TST技术在岩溶地区隧道超前预报中的应用.docx

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1、TST技术在岩溶地区隧道超前预报中的应用肖启航I谢朝娟2蒋辉3(1西南交通大学土木工程学院成都610031：2.成都理工大学地球科学学院成都6100593.中国科学院地质与地球物理研究所北京IOoO29)摘要：顶效隧道位于岩溶发育地区，地质构造复杂，岩体破碎，对超前预报技术的要求高，风险较大。目前国内外应用的隧道超前预报技术多数都存在着技术缺陷，不能区分不同方向的地震回波，不能准确地确定掌子面前方围岩的波速，不能正确地进行纵横波分离等问题，影响到预报的可靠性和准确性。为了确保施工安全，减少和避免地质灾害发生，顶效隧道超前预报中采用了TST技术。应用结果表明TST技术采用空间阵列系统和速度扫描技

2、术有效地解决了掌子面前方围岩速度分布问题，提高了构造定位精度；应用二维方向滤波技术有效地消除了上下、左右的侧向回波和面波干扰，可靠地提取前方回波用于超前预报，避免了虚报误报，成功地解决了复杂地质条件下的超前预报问题。关键词：隧道地质超前预报，TST技术，速度扫描，二维方向滤波，TSP,TGP,TRTApp1icationofTSTtechniqueontunne1predictioninkarstareaXiaoQihang1,XieChaojuan2,JiangHui3(1.Schoo1ofCivi1Engineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengd

3、u610031,China;2. Schoo1ofGeosciences,Chengdu1igongUniversity,Chengdu,610059,China;3. InstituteofGeo1ogyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)Abstract:DingxiaoTunne1is1ocatedatKarstsareainGuiZhouProvince.Thegeo1ogica1structureisverycomp1icatedandfu11ofcrushingrocks.A11thesebringh

4、ighriskintunne1excavation,anditstunne1geo1ogica1predictionworkfacesgreatdifficu1ty.Current1ytherearesevera1tunne1geo1ogica1predictiontechniques,butmostofthemhavethreemajorissues.First,theydidnotdifferentiatetheechoseismicwavesfromindividua1directions;itassumesa11theseismicwavescomefromthefronttunne1

5、face.Second,theycannotca1cu1atetherockve1ocityinthefronttunne1face.Third,theycannotseparatePwaveandSwavecorrect1y.Sotheresu1tcannotbeaccurateandre1iabi1ity.Forsafetyandefficiency,anewtunne1geo1ogica1predictiontechnique,TST(Tunne1SeismicTomography)isadoptedinDingXiaotunne1.TSTuti1izesspatia1observati

6、on,F-Kfi1teringandve1ocityscantechniqueswhichso1veda11theissuesindicatedabove.Thefunctionofspatia1observationandve1ocityscaninTSTgivespreciseve1ocityana1yzingandenab1edaccurategeo1ogica1structure1ocating.TheF-Kfi1teringfunctionofTSTgetsridofthesurfacewaveandsidewiseechowave,on1yusesthewavecomingback

7、fromfront.Keywords:tunne1geo1ogica1prediction,TST,ve1ocityana1ysis,F-Kfi1ter,TSRTGP,TRT.1顶效隧道的工程地质条件和对超前的预报要求顶效隧道位于汕头-昆明国道高速贵州段内，长2380m,最大埋深240m,最小埋深约28m。隧道区处于贵州西南部边缘向广西丘陵过渡的斜坡地带，整个地势向马岭河河谷倾斜,为高原中、低山构造侵蚀-溶蚀型峰丛地貌。隧道区地层复杂，区域出露的地层为三叠系中、下统地层。其下统地层包括泥质粉砂岩、钙质泥岩、灰岩与白云质灰岩，中统地层包括泥灰岩与粉砂质泥岩、粘土岩、白云岩和灰岩；隧道穿越的地层主

8、要有泥质粉砂岩、灰岩和白云岩，属于硬质岩石和可溶岩。隧道围岩的工程类别主要以IV级为主，变化范围在IV级之间。本次超前预报位置在顶效隧道左幅入口段，掌子面里程K81+926,向前方预报100150m,预报里程ZK81+926ZK82+0760隧道设计阶段提供的地质剖面见图1。该段隧道埋深34.156.0米，属于浅埋隧道。隧道穿过中、弱风化泥质粉砂岩、灰岩夹层，岩体破碎,呈碎裂结构。岩体完整性系数Kv=0.24,岩石单轴饱和抗压强度Rc=23MPa,围岩基本质量指标BQ=219对超前预报的要求是探明隧道掌子面前方断层及影响带、软弱岩层的分布、节理裂隙发育带、涌突水、突泥情况、空洞情况，判定不良地

9、质体的位置、形式、规模及岩体的工程类别，预测对施工的影响，提出合理处治建议。图1顶效隧道地质剖面Fig1.Geo1ogicSectionofDingxiaoTunne12隧道超前预报技术的比较与选择目前国内外应用的隧道超前预报技术有陆地声纳、负视速度法、HSP水平剖面法、TSP、TGP、TRT和TST等。早在2003年钟世航就对TSP技术存在的问题做过分析，2008年赵永贵等指出了TSP不能准确地确定掌子面前方围岩波速的技术缺陷，2009年赵永贵等川又在中国地球物理年会上发表文章，对目前流行的超前预报方法从理论上进行了分析，指出目前这些技术多数存在着严重的技术缺陷，并对不能区分不同方向回波、不

10、能确定围岩波速、不能正确进行纵横波分离等三个普遍存在的问题进行了重点分析，其主要观点对于本项研究的方法选择有很好的借鉴作用。首先，目前应用的超前预报技术包括TSP、TGP和TRT等对观测到的不同方向的回波不加区别，完全当成前方回波进行偏移成像处理，这势必造成虚报和误报，给超前预报带来巨大风险。隧道内的地震观测与地表观测不同，地震回波来至前后、上下、左右各个方向，特别是浅埋隧道地表的反射比前方地质构造的反射还要强。在进行超前预报时应该首先滤除上下、左右的侧向波和隧道面波、直达波，只保留学子面前方的回波，才能保证超前预报的真实性和可靠性，避免虚报误报。其次，TSP.TGP技术采用的是一维观测方式，

11、得到的只是零偏移距数据。零偏移距数据在理论上是无法确定掌子面前方围岩速度分布的。TRT技术虽然采用空间观测系统，但是没有波速分析功能,在偏移图像处理中需要人为设定围岩波速参数,这一作法缺乏客观性,在构造复杂地区将导致预报位置较大偏差。由于这些技术不能准确地确定围岩波速，造成构造定位不准确，围岩工程类别划分缺乏依据。最后，TSP和TGP技术在纵横波分离时简单地将轴向分量取为纵波，横向分量取为横波，这一作法不符合波动传播的基本原理，得不到真正的纵波和横波。实际上每个分量的记录都不是简单的纵波和横波，包含着不同方向、不同类型的回波。任一方向传播的纵波和与之垂直方向传播的横波在记录中是叠加在一起的，要

12、进行纵横波分离，正确的作法是首先必须进行方向滤波，首先滤除侧向传播的回波，仅保留前方回波，然后才可以依据波的极化方向，提取相应的记录分量，将纵横波进行分离。TSP和TGP技术在纵横波分离中存在的问题是没有事先进行波场分离,没有滤除横向回波,因而分离的结果得不到真正的纵波和横波，依据这种分离所作的超前预报结果缺乏真实性。上述分析无疑使隧道超前预报技术的研究深入一步。从中可以看出，在构造复杂地区、浅埋隧道、海底隧道和煤矿等侧向反射强烈的地区，超前预报技术误报的概率很大，必须认真解决。目前只有TST(Tunne1SeismicTomography)超前预报技术率先解决了上述三个难题，弥补了国内外超前

13、预报的技术缺陷。因此，对于顶效隧道这样地质条件复杂，岩溶发育的隧道浅埋地段的超前预报选用了TST技术。TST技术的核心技术包括空间阵列观测方式、地下波场的方向滤波和回波提取、围岩波速的扫描分析、地质结构的偏移成像等内容。其中围岩波速分析、三维波场的方向滤波等方面的研究在国内外处于领先地位。TST技术提供的预报结果包含构造偏移图像和围岩波速分布两部分，相互印证，便于构造分析和围岩类别划分等综合地质解释。本文结合顶效隧道的预报实践，介绍其主要技术要点及预报结果。3TST的空间阵列观测方式与顶效隧道的观测布置TST隧道超前预报技术的观测方式是根据围岩波速分析和波场方向滤波的技术要求设计的。根据围岩波

14、速分析的要求，观测布置应尽量扩大横向展布，检波器和炮点沿隧道两侧壁布置，两侧壁检波器间的横向距离应尽量大，至少大于预报长度的十分之一。如果期望预报长度达到100200m,则两侧检波器间的横向距离应大于10-20mo如果横向距离不够大，则预报的距离相应减小。根据波场方向滤波的要求，为保证有效地识别不同方向的回波，滤除侧向回波和面波，观测系统沿隧道侧壁布置的纵向排列的长度要大于2-3个波长，检波器的间距应小于1/4波长。超前预报中使用的地震主频在100-30OHZ范围，围岩波速在2.050kms之间，地震波长为20-40m.据此检波器间距应设计为4-6m,沿隧道侧壁布置的排列长度设计为40-60m

15、,构成一个空间阵列观测系统。根据TST技术的上述要求，顶效隧道超前预报的现场采集布置如图2。检波器12个,布置在两侧岩壁内，每侧6个，间距4.0m,埋深1.82.0m;爆炸震源6个，布置在两侧岩壁内，每侧3个,每侧第1个炮孔距最近检波器4米，其余2个间距24m,埋深1.82.0m,炸药量450g。成孔采用(p60风钻成孔，单发亳秒雷管，采用启爆器控制启爆。采用炮泥耦合和封堵。检波器靠近掌子面，炮点远离学子面。一M1一J图2顶效隧道TST观测系统现场布置Fig.2TSTobservationarrangementinDingxiaoTunne14三维波场的方向滤波与前方回波的提取隧道内记录的是三

16、维波场，回波来至四面八方，地段波类型复杂，有纵波、横波、面波、转换波等，每一个方向检波器的记录都包含着平行方向传播的纵波和垂直方向传播的横波。超前预报需要的是从前方返回的纵波和横波，因而在资料处理中首先要进行波场分离，滤除直达波、隧道面波、侧向回波等各种干扰波，仅保留前方的回波。在波场分离后才能对前方回波进行纵横波分离和偏移成像。仅依靠单点记录的动力特性将前方回波分离出来是不可能的，必须借助二维方向滤波技术。TST采用F-K方向滤波技术进行波场分离。通过F-K变换、选择滤波因子和反变换等三个步骤实现波场分离。F-K方向滤波是利用不同方向回波的视波速不同（图3）,侧向回波视速度大，在F-K平面中占据上下三角区；面波视速度小，占据左右三角区，直达波视速度为正，占据1、3象限中部分布三角区；前方回波视速度为负，占据2、4象限中部三角区。据此可以选择滤波因子，将保留的区域选为1,滤除的区域设为零