TSP探測在超前地質預報中存在的問題及解決方法

TSP探測在超前地質預報中存在的問題及解決方法摘要準確預報開挖前方的地質條件是隧道建設者們的迫切要求。近幾十年來世界各國都把這類問題列為重點的研究課題。準確而有效的超前地質預報工作，不僅可為施工單位節(jié)約大量成本，加快施工進度，更重要的是提高隧道工程的施工質量，所以隧道施工中超前地質預報應用也越來越廣泛。本論文首先簡單介紹了TSP探測技術的基本原理。其次，簡單分析了一下TSP探測在使用過程中存在的問題和對如何提高探測的準確度。最后，針對TSP探測存在的問題，提出解決方法。其中重點總結突出TSP探測在隧道、涵洞等施工中的重要性。超前地質預報能使施工單位準確、全面地掌握隧道開挖山體的地質情況，對超前地質預報一定要準確進行。超前地質預報能是施工單位確定施工方案，選擇施工工藝，確定襯砌類型，開挖方式，爆破方式等。超前地質預報是施工的指南針，TSP探測是超前地質預報的指路明燈。關鍵詞：關鍵詞：TSP探測誤差雷達地震波隧道超前炮孔地質ABSTRACTAccuratelyforecastthegeologicalconditioninfrontoftheexcavationistheurgentrequestoftunnelbuilders.AIIcountriesintheworldinrecentdecadestosuchproblemsastheresearchsubject.Accurateandeffectiveadvaneegeologicalforecastwork,notonlycansavealotofcostforconstructionunit,tospeeduptheconstructionprogress,moreimportantistoimprovethequalityoftunnelengineeringconstruction,soadvaneegeologicalforecastintunnelconstructionisbecomingmoreandmorewidelyapplied.ThispaperfirstbrieflyintroducesthebasicprincipleofTSPdetectiontechnology.Secondly,asimpleanalysisoftheTSPexplorationontheproblemsexistingintheuseprocessandhowtoimprovetheaccuracyofdetection.Finally,aimingattheexistingproblemoftheTSPexploration,andputforwardsolutions.HighlighttheTSPdetectingwhichemphaticallysummarizedimportaneeinconstructionofthetunnel,culvert,etc.Advaneegeologicalforecastcanmaketheconstructionunitaccuratelyandcomprehensivelygraspthegeologicalsituationofmountaintunnelexcavation,toadvaneegeologicalforecastmustbeaccurate.Canadvaneegeologicalforecastistheconstructionunittodetermineeonstructionscheme,eonstructiontechnology,determinetheliningtype,excavationmethod,blastingmethodsandsoon.Advaneedgeologicalpredictionistheeonstructionofthecompass,theTSPdetectingisthebeacontoadvaneegeologicalforecast.KeyWords：tunnel-seismic-predictionerrorradarseismic-wavetunnellook-aheadholegeology摘要目錄錯誤！未定義書簽。緒論一、 TSP探測儀工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀二、 TSP探測在超前地質預報中的未來前景2.1從TSP的探測經濟效益分析：直接經濟效益間接經濟效益應用前景三、 TSP探測在超前地質預報中的重要性四、 TSP探測在超前地質預報中的優(yōu)勢和不足4.1TSP探測在超前地質預報中的優(yōu)勢4.2TSP探測的在超前地質預報中的不足五、 TSP超前地質預報的誤差原因及減小誤差的方法5.1預報誤差原因分析5.1.1原始數(shù)據(jù)5.1.2信號質量差的原因分析5.1.3炮孔深度、方位角、角度、高度和間距測量不準確的原因5.1.4軟件處理過程的參數(shù)選擇不恰當5.1.5隧道整體和現(xiàn)場地質情況了解、觀察不夠1010io10io5.1.6地質知識缺乏，造成對處理結果的判譯錯誤5.1.7其他5.2避免（減小）誤差的對策521原始數(shù)據(jù)522軟件處理5.2.3其他ioioiiii12121212六、 個人在工作中對TSP探測的一些不成熟的建議七、 小結緒論一、 TSP探測儀工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀該系統(tǒng)作為物探方法的一種，其基本原理就是利用人造地震波的反射原理，通過儀器接收地震波，通過專業(yè)軟件對接收到的地震波進行分析、整理、判譯等一系列工作，最后得出報告，對隧道開挖施工提供有效、準確的預報方案，在此不再贅述。該系統(tǒng)由瑞士安伯格公司開發(fā)研制，自1994年進入地下工程建筑市場，在意大利、法國等多個國家得到應用。1996年進入中國市場，在公路、鐵路隧道施工中得到較為廣泛的應用，其效果得到較高程度的認可。目前，其型號有1994年的TSP202、2001年的TSP203、2004年的TSPplus(增強型)發(fā)展到2006年7月推出的TSP200型。其軟件的處理功能和儀器的便攜性有了較大的提高。且在隧道施工中應用也較為方便、容易。對我們預報人員來說十分的方便。二、 TSP探測在超前地質預報中的未來前景TSP探測在現(xiàn)在各種工作中都有體現(xiàn)，已經大范圍使用和普及， TSP存在的漏洞和不足也在一點點的完善，越來越人性化，使我們在使用過程中越來越方便，對前方圍巖的判譯越來越準確。2.1從TSP的探測經濟效益分析：直接經濟效益(1)查明地質情況，使施工單位在正常區(qū)段內可以放心大膽地掘進，在異常區(qū)段內則要小心謹慎，這樣，既可以減少事故，又可以極大地提高掘進速度，保證工期，從而提高經濟效益。(2)有目標地在異常區(qū)段內進行超前處理并加強初期支護，能有效地減少和避免地質災害。因而，就能減少材料耗損、設備損壞等造成的經濟損失。間接經濟效益主要是減少和避免人員傷亡、延誤工期造成的巨大經濟損失。據(jù)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，應用 TSP探測，創(chuàng)造的直接、間接經濟效益一般可達工程總投資的 20%。應用前景TSP探測已在我國取得了可喜的成果，得到了施工單位的認可和信賴。應用的范圍也由鐵路、 公路隧道的經濟效益。這種觀點將逐步被國內各施工單位所認知，成為大家的共識。因此，TSP探測在我國的應用前景十分廣闊。擴展到水電系統(tǒng)的隧洞，直至煤炭系統(tǒng)的井下斷層探測。 TSP探測在各種地下工程施工中，可以取得巨大三、TSP探測在超前地質預報中的重要性隧道施工中地質超前預報的重要性已得到越來越廣泛的認同，自從 TSP探測技術問世以來，在全球數(shù)千個隧道工地做過TSP探測，TSP探測技術已成為保證隧道施工安全和工程質量的重要手段，并在許多隧道施工中作為一項施工工序。采用TSP探測技術能大大減少施工中的盲目性，減少事故發(fā)生率，從而降低工程投資，縮短工期。目前，TSP探測技術已經成為瑞士等國家眾多隧道工程施工中的必不可少的地址超前預報手段。通常情況下每掘進100-200m就做一次TSP探測，與超前探孔法等相比這種探測方法的突出優(yōu)點是測量結果的信息量大，預報范圍廣，測量本身成本低。在使用掘進機施工的隧道標段， TSP超前預報測量還是唯一切實有效的測量手段，因為掘進機施工時的日進尺有事高達 20多米，超前預報的范圍只有數(shù)倍于掘進機的日進尺這種測量才顯得有意義。常規(guī)的鉆孔測量法因需要較大的設備布置空間、且效率低、時間長和影響掘進機施工不適合掘進機施工條件下的地址超前預報。中國目前正在進行大規(guī)模的鐵路、公路和水電工程建設，需要修建大量的隧洞和洞石，而 TSP作為一項隧道長距離的探測技術，將在減少和消除隧道施工塌方方面發(fā)揮巨大作用。TSP探測是超前地質預報中的指路明燈， 由此可以看出，TSP探測在隧洞施工中的地位是多么重要， 我們應該加強對TSP探測的技術學習，熟練掌握TSP探測的各項數(shù)據(jù)和分析過程，能準確的判譯出隧洞前方的地質情況，為隧洞的施工提供可靠地依據(jù)。四、 TSP探測在超前地質預報中的優(yōu)勢和不足4.1TSP探測在超前地質預報中的優(yōu)勢TSP超前地質預報系統(tǒng)是專門為隧洞和地下工程超前地質預報研制開發(fā)的，目前世界上在這個領域較先進的設備，它具有以下特點：使用范圍廣：適用于極軟巖和極硬巖的任何地質情況。 它是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報隧道掌子面前方及周圍鄰近區(qū)域的地質情況。預報距離長：能準確的預報掌子面前方100-250m范圍內的地質狀況，圍巖越完整預報長度越大。(3)對隧道施工干擾?。核稍谒淼朗┕らg隙進行，即使專門安排此項工作，也不過一個小時左右。它的接收器和炮眼不是在掌子面上，而是在掌子面附近的邊墻上，施工接收器孔和爆破孔是不影響正常隧道掘進，只是在接收信號時為減少噪音干擾做短暫停工。(4)提交資料及時：在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的24小時內即可提交正式成果報告。該系統(tǒng)設計了一套專用處理軟件，通過分析就可得出前方圍巖是否有斷層破碎帶、軟弱夾層、隱藏水體和其他不良地質體相對于隧道的空間位置及圍巖的力學特性參數(shù)表。由于上述特點， TSP系統(tǒng)已被廣泛使用，以避免隧道施工中的盲目性帶來的地質災害。在隧洞的超前地質預報中，有很多種方法。如：地質雷達、水平鉆探、紅外探水、及TSP探測等。在居多方法中，TSP探測顯示出了其強大的優(yōu)勢。具體情況如下對比表所示。探測方法TSP探測地質雷達探測水平取芯鉆探探測探測范圍100-250m<50m<100m工作區(qū)域遠離掌子面掌子面掌子面現(xiàn)場探測所需時間1-1.5小時1.5小時120小時巖石力學性質信息判譯資料顯示不顯示實驗得岀參加人數(shù)2-4人3-45-10技術人員要求專業(yè)人員專家人員地質專家TSP探測、地質雷達、水平鉆探現(xiàn)場施工對比表4.2TSP探測的在超前地質預報中的不足：（1）比較容易受外界環(huán)境的干擾： TSP探測是靠接受人造地震波數(shù)據(jù)的，因此在工作范圍內一定要保持工作環(huán)境的安靜，以便于采集的信息比較真實準確。（2） 需要用炸藥來制造地震波具有一定的危險性：在采集數(shù)據(jù)的過程中不能有人和機械在我們的工作范圍內，以便于我們能盡快的采集，避免耽誤施工掘進。（3）不能直觀的顯示前方的地質情況： TSP探測是通過地震波等一系列數(shù)據(jù)對前方圍巖進行判譯的，通過專業(yè)軟件對前方一定范圍內的圍巖進行判譯。（4）需要施工單位的配合：施工單位需要按照 TSP技術交底的要求來布置測線和炮孔，炮眼的傾角是上揚的，方便封堵；接收器的孔是下伏的，保證接收器孔內無水，以便于接收器和圍巖緊密耦合。五、TSP 超前地質預報的誤差原因及減小誤差的方法預報誤差原因分析原始數(shù)據(jù)可靠、良好的原始數(shù)據(jù)是得到正確預報結果的堅實基礎，也使后續(xù)軟件處理變得簡單、容易。這是基本操作的關鍵之5.1.2信號質量差的原因分析1）炸藥量過大或過小，導致信號超幅或太弱。圖1為某隧道采集的原始信號，信號太弱，其原因是圍巖為全風化基巖，藥量太少（50g）。-k2…^LliIIITLtTTTII^*TTTIIITTTTTIUIH1」UIH1」圖1某隧道原始信號2）洞內施工機械噪聲過大，造成干擾信號太強。

--匸--匸w邑二童：芒-二石二UIFE:芒二芝匕二&■一二圧」■七二￡?￡=?；芒.;一￡二匸二匕-LII:Lz2*盡護零卻44**圖2某隧道原始數(shù)據(jù)隧道本身噪音過大，如：大量用水時，造成干擾信號太強。電雷管存放時間太長、受潮或本身制造因素，造成不同炮點爆破延時不一致，圖 3即為此情況,第1炮未響，記錄為洞內涌水或其他噪音干擾信號，第 12、13、19炮明顯延時。多數(shù)炮不同程度延時。像這樣的信號處理是困難的，預報結果的準確性也是大大折扣的。圖3某隧道原始數(shù)據(jù)裝藥深度過淺或炸藥掉入初期支護和圍巖中間的空洞，產生大量無用的面波信號，且無法過濾造成有用信號和無用信號大量混淆。（6）傳感器耦合不好或炮眼封堵不好，能量消耗在產生大量的干擾信號上，且有用信號微弱。圖為傳感器耦合不好時的信號記錄。[II[IIzr 圖4傳感器耦合不好時接受到的信號5?1?3炮孔深度、方位角、角度、高度和間距測量不準確的原因5?1?3其原因主要是沒有認真測量或沒有測量，直接按照交底要求填寫。從理論上講，一是我們需要確定爆破點真正位置，即裝藥深度而非炮眼深度，兩者在裝藥到位時是一致的，在裝藥不到位時是不同的。二是炮孔參數(shù)的準確與否直接影響到軟件處理結果推測的每一不良地質界面位置的準確與否。從測量原理上，后視距離（即炮孔到傳感器的距離）本來就短，再加上炮孔參數(shù)測量的較大誤差，勢必造成前視距離（即軟件計算的不良地址界面位置）的更大誤差。三是軟件處理本來就是 24炮數(shù)據(jù)的回歸處理，如果大量炮孔的數(shù)據(jù)失真，回歸結果（即推測的不良地質界面位置）必然是不正確的。5?1?4 軟件處理過程的參數(shù)選擇不恰當（1） 數(shù)據(jù)長度選取過短或太長。過短造成數(shù)據(jù)量不夠，太長造成無用、干擾信號也大量進入軟件處理，同時造成處理時間延長。（2）初始噪聲信號的消除（零切除）不合理。如較大數(shù)值的零切除，雖然使初始噪聲信號全部充零，但會對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理造成較大不利影響。（3） 帶通濾潑參數(shù)設置不恰當，會對后續(xù)處理和最終結果造成很大影響。這一步的目的是根據(jù)信號頻率將信號加以約束，使有用的信號從噪聲中分離出來，消除噪聲信號。這也是比較關鍵的一步。（4） 初至拾取在信號質量不高時易產生定位困難或錯誤， 從而導致最終結論的不準確或錯誤 （圖5）。,12-■A*（11V：iIilii'l■i■iiii1iiiliillii■'11 ■i111ili■iII nl iiilliiin■*!i.IlliIIIIlliIlliIII''liiiiiii1 ■■iIiill■iillillii山 iiiiiii1圖5某隧道信號拾?。?）道切除的不合理，對最終結果有較大影響（見案例 1）。道切除的目的在于使回歸計算的波速更加符合巖石開挖的真實情況。5.1.5隧道整體和現(xiàn)場地質情況了解、觀察不夠此方法本身就是以工作面地質情況為參考面，推斷前方地質情況的相對好壞、含水等情況。當軟件處理結果與開挖段地質情況不符時，說明參數(shù)選擇等數(shù)據(jù)處理不恰當。5.1.6地質知識缺乏，造成對處理結果的判譯錯誤由于操作者非地質專業(yè)人員等原因，對地質方面的規(guī)律、專業(yè)知識掌握不夠，對軟件處理結果作出了違反地質規(guī)律的判譯。5.1.7其他儀器的設計模型和儀器系統(tǒng)誤差不予分析考慮避免（減?。┱`差的對策針對以上主要影響因素，對應采取以下措施以消除或減小誤差，提高預報的準確性。5.2.1原始數(shù)據(jù)（1）提高信號質量根據(jù)隧道圍巖的堅硬程度等情況，確定合適的炸藥量。一般情況下，圍巖堅硬、完整，用量在40-75g；圍巖軟軟、破碎或松散，用量在80-200g；靠近工作面，用量宜稍大；靠近傳感器，用量宜稍小。其用量也與檢波器到傳感器的距離有著很大的關系。沒有經驗時最好試一炮。(2)開始放炮時，附近施工機械暫時停工。(3)隧道本身噪聲過大時，適當加大藥量，以壓制其信號。(4)更換雷管。采用PVC管護孔等辦法，保證裝藥深度和不掉入初期支護與圍巖之間的空洞。(6)當用水封堵炮眼困難時(如炮眼傾角向上或近水平)，可用炮泥或浸泡的錨固劑封堵到底。(7)認真測量、記錄檢波器孔、炮孔的空間位置、距離等數(shù)據(jù)。5.2.2軟件處理(1)選擇合適的數(shù)據(jù)長度可按以下經驗公式計算，得到從接收點算起所需的最大探測范圍的數(shù)據(jù)長度：數(shù)據(jù)長度=(探測范圍X2X2.5)-Vp,式中vp表示縱波的平均速度，2表示往返傳播時間，2.5表示考慮速度變化和橫波較慢的安全因數(shù)。相對準確的Vp值可以通過以下步驟取得：先假定一數(shù)據(jù)長度 (如200ms),運行TSPwin軟件至第三步：初至拾取，進行必要的簡單處理，即可得到。有了相對準確的 Vp值，自己確定的探測距離，用上式即可計算出合適的數(shù)據(jù)長度。然后置換先前的假定數(shù)據(jù)長度,重新開始軟件處理。(2)適當?shù)牧闱谐x擇存在的類似地震信號的尖脈沖值充零即可,剩余的一小部分噪聲信號對后續(xù)處理影響較小。(3)合適的帶通濾波范圍如果原始信號質量好,采用軟件自身計算值即可得到較好的濾波效果；如果原始信號質量差,則應調整濾波范圍,使信號初至拾取基本正確。這需要掌握較多的物探知識。(4)初至拾取信號質量不高時需人工手動拾取。不好把握時,可多處理幾次,選擇符合現(xiàn)場實際的最終結果。5.2.3其他(1)加強對隧道整體(檢波器至工作面的邊墻、拱頂)和現(xiàn)場地質情況(地層巖性、產狀、完整性、節(jié)理、構造、地下水等)的詳細了解、觀察、記錄、找出特征。最終二維處理結果中已開挖段符合現(xiàn)場實際情況時,其預報地段的推測結果應該是合理、正確的。(2)加強地質知識的學習與補充,對處理結果是否正確作出判斷,并作出合理的解釋。(3)跟蹤、驗證預報結果,根據(jù)實際情況對數(shù)據(jù)進行重新處理,積累經驗,分析原因,提高數(shù)據(jù)處理能力和預報的準確性六、個人在工作中對TSP探測的一些不成熟的建議為此，結合隧道施工的特點，對我國的隧道施工承包商，提出一些不成熟的看法及建議：(1)加強隧道技術人員基礎地質知識的培訓，以達到能勝任。①正確分析地層巖性②準確的推測判斷斷層、軟弱結構面的出露及對施工的影響③熟練使用地質羅盤等工具對巖層層理、構造節(jié)理的產狀要素進行量測④熟悉地質巖土標本的采集、編號及保管工作⑤熟悉地質資料的填報（2）除了日常項目的量測工作由各隧道項目自行負責外，承包商應加大這方面的投入，購置先進的量測儀器，成立專門的超前地質預報小組，負責本公司各條隧道的地質工作。（3）在隧道的設計中，由于工作條件或工作時間等因素，勘察院提交的隧道設計圖往往達不到精度要求，有些主要的不良地質體沒有被發(fā)現(xiàn)，從而給隧道施工帶來了極大的困難。同時在簡單的隧道的工程地質情況的基礎上，施工單位在施工過程中也很少進行細致的地質力學分析，多數(shù)施工單位也缺少專門的地質技術人員，這就給施工造成了極大的難度，事故也就在所難免了。地質力學雖然是我國土生土長的一門學科，曾經在探礦、采油的多方面做出了卓越的貢獻。地質力學分析和隧道超前地質預報是隧道科學施工的必然產物，是安全、快速施工的要求。石家莊鐵道學院橋隧地質技術所首先將地質力學和隧道施工地質技術相結合并應用于隧道施工超前地質預報，并取得了初步成果，在地質力學應用于宏觀超前地質預報基礎上的同時，并采用多種預報手段，對隧道進行全面的超前地質預報。（4）地質力學和構造體系的分析方法。地質力學不但提出了構造體系感念，而且，經過長期的地質實踐總結出了鑒別、確定、分析、優(yōu)化構造體系的一套系統(tǒng)分析方法。這一方法就是被稱為地質力學基本方法的三個組成部分：構造體系的鑒定方法、力學分析方法和模擬實驗方法，此外還總結出體現(xiàn)這三個組成部分的基本工作的“七個步驟”。鑒定每一構造形跡、構造要素的力學性質，辨別構造形跡的序次，按序次查明同一斷裂面力學性質可轉變的過程。明確構造體系的存在和范圍。劃分巨型構造帶，鑒定構造形式，分析聯(lián)合和復合的構造體系，探討巖石的力學性質和各類型構造體系應力活動方式做相應模擬實驗。（5）要求預報準確、距離長是大家共同的追求，要完全做到這一點是非常困難的，也是不現(xiàn)實的，這與地質條件的復雜性、物探結果的多解性、操作者的經驗、儀器的發(fā)展以及費用投入的多少等息息相關?？傮w來說，按照儀器要求來操作，TSP系統(tǒng)較其他物探設備還是具有相當?shù)膬?yōu)勢，其預報結果的準確性還是相當高的，且預報距離較長，能夠