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1、隧道地质超前预报中的关键技术,蒋 辉 北京同度工程物探技术有限公司 技术部经理 中国科学院地质与地球物理研究所 博士后,隧道地质超前预报方法概述 关键技术I：逆散射偏移成像 关键技术II：方向滤波 关键技术III：速度分析 TST系统及应用实例,目 录,一、隧道地质超前预报方法概述,1、我国隧道数量巨大，施工事故频发,铁路+公路：8600多座， 4370多公里，世界第一 -交通部，2002年统计,2006-2008年铁路隧道施工中：17次事故， 42人死亡 -现代隧道技术,2010,2004-2008年全国共发生隧道事故：24次， 76人死亡 -中国安全科学学报，2010，引用安监总局数据,岩
2、溶,坍塌,TBM 卡机,突水,一、隧道地质超前预报方法概述,1、我国隧道数量巨大，施工事故频发,裂缝,山体开裂,1、我国隧道数量巨大，施工事故频发,一、隧道地质超前预报方法概述,施工中的隧道地质超前预报是十分必要的,2、隧道地质超前预报方法概述,一、隧道地质超前预报方法概述,2、隧道地质超前预报方法概述,地质类方法,地球物理方法：电磁类,一、隧道地质超前预报方法概述,2、隧道地质超前预报方法概述,地球物理方法：地震法,TST法实例,其他：红外探水 ,一、隧道地质超前预报方法概述,以地震法为主，雷达辅助； 地震法：负视速度HSP TSP/TGP TRT TST； 漏报、误报依然很多，宜万线、翔安
3、海底隧道 ,2、隧道地质超前预报方法概述,-地球物理学进展2006,Vol.21.No.4,一、隧道地质超前预报方法概述,观测条件导致反射理论不适用； 波场中存在各种不同性质的波，对超前预报形成较大干扰； 回波来自四面八方，将前方回波“淹没”； 横向偏移距过小，前方围岩波速求取困难；,3、隧道地震波场特点,一、隧道地质超前预报方法概述,分辨率过低，漏报,误报,漏报，误报,定位精度低,？,弹性波理论中目标体尺度D与波长关系：,地震波长约15米至40米,反射法分辨率百米左右,二、关键技术I：逆散射偏移成像,1、反射模型不适用,（1）观测条件不满足,（2）分辨率不满足,反射法产生病态解 -（常旭，地
4、球物理学报，2006,Vol49,No.5）,1、反射模型不适用,二、关键技术I：逆散射偏移成像,2、反射法只能预报大尺度、正交的异常体,水平剖面法(HSP),负视速度法,根据走时曲线计算，反射模型， 对大尺度、正交异常体有一定效果,观测方式,观测方式,计算模型,计算模型,二、关键技术I：逆散射偏移成像,TSP202，根据走时反算反射面位置,TSP203/TGP，基于反射模型偏移成像,TSP/TGP模型,对大尺度、正交异常体有一定效果，易漏报，分辨率低,二、关键技术I：逆散射偏移成像,2、反射法只能预报大尺度、正交的异常体,3、TST用散射模型替代反射模型,二、关键技术I：逆散射偏移成像,反射
5、模型,散射模型,3、反射模型和散射模型的不同,P(A),反射模型,2,中心点,二、关键技术I：逆散射偏移成像,B,C,P(B),P(B),波动方程,可得异常分布函数为,3、TST逆散射求解,二、关键技术I：逆散射偏移成像,3、TST逆散射求解,散射模型分辨率为波长1/2至1/3，地震波长约15米至40米，因此TST分辨率10米左右,二、关键技术I：逆散射偏移成像,以发射点、接收点为焦点，走时与速度乘积为路径长度画椭球面，概率高的为反射面。,3、逆散射求解首先要解决方向滤波与速度分析的问题,TRT，空间观测，逆散射概率成像,基于散射模型，分辨率高于负视速度、HSP、TSP/TGP，与TST相当；
6、 但方向滤波、速度分析的问题没有解决，误报较多；,二、关键技术I：逆散射偏移成像,1、隧道地震波场中，“杂波”占据主导地位,“杂波”来源1：不同性质的波，尤其是面波,TST单炮原始记录,TSP单炮原始记录,三、关键技术II：波场分离,1、隧道地震波场中，“杂波”占据主导地位,“杂波”来源1：不同性质的波,三、关键技术II：波场分离,1、隧道地震波场中，“杂波”占据主导地位,“杂波”来源1：不同性质的波,三、关键技术II：波场分离,1、隧道地震波场中，“杂波”占据主导地位,“杂波”来源1：不同性质的波,转换波,三、关键技术II：波场分离,1、隧道地震波场中，“杂波”占据主导地位,“杂波”来源1：
7、不同性质的波,数值模拟隧道地震波场,三、关键技术II：波场分离,1、隧道地震波场中，“杂波”占据主导地位,“杂波”来源2：不同方向的波,三、关键技术II：波场分离,t,t,直达波,侧向回波,后方回波,顶板回波,前 方 回 波,面波,2、如何辨别“杂波”,三、关键技术II：波场分离,结论：前方回波在视速度的方向与绝对值上，均与其他方向回波有显著差异,2、如何辨别“杂波”,三、关键技术II：波场分离,视速度的计算,二维FFT变换,滤波器,3、方向滤波计算模型,三、关键技术II：波场分离,滤波后只保留视速度较低的部分,4、验证,理论模型,三、关键技术II：波场分离,5、不能方向滤波是误报产生的根源,
8、负视速度法的空间采样点过少，无法实现方向滤波。,TRT的观测方案无法实现方向滤波。,只有TST技术解决了方向滤波问题,三、关键技术II：波场分离,泊松比=(VP2-2VS2)/2(VP2-VS2) TSP/TGP认为检波器的不同分量代表着纵波、横波；,6、 TSP/TGP系统中的纵横波分离-偷换概念,三、关键技术II：波场分离,1、波速对定位的影响至关重要,隧道中观测空间狭小，横向展布对速度分析十分重要,四、关键技术III：波速分析,x,Hx,Lx,V2,V1,接收点1,激发点,x1,0,ts,tx1,tr,tr,可看做VSP测井，可以测定侧壁波速， 但无法确定孔底（前方）波速,掌子面,断层界
9、面,T=ts+2*tr+tx,2、无横向展布情况下，波速分析无法进行,四、关键技术III：波速分析,3、TST波速分析叠加能量最大化法,增加横向偏移距，改线性观测为空间观测； 改解析方法为求最优值方法，不必读取同相轴； 当预报区的扫描速度接近围岩的真实速度时，偏移图像能量最大；,当 时，V为最优速度,四、关键技术III：波速分析,3、TST波速分析叠加能量最大化法,四、关键技术III：波速分析,3、TST波速分析叠加能量最大化法,四、关键技术III：波速分析,TSP/TGP等用侧壁围岩波速替代前方围岩波速，是不严谨的， 也是其经常误报的原因之一。,4、波速分析对观测方案的要求,四、关键技术II
10、I：波速分析,（1）TST波速分析要求观测方案为二维阵列式,（2）其他方法无波速分析,TST：(Tunnel Seismic Tomography) 是在完备的隧道地质超前预报理论指导下开发的系统,核心问题,方法表现,预报距离：150米； 位置误差：10%; 分辨率： 10米；,五、TST系统,五、TST系统-标准硬件配置,数据线缆,可重复使用的安装工具,触发线,五、TST系统-标准硬件配置,逆散射模型要求：高采样率、高分辨率、道数多,最高48Khz采样 尺度越小，频率越高 24位A/D 224 24通道 ,五、TST系统-标准硬件配置,前方回波微弱，为此需要灵敏度高、抗干扰性强、频带宽的检波
11、器,15支单分量,10支三分量,或,SmartSeis地震仪,Geode地震仪,重庆地质仪器厂地震仪,骄鹏地震仪,五、TST系统-非标准配置,（1）工程地震仪可替换,配置原则：24位A/D，通道数 24，采样频率10Khz（采样间隔10微秒）,五、TST系统-非标准配置,（2）基于TST模型改造TSP系统,TSP硬件,+,TST观测方案,+,TST分析软件,五、TST系统-观测方案,TST单分量观测方案,埋入围岩， 避免面波影响,空间采样间隔1/4波长， 满足方向滤波要求,二维阵列式观测，具有横向展布， 满足速度分析要求,空间观测总长度大于3个波长， 满足方向滤波要求,五、TST系统-观测方案
12、,TST三分量观测方案,检波点减少，炮点增加，以满足方向滤波需要,五、TST系统-分析软件,步骤1/5、参数设置,五、TST系统-分析软件,步骤2/5 、信号预处理,五、TST系统-分析软件,步骤3/5 、方向滤波,五、TST系统-分析软件,步骤4/5 、扫描成像,五、TST系统-分析软件,步骤5/5、地质解释,五、TST系统-分析软件,公路隧道,铁路隧道,水利隧道,矿山巷道,地铁隧道,五、TST系统-应用实例,五、TST系统-部分客户,1、与TSP的对比试验,五、TST系统-应用实例,2、在TBM隧洞中的TST,五、TST系统-应用实例,利用灌浆孔安装检波器和激发。,2、在TBM隧洞中的TST,五、TST系统-应用实例,2、结果,五、TST系统-应用实例,3、汕昆高速顶效隧道,五、TST系统-应用实例,4、沪昆高铁岗乌隧道,溶蚀裂隙,五、TST系统-应用实例,5、大连地铁202轨道线,断层破碎带,五、TST系统-应用实例,6、玲珑金矿,五、TST系统-应用实例,总结,谢谢！ 欢迎批评指正！,