【導(dǎo)讀】TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)指南。北京同度工程物探技術(shù)有限公司

　　

【正文】 器靠近掌子面的觀測(cè)方案示意 炮點(diǎn)靠近掌子面的觀測(cè)方案 檢波器的安裝 檢波器的安裝關(guān)乎地震波接收的質(zhì)量，按如下步驟進(jìn)行。 1） 在隧道側(cè)壁圍巖內(nèi)按設(shè)計(jì)選定檢波器安裝位置和炮點(diǎn)位置，距地面高度 1m，間 距 4m，統(tǒng)一做好定位； 2） 使用直徑 6cm的鉆桿，以下傾 35 度的角度鉆進(jìn)深度 2m； 3） 準(zhǔn)備好炮泥，做成直徑 5cm，長(zhǎng) 2030cm的柱體，用送料桿，送入鉆孔底部，并砸實(shí)； 4） 用檢波器專用安裝桿將檢波器送入鉆孔底部炮泥中， 輕微用力壓入泥中 10cm，將安裝桿方向指示一側(cè)對(duì)準(zhǔn)掌子面一側(cè)，保證檢波器正向 朝 前； 5） 退出安裝桿，并將鉆孔口用 6cm直徑的炮泥柱封好， 隔絕聲波干擾， 完成安裝。 圖 檢波器安裝示意 圖 控制檢波器安裝方向 炮點(diǎn) 的 安裝 炮點(diǎn)的安裝關(guān)系到地震波的激發(fā)效率，重點(diǎn)是裝實(shí)封好。按如下步驟進(jìn)行： 1） 在隧道側(cè)壁圍巖內(nèi)按設(shè)計(jì)選定炮點(diǎn)位置，距地面高度 1m，間距 24m，統(tǒng)一做好 定位； 2） 使用直徑 6cm的鉆桿，以下傾 35 度的角度鉆進(jìn)深度 2m； 3） 準(zhǔn)備好一管炸藥，約 500 克，將電雷管埋入炸藥中，將引爆線接 長(zhǎng)度加長(zhǎng)到 3m 將單根導(dǎo)線綁 在 炸藥柱上 做觸發(fā)線 ， 兩端長(zhǎng)度超過(guò) 3m，保證爆炸線和觸發(fā)線都能露出鉆孔外 1m； 4）用送料桿將準(zhǔn)備好的炸藥緩慢推到鉆孔底部，輕微用力壓實(shí)，切勿用力過(guò)猛損壞炸藥外包裝； 5）準(zhǔn)備好炮 泥，做成直徑 6cm，長(zhǎng) 3040cm的柱體，用送料桿送入 炸藥 頂部，輕 微用力壓實(shí) ，并 確保 砸實(shí)； 圖 炸藥按裝示意圖 爆炸機(jī)與觸發(fā)線 的 連接 爆炸與觸發(fā)系統(tǒng)的連接與安裝非常重要，是確保成功記錄的重要環(huán)節(jié)。按如下步驟完成操作： 1. 選定質(zhì)量良好的觸發(fā)連線 150m，爆炸線 150m，防磨、防水、抗拉；并用電表檢測(cè)導(dǎo)電良好；盡量選用直通線，不要接頭； 2. 雙芯觸發(fā)線一端與炸藥外綁的導(dǎo)線相連，另一端與地震儀觸發(fā)接頭相連； 3. 雙芯爆炸線一段與電雷管引線相連，另一端與爆炸及相連； 圖 爆炸機(jī)遇觸發(fā)線連接示意 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與記錄 TST 觀測(cè)坐標(biāo)需要較準(zhǔn)確的位置測(cè)量，位置坐標(biāo)進(jìn)入資料處理過(guò)程，關(guān)系到速度和位置的計(jì)算精度。 要求 測(cè)量精度達(dá)到 10cm足矣。坐標(biāo)測(cè)量在鉆孔成型和檢波器、炸藥按裝之前進(jìn)行。具體步驟如下： 1 逐孔測(cè)量孔口坐標(biāo)，里程和相對(duì)高程 xz； 2 測(cè)量鉆孔深度， 由此換算出孔底坐標(biāo) y； 3 對(duì)測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù)做好記錄， 進(jìn)行樁號(hào)統(tǒng)一編排，將樁號(hào)與坐標(biāo)對(duì)應(yīng)制表， 并用圖示標(biāo)明炮點(diǎn)與檢波器編號(hào) 與位置 ； 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)坐標(biāo)與位置記錄圖表 現(xiàn)場(chǎng)安全注意事項(xiàng) 在 TST 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)要特別注意安全，應(yīng)做到如下各點(diǎn)： 1 爆 炸由專門訓(xùn)練人員操作， 持證上崗； 2 爆炸時(shí)所有人員撤離到 爆炸點(diǎn) 50 米以 外； 3 進(jìn)入隧道 戴安全帽，穿防水鞋 ； 4 放炮時(shí)必須 設(shè) 有安全 員負(fù)責(zé) 警戒，保持通訊暢通 ，不準(zhǔn)任何人進(jìn)入爆炸現(xiàn)場(chǎng)； 5 地震 觀測(cè)時(shí)中斷隧道內(nèi)高壓電源和風(fēng)機(jī) ； 6 TST 資料處理流程 TST 資料處理流程 TST 的資料處理流程分為 5 大步驟，包括資料預(yù)處理、觀測(cè)幾何系統(tǒng)編輯、方向?yàn)V波 與 波場(chǎng)分離、圍巖波速分布掃描分析、地質(zhì)構(gòu)造偏移成像和地質(zhì)解釋預(yù)報(bào)等環(huán)節(jié)，處理流程見下圖。 TST 資料處理流程 1) 地震資料預(yù)處理 地震資料預(yù)處理的 目的是從 原始地震記錄中提取出地震 記錄 ， 進(jìn)行濾波、切除噪聲、剔除死道等 預(yù)備處理； 2) 觀測(cè) 幾何 坐標(biāo) 系統(tǒng)編輯 觀測(cè)幾何 坐標(biāo) 系統(tǒng)編輯是輸入樁號(hào)與坐標(biāo)、排列中炮點(diǎn)樁號(hào)、檢波器樁號(hào)等數(shù)據(jù)，目的是將 炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)的幾何 坐標(biāo)賦予每條地震射線， 為 波場(chǎng)分離、速度掃描和偏移成像做好準(zhǔn)備； 3) 波場(chǎng)分離 波場(chǎng)分離是超前預(yù)報(bào)資料處理中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)方向?yàn)V波技術(shù)將上下、左右方向回波及面波統(tǒng)統(tǒng)濾除，僅保留前方回波。在此之后 才能 進(jìn)行縱橫波分離 ，將隧道軸向分 量 取為縱波，兩橫向分量矢量合成取為橫波； 4) 圍巖 波速掃描 波速掃描 用于 確定掌子面前方地質(zhì)體的波速 分布 。 通過(guò) 選定 速度范圍 和速度掃描 增量，由計(jì)算機(jī) 自動(dòng)掃描 完成預(yù)報(bào)區(qū)的速度分析。 先進(jìn)行 整體 區(qū)域的速度掃描，再分區(qū)進(jìn)行速度調(diào)整， 在 取得總體最優(yōu) 的條件下確定速度分布 ； 5） 偏移成像 在完 成 波場(chǎng)分離和速度掃描處理的基礎(chǔ)上，利用前方回波數(shù)據(jù)和速度結(jié)構(gòu)資料 進(jìn)行偏移 成像， 得到 反應(yīng) 地質(zhì)構(gòu)造 特征的 地震 偏移圖 像 ； 6） 地質(zhì)解釋 利用波速圖像和地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料進(jìn)行綜合分析，可進(jìn)行超期地質(zhì)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)巖性界面的準(zhǔn)確位置、兩側(cè)圍巖的工程類比的變化，斷裂的位置 。下面分述幾個(gè)主要環(huán)節(jié)的包含的處理過(guò)程。 資料預(yù)處理 資料預(yù)處理的功能是對(duì)地震記錄進(jìn)行常規(guī)處理，提高信噪比。 ? 地震記錄數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 ? 地震記錄選取 ? 地震數(shù)據(jù)預(yù)處理 ? 切除直達(dá)波、面波、噪聲、標(biāo)記壞道、頻率濾波、方向?yàn)V波； ? 由于地表觀測(cè)時(shí)面波很強(qiáng)以致淹沒(méi)了地下構(gòu)造反射回來(lái)的信號(hào)，因此必須將面波加以濾除。在本次觀測(cè)中，濾除面波的主要方法和過(guò)程如下： ? 帶通濾波，范圍 50Hz~1000Hz，將噪音濾除； ? 切除，將上述濾波后產(chǎn)生的噪音，以及地表層的信號(hào)切除； ? 典型的濾波過(guò)程和結(jié)果如下： 濾波處理前 濾波處理后 記錄 觀測(cè)幾何參數(shù)編輯與數(shù)據(jù)輸入 該處理功能 是將觀測(cè)測(cè)量中的樁號(hào)、坐標(biāo)、 排列中 接收點(diǎn)樁號(hào)、炮點(diǎn)樁號(hào)等三 項(xiàng) 資料出入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好的表格，計(jì)算機(jī)將這些數(shù)據(jù)直接賦給地震射線，供 波 場(chǎng)分離度、速度分析、偏移成像處理使用。 方向?yàn)V波與波場(chǎng)分離 方向率波使用 FK 變換技術(shù)，將不同方向的回波 以視 速度的差異分離開來(lái)。上下、左右回波視速度大， 分布在 FK 變換平面內(nèi)在靠近頻率軸的上三角區(qū) 內(nèi)； 面波視速度最小，在靠近波數(shù)軸的下三角區(qū)，前方回波 在 中間三角區(qū)，易于分離。將上下三角區(qū)切掉后進(jìn)行反變換，就消除了側(cè)向波和面波，僅保留前方回波。下圖是 FK 變換實(shí) 例。 進(jìn)行方向?yàn)V波的第一步是進(jìn)行抽道，將觀測(cè)中隧道不同側(cè)壁的炮點(diǎn) 接收點(diǎn)分組，分為左側(cè)激發(fā) 左側(cè)接收，在右側(cè)激發(fā) 右側(cè)接收，左側(cè)激發(fā) 右側(cè)接受，右側(cè)激發(fā) 左側(cè)接收等四組，分別進(jìn)行方向?yàn)V波。 第二步是進(jìn)行 FK 變換， 在 FK 平面切除側(cè)向回波和面波，保留前方回波；第三步是反變換，生成濾波后的記錄。 濾波處理前的 FK 譜 濾波處理后的 FK 譜 圍巖波速分析掃描與波速結(jié)構(gòu)求取 圍巖速度掃描主要工作是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的。操作者僅需要做 3 件事情，一是判 斷工作區(qū)圍 巖波速的大致范圍，一般是 1km/s— 5km/s，有經(jīng)驗(yàn)者給定的范圍可以更準(zhǔn)確些，如 2km/s— ；第二是給定掃描速度的增量， 它規(guī)定速度掃描的細(xì)致程度。在整體掃描時(shí)可以粗些，增量選為 200m/s，分區(qū)掃描時(shí)應(yīng)該細(xì)些，增量選為 100m/s。第三項(xiàng)工作是從掃描的能量分布圖中選定最大值，確定最優(yōu)速度。 能量最大化 原理如下式： 速度掃描 首先對(duì)全區(qū)進(jìn)行，獲得預(yù)報(bào)區(qū) 的 平均最佳速度，然后分區(qū)掃描進(jìn)行調(diào)整，使全區(qū)獲得最優(yōu) 結(jié)果 ，確定速度分布。 操作界面如下。 全區(qū)掃描 圖像 ： 分區(qū)掃描 圖像 ： 0)(020?????? ??VEMNMNEMNJJMNJJ???? 波速掃描 結(jié)果確定速度 里程分布結(jié)果，可以用曲線表示，也可以用圖像表示。 圍巖波速分布 偏移成像與圖像色標(biāo)設(shè)置 地質(zhì)構(gòu)造偏移成像的工作是在波場(chǎng)分離、速度掃描的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的。其中包含下列 4 個(gè) 環(huán)節(jié)： 1） 選擇預(yù)報(bào)區(qū)域，設(shè)置參數(shù)、色標(biāo)； 2） 選擇參加成像的地震射線； 3） 選定速度結(jié)構(gòu)； 4） 進(jìn)行偏移成像； 7 偏移圖像和 速度圖像 的 地質(zhì)解釋 TST 超前預(yù)報(bào) 的 處理 結(jié)果， 提供 地質(zhì)偏移圖像和速度分布圖像 ，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋 預(yù)報(bào)。 地質(zhì)偏移圖像橫坐標(biāo)是 隧道的里程，誤差不超過(guò) 10%?？v坐標(biāo)是隧道橫向?qū)挾?，以隧道中心線為零點(diǎn)。速度曲線和圖像橫坐標(biāo)是隧道里程，縱坐標(biāo)視速度值。 地質(zhì)解釋要點(diǎn)如下： 1 地質(zhì)偏移圖像 中的紅藍(lán)條帶代表 圍巖中的 巖石 反射界面，紅色代表巖體由軟變硬的反射界面，藍(lán)色代表巖石由硬變軟的界面，先藍(lán)、后紅條帶的組合代表巖體先變軟然后變硬，表明存在斷裂； 2 圍巖波速表征圍巖的力學(xué)強(qiáng)度高低 ， 波速高表示巖體完整致密，波速變低表示巖體破碎。如果有斷裂存在 ，波速應(yīng)該降低 。 波速與圍巖級(jí)別的關(guān)系參考值為： 圍巖級(jí)別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 縱波 波速km/s 大于 3 斷裂的預(yù)報(bào)應(yīng)該符合兩個(gè)條件，一是在偏移圖像中存在先藍(lán)、后紅的條帶組合，二是在波速圖像中對(duì)應(yīng)里程內(nèi)的波速應(yīng)該比兩側(cè)低。 4 對(duì)含水性的預(yù)報(bào)首先 參考水文地質(zhì)資料，了解隧道與地下水位線的關(guān)系。如果隧道在水位線以上，僅是季節(jié)性 含水 ，水量有限； 如果在水位線之下，則一般斷裂帶都含水，不可漏報(bào)；致密巖石含水性相對(duì)較小。砂巖與灰?guī)r含水量較大，特別是與泥巖接觸的界面附近一般都是富含水帶； 5 巖溶 的 預(yù)報(bào) 應(yīng)考慮下列資料， 綜合分析 ： 首先在偏移圖像中有藍(lán)色反射界面，波速圖中有低速帶； 參考地質(zhì)資料，分析是否存在斷裂帶、灰?guī)r與泥巖、砂巖的接觸帶 。 斷裂帶、巖性接觸帶上巖溶發(fā)育的可能性 極 大 ；