预报的方法技术
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发布时间：2022-04-29 20:18
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时间：2022-06-22 08:28
隧道地质超前预报技术分类方法繁多。如按预报的作用划分，可分为常规预报、成灾预报、专门预报。按距掌子面的距离划分，可分为短距离预报(0～15m)、中距离预报(15～50m)和长距离预报(50m以上)。按采用的手段划分，可分为经验预报、仪器预报和综合预报。按精度划分，可分为定量预报和定性预报。根据所采用的工作方法来进行分类，有钻探方法、地质方法和地球物理方法(图13.1)。
13.1.2.1钻探方法
钻探方法是超前地质预报最直接的一种方法，通过钻探对掌子面前方获取的地层岩性进行鉴别，确定其埋藏距离与厚度(或宽度)、溶洞及充填的性质，能查明钻探深度内的地下水的赋存条件。可进行水量、水压的测定，当有煤系与地层时，可确定煤层厚度和进行瓦斯含量测定，对超前地质预报成果进行验证，同时利用所取岩心进行室内试验，测试岩石的物理力学性质。因此在地质构造复杂地段，经地质、地球物理综合手段超前地质预报确认的重点地段，应施以水平钻探法确认。
图13.1隧道地质超前预报分类方法
目前水平钻探法，按长度分为短距离(30m以内)钻探和长距离(大于50m)钻探。按取心与否分为取心和不取心水平钻探。不取心钻探依据钻进过程中钻速、钻压、扭矩、水量、岩碎粉的变化，结合地质情况，判断分析钻进前方岩体的性质，但不如取心法直接。
在钻进过程中还可采用钻孔声波、水压力井孔电法等技术，预报涌水量及水压力。3～5m以内的钻孔可放水降压，排放瓦斯，也归于水平钻探法的类型中。水平钻探法，准确率很高，在超前地质预报中占有极其重要的位置。特别是在岩溶发育地段，对地质物探预报成果作验证，效果很好。
13.1.2.2 地质方法
(1)地面地质投影法
该方法首先要对计划施工的隧道范围内进行详细的地质调绘，确定各岩组的地层层序、厚度、标志层位置，结合沉积韵律，建立标准地层剖面。然后对地质构造进行追踪调查，在不同位置实测构造面产状，获取构造的性质、规模及范围。最后，在图上对构造位置定位，利用地质作图法，把构造投影到洞身位置。在作图过程中根据构造面的变化规律要不断进行修正。具体作法如下:根据构造线产状将其放到洞顶，将真倾角换算成视倾角，通过计算，获得构造线在隧道某一位置的具体里程、范围及延伸方向。
(2)断层参数预测法
断层是地质体在强烈应力作用下的结果，其附近必然会出现各种形迹，断层参数预测法是根据断层影响带内的特殊节理与其集中带有规律分布的特点，经过大量断层影响带的系统编录得出经验公式，预报隧洞断层破碎的位置和规模。由于大多数不良地质(溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等)与断层破碎带有密切的关系，按地质学原理，依据断层破碎带推断其他不良地质体的位置和规模。
(3)掌子面编录预测法
掌子面编录预测法主要是通过对已开挖掌子面的地质状况开展现场调查，并对掌子面地层岩性、节理发育情况、受构造影响的程度、围岩稳定状态等进行详细编录。确认掌子面出露的地质体的岩性、层位、性质(特别是不良地质体)和产状，并根据地质体的上述特征，沿其走向、倾向和倾角推断该地质体在掌子面前方延伸的情况，进行掌子面的工程地质评价，做出掌子面断面图。根据隧道岩层的倾角，结合标准地层剖面确定岩层层位，采用公式计算，预测预报某一软弱岩层在洞身的位置，并根据其稳定性提出施工措施建议，进而达到短期预报的目的。该方法对于延伸规则的地质体预测精度较高，对于诸如岩溶陷落柱等的不规则不良地质体，只能依据点的位置和大约轮廓以及长距离预报的成果，作近似推测。
(4)水文地质条件预测法
水文地质条件预测法是利用洞内单掌子面涌水量动态变化的长期观测记录，掌握地下水初期涌水量、衰减涌水量和稳定涌水量的变化规律，综合分析地层、断层、线性构造等特点，结合基岩裂隙水的运移特点，针对岩层组合的含水性、节理裂隙的张开程度及充填情况，查明地下水的补给、径流、排泄途径及影响范围，对未开挖段进行水文预报工作。
13.1.2.3地球物理方法
(1)隧道地震超前预报系统(TSP)
TSP法(TunnelSeismicPredication)采用了回声测量原理，在工作面后方沿巷道布置多个浅钻孔作为炮点激发地震波(通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线)，炮孔和接收孔布置在离地面1.5m左右高的同一条测线上，炮孔深度1.5m，接收孔设在距掌子面的远端，深度2.0m，各孔均向下倾斜10°～15°，孔径40～42mm，利用锚固剂分别将炸药和检波器与岩石固结耦合，用小量炸药激发产生，炸药用量50～100g，由电雷管引爆。产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性接口(即波阻抗接口，例如断层、岩石破碎带、岩性突变等)时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三分量(X，Y，Z方向)加速度地震检波器(一般左边墙和右边墙各一个)灵敏度1000mV/g±5%，频率范围0.5～5000Hz接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数。其工作原理如图13.2所示。
图13.2TSP工作原理示意图
(2)反射负视速度法
负视速度法与TSP的不同之处是:TSP法为多点激发、一点接收;负视速度法则是一点激发、多点接收。当隧道掌子面前方存在异常时，围岩与异常体的弹性波波速有差异，入射波到达围岩与异常体界面时会产生反射、折射与绕射现象。在震源与掌子面之间布置纵向观测系统，因为入射波与反射波在测线上传播方向相反，如将入射波在测线方向上的速度定义为正视速度，则回波相对震源而言便具有负视速度特征。因而可以利用负视速度同相轴作为识别前方回波的标志和依据，根据回波时距曲线可以求出反射界面的位置，其工作原理如图13.3所示。利用三维极坐标系统，求出反射界面的产状和空间位置，根据地面地震资料反演声波阻抗曲线类似的VSP反演方法，求出反射界面的阻抗，结合施工地质资料，预测岩石类型、裂隙度等其他岩性参数。
图13.3反射负视速度法工作原理示意图
(3)水平声波反射法(HSP)
HSP(Horizontal Seismic Profiling)声波测试和地震波探测原理基本相同，都是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯－菲涅尔原理和费马原理。本方法探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。测试时，隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号，在另一点接收反射波信号。采用时域、频域分析探测反射波信号，根据隧道施工掌子面地质调查、地面地质调查及利用隧道超前施工段地质情况，推测另一平行隧道施工掌子面前方地质条件，便可了解前方岩体的变化情况，探测掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等。
现场测试方法采用通道触发一发一收的方式进行。信号采集和数据储存都通过便携式计算机控制。每一测区都重复进行10次测试。掌子面测试时，接收换能器距触发换能器20～300cm，实际测试距离应根据掌子面现场条件具体确定。工作布置图如图13.4所示。
由于在掌子面进行数据采集，因此信号往往受噪声及面波信号干扰，为实现“高分辨率，高信噪比，高精度”的目的，HSP分析处理系统开发出了相应的多种软件模块，其中着重进行了提高声波记录信噪比的处理，包括谱白噪反褶积处理、f－k滤波、τ－P滤波、叠加偏移校正、相关分析及全波综合处理等技术，并对岩体的黏弹性和各向异性进行了有效的校正。
图13.4水平声波反射法掌子面测试布置示意图
(4)隧道地质层析成像法(TRT)
TRT(True Reflection Tomography)技术的突出特点是在观测方式上实现了三维空间观测。资料处理方法上采用地震层析成像技术。检波器和激振点布置在隧道两侧和掌子面上，最大限度地扩展横向展布，以充分获得空间波场信息，提高波速分析和目标地质体的定位精度。
当地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析被用来了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模。
TRT超前预报在隧道中采用三维空间布置传感器，一点激发，多点接收。仪器震源位于掌子面附近，传感器位于掌子面后方15～20m处，空间分布于隧道的边墙、拱顶位置，立体接收反射回来的地震信号。然后多次重复该过程，在不同的位置激发地震波，得到多组地震波传播数据，运用专业运算程序对其进行数据处理，得到三维空间分布的反射能量图像。TRT工作原理如图13.5所示。
(5)隧道地震CT成像法(TST)
TST(Tunnel Seismic Tomography)是隧道地震CT成像技术的简称，在反射地震CT成像技术的基础上结合隧道的观测条件研发成功的。采用地震偏移成像方法，运用地震波的运动学和动力学双重信息，通过2D或3D空间观测系统，可靠地确定掌子面前方的围岩波速和地质结构。软件在处理反射波走时和幅值双重信息的基础上，通过波速扫描、构造方向位扫描、偏移成像、走时反演成像等功能，同时确定围岩波速结构、地质结构与构造成像。提高了地质界面的地位精度，提高了预报的可靠性和准确性。
图13.5TRT采集装置示意图
TST技术其基本原理是逆散射成像。目前在地震勘探与雷达检测解释中，多采用反射理论。但反射理论的适用条件是反射面尺度D远大于波长λ。在工程勘察中，目标体的尺度多为米级，对地震波很难满足反射条件，应该使用散射理论。散射理论适用的范围更广泛，反射只是散射中的一种特殊情况，就是散射体足够大时的一种逆向散射。散射与反射理论的适用条件主要决定使用的波长与目标体尺度的关系，可以简单的表述为目标体远大于波长时适用反射理论，目标体与波长相近时使用米散射理论，目标体远小于波长时使用瑞利散射理论。
根据波速分析和二维视速度滤波的要求设计，TST隧道超前预报技术的观测方式为一个长40～60m，宽10～20m的空间布置观测系统。根据围岩波速分析的要求，观测布置应尽量扩大横向展布，检波器和炮点沿隧道两侧壁布置，两侧壁检波器间的横向距离应尽量大，至少大于预报长度的十分之一。实际超前预报中预报长度多为100～200m，据此两侧检波器间的横向距离应在10～20m的范围。根据二维视速度滤波的要求，为保证有效地识别不同方向的回波，滤除侧面回波和面波，观测系统沿隧道侧壁布置的纵向排列的长度要大于2～3个波长，检波器的间距应小于1/4波长。实际的超前预报中使用的地震主频在100～300Hz之间，波速在2.0～5.0km/s之间，地震波长为20～40m。据此检波器间距应设计为4～6m，沿隧道侧壁布置的排列长度设计为40～60m，TST系统硬件主要由信号采集处理系统、信号接收及联结系统和爆炸装置等部分组成，其激发和接收布置如图13.6和13.7所示。测量系统主要进行以下工作:①发射孔和接收孔采用60mm直径钻头成孔;②检波器12个对称布置在两侧壁内，每侧6个，间距4.0m，埋深1.8～2.0m，用泥团固定检波器和封孔;③爆炸震源4～6个对称布置在两侧壁内，每侧3个，间距24.0m，埋深1.8～2.0m;炸药量250～500g，单发毫秒雷管采用起爆器控制起爆。
图13.6TST掌子面附近观测布置
图13.7TST观测系统布置示意图
TST超前预报技术的资料处理主要经过几个环节，首先是对接收点和激发点的坐标进行输入和编辑;接下来是采用F－K二维方向滤波技术滤除侧向和后向回波及面波，提取前方回波;第三是使用不同横向偏移距的前方回波进行速度扫描，依据叠加能量最大化判定原理确定各段围岩的最优波速分布;最后，使用前方回波记录和速度分布进行地质构造的偏移成像。TST提供的预报结果包括构造偏移图像和围岩波速分布图像两部分，它们相互印证，便于分析构造和围岩类别划分及综合地质解释。据此，再结合地质资料进行解释和预报。
(6)陆地声呐法
陆地声呐法是“陆上极小偏移距超宽带弹性波超短余震接收系统单点连续剖面法”的简称。该方法具有分辨率高、反射能量大、抗干扰能力强、现场施工简单方便等特点，能满足地下小构造及狭窄工作环境的高分辨率探测精度的需要。
由于震源的强冲击而使震源附近的介质出现破碎或塑性变形，在弹性介质中建立起来的斯托克斯波动方程将不适用于近震源区域，因为震源上的初始条件和边界条件无法明确给出，理论上一直未搞清楚震源附近的波场特点。但在扰动震源点上，必然存在有限振幅的波。
在原理上应进行单道自激自收的数据采集，然后直接拼接成T0时间剖面，在此时间剖面基础上进行处理和地质解释。但在实际工作中，由于震源的影响很难做到自激自收采集，因此只能近似地做极小偏移距单道采集，可利用数据处理系统进行数据处理，以提高剖面的信噪比。为了便于解释，当剖面构造复杂时，可进行偏移归位处理等。由于地震波主频得到了较大的提高，以及剖面上可见到的子波短余震特点，使采用此方法所获得的剖面的精细程度大大超过了常规地震勘探剖面，特别是在极浅层时更为明显。
为了能够更准确地判断不良地质体的位置，一般根据隧道断面的大小，布设水平、铅垂相交的多条测线。仪器连接一般为触发电缆一端连接主机，一端接击发杆及击发铁锤。接收电缆一端连接主机，另一端接检波器。采用一点激发，两点同时接收。在所布置的测线测点上，一人用击发铁锤敲击击发杆，两人各手持一检波器用黄油耦合于击发点两侧的测点上，沿测线各点击发进行数据采集。测点位置应尽量选择在完整的岩面上且能够让检波器对准工作面的正前方，以便能够更好地接收到前方反射回来的弹性波。其预报示意图如图13.8所示。
图13.8陆地声呐法地质预报示意图
陆地声呐法的数据处理过程包括，数据编辑等预处理及频带白化滤波、声波滤波、F－K域二维滤波、反褶积、反演解释等过程。其中数据预处理工作尤为重要，预处理主要有三方面内容，分别是数据解释、数据编辑和数据信号分析。
在解释的过程中，必须密切结合隧道的地质情况及现场数据采集时的相关信息，排除干扰因素，利用地质概念及物探知识解释时间剖面中出现异常的地方。通过波速与时间的关系计算出不良地质体的位置，并推断出不良地质体的形态及规模等。
(7)瑞利波探测法
瑞利波亦称滚动波、地滚波，是地震中面波的一种，一般认为是不均匀纵、横波耦合而成。瑞利波探测技术近年来广泛应用于工程地质勘探、工程质量无破损检测、地基加固处理效果评价等工程领域。在隧道工程中的应用主要有:一是对断层、断裂带及溶洞等地质构造的定性研究;二是通过对瑞利波层速度计算方法的研究，为围岩级别的判定提供高效的原位测试技术。
瑞利波探测方法分为稳态和瞬态，稳态瑞利波是每次激发一种频率，在一个测点通过多次激发和接收完成不同深度的探测;瞬态瑞利波采用瞬态冲击震源，一次激发和接收，可以获得宽频带的瑞利波振动信号，这相当于稳态成百上千次激发的信息，如图13.9所示。仪器记录同一瑞利波列在传播方向上的不同位置的两个时间域的信号，经离散傅里叶变换(DFT)转换为一系列不同频率的正弦分量。由此可以得到信号的频谱分布、相应频率的相关程度和相移大小，进而可以计算出相邻不同频率成分电法的滞后时间和平均速度;绘制vR－λR关系曲线，同一波长的瑞利波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的瑞利波传播特性则反映了不同深度的地质情况。如果探测的对象是非均匀介质，不同频率的振动按不同的速度传播，一定的频率对应一定的波长，即一定的地层深度。通过对频散曲线进行反演，即可得到某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞利波传播速度vR值;vR值的大小与介质的物理力学特性有关，据此可对探测对象(围岩)的物理力学性质做出评价。
图13.9瑞利波探测原理示意图
(8)探地雷达法(GPR)
常用的探地雷达仪器通常有三种数据采集模式:测量轮控制测量(SurveyWheel)、连续测量(FreeRun)、点测(Point)。主要工作技术参数为加强型屏蔽天线中心频率为100MHz，每次扫描的采样点数为512;每秒钟的扫描数为100;相对介电常数依岩石而定。在进行探测时，沿隧道掌子面布置水平和竖向两条测线(图13.10)，水平测线距一级台阶底面约1.5m，竖向测线在掌子面中心位置。测试时由两位工作人员手持天线紧贴掌子面由探测起点匀速移动到探测终点。
数据处理是反射波时间剖面图解译的前期准备。现场采集的原始信号除包含有效信号外，还混有背景噪声、杂波干扰及多次波干扰等。数据处理的目的就是消除或抑制干扰，以最大可能的分辨率在雷达图像上显示有效信号(包括反射波的振幅、波形、频率等)，为进行合理准确的地质解译工作提供确实可靠的基础资料。数据处理过程中参数的选择直接关系到处理结果的质量和预报的准确性。
图13.10探地雷达测线布置示意图
图13.11TEM掌子面探测测线布置示意图
(9)瞬变电磁法(TEM)
根据隧道工作特点及工作要求，一般采用小回线(发射线圈一般采用3m×3m)大电流发射、中心探头接收方式的装置类型(图13.11)。这种装置发、收同点，在近场观测，不仅避免了记录点问题，而且减小了体积效应，受地形影响小，不受静态效应的影响，从而提高了瞬变电磁法的探测精度和分辨率。
由于瞬变电磁法测量涡流产生的二次场，因此，该法对低阻体的探测能力优于高阻体。在复杂地质条件下，仅仅利用异常幅值来分辨其性质往往是不够的，有时甚至是错误的。必须注意它的时间特征，进行必要的参数转换、整理、处理及分析。把野外采集的数据解释为地质成果，要经过一系列复杂的处理、计算、分析与解释。野外采集的数据含有发射线圈、发射电流、接收线圈、增益、叠加次数等因素的影响，必须进行归一化。仪器在硬件上虽然已经考虑了50Hz干扰及随机干扰的压制问题，还必须通过软件进一步去噪，再做各种计算和反演，根据反演结果进行定量解释。
(10)红外探水法
地球上部岩体的温度主要受地球地热场的影响。在一定深度上，地热场的平均变化为每千米深度增加30℃，而在水平方向，地热场的平均变化远远小于该量。因此，隧道开挖深度的岩体，可视为位于一个均匀温度场中，即为一常温场，温度变化为零(正常场)。当开挖掌子面前方存在含水地层(溶洞、裂隙水等)，且该含水层与岩体存在温差时，岩体中将产生热传导和对流作用，温度场不再为恒温场，而将产生温度异常场，在一定的距离和观测精度条件下，掌子面上存在着温度差异，利用红外辐射测温方法测定这种温度变化差异，可为含水层的超前预报提供依据。这就是红外辐射测温超前预报含水层的物性基础。因此，研究岩体中含水层温差引起的温度异常场的分布规律，对该方法的探测能力、资料解释都是极其重要的。
