提高TSP-202超前预报系统探测距离的技术措施的研究

岩石力学与工程学报 22(3)：472～475

2003年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2003

提高TSP-202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 050043) (辽宁省铁法煤矿集团公司 铁岭 112704)

摘要 从地质构造学理论、爆破地震学理论出发，就如何提高TSP-202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 631.1+3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)03-0472-04

STUDY ON THE TECHNIC METHODS OF INCREASING

DETECTION DISTANCE OF TSP-202 SYSTEM

Li Zhong1， Liu Xiufeng1， Huang Chenglin2

(1Shijiazhuang Railway Institute， Shijiazhuang 050043 China) (2Liaoning Tiefa Mining Co.Ltd， Tieling 112704 China)

Abstract The technic methods to increase the detection distance of TSP-202 system is studied with the theories

of the geological tectonics and the explosion seismology. According to the different tectonics and lithology，it is stressed how to adopt the detection parameters based on practical conditions. Then，the effective technique is put forward for the method. Key wards engineering geology，tectonics，detection distance，technic methods

测距离，进行超长距离(大于200 m)的超前地质预报探测。

TSP-202超前预报探测系统是我国20世纪90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。TSP-202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100 m[1

～3]

1 引 言

2 TSP-202超前预报系统工作原理

TSP-202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

。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，可以提高该探测系统的实际探

2002年2月21日收到初稿，2002年3月18日收到修改稿。

作者 李 忠 简介：男，34岁，硕士，1996年毕业于中国地质大学(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。

第22卷 第3期 李 忠等. 提高TSP-202超前预报系统探测距离的技术措施的研究 • 473 •

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 TSP-202探测系统搜索角δ 示意图 Fig.1 Sketch of the search angle of TSP-202 detection

system

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，在介质中的传播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，占爆炸能量的60%以上；在距爆源120～150倍药包半径的距离内，以压缩波的形式出现，占爆炸能量的30%以上；直到超过炸药包半径150倍的距离后，才以地震波的形式出现，只占爆炸能量的10%左右。

图2 爆炸应力波及其分布作用范围 Fig.2 The form of the transmiting stress-wave

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α。而由反射波形成的横波其反射角则为β。

因此，要有效准确地接受到远距离传回来的这

图3 入射纵波遇结构面时反射示意图 Fig.3 Diagram of the reflected stress-wave

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。 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TSP-202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φ大于90°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 TSP-202系统接受器探测的最佳位置示意图

Fig.4 The best location of the receiver

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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

TSP-202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(10%)时，可以收集到隧道掌子面前方500 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100～200 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 扩大采样间隔，提高采样数目，延长采样时间

在常规(小于200 m)的探测中，一般采用的采样参数为：

采样间隔：Δt=40μs 采样数目：N=4 096

相对应的采样时间：T=Δt×N=40×(409 6− 1)=163 800μs=0.163 8s

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TSP-202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=V0×

K

K+1

式中：V为爆轰波在岩石介质中的波速；V0为炸药爆轰速度；K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TSP-202超前预报探测系统的探测距离由下列公式导出：

L=

V×(Δt−t0)

−2D

2SF

式中：L为TSP-202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；Δt为采样时间；t0为一段毫秒电雷管的最大起爆时间，一般为0.005 s；D为传感器距掌子面的距离，多为50 m；SF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，在常见的几种岩石中的探测距离均大大地超过了原设计的距离(100 m左右)，拓展了TSP-202

表1 不同炸药在不同岩性中的速度与最大探测距离一览表

而在超长距离(大于400 m)的探测中，则将采样参数调整为：

采样间隔：Δt=80μs 采样数目：N=409 6

相对应的采样时间：T=Δt×N=80×(409 6−

1)=327 600μs=0.327 6s

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。

Table 1 The velocities and the largest distances with different lithology

岩石名称

炸药实测爆速 V / m·s1

－

炸药理论爆速 V0 / m·s1

－

最大探测距离 Lmax / m 650 620 590

前9个孔 20 20 20

炸药用量/g

后9个孔 30 30 30

石英岩 大理岩 玄武岩

6 050 5 800 5 610

8 060 7 730 7 480 5 290～8 130 4 060～8 130 6 300～7 440

6 060 4 880～5 930 3 250～5 690 2 440～5 290

花岗岩 3 970～6 100 石灰岩 3 050～6 100 片麻岩 4 730～5 580 片 岩

4 550

390～650 20 30 280～650 25 35 480～590 30 40 460

35

45

板 岩 3 660～4 450 砂 岩 2 440～4 270 页 岩 1 830～3 970

350～460 35 45 200～430 30 40 130～390 40 50

第22卷 第3期 李 忠等. 提高TSP-202超前预报系统探测距离的技术措施的研究 • 475 •

超前预报探测系统的探测距离。

3 050/2=500.0 m

使探测成果有效地覆盖了所要探测预报的距离区域，为施工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TSP- 202超前预报探测系统探测距离的技术手段。

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，采用了上述的技术。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450 m的区域内(见图5)，根据该隧道的围岩主要由石灰岩构成，将TSP-202超前预报探测系统相关的采样参数分别选定为

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φ大于90°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5 000 m/s)的炸药，是实现超长距离探测的关键技术手段。

图5 TSP-202探测系统探测断层示意图

Fig.5 Sketch of searching fault with TSP-202 detection system

参 考 文 献

1

刘志刚. 煤矿构造学[M]. 北京：世界图书出版公司，1990，160～167 2

姜彦忠. 爆破技术基础[M]. 北京：中国铁道出版社，1994，193～202 3

刘建亮. 工程爆破测试技术[M]. 北京：北京理工大学出版社，1994，168～178

采样间隔：Δt=80 μs 采样数目：N=4 096

相对应的采样时间：T=Δt×N=80×(4 096−

1)=327 600 μs=0.327 6 s

相对应的采样距离：S=T×V/2=0.327 6×

新书简介

《地下连续墙的设计施工与应用》一书由丛蔼林编著，中国水利水电出版社2000年出版，16开本，186万字，定价150元。

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