精選對瑞士安伯格TSP類系統預報隧道工程巖體速度的質疑

1、精選對瑞士安伯格TSP類系統預報隧道工程巖體速度的質疑對瑞士安伯格TSP類系統預報隧道工程巖體速度的質疑2006-8-3 來源：劉云禎 點擊：393 字體： HYPERLINK javascript:fontZoom(16) 大 HYPERLINK javascript:fontZoom(14) 中 HYPERLINK javascript:fontZoom(12) 小前言隨著我國基本建設規(guī)模的擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。根據國內外隧道施工的經驗和教訓，開展隧道地質超前預報是非常重要的一個環(huán)節(jié)，科學的有效的開展隧道地質預報工作，對于隧道工程的安全施工極為重

2、要。近幾年來隧道地質超前預報技術已經成為工程物探學術界的熱門話題之一，自然也會出現各顯神通的局面，因此，圍繞隧道地質超前預報技術開展必要的討論，促進應用技術的科學發(fā)展是非常必要的。 1，隧道地震超前預報技術圍繞隧道地質超前預報工作的需要，有地震波、電磁波和紅外線等多種技術方法。隧道地震超前預報是隧道地質超前預報中的一種技術，它的基本原理是利用地震反射波方法，采集隧道掌子面前方“聲阻抗界面”反射回來的地震波，達到推斷“聲阻抗界面”的空間位置、規(guī)模和性質的目的。聲阻抗是介質速度與介質密度的乘積，具有聲阻抗界面表明界面兩側的介質聲阻抗不一致。隧道地震超前預報中的聲阻抗界面，一般由地質構造破碎帶、軟弱

3、帶、巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖溶發(fā)育帶等地質病害體與隧道正常圍巖、或者是不同巖性的接觸帶組成。在隧道施工中，采用隧道地震超前預報方法對隧道掌子面前方存在的地質構造破碎帶、軟弱帶、巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖溶發(fā)育帶等地質病害體、以及巖性的接觸帶進行準確預報，為隧道施工提供可靠資料，是一項非常重要和具有一定技術難度的工作。我國鐵道部第一勘測設計院是較早研究隧道地震超前預報的單位。他們在1992年7月，利用地震反射波方法對云臺山隧道進行隧道超前預報，預報成果與開挖后的隧道左壁“破碎帶”和“斷層”的位置基本一致。從上個世紀90年代初開始，我國物探技術人員一直沒有停止對隧道地震超前預報技術的深入研究。曾昭璜

4、（1994）研究利用多波進行反演的“負視速度法”，這種方法利用來自掌子面前方的縱波、橫波、轉換波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所產生的負視速度同相軸來反演反射界面的空間位置與產狀。北方交通大學的陳立成等人（1994）從全波震相分析理論和技術的角度研究隧道前方界面多波層析成像問題，進行隧道超前預報。他們的研究成果在頡河隧道、老爺嶺隧道地質預報的數據處理和推斷解釋中應用，取得預期的效果。隧道地震波超前預報技術，翻譯成英語是“TunnelSeismicPrediction”，用英語字頭表示即“TSP”技術?！癟SP”一詞不是指隧道超前地震預報中的某一種儀器，而是隧道地震超前預報技術方法的同義詞。我國

5、研究隧道地震超前預報技術、或者“TSP”技術，在隧道現場應用的初期采用地震波勘探中的地震儀器，接收裝置采用單分量的速度型檢波器；后來采用三分量速度型檢波器。在模型試驗中采用聲波儀器和壓電換能器等設備。對數據處理編程中的數學計算依據，有的采用地震波運動學原理；有的采用地震波動力學原理；有的采用垂直地震波測井的原理；有的采用層析成像學原理。之所以采用多種數學計算的方法研究，原因是在隧道局限的幾何空間條件下采集的地震波數據的有限性、和面對全空間條件下，如何克服隧道超前預報中多項要求之間的矛盾。2000年我國北京市水電物探研究所研制開發(fā)“TGP12”隧道地震超前預報系統，該系統包括儀器設備和相應的隧道

6、地震超前預報處理系統?！癟GP12”隧道地震超前預報系統，對以上計算的數學原理進行了充分的研究分析，利用不同傳播路徑的多波多震相，在復雜地質條件下，預報隧道掌子面前方的地質構造破碎帶、軟弱帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖性的接觸帶和巖溶發(fā)育帶等地質病害體，為隧道施工提供可靠的地質預報資料。“TGP12”隧道地震超前預報系統為了適應隧道中長期預報和短期預報的要求，在采集系統中安裝長期預報和短期預報兩種功能，長期預報采用地震反射回波方法，短期預報采用瞬態(tài)面波方法。目前隧道地震超前預報技術的現狀和存在的問題。從隧道施工的角度對隧道地震超前預報的要求：一方面要求預報隧道掌子面前方是否存在不良地質體、以及其位置、

7、規(guī)模和分布等；一方面要求預報隧道掌子面前方不良地質體的介質性質。目前對第一個方面的要求可以基本上實現；而對第二個方面的要求，結合隧道施工地質工作，可以進行定性的推斷解釋。因為利用地震方法預報巖體介質的性質，需要預報段巖體介質準確的縱波和橫波速度值。在隧道預報中病害地質體界面是在全空間任意分布的，而采集地震波信息的裝置僅是布置在一個固定的方向上，首先難于確定地震射線是否具有覆蓋的條件，同時也難于滿足由地震波射線獲得“均方根速度”后，計算分段巖體介質“層速度”的條件。“層速度”的反演計算過程受到采用的速度值和界面傾角的雙參數影響，而這兩個參數又都是難于準確確定的。在現行的隧道地震預報中往往是確定一

8、個參數來計算另一個參數的辦法，所以由此計算獲得的縱波速度和橫波速度，代表隧道掌子面前方巖體介質速度的可靠性是個值得研究的問題。2，目前隧道地震超前預報技術中的誤區(qū)近幾年以來，隨著我國隧道工程的增多，加強隧道工程施工的安全突出地提到日程上來，隧道地震超前預報的任務需求大增，僅有少數設計院物探隊伍承擔的局面已不能滿足建設的需要，隧道施工部門的地震超前預報隊伍發(fā)展起來。但是由于他們缺乏熟練從事地震波勘察的技術人員，他們需要操作方便，而且自動解釋出成果的設備。市場需求是廠商開發(fā)的動力，應市場需求產品也會應運而生。國外瑞士安伯格公司“TSP203”儀器，用于隧道地質超前預報。瑞士安伯格公司宣傳“TSP2

9、03”儀器的處理系統具有超前預報隧道工程巖體速度的功能，其軟件系統在預報成果圖中提供不同里程段的巖體縱波、橫波速度值，和由這兩個參數計算得到的巖體動彈性模量值、動剪切模量值、泊松比參數值，還計算出巖體密度值，并以此分段巖體的速度等參數值進行隧道超前預報。有的單位直接利用上述參數進行隧道掌子面前方巖體的圍巖分級，甚至依此作為變更隧道支護設計的依據。如果“TSP203”系統果真具有能夠預報隧道掌子面前方分段巖體速度的功能，絕對是一件好事，而且是一種“叫絕”的技術。但是很遺憾，作為一名從事地震波勘探和關心并研究隧道地震超前預報的老地質工作者，我認為：瑞士安伯格公司對“TSP203”系統具有該功能的宣

10、傳，違背彈性波檢測巖體速度的基本理論基礎，以此引導隧道地震預報是個誤區(qū)。為此，提出我的認識，供大家探討分析。3，地震波檢測巖體彈性波速度的原理在巖土工程專業(yè)中，巖體具有各向異性、非均質和非連續(xù)的地質屬性，是檢測和研究巖體工程地質性質的基礎知識，這一點是眾所周知的。在利用地震波或聲波物探檢測方法研究巖石和巖體的物理力學性質的實際工作中，根據研究對象布置測線和測點。有的測線選擇在巖體的露頭上，有的測線布置在隧道洞壁上，有的布置在鉆孔中。具體到檢測方法：或利用地震直達波方法，或利用地震折射波方法，或利用地震反射波方法。地震直達波速度代表地震波傳播方向上該段巖體的速度。地震折射波速度代表地震波傳播方向

11、上該段巖體的“視速度”，巖體的“視速度”與巖體速度是不同的概念，“視速度”數值的大小受折射波傳播界面與地表面夾角大小的影響。在折射波傳播界面與地表面平行（即夾角為0）時，折射波的“視速度”與巖體界面方向的速度數值相等，非這種條件以外獲得的“視速度”均不等于巖體的速度，而且夾角越大偏差越大。地震反射波方法獲得巖土介質速度是地震反射波射線范圍內巖土介質的“均方根速度”。在反射界面與地表面平行（即夾角為0）時，“均方根速度”與巖土介質的平均速度數值相等，非這種條件以外獲得的“均方根速度”不等于巖土體介質的平均速度，而且夾角越大偏差越大。以上介紹可以得出：欲獲得某段巖體的速度必須滿足地震波的傳播路徑通

12、過該段巖體的條件。針對巖體具有各向異性、非均質、非連續(xù)的特點，欲獲得某段、某方向上巖體的速度必須滿足地震波的傳播路徑通過該段巖體、同時滿足傳播路徑方向相一致的條件。我們設想隧道軸線方向與掌子面前方構造面的幾種狀態(tài)：1軸線方向與構造面走向垂直，構造面傾角變化；2構造面傾角為90，構造面走向變化；3軸線方向與構造面走向不垂直且夾角在360變化；構造面傾角也不為90，而且傾角也在360變化；4多組狀態(tài)3組成的構造面存在。對于狀態(tài)1地震反射波射線在鉛錘面上；對于狀態(tài)2地震反射波射線在水平面上；對于狀態(tài)3、4地震反射波射線構成的平面將會在全空間內分布，不同構造界面的地震反射波射線重疊或者交匯的可能性會降

13、低許多。在實際工作中3、4兩種狀態(tài)應該是經常遇到的狀態(tài)。因此實現掌子面前方巖體速度檢測和計算條件的困難性大為增加。4，對“TSP203”系統提供掌子面前方巖體速度圖等資料的分析圖（1）安伯格公司TSP203系統成果圖上圖為“TSP203”系統提供的掌子面前方巖體的速度圖等資料。圖的上半部分為三項參數的直方圖，由上往下為巖體分段的縱、橫波速度參數值；巖體的分段密度值；巖體的分段動彈性模量值。圖的下半部分為反射界面的分布圖。我們以圖中的反射界面線與隧道里程線的交點為序，統計反射界面與隧道軸線夾角匯總成表，見表1。表1：反射界面統計圖序號1234567891011里程2084209221042108

14、2109211621362152216421842188夾角4575706575808070907080以表1中最后兩個界面的里程和夾角設計模型，根據隧道地震反射波的傳播理論，采用作圖方法，地震反射波的射線路經，見圖（2）。圖（2）隧道地震預報中的射線原理圖圖中：上部為2188里程處構造面，與隧道夾角80，反射段在隧道軸線的投影里程為21812182，其地震射線與隧道夾角1015，反射段偏離隧道距離3237米；下部為2184里程處構造面，與隧道夾角70，反射段在隧道軸線的投影里程為21622165，其地震射線與隧道夾角0，反射段偏離隧道距離4959米。圖（1）中的TSP203處理系統成果圖，利

15、用的上述兩組地震射線方向完全不同、射線路經范圍也不具備重合條件，并且反射段是偏離隧道50多米以外的資料，作為隧道掌子面前方巖體的速度數據是完全沒有道理的。圖（1）中TSP203系統成果圖中的預報距離為96米，如果以構造面距離為150米計算，上述構造界面的反射段偏離隧道為7080米；以構造面距離為200米計算，上述構造界面的反射段偏離隧道為8595米。偏離如此大的距離，而且地震波射線與隧道軸線方向存在著較大的夾角，其地震反射波的“均方根速度”是通過怎樣的計算轉換為分段巖體的速度？其速度值資料代表隧道掌子面前方巖體的速度值，用作隧道前方巖體的彈性波速度分類使用，有多大的準確性呢？上述計算僅利用表（

16、1）中兩組陡傾角的構造界面，如果采用構造界面傾角為計算，隧道掌子面前方米的構造面，其反射段偏離的距離超過米以上。有以上介紹，我們已經明確：利用地震反射波方法預報隧道前方巖體速度起碼應該滿足地震反射波上下行射線覆蓋該段巖體的基本條件，和根據巖體具有各向異性、非均質、非連續(xù)的性質，計算相應地震反射波射測線方向的數據資料的要求。根據我對TSP203系統的了解，我認為目前TSP203系統中尚不具備我對其質疑的功能。至于“TSP203”系統提供的掌子面前方巖體的其他參數值，例如：巖體的分段動彈性參數值，屬于根據其相應的縱波和橫波速度計算而得到的二級參數，其可靠性與上相同，毋庸多說。但是在計算巖體的分段動彈性模量參數的過程中要用到巖體的密度值參數，TSP203處理系統對于該參數的確定是利用彈性波速度，結合巖性來計算確定的。我們知道，在實驗室中利用聲波方法檢測巖石試塊的波速，大量實驗結果表明同種巖性其波