对瑞士安伯格tsp类系统预报隧道工程岩体速度的质疑

对瑞士安伯格TSP类系统预报隧道工程岩体速度的质疑2006-8-3来源：刘云祯点击：393字体：大中小前言随着我国基本建设规模的扩大，隧道工程已经成为铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程。根据国内外隧道施工的经验和教训，开展隧道地质超前预报是非常重要的一个环节，科学的有效的开展隧道地质预报工作，对于隧道工程的安全施工极为重要。近几年来隧道地质超前预报技术已经成为工程物探学术界的热门话题之一，自然也会出现各显神通的局面，因此，围绕隧道地质超前预报技术开展必要的讨论，促进应用技术的科学发展是非常必要的。1，隧道地震超前预报技术围绕隧道地质超前预报工作的需要，有地震波、电磁波和红外线等多种技术方法。隧道地震超前预报是隧道地质超前预报中的一种技术，它的基本原理是利用地震反射波方法，采集隧道掌子面前方“声阻抗界面”反射回来的地震波，达到推断“声阻抗界面”的空间位置、规模和性质的目的。声阻抗是介质速度与介质密度的乘积，具有声阻抗界面表明界面两侧的介质声阻抗不一致。隧道地震超前预报中的声阻抗界面，一般由地质构造破碎带、软弱带、岩体的节理裂隙发育带、岩溶发育带等地质病害体与隧道正常围岩、或者是不同岩性的接触带组成。在隧道施工中，采用隧道地震超前预报方法对隧道掌子面前方存在的地质构造破碎带、软弱带、岩体的节理裂隙发育带、岩溶发育带等地质病害体、以及岩性的接触带进行准确预报，为隧道施工提供可靠资料，是一项非常重要和具有一定技术难度的工作。我国铁道部第一勘测设计院是较早研究隧道地震超前预报的单位。他们在1992年7月，利用地震反射波方法对云台山隧道进行隧道超前预报，预报成果与开挖后的隧道左壁“破碎带”和“断层”的位置基本一致。从上个世纪90年代初开始，我国物探技术人员一直没有停止对隧道地震超前预报技术的深入研究。曾昭璜（1994）研究利用多波进行反演的“负视速度法”，这种方法利用来自掌子面前方的纵波、横波、转换波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所产生的负视速度同相轴来反演反射界面的空间位置与产状。北方交通大学的陈立成等人（1994）从全波震相分析理论和技术的角度研究隧道前方界面多波层析成像问题，进行隧道超前预报。他们的研究成果在颉河隧道、老爷岭隧道地质预报的数据处理和推断解释中应用，取得预期的效果。隧道地震波超前预报技术，翻译成英语是“Tunnel Seismic Prediction”，用英语字头表示即“TSP”技术。“TSP”一词不是指隧道超前地震预报中的某一种仪器，而是隧道地震超前预报技术方法的同义词。我国研究隧道地震超前预报技术、或者“TSP”技术，在隧道现场应用的初期采用地震波勘探中的地震仪器，接收装置采用单分量的速度型检波器；后来采用三分量速度型检波器。在模型试验中采用声波仪器和压电换能器等设备。对数据处理编程中的数学计算依据，有的采用地震波运动学原理；有的采用地震波动力学原理；有的采用垂直地震波测井的原理；有的采用层析成像学原理。之所以采用多种数学计算的方法研究，原因是在隧道局限的几何空间条件下采集的地震波数据的有限性、和面对全空间条件下，如何克服隧道超前预报中多项要求之间的矛盾。2000年我国北京市水电物探研究所研制开发“TGP12”隧道地震超前预报系统，该系统包括仪器设备和相应的隧道地震超前预报处理系统。“TGP12”隧道地震超前预报系统，对以上计算的数学原理进行了充分的研究分析，利用不同传播路径的多波多震相，在复杂地质条件下，预报隧道掌子面前方的地质构造破碎带、软弱带、节理裂隙发育带、岩性的接触带和岩溶发育带等地质病害体，为隧道施工提供可靠的地质预报资料。“TGP12”隧道地震超前预报系统为了适应隧道中长期预报和短期预报的要求，在采集系统中安装长期预报和短期预报两种功能，长期预报采用地震反射回波方法，短期预报采用瞬态面波方法。 目前隧道地震超前预报技术的现状和存在的问题。从隧道施工的角度对隧道地震超前预报的要求：一方面要求预报隧道掌子面前方是否存在不良地质体、以及其位置、规模和分布等；一方面要求预报隧道掌子面前方不良地质体的介质性质。目前对第一个方面的要求可以基本上实现；而对第二个方面的要求，结合隧道施工地质工作，可以进行定性的推断解释。因为利用地震方法预报岩体介质的性质，需要预报段岩体介质准确的纵波和横波速度值。在隧道预报中病害地质体界面是在全空间任意分布的，而采集地震波信息的装置仅是布置在一个固定的方向上，首先难于确定地震射线是否具有覆盖的条件，同时也难于满足由地震波射线获得“均方根速度”后，计算分段岩体介质“层速度”的条件。“层速度”的反演计算过程受到采用的速度值和界面倾角的双参数影响，而这两个参数又都是难于准确确定的。在现行的隧道地震预报中往往是确定一个参数来计算另一个参数的办法，所以由此计算获得的纵波速度和横波速度，代表隧道掌子面前方岩体介质速度的可靠性是个值得研究的问题。2，目前隧道地震超前预报技术中的误区近几年以来，随着我国隧道工程的增多，加强隧道工程施工的安全突出地提到日程上来，隧道地震超前预报的任务需求大增，仅有少数设计院物探队伍承担的局面已不能满足建设的需要，隧道施工部门的地震超前预报队伍发展起来。但是由于他们缺乏熟练从事地震波勘察的技术人员，他们需要操作方便，而且自动解释出成果的设备。市场需求是厂商开发的动力，应市场需求产品也会应运而生。国外瑞士安伯格公司“TSP203”仪器，用于隧道地质超前预报。瑞士安伯格公司宣传“TSP203”仪器的处理系统具有超前预报隧道工程岩体速度的功能，其软件系统在预报成果图中提供不同里程段的岩体纵波、横波速度值，和由这两个参数计算得到的岩体动弹性模量值、动剪切模量值、泊松比参数值，还计算出岩体密度值，并以此分段岩体的速度等参数值进行隧道超前预报。有的单位直接利用上述参数进行隧道掌子面前方岩体的围岩分级，甚至依此作为变更隧道支护设计的依据。如果“TSP203”系统果真具有能够预报隧道掌子面前方分段岩体速度的功能，绝对是一件好事，而且是一种“叫绝”的技术。但是很遗憾，作为一名从事地震波勘探和关心并研究隧道地震超前预报的老地质工作者，我认为：瑞士安伯格公司对“TSP203”系统具有该功能的宣传，违背弹性波检测岩体速度的基本理论基础，以此引导隧道地震预报是个误区。为此，提出我的认识，供大家探讨分析。3，地震波检测岩体弹性波速度的原理在岩土工程专业中，岩体具有各向异性、非均质和非连续的地质属性，是检测和研究岩体工程地质性质的基础知识，这一点是众所周知的。在利用地震波或声波物探检测方法研究岩石和岩体的物理力学性质的实际工作中，根据研究对象布置测线和测点。有的测线选择在岩体的露头上，有的测线布置在隧道洞壁上，有的布置在钻孔中。具体到检测方法：或利用地震直达波方法，或利用地震折射波方法，或利用地震反射波方法。地震直达波速度代表地震波传播方向上该段岩体的速度。地震折射波速度代表地震波传播方向上该段岩体的“视速度”，岩体的“视速度”与岩体速度是不同的概念，“视速度”数值的大小受折射波传播界面与地表面夹角大小的影响。在折射波传播界面与地表面平行（即夹角为0°）时，折射波的“视速度”与岩体界面方向的速度数值相等，非这种条件以外获得的“视速度”均不等于岩体的速度，而且夹角越大偏差越大。地震反射波方法获得岩土介质速度是地震反射波射线范围内岩土介质的“均方根速度”。在反射界面与地表面平行（即夹角为0°）时，“均方根速度”与岩土介质的平均速度数值相等，非这种条件以外获得的“均方根速度”不等于岩土体介质的平均速度，而且夹角越大偏差越大。以上介绍可以得出：欲获得某段岩体的速度必须满足地震波的传播路径通过该段岩体的条件。针对岩体具有各向异性、非均质、非连续的特点，欲获得某段、某方向上岩体的速度必须满足地震波的传播路径通过该段岩体、同时满足传播路径方向相一致的条件。我们设想隧道轴线方向与掌子面前方构造面的几种状态：○1 轴线方向与构造面走向垂直，构造面倾角变化；○2构造面倾角为90°，构造面走向变化；○3轴线方向与构造面走向不垂直且夹角在０°～360°变化；构造面倾角也不为90°，而且倾角也在０°～360°变化；○4多组状态○3组成的构造面存在。对于状态○1地震反射波射线在铅锤面上；对于状态○2地震反射波射线在水平面上；对于状态○3、○4地震反射波射线构成的平面将会在全空间内分布，不同构造界面的地震反射波射线重叠或者交汇的可能性会降低许多。在实际工作中○3、○4两种状态应该是经常遇到的状态。因此实现掌子面前方岩体速度检测和计算条件的困难性大为增加。4，对“TSP203”系统提供掌子面前方岩体速度图等资料的分析图（1）安伯格公司TSP203系统成果图 上图为“TSP203”系统提供的掌子面前方岩体的速度图等资料。图的上半部分为三项参数的直方图，由上往下为岩体分段的纵、横波速度参数值；岩体的分段密度值；岩体的分段动弹性模量值。图的下半部分为反射界面的分布图。我们以图中的反射界面线与隧道里程线的交点为序，统计反射界面与隧道轴线夹角汇总成表，见表1。表1：反射界面统计图序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11里程 2084 2092 2104 2108 2109 2116 2136 2152 2164 2184 2188夹角 45° 75° 70° 65° 75° 80° 80° 70° 90° 70° 80°以表1中最后两个界面的里程和夹角设计模型，根据隧道地震反射波的传播理论，采用作图方法，地震反射波的射线路经，见图（2）。图（2）隧道地震预报中的射线原理图图中：上部为2188里程处构造面，与隧道夹角80°，反射段在隧道轴线的投影里程为2181～2182，其地震射线与隧道夹角10°～15°，反射段偏离隧道距离32～37米；下部为2184里程处构造面，与隧道夹角70°，反射段在隧道轴线的投影里程为2162～2165，其地震射线与隧道夹角２0°～３０°，反射段偏离隧道距离49～59米。图（1）中的TSP203处理系统成果图，利用的上述两组地震射线方向完全不同、射线路经范围也不具备重合条件，并且反射段是偏离隧道50多米以外的资料，作为隧道掌子面前方岩体的速度数据是完全没有道理的。图（1）中TSP203系统成果图中的预报距离为96米，如果以构造面距离为150米计算，上述构造界面的反射段偏离隧道为70～80米；以构造面距离为200米计算，上述构造界面的反射段偏离隧道为85～95米。偏离如此大的距离，而且地震波射线与隧道轴线方向存在着较大的夹角，其地震反射波的“均方根速度”是通过怎样的计算转换为分段岩体的速度？其速度值资料代表隧道掌子面前方岩体的速度值，用作隧道前方岩体的弹性波速度分类使用，有多大的准确性呢？上述计算仅利用表（1）中两组陡倾角的构造界面，如果采用构造界面倾角为５０°计算，隧道掌子面前方１５０米的构造面，其反射段偏离的距离超过１００米以上。 有以上介绍，我们已经明确：利用地震反射波方法预报隧道前方岩体速度起码应该满足地震反射波上下行射线覆盖该段岩体的基本条件，和根据岩体具有各向异性、非均质、非连续的性质，计算相应地震反射波射测线方向的数据资料的要求。根据我对TSP203系统的了解，我认为目前TSP203系统中尚不具备我对其质疑的功能。至于“TSP203”系统提供的掌子面前方岩体的其他参数值，例如：岩体的分段动弹性参数值，属于根据其相应的纵波和横波速度计算而得到的二级参数，其可靠性与上相同，毋庸多说。但是在计算岩体的分段动弹性模量参数的过程中要用到岩体的密度值参数，TSP203处理系统对于该参数的确定是利用弹性波速度，结合岩性来计算确定的。我们知道，在实验室中利用声波方法检测岩石试块的波速，大量实验结果表明同种岩性其波速与岩石的密度具有统计的关系，但是这种统计的经验算式带有地区性和局限性。因为岩石的成分不同、矿物的粒径大小不同、空隙度不同、胶结物的成分和交接的程度不同，均会影响速度与密度的统计关系。岩体比岩石更具有复杂性，因此利用波速统计密度的算式，其局限性将会更大一些，这里讨论的还不是计算的准确度问题，而是依此应用的合理性问题。所以我对瑞士安伯格仪器公司TSP203系统提供隧道前方岩体速度的功能提出质疑。欢迎国内外同行讨论，开展必要的技术交流，促进隧道地震超前预报技术的提高，科学的进行隧道地震超前预报工作。参考文献（略）