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2 0 铁路航 2 0 0 2年第 1 期 增加 T S P ． 2 0 2超前预报探测系统探测距离的技术探讨 李 忠 黄成麟 刘秀峰 1 ． 石家庄铁道学 院土木分院 ； 2 ． 辽宁省铁 法煤矿集 团公 司 摘要 本丈从地质构造学理论、 爆破地震学理论出发， 就如何增加 T s P 一 2 0 2 超前预报探洲系 统的探测距 离， 进行 了初步的探 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 构造地质学耀测距离技术措施 T P S - 2 0 2超前预报探 测系统是我 国 2 o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 施工隧道掌子面前方诸如断层破碎带 、 软弱岩层、 溶 洞等均有很好的超前预报效果。T S P - 2 0 2探铡系统 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 ， 并由此限定 了该探测 系统理 想的极限探测距离为 1 0 0 m 。但在实际工作中， 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， 是可以提高 该探测系统的实际探测距离 ， 进行 超长距 离 太于 2 0 0 m 的超前地质预报探测。 l 1 卿 2 0 2超前预报探测 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 1 个或 2个高灵敏度的地震波接收器 ， 广泛收集由布置在隧道单倜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波的反射渡 ， 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 1 所示 。 图 1 T S P - 2 0 2探测系统搜索角 占示意图 2 提 高探测距离的具 体技 术措施 2 ． 1 根据现 场地 质情 况确 定传感 器最佳 安装 位 置 由探测炸药包爆炸所产生的应力波 ． 在介质中的传 播形式及其船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， 占爆炸能量的 印 ％以上 ； 在距爆源 1 2 0 ～1 5 0倍药包 半径的距 离 内， 以压缩 波的形式 出现， 占爆炸能量 的 3 o％以上； 直到超过药包半径 1 ．5 0倍的距离后 ， 才以地 震波的形式出现 ， 只占爆炸能量的 l O％左右。 ， ， ＼ ／ 、- 一，、√ l 3 一， R 1 2 0 1 5 0 R l 5 0 R I 收蔷 日期 ； 2 0 0 2 0 2 0 6 图 2 爆炸应力波及其分布作用范围 维普资讯 增加 T S P - 2 9 2超前预报探测 系统探测距离的拄术探讨 李忠黄成磨捌秀峰 21 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渡来说， 其入射角和反射角都 等于 a 。 而由反射波形成的横波其反射角则为 。 反射纵被 图 3 射纵波与结构面时反射示 意图 因此要有效准确地接受到远距离传 回来 的这部 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。 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 对于一个探测地区来说 ， 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 。 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 一2 0 2超前预报探测系统在接收反射 P渡时， 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 向夹角 大于 9 0 的 隧道壁一侧。这样就可以最大程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 。 2 ． 2 根 据现 场的岩 石 力学性 质 选取合 适 的采 样参数度探测炸 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 O％ 时 ， 可以收集到隧道掌子面前方 5 0 0 1 21 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 因素影响的限制 ， 实际上只能收集到 1 0 0 2 0 0 m左右 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人手。 向 图 4 髑P 2 0 2系统接受器探测 的最佳位置示意 图 1 扩大采样间隔 ， 提高采样数 目， 延长采样时间 即 1 6 3 8 0 0 ． s ．u s o 1 6 3 8 在常规 ／ b于 2 0 o m 的探 测中， 一般采用 的采样 而在超长距离 大于 4 0 0 m 的探测中 ， 则将采样 参数为 参数调整为 采样 间隔 At4 0 s 采样间隔 At8 0“ s 采样数 目 N 4 0 9 6 采样数 目 N 4 0 9 6 相对应 的采样时间为 rAt N 相对应的采样时间为 A t N 维普资讯 铁路航测 2 0 0 2 第 1 期 貅 {脯 Vl辅ol J Vol靴ol J 商 I 1 5 8 0 0 6 2 0 5 61 0 7 4 8 0 2 0 3 9 7 0 6 1 0 0 5 2 9 0 8 1 3 0 3 9 0 6 5 0 2 0 61 0 0 2 8 0 2 3 大理岩 l i 订3 0 { l 2 o { 3 0 玄武岩 I l I 铷 l l ∞ 花岗岩 1 j f 1 l 3 0 石 灰岩 J 3 n 5 0 1 4 0 6 0 B J 如 l 6 5 0 j I 3 5 片 岩 l 删 l 6 0 6 0 l 4 6 。 』 l 4 5 砂 岩 1 4 l 3 蛳 5 6 9 0 l 2 0 0 4 3 0 f 3 0 l 4 0 篓 要 竺 喜 能 地 接 受 纪 ，2 录从远距离传回来的能量微弱的反射 P波。P 1⋯ 6 8 P | 7 B 。 ‘ 。。 ‘。 。 。 ⋯。。 。 维普资讯 建立莲花山隧道工程的G P S 三维控钢网 邓百洪顾利亚廖辩忠岑敏仪 的倾斜 ， 减少了由其引起 的垂线偏 差对隧道横 向贯通 精度的影响， 提高了 G P S坐标转换的精度。在莲 花山 隧道工程的实践中 ， G P S 平 面控制 网完全满足 了隧道 工程施工的精度要求 ， 清潭和柚树下隧道的实际贯通 误差均远远小于公路勘测规范的有关技术指标。 运用 G P S 技术 ， 结合光 电三角 高程测量 ， 采用 附 加参数拟合法， 避免 了两端洞 口未统一的高程 系统对 拟合 函数待求参数 的影响。相对于常规的几何水准测 量而言， 它大大减轻野外工作量 ， 节省了大量 的人力、 物力、 经费和时间 ， 在莲花山隧道工程中获得的隧道高 程控制测量满足施工精度要求 的结果 ， 预示着 G P S技 术在隧道高程控制测量 中巨大的应用潜力和经济效 益 。这一成果对 山区隧道高程控制 网的建立 ， 提高 隧 道高程控制测量技术水平和经济效益有重要意义。 参考文献 1 路伯样 ． 范东 明． 熊永 良． 垂 线偏差 对隧道贯 通误 差冉 勺 影响工程勘 察 ． t 9 9 s 3 2 岑敏仪． 顾利亚， 廖讨忠等 运用 G P S 技术建立独立冉 勺 睡道高程系 统 工程勘寨 ． 2 0 0 0 4 3 陈新焕 G P s 水准及其在睡道高程控村 中的应用 ． 工程勘寨 ， 1 9 9 6 3 4 张项辟 G P s 在隧道控帮涮量中的应用． 勘寨科学技术 ， 1 9 9 5 4 5 顾利亚 ． 张新 G P s 畴河商程涮量 的甜加 参数报舍 磕． 西南交通 大学 学报 ． 1 9 9 8 ， 3 3 3 6 岑敬倥 ． 一 国万， 刘虚龙等 ． G P s桥粱罔冉 勺 坐标转换 甓道学报 ． 1 9 9 9 ． 2 1 4 7 岑敏仪 ． 囊 国万 ． 刘成龙等 c P s轿粱高程控剖涮量 ． 涮綮学报 ． 1 9 9 8 2 7 3 GPS i n Ap p l i c a t i o n t o Bu i l d 3 - D Co n t r o l Ne t wo r k o f Li a n hu a s h a n Tu n n e l En g i n e e r r i n g De n g B a i h o n g Gu L i y a 2 L i a o S h u z h o n g Ce n Mi n g y i 2 1 ． ‰肌 口 g c l 哪 一D a 墙 E n g C o ． L t d ； 2 ． S o u t h w e s t J i a o t U m v n Ab s t r a c t A p r a c ti c e G P S印p l i c a t i o n t o b u i l d 3一d i m e n s i o n a l c o n t r o l n a t w o r k o f G u a n g d ong L i a n hna s h a n t u n n e l e n g i n e e r i n g i s i nt r o du c e d i n t hi s p s p e r ．Ba s e d o n t h e f e a tur e o f t u n n e l e n g i n e e r i n g c o n s t ruc ti on ，t he c o n fi g u r a t i o n o f GP S n e t w o a n d t he t r a i t i n p r o c e s s i n g o f GP S d a t a a I e s e p a r atdy e x p o u n d e d o ll h o r i z o n t a l a n d v e r l J c al c o n t r o l n e t w o r k． T h e 6 岫r me t h o d s o f a d d i t i o n a l p a r a me t e r t o b u i l d t u n n e l c o n s t mc t l o n v e c a l d a t u m， t h e d a t u m t r a n s fo r m a t i o n o f u s i n g “ C o n s t r u c t i o n E l l i p s o i d ” ∞ r e f e r e n c e o f G a u s s K mg e p r o j e c ti o n a n d t h e∞ R m f o r p r o c e s s i n g o f GP S d a m i n t u n n e l c o n s t roe fio n s u r v e y i n g a l a s s e p a r a t e l y p res e n t e d． Th e p r a c ti c a l r e s u l t s i n h o ri z o n t a l a n d v e r ti c a l e 1 3 r o [ 8 o f p i e r c i n g of L i a n h u a s h a n t u n n e l e n g i n e e r i n g fi r e f a r l e s s t h a n the a l l o w a b l e v a l u e s o f t u n n e l c o n s t r u c ti o n s u r v e y ,g． Ke y wo r d s G P S；T u n n e l c o n t r o l n e t w o r k ；D a t u m t r a n s f o r ma t i o n 上接第 2 2页 S t u d y o n Th e Te c h n i c M e t h o d s o f I n c r e a s i n g De t e c t Di s t a n c e o f TS P- 2 0 2 S y s t e m L i Z h o n g Hu a n g Ch e n g l i n L i u Xi u f e n g 1 ． 目 1 i j j 日 z I g R a il w a y I n s ti t u t e ． 2 ． T i e f a Min i n g C o ． L T D u a 0 丑 i 】 g Al mt r a c t T h e p a p e r h a s s t u d i e dt h et e c h n i cme t h od sto i n c r e asethe d e t e c t dis t a n c eof T S P一2 O 2 s y s t e m t l l t h e the o r i e s o f t h e s c o l o a t e c t o n i c s a n d the e x p l o s i o n s e i s m o l o g y ． t h e n ． I t p u t s for w a r d the e ff e c t i v e t e c h n i c me tho d s． Ke y wa r d s T ect o n i c s ；T h e d e t e c t dis t a n c e ；T e c h n i c me t h ods 维普资讯
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