TST隧道地质超前预报技术
散射扫描成像技术
超前预报时在隧道围岩中使用人工源激发地震波,地震波向四面八方传播,遇到岩性变化界面、地质构造、岩溶、地表面等波阻抗变化界面时发生反射、散射与折射。当地质界面尺度远大于地震波波长时,地震波传播遵从层状介质中的反射理论,反射波能量大,并沿着反射角等于入射角的方向传播。
当地质界面的尺度小于地震波长时,地震回波的传播遵从散射理论,散射波不再具有单一的方向,而是以散射点为中心向四面八方传播。与反射波相比,散射波的能量较弱,频率偏高。在实际地质条件下,既有像岩性界面、断层、地表面等这样的大尺度的反射界面,也有像岩溶、采空区、孤石等这样的小尺度离散地质体(图1)。
图1隧道地质超前预报观测模型(Tunnel geological prediction model)
图2反射与散射混合理论模型(Mixed model of scattering and reflection)
采用反射与散射的混合模型(图2),根据反射波以及散射波的传播规律,分别将散射波和反射波进行偏移归位,得到隧道掌子面前方的真实地质情况,这就是TST散射扫描技术的基本思想。关于TST地质超前预报系统数据处理的具体技术措施,如方向滤波、围岩速度分析、扫描成像等以及在数据采集时的观测系统要求赵永贵、蒋辉等已经多次论述,此处不再介绍。
TST数据处理结果的解释原理
TST 的波速图像与偏移图像的地质解释遵从如下原理:波速的分布可用于掌子面前方岩体的力学性状的推断,岩体波速高表示岩体结构完整致密,弹性模量高;波速低代表岩体破碎,裂隙含水;构造偏移图像表示地质结构的组合图像和地层性质的变化。
构造偏移图像中反射条纹密集的地段,结构复杂、构造发育,在波速图像中对应位置为低波速带;构造条纹少的地段,围岩均匀致密,波速图像中对应高波速带。对岩体含水性的预报要结合水文地质资料,如果隧道标高在地下水位之下,则可判定断裂带和破碎岩体富含地下水,如果隧道标高在地下水位之上,则断裂带和破碎岩体仅可能含少量水或季节性含水。偏移图用色彩分明的蓝红分别表示软硬岩体界面,红色线条代表正的波速异常,表示波速由低变高、岩体由软变硬的界面;蓝色线条代表负的波速异常,表示波速由高变低、岩体由硬变软的界面;先蓝后红线条的组合代表存在一个断裂带。红蓝条纹密集出现区域代表地质现象中的断裂带或溶洞。断裂的展布范围大,体现在偏移图像上是较大范围的红蓝条纹延伸;溶洞的反射面不规则,在偏移图像上显示为红蓝条纹的延伸长度短。
不同于基于反射理论的TSP等技术,在岩溶发育等地质构造复杂地区,利用TST超前地质预报技术能够对掌子面前方地质情况有效、准确的进行预报。克服了基于反射方法的超前预报技术,如TSP技术造成的误报、漏报问题。
同度物探应用基于散射理论的TST技术为岩溶发育地区开展超前地质预报提供了成功经验。同时在实践过程中TST技术处理手段多,方法灵活,需要较多实践经验,人机交互过程中人为因素会影响预报结果。进一步研究中应建立标准化的数据处理流程,减小人为因素对预报结果的影响。基于散射理论的超前预报技术应用实例较少,希望同行加强交流,不断丰富应用实例。
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