2):
TSP203is presented by Amberg Measuring Technique Ltd. Regensdorf, Switzerland. The apparatus is an ideal instrument to the security and quality of the tunnel construction because of highly intelligentized data acquisition and processing as well as result evaluating method. Principles of application of the TSP203 system are introduced in this article. Through analyzing example, it shows TSP203 system has the important significance to instruct the existence of geological question.
Keywords: Tunnel Seismic Prediction; geological prediction; tunnel construction
 
前言
随着我国建筑工程的不断发展,在施工中,随时出现的不同规模和形状的地质情况,严重阻碍的施工的进度,给人民和国家带来了不可估量的损失。一般较好的解决方法是通过准确的超前地质预报来预防。本文着重在介绍一种TSP203超前地质预报的系统原理上面,结合实例分析,表明TSP203对地质问题具有重要的指导意义。
1 TSP203工作原理及特点
    TSP(Tunnel Seismic Prediction)203是瑞士安伯格测量公司于20世纪90年代研制开发的一套超前预报系统。该系统能长距离预报地下施工的地质情况变化,如断层带和其他不良地质带,其预测范围在100m~200m,属多波分量高分辨率地震反射波探测技术[2]
该系统是根据地震波的回波原理,人工制造一系列规则排列的轻微震源(通常在隧道的左边墙或右边墙,大约24个炮点布成一条直线,用小药量激发产生)。地震波在岩石中以球面波形式传播,当遇到岩石物体界面(如地层层面、节理面、岩溶面,特别是断层破碎带界面等)时,一部分地震信号反射回来,一部分折射进入对方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收,通过计算机的软件处理,得到相应的地质力学参数[1]
TSP203超前地质预报系统的现场及测试由一系列炮点、一到两个三维接收器(X、Y、Z方向)、接收机及处理系统组成(见图1,图2)。
图1 TSP203系统的方法原理与野外布设
2  TSP203系统装置
TSP203是一种专门为隧道超前预报而设计的检测系统,其使用范围广,预报距离长,对施工干扰少,而且能快速地反映地质数据资料。但在应用中,要充分考虑其边界条件,即:被探测物有足以使地震波反射的界面,而且这个界面的法线与隧道轴线的夹角越小效果越好;探测岩溶时,岩溶应有一定延伸,形成界面,否则探测效果不好;另外探测效果还与溶槽洞穴的发育状态有关;探测的分辨率与探测深度成反比,与探测目的物的体积成正比,物探称之为洞径比,即探测深度与被探测物的直径之比,一般洞径比大于20时分辨率严重降低。
2 TSP203的性能组成及技术指标
     此次探测采用的仪器系统主要由记录单元和接收单元两大部分组成,各部分的技术指标如下:
1)记录单元:①12道;②24位A/D转换;③采样间隔为62.5ms;④带宽为8000Hz;⑤记录长度为7218采样点;⑥动态范围为120dB;⑦道数为1~12;⑧可卸载的PⅢ笔记本电脑。
2)接收单元:①三分量加速度地震检波器;②灵敏度为1000mv/g±5%;③频率范围为0.5~5000.0Hz;④横向灵敏度>1%;⑤工作环境温度0~65℃;⑥MS Windows作为软件平台。处理及评估软件具有高度智能化,有自动和高级两种处理方式可供选择[3]  
3 应用实例
3.1 工程简介
马鹿箐隧道位于恩施市和利川市交界处,隧道进口在罗针田镇梨子坪,出口在团堡镇道湾。隧道总长7876m,为15.3‰的单面上坡。隧道进出口左侧30m均设有平导。
预报区在鄂西构造溶蚀侵蚀中高山区,金子山复向斜中四方洞向斜南东翼的单斜地层中,向斜呈宽环型。
隧道穿越的地层主要有志留系中统纱帽组(S2S)砂质页岩、砂岩、页岩;泥盆系(D2+3)石英砂岩、泥灰岩、页岩;二叠系栖霞组(P1q)灰质页岩夹煤层、灰岩夹炭质钙质页岩、灰岩;茅口组(P1m)灰岩;吴家坪组(P2w)页岩、灰质页岩夹煤层;长兴组(P2c)灰岩;三叠系大治组(T1d)页岩、泥页岩、泥灰岩和灰岩;嘉陵江组(T1j)灰岩、白云岩、页岩。
3.2 工程问题
主要工程地质问题是强可溶的碳酸岩岩溶、岩溶水、溶洞、暗河。朱家槽~和尚鞍暗河在隧道上方约35m处通过,隧道遭遇暗河的可能性较大,可能发生大规模的突水、突泥。而且,在隧道掌子面施工破碎带易多,容易造成大规模的塌方。经济合理的解决办法就是利用TSP确定岩溶的大小和破碎带的位置、宽度,做好及时预防设施。
3.3资料分析
3.3.1 分析原则
在成果解释中,以P波剖面资料为主对岩层进行划分,结合横波资料对地质现象进行解释,并遵循以下准则:a、正反射振幅表明硬岩层,负反射振幅表明软岩层;b、若S波反射较P波强,则表明岩层饱含水;c、Vp/Vs增加或δ突然增大,常常由于流体的存在而引起;d、若Vp下降,则表明裂隙或孔隙度增加。
3.3.2 资料处理
   原始资料经过计算机软件处理后,得到二维的成果图,图如下:
图3 TSP203超前预测二维成果图
velocities栏中,第一个波形图为纵波(P波)的波速,第二个为横波(S波)的波速;第二栏为Vp/Vs的比率;第三栏为泊松比。下面图形为反射波的推断界面和岩石走向趋势。通过图形可以划分为四个区域:在DK258+511.5DK258+503.0段(8.5m),纵波和横波的波速没有明显变化,泊松比处于平缓趋势,说明该岩石完整,地下水不发育;第二段DK258+503.0~DK258+490.0中(13m),纵波波速降低,其比值变大,泊松比也变大,推断该段岩体破碎夹泥;在三段DK258+490.0~DK258+411.0(79m)区域,其中DK258+490.0~DK258+453.0段地震反射为平静区,表明岩体结构没有特别大的变化,岩体结构完整;紧接着DK258+453.0~DK258+426.0地震反射预示岩石强度变硬,直到DK258+426.0~DK258+411.0段又处于平静区;第四段在DK258+411.0~DK258+391.0(20m),图象显示纵波有明显的变大,而横波基本趋于不变,导致Vp/Vs变大(1.921.93),泊松比也变大(0.31~0.32),故推测该段岩体破碎含水。
4  结论
针对该地质预报的情况,施工建设单位对岩层进行了加固。在施工的推进中,到DK258+503.0地段时,出现岩体破碎夹泥,持续长度大约为9m,在此加强了支护;之后经过岩石完整地带,到达DK258+450.0左右时,岩石结构坚固,主要为白云岩;在DK258+412.0地带前5m左右,开展了水平钻超前钻孔,出现少量渗水,水量大约为10L/s,后经排水和支护,隧道施工顺利进行。
通过上述实践证明,TSP203系统可以对隧道工程前方围岩地质的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报,确保隧道施工的质量安全,有效地控制了地质灾害的发生,赢得的施工时间,降低了风险,保证了人们生命和财产的安全。
 
参考文献
1.  王振东. 浅层地震勘探应用技术[M]. 北京:地质出版社,1988
2. 张勇,张子新,华安增. TSP超前地质预报在公路隧道中的应用[J]. 东北公路,2001, 24(2):77~79
3. 匡文龙,朱自强. TSP203隧道地震预报系统在拱坝隧道围岩稳定性超前预报中的应用[J]. 中国安全科学学报,2006,16(11):99~101
 
 
 
作者简介:
刘某人, 1962年2月生,籍贯:湖北恩施;高级工程师;××××大学信息物理工程学院95级地球探测与信息技术硕士研究生毕业;现任××××研究所担任课题项目负责人;研究方向:智能仪器及仪表;曾在《物探技术》、《工程勘察技术》等期刊发表论文十余篇,主要论文有:当代超前地质预报对勘察仪器的要求及其发展趋势、TSP超前地质预报在葛洲坝工程勘察中的应用等。
附:论文发表授权书:
委托《物探装备》杂志发表论文授权书
《物探装备》杂志社:
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