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陆地声纳作隧道地质预报中的几个难题的解决办法

作者:水工资环 日期:2011年06月14日 来源:水工资环 浏览:

 

钟世航1 3 4  孙宏志2  王荣4

(1中国铁道科学研究院 北京100083  2中国矿业大学北京研究生部 北京 100080 3山东大学 济南250031, 4北京水工资环新技术开发有限公司 北京 1000081

 

隧道施工地质预报是项难度高的技术。和地面物探不同,隧道中工作面狭小,三维状态下干扰因素多。为了进行施工地质预报而推出的陆地声纳法自1990年实施以来,作为地震反射法的一种方法,与雷达,声学法以及非物探领域的传统方法杂交,取得了突破。但因各种原因,未专门阐明的一些问题,使一些同行提出质疑。本文就有关几个问题作一阐述。

 

1.  接近零震一检距的单道连续剖面反射法带来的一些优点

 

1)震源产生的波先后传到检波器的是直达纵波、直达横波、面波、声波、反射波、折射波,浅层地震反射法需要选择最佳窗口,以便避开这些干扰来接收反射波,同时采用各种方式消除干扰。而另一最佳窗口在震源附近,这时直达波等干扰波全部先至,反射波后至,可以避开这些干扰。例如,若震-检距为0.3m,则掌子面前方2~3m的波可全部抛却,则不会存在对反射波的干扰波。同时,折射波和面波都是远场波,对震源附近的检波器都不存在干扰。

2)理论和实践证明,随入射角加大,反射波能量降低。接近于零震-检距的排列方式,反射波能量比大,同时,垂直界面入射的波基本没有转换波,不会因转换波分流能量。

因此,零震-检距与等偏检距相比具有无可比拟的优势。

3)零震-检距单点连续剖面的方法较易分辨掌子面正前方来波和侧面来波。

《陆地声纳法的方法理论和实际应用的研究》已通过正演解决了:正前方来波各测点时间曲线汇成的连续同相轴基本与t0=0的横轴平行,而侧面来波的同相轴则是倾斜线。容易计算出在同一显示比例尺情况下反射面与掌子面不同夹角时的同相轴与t0=0的横轴的夹角。

4)单点连续剖面法的最大难题之一是各测点检波器耦合不同,激发能量和激发次数不同,1990年提出并实现了:通过各测点前若干个波的振幅,用计算机作归一化处理,解决了这个问题,可以很好地汇成时间剖面图,使此方法得以实现,现已经被许多同行采用。

 

2 . 采集超宽频带的问题

 

地震勘探和声波法等物探方法的检波器的原则是:检波器接近固有频率波段的灵敏度高,故设计接收频段在固有频率附近。但这样压制其它频段的波。本方法反其道而行之,选择压电晶体作加速度传感器,选择使用频段远离固有频率频段,这样,使用的频段的特性曲线几乎是一条与频率横轴(响应放大倍数为纵轴)平行的直线,不放大也不压制某一频段的波。但这样降低了接收的灵敏度。本方法采用以下办法解决:A. 选用高灵敏度的压电晶体;B.设计并制成体积和重量均很小的集成电路放大器,安放在检波器中,在第一时间放大了接收信号,取得了好效果。这些措施使得从3Hz~4000Hz的接收响应达到4db,并在此频段无频率畸变。

这样超宽频带的接收与锤击振源的激震和200~300m范围内的反射波频率是相匹配的。同时也使检波器无余振,每一个反射面的反射波都近似激震子波,仅有一个周期,提高了分辨率,又免除了反褶积。

采集到超宽频带的反射波,使得可以分别提取不同频段的波,并极有利于使用频谱或频谱分析等手段。例如,对于直径<2m的溶洞,以及由于暗河、较大溶洞的顶壁大都不平整,因此反映他们的最佳频率是1000~3000Hz,这已由实践所证明。1000~2000Hz频段的波,对小断层甚至交叉的断层都能分辨。从90年代到2009年,侯月铁路、南昆铁路、一些煤矿、京石高速公路、京津高速公路、泸蓉西高速公路上许多隧道的施工表明,交叉的小断层往往是大块落石甚至造成人员死伤的重要地质因素。

北京六环线卧龙岗隧道多处大坍方,是主干断层和与之大角度交叉的小断层结合造成的,为制止再发生坍方,业主指定用陆地声纳探查,大大细化和精确定位了断裂构造,便利了施工,受到勘查、设计和监理的欢迎。

 

3.  波速测定问题

 

    目前一些方法在隧道边墙测定岩体波速,只能解决第一个反射面到掌子面间波速。若岩性多变并不能不断反馈掌握波速的变化规律,用第一层波速代替100~150m内的波速,会带来不小误差。通过揭露出反射面后进行波速较正是可以采用的方法。

    但严格地讲,作 X,Y,Z轴上布置检波波点d3维空间的采集,能解决波速测定问题。

    作者设计了两种方法,即利用在掌子面上布置的交叉测线(通常一般是一条水平,一条沿垂向)作接近零震-检距的采集,配合在边墙或隧道底部布置的短剖面作接近零震-检距的采集点,可测取各层波速。

    方法一:假设一个波速,通过XOY平面上的56 个点测得的反射走时,可以计算出一个虚拟反射面,用这设定的波速和虚拟反射面,可计算掌子面后方测点的虚拟反射时,它与实测的反射时存在差值。假设多个波速,可计算出多个虚拟反射面,计算出多组掌子面后方测点的虚拟反射时,从而计算出一系列实测反射时与虚拟反射时差值Δt ,绘出Δti—虚拟波速曲线,则曲线极小点所对应的波速就是实际波速。

    方法二:利用三维建模的计算技术,即XOY平面和Z轴上采集的接近零震检距的空间任一点到平面的距离测点反射时,可构建空间任一点Pi(xi,yi,zi)到反射平面的距离:

 

                            di= Axi+Byi+Czi-D/ (A2+B2+C2)1/2=0.5vti

 

                可得到: Axi+Byi+Czi-D/ (A2+B2+C2)1/2=0.5vti

 

可建立方程组:  (Ax1+By1+Cz1-D)2= 0.25v2t21

                                        (Ax2+By2+Cz2-D)2= 0.25v2t22

                                        (Ax3+By3+Cz3-D)2= 0.25v2t23

                                                               ……

                                        (Axn+Byn+Czn-D)2= 0.25v2t2n

                                                      A2+B2+C2 = 1

方程中仅有ABCD和波速v  4个参数,比方程组数少。

利用另n个不同时在一个平面上的测点的反射时作为边界条件。可以解出唯一的一组解:

Ax+By+Cz -D =0.5vt ,其中包含了波速v,就可计算出波速v和反射面的空间位置。

两方法均申报了发明专利,并在实践中已经实现。

如果分别测出纵波和横波,就可能得到横波波速。

 

4 预报精度及分辨率

 

隧道采用钻爆掘进,一循环作业掘进2~4.5m,为了施工安全,指导施工安排,作者认为应不漏报重大隐患;在定量解释精度方面,预报与开挖实际情况间,误差应<5%,应力争误差不大于2~3m

从技术层面讲:

第一.    要把握选用波速的准确性;

第二.    正确地做好偏移。只有三维的采集或准三维的采集才能给出断层的三维空间位置参数,但是要作好偏移处理。弹性波反射法测的是与测点射线垂直的面,预报结果要作偏移得到。近3年来,笔者的预报报告中给出了断层(包括以及交叉断层)的走向,倾向和倾角,受到欢迎。与开挖后的实测反馈资料比较,吻合率在90%以上。

断层面的走向、倾向和倾角。陆地声纳法已解决此问题,并在实际工作中应用

目前能达到的探溶洞的分辨率是,可以在100m左右远范围内查出直径大于1m的溶洞,确定溶洞的空间位置比断层简单。

为探查预报裂隙涌水,需要探查与裂隙组伴生的小溶洞和溶隙,有时这些小溶洞仅0.3m大小,目前能发现它们时距离仅为70~80m.

国家科研项目资助:国家自然科学基金49274215陆地声纳法的方法理论和实际应用的研究 50539080国家自然科学基金重点项目隧道高压大流量岩溶裂隙水与不良地质超前预报和治理的资助。2007AA11Z131国家863计划隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备

 

 

 

 

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