PAGE渝利鐵路隧道超前地質預報方案中國中鐵二院工程集團有限責任公司二00九年三月PAGE渝利鐵路隧道超前地質預報方案中國中鐵二院工程集團有限責任公司二00九年三月PAGE1四、預報方法及原理⒈TSP203超前地質預報方法⑴TSP203系統(tǒng)TSP是TunnelSeismicPredicationahead的英文縮寫。TSP203系統(tǒng)是由瑞士Amberg測量技術有限公司專門為隧道施工期間探測掌子面前方不良地質體而研發(fā)的一套設備。由于該方法具有探測距離遠，不占用隧道施工掌子面，探測效果好等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應用于隧道開挖的全過程。TSP203系統(tǒng)由以下三部分組成：1、接收單元2、記錄單元3、附件箱TSP203系統(tǒng)組成⑵TSP203系統(tǒng)預報原理TSP-203超前地質預報系統(tǒng)采用的地震負視速度反射波法的基本原理（見下圖）。φφTM（m）:接收點位置；TB(ms):縱波傳播時間；XA：反射界面正交點的位置；TA：直達波與反射波交點的傳播時間。負視速度地震反射波法工作原理圖TSP203系統(tǒng)的現(xiàn)場采集方式如下圖。TSP203系統(tǒng)現(xiàn)場采集布置圖⑶信息處理和解釋TSP系統(tǒng)采用彈性波（地震波）回聲測量原理來對掌子面前方的不良地質體進行探測（見下圖）。地震波的激發(fā)采用人工震源，用小藥量的乳化炸藥在隧道的左或右邊墻按一定的距離進行爆破產(chǎn)生地震波，所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播。一部分波會直接傳到地震波接收器（直達波），另一部分波會向前傳播進入掌子面前方的圍巖中，當前方圍巖中存在波阻抗有差異的地方，則一部分波會被反射回來（反射波），另一部分繼續(xù)向前傳播，波將依次傳遞下去。人工所激發(fā)的地震波被接收器所接收到并被記錄下來，形成地震波記錄。隨著傳播距離的增加和球面半徑的擴大，直到能量足夠小不能被儀器所接收到為止。通過對地震波記錄進行一系列的運算后，可以得到掌子面前方圍巖的速度掃描圖、深度偏移圖和二維、三維成果圖。根據(jù)這些資料綜合分析，便可對掌子面前方的圍巖進行地質預報。應用該方法可以探測隧道掌子面前方約120米及隧道洞身周圍10米范圍內的地質情況，可以探測斷層及影響帶、節(jié)理裂隙密集帶、巖溶等不良地質體。⒉地質雷達方法⑴SIR3000系統(tǒng)SIR3000系統(tǒng)由采集單元和天線單元組成（見下圖）采集單元天線單元⑵SIR3000系統(tǒng)預報原理地質雷達法勘探是一種高分辨率探測技術，八十年代以來由于電子技術與數(shù)字處理技術飛速發(fā)展，在公路路面、路基與路基缺陷、隧道襯砌質量的無損檢測、隧道超前地質預報等多個領域得到了廣泛應用。地質雷達檢測原理示意圖地質雷達（GPR）依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖在介質中的傳播路徑—波形隨所通過的介質的介電性質、幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收到反射波的旅行時間、幅值、頻率、波形變化資料，可推斷地質目的體的內部結構和幾何形態(tài)。由于地質雷達使用高頻脈沖電磁波（106～109Hz），與其它物探方法相比具有更高的分辨率、準確率。當電磁波到達兩種不同介質性質的分界面時，由于上下介質的電磁特性不同會發(fā)生反射與折射。入射波、反射波與折射波的方向，遵循反射定律和折射定律（見下圖）。電磁波在介質分界面的折射和反射⑶信息處理和解釋電磁波在介質界面的折射和反射特征由折射系數(shù)T和反射系數(shù)R表示，對于非磁性介質，當電磁波垂直入射（θ=0）時，可以用下式表示：式中：、分別為上下介質的介電常數(shù)。由上式可知，對于非磁性介質，電磁波的反射特性僅與介質的介電常數(shù)有關。在隧道掌子面前方的不良地質體與正常圍巖之間的介電常數(shù)有明顯的差異，它們之間能形成良好的電磁波反射界面。因此，電磁波碰到目標物或不同介質之間的界面而被反射回來，根據(jù)電磁波的雙程走