提高TSP—202超前预报系统探测距离的技术措施的研究.pdf

第 2 2卷第 3期 2 0 0 3年 3月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 2 2 3 4 7 2 4 7 5 Ma r c h， 2 0 0 3 提高 T S P ． 2 0 2超前预报系统探测距离的 技术措施的研究 李忠刘秀峰 黄成麟 石家庄铁道学院土木分院石家庄0 5 0 0 4 3 辽宁省铁法煤矿集团公n-- J 铁岭 I 1 2 7 0 4 摘要从地质构造学理论、爆破地震学理论J j I 发，就如何提高 T S P ． 2 0 2超前预报探测系统的探测距离进行了初步 探讨，并提出了进行超长距离探测时的行之有效的技术措施。 关键词工程地质，构造地质学，探测距离，技术措施 分类号O 6 3 1 ． 1 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 6 9 1 5 2 0 0 3 0 3 ． 0 4 7 2 ． 0 4 STUDY oN THE TECHNI C M ETH oDS oF I NCREASI NG DETECTI oN DI STANCE oF TS P． 20 2 S YSTEM Li Zh o n g ，L i u Xi u f e n g ，Hu a n g Ch e n g l i n I S h o i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e ， S h ij i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3 C h i n a 2 L i a o n i n g 7 7 Mi n i n g C o ． L t d ， T i e l i n g I 1 2 7 0 4 C h i n a Ab s t r a c t Th e t e c h n i c me t h o d s t o i n c r e a s e t h e d e t e c t i o n d i s t a n c e o f T S P 2 0 2 s y s t e m i s s t u d i e d wi t h t h e t h e o r i e s o f t h e g e o l o g i c a l t e c t o n i c s a n d t h e e x p l o s i o n s e i s mo l o g y ． Ac c o r d i n g t o t h e d i ffe r e n t t e c t o n i c s a n d l i t h o l o g y ， i t i s s t r e s s e d h o w t o a d o p t t h e d e t e c t i o n p a r a me t e r s b a s e d o n p r a c t i c a l c o n d i t i o n s ． Th e n ，t h e e ffe c t i v e t e c h n i q u e i s p u t f o r wa r d f o r t he me t ho d． Ke y wa r d s e n g i n e e r i n g g e o l o g y，t e c t o n i c s ， d e t e c t i o n d i s t a n c e ， t e c h n i c me t h o d s 1 引 言 T S P ． 2 0 2超前预报探测系统是我国 2 0世纪 9 0 年代 引进 的一套先进的地质超前预报探测系统 。它 对 于施 隧道长子面前方诸如断层破碎带、软弱岩 层 、溶 洞等地 质构造均 有很好 的超 前预报效 果。 T S P ． 2 0 2探测 系统 的探测参数多是制造厂商根据原 设计时 所考虑 到的可 能影响探测精度 的各种 因素 包括现场噪音 、构造结构面与隧道的相对位置 、 采 样 间隔、采样数 目等 而设定的，由此 限定该探测系 统理想 的极限探测距离为 1 0 0 m【 l qJ 。 但在实际 作 中，只要根据现场 的地质情况与岩石力学特性，采 取相应 的技术措施 ，可以提高该探测系统 的实际探 测距 离， 进行超长距离 大于 2 0 0 m 的超前地质预报 探 测 。 2 T S P ． 2 0 2超前预报系统工作原理 T S P ． 2 0 2地质超前预报系统是 目前利用物探方 法进行隧道施工地质超前预报诸多系统中较为有效 的一种 。它是利用一个或两个高灵敏度 的地震波接 收器，广泛收集由布置在隧道单侧壁上多个人工爆 破激 发点所产生的地震波 主要是 P波 及其在围岩 传播中遇到不 同反射界面时的反射波 主要是 P波 的反射波 ，并将其转化为 电压脉冲信号，记录在计 算机中，然后通过分析这些信息，计算反射界面所 在的位置，进而结合具体的地质情况 ，预测诸如断 2 0 0 2年 2月 2 1日收到初稿。2 0 0 2年 3月 I 8 F 1 收到修改稿。 作者 李忠 简介男。3 4岁。硕士，1 9 9 6年毕业于巾国地质大学 北京 研究生院．现任副教授。主要从事地质超前预报和隧道施工地质学的教学 与 科研 工 作 。 维普资讯 第 2 2 卷 第 3期 李 忠等． 提高T S P ． 2 0 2超前预报系统探测距离的技术措施的研究 4 7 3 层破碎带、软弱岩层 、溶洞等影响施工的不 良地质 构造的位置、宽度 、产状等 如图 l 所示 。 图 l T S P ． 2 0 2探测 系统搜索角 示意图 F i g ． 1 Sk e t c h o f t h e s e a r c h a n g l e o f TS P 2 0 2 d e t e c t i o n s y s t e m 3 提高探测距离的具体技术措施 3 ． 1 根据现场地质情况，确定传感器最佳 的安装位 置和角度 炸药包爆炸所产生的应力波 ，在介质中的传} 番 形式及其能量 的分配额是不同的 如图 2所示 在 靠近爆源 3 - - - 7倍药包半径 的距离内， 以冲击波的形 式出现 ，占爆炸能最的 6 0 ％以上 ；在距爆源 1 2 0 - - - l 5 0 倍约包半径 的距离 内，以压缩波的形式出现， 占爆炸能量的 3 0 ％以上；直到超过炸药包半径 1 5 O 倍的距离后，才以地震波的形式出现，只 占爆炸能 量 的 l 0 ％左 右 。 图 2 爆炸应力波及其分布作用范围 Fi g ． 2 T h e f o r m o f t h e t r a n s mi t i n g s t r e s s - wa v e 虽然地震波在 介质 中的传播稳定 ，衰减较慢 ， 但 由于本身的能量很小 ，由其所形成 的反射波的能 量就更微弱 ，同时 如图 3所示 ，地震波在传播的 过程中遇 到诸如节理 、断层 、层理或不同性质岩石 的交界面等结构面时，只会有其中一部分波从结构 面反射 回来 ，另一部分则透射过结构面进入第二种 介质中继续 向前传递 。而且地震波在反射时又会再 度派生成纵波和横波 ，对于形成的反射纵波 P 波 来说 ，其入射角和 反射角都等于 。而 由反射波形 成的横波其反射角则为 。 因此 ，要有效准确地接受到远距离传回来的这 入 反射纵波 图 3 入射纵波 遇结构面时 反射示意 图 Fi g _ 3 Di a g r a m o f t h e r e fl e c t e d s t r e s s - wa v e 部分能量微弱的反射纵波 P波 ，除了传感器本身须 具有极高的灵敏度外，在整个探测过程中，传感器 还必须采取最佳的接受方式和展布角度才能实现。 所以就必须利用构造地质学和波的传播 理论 ，确 定 传感器正确 的位置和接受角度 。 3 ． 1 ． 1利用大地构造地质学和地质力学 的理论确 定 主要探测结构面与隧道 的空间关系 对于一个探测地区米说，其地质构造可能十分 复杂，多种构造形迹纵横交错，但可 以通过现场地 质观测 ，利用大地构造地质学的理论 ，对探测区所 出露的地质构造痕迹进行分期配套 ；然后再利用地 质力学的手段 如绘制主要结构面的产状极点图， 别 尔麦科夫 网图等 ，从中选 出主要结构面 的优选 产 状 ，结合施工隧道的中轴线 的走向，确定对 隧道施 工影响最大的结构面与隧道的空间关系 。 3 ． 1 ． 2选择正确的传感器安装位置和角度 如图 4所示 ，由于隧道是一个 巨大 的地震波屏 蔽洞室，因此 T S P ． 2 0 2超前预报探测系统在接收反 射 P波时，除了应使传感器 的延伸方 向尽可能地与 主要结构面的走 向延伸方向平行外 ，还应保证将传 感器安置在结构面与隧道掌子面前进方向的夹角 大于 9 0 。 的隧道壁一侧 。这样就可以最大限度地接 受到所要探测的结构面的反射回波，尽可能多地采 集探测信 息，提 高探测的距离和精度 。 图4 T S P - 2 0 2系统接受器探测的最佳位置示意图 F i g ．4 Th e b e s t l o c a t i o n o f t h e r e c e i v e r 向 维普资讯 4 7 4 岩石力 学与工程学报 2 0 0 3 年 3 ． 2 根据现场 的岩石力学性质，选取合适的采样参 数、探测炸药种类和用量 T S P 一 2 0 2超前预报探测系统 ，由其原有的 设计 思想可知“ 在理想状态下， 当反射系数为 0 ． 1 1 0 ％ 时，可 以收集到隧道掌子面前方 5 0 0 m左右的结构 面的反射波信号 ” 。但受到在探测时周围噪音和信号 散射等因素的影响，实际上只能收集到 1 0 0 2 0 0 m 的反射信 号。同时 由于地震波在岩石 中的传播、反 射均需要一定 的时间，所以要想进行超长距离准确 清晰 的探测预报工作，就必须从延长系统的采样时 间，提高地震波在岩石介质 中的传播速度两方面入 手 。 3 ． 2 ． 1扩火采样间隔 ， 提高采样数 目， 延长采样时间 在常规 小于 2 0 0 m 的探测中， 一般采用 的采样 参数 为 采样间隔 A t 4 0“ s 采样数 目 N4 0 9 6 相对 应 的采 样时 间 TA t N 4 0 x 4 0 9 6 1 1 6 3 8 0 0 s 0 ． 1 6 3 8 S 而在超长距离 人于 4 0 0 m 的探测中， 则将采样 参数调整为 采样 间隔 A t 8 0 i t s 采样数 目N4 0 96 相对 应的采 样时 间 TA t N8 0 4 0 9 6 1 3 2 7 6 0 0 s 0 ． 3 2 7 6 S 这样就将采样时间延长了一倍 ， 为传感器收集 更远距离的结构面反射 的 P波提供 了充足的等待 、 纪录时间 。 3 ． 2 ． 2根据现场的岩石力学性质， 选取合适的探测炸 药种类和用量 要想增加 T S P 一 2 0 2超前预报探测系统 的探测距 离，除了增加采样时间外，还要提高探测用炸药 的 爆速 ，进而提 高爆轰波 的速度 ，使其在一定的采样 时间里传播更远 的距离。 由炸药 的爆轰产生的爆轰波 ， 其在岩石介质 中 的波速 由下列公式导 出 V o 式中V为爆轰波在岩石介质 中的波速；V o 为炸药 爆轰速度 为绝热指数，对于工业炸药来说 ，一 般为 2 ． 8 ～3 ． 6 ，多取为 3 。 在规定 的纪录时间内 T S P 一 2 0 2超前预报探测系 统的探测距离由下列 公式导出 r V A t t o ， ， n ‘一 2S F ‘u 式 中 三为 T S P 一 2 0 2超前预报探测系统 的探测距离； V为爆轰波在岩石介质 中的波速 ；△ ， 为采样时间； 为一段毫秒电雷管的最大起爆时间， 一般为 0 ．0 0 5 S ；D为传感器距掌子面的距离，多为 5 0 m；S F为 速度折减系数，一般为 1 ． 3 。 表 1 显示出针对不同的岩性，选取了相适应的 炸药后，在做超长距离的探测时所用炸药的爆速及 最大探测距离。 由表 1 可 以看 出，在调整了采样参数和炸药类 型后 ，在常见的儿种岩石中的探测距离均火大地超 过了原设计 的距离 1 o 0 m 左右 ，拓展了 T S P 一 2 0 2 表 1 不同炸药在不同岩性中的速度与量大探测距离一览表 Ta b l e 1 Th e v e l o c i t i e s a n d t h e l a r g e s t d i s t a n c e s wi t h d i f f e r e n t l i t h o l o g y 维普资讯 第 2 2卷 第 3期 李 忠等． 提高T S P - 2 0 2 超前预报系统探测距离的技术措施的研究 4 7 5 超前预报探测系统的探测距离。 4 工程实例 在 西安． 南京铁路线桃花浦 二号隧道的地质超 前预报工作 中，为了准确地查明隐伏于隧道施工掌 子面前方的断层，采刚 了上述的技术。首先根据该 隧道 的围岩构造特征 ，将探测的重点布置在隧道前 进方 向的左壁一测，然后在隧道地面地质调查的基 础上，将探测的重点距离固定在距长子面前方 4 5 0 m 的区域 lh 见 图 5 ， 根据该隧道 的围岩主要 由石灰岩 构成，将 T S P ． 2 0 2超前预报探测系统相关的采样参 数分别选定为 图 5 T S P ． 2 0 2探 测系统探测 断层 示意图 F i g ． 5 S k e t c h o fs e a r c h i n g f a u l t wi t h TS P - 2 0 2 d e t e c t i o n s y s t e m 采样间隔 A t 8 0 s 采样数 目 N4 0 9 6 相 对应 的采样 时间 TA t X N8 0 x f 4 0 9 6 一 1 3 2 7 6 0 0 H s 0 ． 3 2 7 6 S 相对应 的采样距离 ST X V／ 20 ． 3 2 7 6 X ； 新书简介l _ 、 、 、 、 、 、 、 、 30 5 0 ／ 25 0 0 ． 0m 使探测成果有效地覆盖 了所要探测预报 的距离 区域， 为施 L提供 了十分重要 的地质超前预报资料 ， 也充分证明该方法 是行之有效的提 高 T S P ．2 0 2超 前预报探测系统探测距 离的技术手段 。 5 结论 1 正确地划分探测地区的构造框架 ，确定主 要影响隧道施工的结构面的空间产状，是决定传感 器最佳位置与延伸方向的主要因素 ，也是决定探测 距离远近的主要因素。只有将高灵敏的传感器安置 在结构面与隧道掌子面前进方 向的夹角 大于 9 0 。 的隧道壁一侧 ，且平行于结构面延伸方 向，才能有 效地接受从远距离传回来的能量微弱的反射 P波 。 2 根据岩石力学性质，选择合适 的采样参数 ， 采用相匹配的高爆速测试用炸药，根据 P波在不同 岩石中的传播速度和采样时间，选取满足测试要求 的爆速 多数爆速大于 5 0 0 0 m／ s 的炸药 ，是实现超 长距离探测的关键技术手段 。 参 考 文 献 1 刘志刚煤矿构造学【 M】 北京 世界图书出版公司．1 9 9 0 ．1 6 o ～ 1 6 7 2 姜彦忠爆破技术基础【 M】 北京中围铁道出版祉，1 9 9 4 ，1 9 3 ～ 2 0 2 3 刘建亮工程爆破测试技术【 M】 北 京北 京理工大学 出版社 ． 1 9 9 4． 1 6 8 ～ 1 7 8 ‘ 地下连续培的设计施工与应用一书由丛蔼林编著，中困水利水电出版社 2 0 0 0年出版，l 6开本，l 8 6万字，定价 l 5 0 元 。 该书是一本专门讲述地下连续墙的设计施工与应用的专著，系统地介绍了地下连续墙的设计、施工方法及最新的科研成 果。全书共分 6篇。第一篇介绍地下连续墙概念、槽孔稳定理论、设计方法和试验检测成果第二篇介绍泥浆原材料的基本 性能，泥浆的技术特性和测试方法、生产和回收技术以及特种泥浆第三篇介绍地下连续墙的各种墙体材料的性能、配比和 施工要点；第四篇介绍地下连续墙的施工机械、工艺和管理；第五篇介绍特种地下连续墙的施工；第六篇介绍地下连续墙的 应用状 况 ，对 其发展前景进 行 了展望 。 该书可供建筑、交通、水利、市政、铁道、地矿等行业从事土建工程设计与施工的技术人员使用。 维普资讯