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【摘 要】本文主要阐述了TSP超前地质预报误差产生的原因和减小误差的方法,目的在于提高TSP超前地质预报水平和预报的准确性。
【关键词】TSP超前地质预报;误差;原因; 减小;方法
1 概述
1.1 地质超前预报应用背景
随着地下建筑市场的发展和施工技术的进步,长、大隧道建设已成为缩短时空距离的首选,并呈不断增长的趋势。因地质条件的复杂性而造成隧道工程的艰巨性,施工过程的风险大大增加;部分隧道因设计勘查不到位、地质复杂而使正常施工受阻。
以上情况使得人们越来越重视地质超前预报工作,也促进了地质超前预报的系统化应用和发展。
1.2 TSP超前地质预报系统简介
地质超前预报的方法主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、水平声波剖面(HSP)法、陆地声纳法、探地雷达(GPR)法、超前钻孔法和超前平导法几种 。
在各种地质超前预报方法中,TSP超前地质预报系统以其使用相对简单、预报距离长、准确性好而受到人们广泛的认可和普及,成为有效的探测方法之一。
原理:TSP系统做为物探方法的一种,其基本原理就是利用地震波的反射原理。
应用:该系统由瑞士安伯格公司(Amberg Technologies AG.)开发研制,自1994年进入地下工程建筑市场,在意大利、法国等多个国家得到应用。1996年进入国内市场,在公路、铁路隧道施工中得到较为广泛的应用,其效果得到较高程度的认可。
优点:使用相对简单、预报距离长、准确性好。预报范围大(掌子面前方100~150米 范围效果最佳);数据采集耗时少、对施工过程无障碍(一切工作都在掌子面后的毛洞中进行,除采集数据时为降低环境噪声需暂停施工半小时左右外,其他工 作可以和掘进工作同时进行);无需利用开挖面,操作简单;分辨率高,可靠度高等优点。能准确确定断层、弱岩带、岩溶、含水层等地质 体性质及空间位置,并可获得地层变化的二维和三维图像。
缺点:和其他超前地质预报方法一样,受到环境、操作和数据分析等原因影响,预报结果有一定的误差。
2 预报误差原因分析
2.1 原始数据误差
正确、良好的原始数据是得到正确结果的坚实基础,这是基本操作的关键之一,也会使得后续的软件处理变得简单、容易。
原始数据误差主要有:(1)信号质量差;(2)炮孔测量不准确。
2.1.1 信号质量差
(1)炸药量过大或太小,造成信号超幅或太弱;
(2)洞内施工机械噪音过大,造成干扰信号太强;
(3)隧道本身噪音过大(如大量涌水时),造成干扰信号太强;
(4)电雷管存放时间长、受潮或本身制造因素,造成不同炮点爆破延时不一致。多数炮不同程度延时,像这样的信号,处理是困难的,预报结果的准确性也是大大折扣的。
(5)装药深度过浅或炸药掉入初期支护与围岩之间的空洞,产生大量无用的面波,且无法滤掉;
(6)炮眼封堵不好,能量消耗在产生大量的干扰信号上,且有用信号微弱。
2.1.2 炮孔测量不准确
炮孔测量不准确主要是指炮孔深度、方位角、角度、高度及其间距测量不准确,其原因是没有认真测量或没有测量。
从理论上讲,我们需要确定爆破点真正位置,即装药深度而非炮眼深度,两者在装药到位时是一致的,在装药不到位时是不同的 。
炮孔测量不准确对预报结果的影响:
(1)直接影响到软件处理结果推测的每一不良地质界面位置的准确与否。从测量原理上,后视距离(即炮孔到传感器的距离)本来就短,再加上炮孔参数测量的较大误差,势必造成前视距离(即软件计算的不良地质界面位置)的更大误差;
(2)软件处理本来就是24炮数据的回归处理,如果大量炮孔的数据失真,回归结果(即推测的不良地质界面位置)必然是不正确的。
2.2 软件处理不当
軟件处理过程的参数选择不恰当,其主要参数原因是:
2.2.1 数据长度选取过短或太长。数据长度是指从接收点算起所需要的最大探测范围。过短造成数据量不够,太长造成无用、干扰信号也大量进入软件处理,同时造成处理时间延长。
2.2.2 初始噪音信号的消除(零切除)不合理。如较大数值的零切除,虽然使初始噪音信号全部充零,但会对后续的数据处理造成较大不利影响。
2.2.3 带通滤波参数设置不恰当,会对后续处理和最终结果造成很大影响。
2.2.4 在信号质量不高时初至拾取困难,此时易产生定位困难或错误,从而导致最终结论的不准确或错误。
2.2.5 道切除的不合理,对最终结果有较大影响
2.3 现场地质了解不足
隧道整体和现场(掌子面)地质情况了解、观察不够,此方法本身就是以掌子面地质情况为参考面,推测判断前方地质情况的相对好坏、含水等情况。因此对隧道整体和现场(掌子面)地质情况了解、观察很重要。
2.4 结果判释错误
由于地质知识、规律掌握较少或缺乏,造成对处理结果的判释错误。
2.5 仪器模型设计和系统误差(暂不分析考虑)
3 减小(避免)误差的方法
3.1原始数据的准确收集
3.1.1 提高信号质量
(1)根据隧道围岩的坚硬程度等情况,确定合适的炸药量。一般情况下,围岩坚硬、完整(如灰岩),用量在40~70g;围岩较软、破碎或松散(如泥岩、全风化花岗岩等),用量在80~200g;靠近掌子面,用量宜稍大;靠近传感器,用量宜稍小。其用量也与检波器到传感器的距离有很大关系。没有经验时最好试一炮。
(2)开始放炮时,附近施工机械暂时停工。
(3)隧道本身噪音过大时,适当加大炸药用量,以压制其信号。
(4)使用合格的雷管。
(5)采用PVC管护孔等办法,保证装药深度和不掉入初期支护与围岩之间的空洞。
(6)当用水封堵炮眼困难时(如炮眼倾角向上或近于水平),可用炮泥或浸泡的锚固剂封堵到底。
3.1.2 提高炮孔量测质量:主要是认真测量和记录检波器孔、炮孔的空间位置、距离等数据。
3.2 进行合理的软件处理
3.2.1 数据长度:数据长度是从接收点算起所需要的最大探测范围,按以下经验公式计算:数据长度=(探测范围×2×2.5)÷Vp
此公式中Vp表示纵波的平均速度,2表示往返传播时间,2.5则表示考虑速度变化和横波较慢的安全因数。
相对准确的 Vp值可以通过以下步骤取得:
(1)先假定一数据长度(如250毫秒),运行TSPwin软件至第三步:初至拾取,进行必要的简单处理,即可得到。
(2)有了相对准确的 Vp值、自己确定的探测距离,用上式即可计算出合适的数据长度。
(3)然后置换先前的假定数据长度,重新开始软件处理。
3.2.2 零切除:选择存在的类似地震信号的尖脉冲值充零即可,剩余的一小部分噪音信号对后续处理影响较小。
3.2.3 带通滤波:这一步是跟据信号频率将信号加以约束,使有用的信号从噪声中分离出来。如果原始信号质量好,采用软件自身计算值即可得到较好效果;如果原始信号质量差,则应进行调整,这需要掌握较多的物探知识。
3.2.4 初至拾取:在信号质量不高时,需要人工手动拾取。不好把握时,可多处理几次,选择合理的最终结果。
3.2.5 道切除:采用不同的道切除,多处理几次,选择合理的最终结果。
3.3 加强对隧道整体了解
加强对隧道整体(检波器至掌子面的边墙、拱部)和现场(掌子面)地质情况(地层岩性、产状、完整性、节理、构造、地下水等)的详细了解、观察、记录,找出特征。最终二维处理结果中已开挖段符合现场实际情况时,其预报地段的推测结果应该是合理、正确的。
3.4 加强地质知识的学习
加强地质知识的学习与补充,才能对软件的处理结果作出正确判断,并作出合理的解释,进而作出正确的预报。
3.5 跟踪、验证预报结果
跟踪、验证预报结果,根据实际情况对数据进行重新处理,积累经验,分析原因,提高数据处理能力和预报的准确性。
4 结束语
总体来说,TSP超前地质预报结果的准确性较高,且预报距离较长(掌子面前方100~150m效果最好),能够较好地弥补勘查设计的不足和满足施工的需要。
通过多次使用和经验认为,只要按照本文所讲的有关要求进行操作,善于分析原因,采取相应措施,就能充分发挥仪器的性能,有效地提高预报结果的准确性。
参考文献:
[1]肖书安.瑞士隧道工程中的地质超前预报测量[C].中瑞公路隧道技术交流文集,2001
[2]刘志刚、赵勇编著.隧道隧道施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社,2001
【关键词】TSP超前地质预报;误差;原因; 减小;方法
1 概述
1.1 地质超前预报应用背景
随着地下建筑市场的发展和施工技术的进步,长、大隧道建设已成为缩短时空距离的首选,并呈不断增长的趋势。因地质条件的复杂性而造成隧道工程的艰巨性,施工过程的风险大大增加;部分隧道因设计勘查不到位、地质复杂而使正常施工受阻。
以上情况使得人们越来越重视地质超前预报工作,也促进了地质超前预报的系统化应用和发展。
1.2 TSP超前地质预报系统简介
地质超前预报的方法主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、水平声波剖面(HSP)法、陆地声纳法、探地雷达(GPR)法、超前钻孔法和超前平导法几种 。
在各种地质超前预报方法中,TSP超前地质预报系统以其使用相对简单、预报距离长、准确性好而受到人们广泛的认可和普及,成为有效的探测方法之一。
原理:TSP系统做为物探方法的一种,其基本原理就是利用地震波的反射原理。
应用:该系统由瑞士安伯格公司(Amberg Technologies AG.)开发研制,自1994年进入地下工程建筑市场,在意大利、法国等多个国家得到应用。1996年进入国内市场,在公路、铁路隧道施工中得到较为广泛的应用,其效果得到较高程度的认可。
优点:使用相对简单、预报距离长、准确性好。预报范围大(掌子面前方100~150米 范围效果最佳);数据采集耗时少、对施工过程无障碍(一切工作都在掌子面后的毛洞中进行,除采集数据时为降低环境噪声需暂停施工半小时左右外,其他工 作可以和掘进工作同时进行);无需利用开挖面,操作简单;分辨率高,可靠度高等优点。能准确确定断层、弱岩带、岩溶、含水层等地质 体性质及空间位置,并可获得地层变化的二维和三维图像。
缺点:和其他超前地质预报方法一样,受到环境、操作和数据分析等原因影响,预报结果有一定的误差。
2 预报误差原因分析
2.1 原始数据误差
正确、良好的原始数据是得到正确结果的坚实基础,这是基本操作的关键之一,也会使得后续的软件处理变得简单、容易。
原始数据误差主要有:(1)信号质量差;(2)炮孔测量不准确。
2.1.1 信号质量差
(1)炸药量过大或太小,造成信号超幅或太弱;
(2)洞内施工机械噪音过大,造成干扰信号太强;
(3)隧道本身噪音过大(如大量涌水时),造成干扰信号太强;
(4)电雷管存放时间长、受潮或本身制造因素,造成不同炮点爆破延时不一致。多数炮不同程度延时,像这样的信号,处理是困难的,预报结果的准确性也是大大折扣的。
(5)装药深度过浅或炸药掉入初期支护与围岩之间的空洞,产生大量无用的面波,且无法滤掉;
(6)炮眼封堵不好,能量消耗在产生大量的干扰信号上,且有用信号微弱。
2.1.2 炮孔测量不准确
炮孔测量不准确主要是指炮孔深度、方位角、角度、高度及其间距测量不准确,其原因是没有认真测量或没有测量。
从理论上讲,我们需要确定爆破点真正位置,即装药深度而非炮眼深度,两者在装药到位时是一致的,在装药不到位时是不同的 。
炮孔测量不准确对预报结果的影响:
(1)直接影响到软件处理结果推测的每一不良地质界面位置的准确与否。从测量原理上,后视距离(即炮孔到传感器的距离)本来就短,再加上炮孔参数测量的较大误差,势必造成前视距离(即软件计算的不良地质界面位置)的更大误差;
(2)软件处理本来就是24炮数据的回归处理,如果大量炮孔的数据失真,回归结果(即推测的不良地质界面位置)必然是不正确的。
2.2 软件处理不当
軟件处理过程的参数选择不恰当,其主要参数原因是:
2.2.1 数据长度选取过短或太长。数据长度是指从接收点算起所需要的最大探测范围。过短造成数据量不够,太长造成无用、干扰信号也大量进入软件处理,同时造成处理时间延长。
2.2.2 初始噪音信号的消除(零切除)不合理。如较大数值的零切除,虽然使初始噪音信号全部充零,但会对后续的数据处理造成较大不利影响。
2.2.3 带通滤波参数设置不恰当,会对后续处理和最终结果造成很大影响。
2.2.4 在信号质量不高时初至拾取困难,此时易产生定位困难或错误,从而导致最终结论的不准确或错误。
2.2.5 道切除的不合理,对最终结果有较大影响
2.3 现场地质了解不足
隧道整体和现场(掌子面)地质情况了解、观察不够,此方法本身就是以掌子面地质情况为参考面,推测判断前方地质情况的相对好坏、含水等情况。因此对隧道整体和现场(掌子面)地质情况了解、观察很重要。
2.4 结果判释错误
由于地质知识、规律掌握较少或缺乏,造成对处理结果的判释错误。
2.5 仪器模型设计和系统误差(暂不分析考虑)
3 减小(避免)误差的方法
3.1原始数据的准确收集
3.1.1 提高信号质量
(1)根据隧道围岩的坚硬程度等情况,确定合适的炸药量。一般情况下,围岩坚硬、完整(如灰岩),用量在40~70g;围岩较软、破碎或松散(如泥岩、全风化花岗岩等),用量在80~200g;靠近掌子面,用量宜稍大;靠近传感器,用量宜稍小。其用量也与检波器到传感器的距离有很大关系。没有经验时最好试一炮。
(2)开始放炮时,附近施工机械暂时停工。
(3)隧道本身噪音过大时,适当加大炸药用量,以压制其信号。
(4)使用合格的雷管。
(5)采用PVC管护孔等办法,保证装药深度和不掉入初期支护与围岩之间的空洞。
(6)当用水封堵炮眼困难时(如炮眼倾角向上或近于水平),可用炮泥或浸泡的锚固剂封堵到底。
3.1.2 提高炮孔量测质量:主要是认真测量和记录检波器孔、炮孔的空间位置、距离等数据。
3.2 进行合理的软件处理
3.2.1 数据长度:数据长度是从接收点算起所需要的最大探测范围,按以下经验公式计算:数据长度=(探测范围×2×2.5)÷Vp
此公式中Vp表示纵波的平均速度,2表示往返传播时间,2.5则表示考虑速度变化和横波较慢的安全因数。
相对准确的 Vp值可以通过以下步骤取得:
(1)先假定一数据长度(如250毫秒),运行TSPwin软件至第三步:初至拾取,进行必要的简单处理,即可得到。
(2)有了相对准确的 Vp值、自己确定的探测距离,用上式即可计算出合适的数据长度。
(3)然后置换先前的假定数据长度,重新开始软件处理。
3.2.2 零切除:选择存在的类似地震信号的尖脉冲值充零即可,剩余的一小部分噪音信号对后续处理影响较小。
3.2.3 带通滤波:这一步是跟据信号频率将信号加以约束,使有用的信号从噪声中分离出来。如果原始信号质量好,采用软件自身计算值即可得到较好效果;如果原始信号质量差,则应进行调整,这需要掌握较多的物探知识。
3.2.4 初至拾取:在信号质量不高时,需要人工手动拾取。不好把握时,可多处理几次,选择合理的最终结果。
3.2.5 道切除:采用不同的道切除,多处理几次,选择合理的最终结果。
3.3 加强对隧道整体了解
加强对隧道整体(检波器至掌子面的边墙、拱部)和现场(掌子面)地质情况(地层岩性、产状、完整性、节理、构造、地下水等)的详细了解、观察、记录,找出特征。最终二维处理结果中已开挖段符合现场实际情况时,其预报地段的推测结果应该是合理、正确的。
3.4 加强地质知识的学习
加强地质知识的学习与补充,才能对软件的处理结果作出正确判断,并作出合理的解释,进而作出正确的预报。
3.5 跟踪、验证预报结果
跟踪、验证预报结果,根据实际情况对数据进行重新处理,积累经验,分析原因,提高数据处理能力和预报的准确性。
4 结束语
总体来说,TSP超前地质预报结果的准确性较高,且预报距离较长(掌子面前方100~150m效果最好),能够较好地弥补勘查设计的不足和满足施工的需要。
通过多次使用和经验认为,只要按照本文所讲的有关要求进行操作,善于分析原因,采取相应措施,就能充分发挥仪器的性能,有效地提高预报结果的准确性。
参考文献:
[1]肖书安.瑞士隧道工程中的地质超前预报测量[C].中瑞公路隧道技术交流文集,2001
[2]刘志刚、赵勇编著.隧道隧道施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社,2001