tst隧道地质超前预报技术工作手册

tst隧道地质超前预报技术工作手册内容摘要：

上世纪 90年代初开发的用于隧道超前预报的技术。 该方法 90年代末引入中国，有 TSP20 TSP203等型号，铁路系统引进数量较大， 我国成为 TSP的最大用户。 TSP的观测是垂直剖面法，一个三分量检波器埋入隧道侧壁岩体中 ，炮点与检波器同侧 ，观测 方式与负视速度法基本相同。 该技术采用深度偏移成像方法，软件名称为TSPWIN，有 11个自动处理步骤。 随着近年来在中国的应用，发现 TSP存在很多技术缺陷，主要问题是 缺乏科学理论指导， 不能准确 地确定围岩波速，不能准确确定断层位置，不能进行 三维波场分离，消除侧向干扰波，纵横波分离不科学 ， 不真实，偏移成像的位置不准，包含虚假成分。 TSP技术缺乏严谨的物理基础，臆造性较大，造成严重误导，预报结果与真实地质情况相差较大，造成了很多漏报、误报和工程事故， 需要 进行 技术 改造。 TSP的观测方式和预报结果 5） TGP206超前预报技术 TGP206技术是模仿 TSP203 技术开发的，观测方式与处理软件与 TSP203基本相同，采用垂直剖面观测方式，在耦合方式和触发方式方面做了一些改动。 与 TSP类似使用的是 横向 零偏移道集，不能准确地确定围岩波速，不能准确确定断层位置；缺乏三维波场识别与 滤除 侧向波功能；在未消除干扰波的情况下进行纵横波分离，预报图像不真实，位置不准确。 下图是 TGP206在青岛仰口隧道的预报结果，左右壁观测得到的 XYZ分量， 做了 6幅预报图像。 这 6幅图像预报的 是同一段地质情况，结果的应该一致，然而这 6幅图像却各不相同，无法知道那一幅图像是真实可信的。 它们之间的巨大差异可能正反映了波速分析不准和侧向回波和面波干扰严重的结果。 青岛仰口隧道左右侧观测、纵横波预报各不相同 6） TRT和 TRT6000隧道超前预报技术 TRT技术的全称是 True Reflection Tomography ，意为“真正的反射层析成像”，是由美国 NSA工程公司在上世纪末本世纪初开发的，在欧洲、亚洲开始应用。 TRT技术的观测方式是空间布置，资料 处理方法上采用地震偏移 概率 成像。 TRT的主要核心技术是认为反射面是在以炮点和接收点为焦点，以记录走时与速度的 乘 积为路径长度的椭球面上，根据椭球面的叠加强度确定反射界面 ，是一种概率成像方法，预报图像是一个个椭圆面。 TRT缺乏围岩波速分析功能，偏移成像中需要的围岩波速需要人为假定，很难符合客观实际，预报位置不可靠。 此外， TRT技术 也未考虑 三维波场分离和方向滤波 问题 ， 上下、左右方向的回波都 被椭圆到前方， 偏移图像中 包含 很多 虚假成分，可靠性存在问题。 TRT观测布置与 预报偏移成像结果 7） 国内外超前预报技术比较 根据超前预报技术的 5项科学问题，对国内外现有的超前预报技术优点和缺陷做出客观评价。 评价结果列于下表。 陆地声纳法缺乏技术含量，属于非专业化技术，没有应用价值；负视速度法、水平剖面法资料处理以走时分析为主，对波速分析、波场识别等方面没有技术应对，技术缺陷较多，为初级技术；TSP203 、 TGP206的资料处理采用偏移成像技术，运用了运动学和动力学信息，是其优点；但采用垂直剖面观测方式不能准确确定围岩波速，不能进行波场分离和滤除侧向波和面波干扰，纵横波分离不真实等问题，导致偏移图像位置不真实、包含虚假成分等技术缺陷，属于中等技术。 TRT技术采用三维观测系统，围岩波速分析准确，但是没有三维波场分析和滤除侧向波、面波的功能，偏移图像包含太多的虚假成分，应用中误报几率较大，存在一定的风险，也只能属于中级； TST满足 5项科学要求，从理论的严谨性、预报的准确性、可靠性等方面都是目前最好的，属于高级技术，应该大力推广应用。 下边的列表汇总了评价结果。 技术名称 观测方式 波场分离 速度分析 资料处理 理论基础 评价等级 陆地声纳 表面敲击 无 无 看图解释 零偏移 距 非专业级 负视速度法 垂直剖面 无 无 VSP 法 反射理论 初级 SHP 水平剖面法 阵列式 无 无 走时同相轴 反射理论 初级 TSP203 垂直剖面 无 零偏移距/不准确 偏移成像 反射理论 中级 TGP206 垂直剖面 无 零偏移距 /不准确 偏移成像 反射理论 中级 TRT 阵列式 无 无 偏移成像 反射理论 中级 TST 阵列式 FK 方向滤波 不同偏移距 /准确 偏移成像 散射理论 高级 2 TST 技术的原理与特点 TST技术在深入地研究地下三维波场 特征的基础上，从观测方案、三维波场分离、围岩波速分析、散射波场原 理、偏移成像等方面 进行 了理论研究与软件技术开发，成功地解决了 超前预报的 5项基本 理论 技术问题，成就了国际领先水平。 TST 的 观测系统设计 观测系统设计是保证超前预报可靠性的第一个重要的环节，观测系统的设计原则是要满足波速分析、方向滤波和减少面波干扰 三项 要求。 （ 1）为满足掌子面前方围岩波速分析的要求，观测系统必须有垂直隧道轴向的 横向 偏移距。 为满足工程对超前预报误差小于 10%的要求，横向最大偏移距必须大于预报长度的 1/10。 （ 2）为满足三维波场分离和有效滤 除 侧向回波要求，隧道内地震观测系统的纵向排列长度必须大于23个波长，即大于 4060m，检波器间距应小于 1/4波长，即小于 45m。 （ 3）为减少隧道表面面波的干扰，检波器和震源都应埋入围岩中，深度超过 2m以上。 按上述要求， TST的 观测方式布置成二维阵列方式，检波器和炮点布置在一个平面内，纵向长 4060m，横向宽 1520m，分布成阵列，具有不同的横向偏移距， 在 满足速度分析 和波场分离两项 要求 的前提下最为简捷。 TST 二维阵列观测方式 TST 的 三维波场分离 技术 隧道内地震回波来至四面八方，地震波类型复杂，每一个方向的记录都包含着不同路径的纵横波信号。 因此，资料处理中首要的任务是进行波场分离，滤除面波、侧向波等各种干扰波，仅保留前方的回波。 经过波场分离后才能对前方回波进行纵横波分离和偏移成像。 为进行三维波场分离，除了观测方案上的保证之外，需要有效的数学方法。 TST技术 在地震资料处理 中用于 FK变换、 TP变换、 Radon变换等技术 进行波场分离和方向滤波。 在隧道内观测的条件下，采用以线性 波 场分离为主的 FK或 TP变换方法更适合超前预报的特点，进行波场识别与分离的效果 更 好。 波场分离的原理是依据不同方向、不同类型的地震波的视速度不同，面波视速度最小，侧向回波视速度大，两者与前方回波的视速度容易区分。 方向滤波的原理和效果如下图所示。 三维波场 FK方向滤波示意图 目前国内外的超前预报技术中除了 TST技术采用 FK变换进行波场分离和方向滤 波外，其它的技术如TSP20 TGP20 TRT等都 未 进行波场分离和方向滤波，未滤除侧向波和面波，不可避免地在纵横波中包含侧向波干扰，预报图像中包含虚假成分，造成误报，这是普遍存在的较严重的技术缺陷。 F K 波场分离技术方向滤波前 方向滤波后 侧向回波区fk侧向回波区面波区面波区前方回波区前方回波区直达波区直达波区侧向回波区侧向回波区侧向回波区侧向回波区面波区面波区前方回波区前方回波区直达波区直达波区 TST 的 围岩波速分析 技术 掌子面前方围岩波速的准确确定是十分最要的，这不但关系到对围岩工程类别的判断，更重要的是直接影响到偏移成像地质对象的准确定位，在 进行 偏移成像之前必须准确 地 确定围岩波速分布。 围岩波速分析首先需要有不同偏移距的观测数据，其次是必须有有 效的数学方法。 围岩波速的确定必须有不同横向偏移距的数据，这点很重要，可以从走时方程得到理解。 隧道内地震反射波的走时方程如下： 式中 t表示观测的反射波走时， t0表示掌子面到前方断层的最小往返走时， (Zi,Xi)、 (Zj,Xj)、（ Zf,0）分别为炮点、接收点和断层的坐标。 坐标原点取在掌子面中心，前方为正。 式中包含 3个未知量，隧道开挖段围岩的波速 V掌子面前方围岩波速 V2和最小走时 t0。 当不同偏移距的走时记录数据达到或超过 3条时，就可以由上式组成的方程组确定出 V V2和 t0。 再由 t0和 V2确定 断层位置 Zf。 对于负视速度法、 TSP20 TGP206等超前预报技术，观测方式无横向偏移，获得的是零偏移距数据， 此时 X=0, 反射走时方程变为 ： 两个方程， 包含 V V2和 t0三个未知量。 由观测数据仅可确定开挖段的围岩波速 V1和断层反射的最短走时 t0；而 t0中包含断层位置 Zf和前方围岩波速 V2两个变量，由一个方程无法确地，只能指定一个计算另一个，通常是指定速度计算断层位置，这就是垂直剖面法观测的缺陷。 为确定围岩波速，除了使用横向偏移距数据外，还必须建立可靠地速度分析方法。 TST技术使用偏移 叠加能量最大化原理进行速度分布自动扫描，确定最优偏移速度。 利用偏移叠加能量最大化进行速度扫描分析的数学方法为： MAAM AAEVEMI IMI I    1021 0 ,)(,0 式中 AI为区内单元叠加幅值。 TSP20 TGP206因为使用的是零偏移距数据，速度扫描中不存在最优速度，无法确定速度分布，只能靠直达波和经验判定，缺乏客观性，预报位置不准确。 陆地声纳、负视速度法、。