CN101943599A - 一种在隧道中用弹性波反射法时测取掌子面前方岩体波速的方法 - Google Patents

Abstract

一种在隧道中用弹性波反射法时测取掌子面前方岩体波速的方法，是在掌子面上设一条水平和一条铅垂向测线，测线上每隔20～40cm设一测点，在掌子面后方边墙设铅垂向短测线，测线上设4～8个测点，采用5～40cm震-检距测出各测点的时间曲线，然后通过归一化将一条测线各测点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面反射时间。边墙测量是在激震点钻孔、孔中插入短钢筋，锤击短钢筋激震，分别测取纵波或横波。设定多个虚拟波速，计算边墙测点在虚拟波速情况下对虚拟反射面的反射时间与实测反射时间作对比，求出各测点的波速差值，绘出差值-波速曲线，曲线上差值为零的点对应的波速即为实际波速。

Description

一种在隧道中用弹性波反射法时测取掌子面前方岩体波速的方法

技术领域

一种在隧道中用弹性波反射法时测取掌子面前方岩体波速的方法，本发明涉及在隧道和其它地下工程掌子面探查前方地质时测取前方岩体波速的方法，属工程地质勘查技术领域。

背景技术

目前投入使用的探测隧道掌子面前方地质的方法中，属于反射类的方法有地震反射负视速度法(隧道VSP)、瑞士的TSP、日本的HSP、陆地声纳等弹性波反射类方法，以及探地雷达等电磁类方法。它们均是通过测量地质体的反射面的反射时间t和岩体波速V求取反射体空间位置：

距离L＝Vt/2

其中L-距离(米)，

V-岩体波速(米/秒)，

t-反射时间(秒)。

但是，岩体波速测定，目前仍存在难题。以弹性波反射类方法为例，都是通过在掌子面后面边墙或隧道底部等其它部位设测线，用一点激震、多点接收或一点接收、多点激震的方式测得直达波或岩体内部松弛带与压密区等界面的折射波，测得第一层岩体波速。当反射面与掌子面平行时，可在隧道侧墙或隧道底部等设测线，在距掌子面远端设激震点，近端设若干检波点，用一点激震，多点接收方式，可以测出第二层，第三层等岩体的波速。但当反射面不平行掌子面(反射面不垂直测线)时，因为反射面的产状不知道，而是要根据波速及其它参数求取的，故尚不能实测岩体波速。专利申请2010102666019给出了一种知道波速后根据掌子面上设的一条水平测线、一条测铅垂向测线，根据测线上测点测得的反射波反射时间求取地质体反射面空间位置的方法，但该专利申请未涉及如何测取波速的技术。

发明内容

本发明的目的是为克服上述缺点而提供一种测取掌子面前方岩体弹性波速的方法。

本发明的技术方案是：在掌子面上设定一条水平和一条铅垂且相互交叉的测线，在测线上每隔20～40cm间距设一测点，采用5～40cm震-检距用锤击激震测出各测点时间曲线，然后将一条测线各测点的时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点对反射面的反射时间。在掌子面后方边墙或隧道底或拱部等部位设一测线，在测线上设4～8个测点，点间距为20～40cm，震-检距为5～40cm，测得时间曲线并汇成时间剖面，在时间剖面上确定与掌子面得到的时间剖面上相同的反射面，并得到测点对反射面的反射时间。

在测量纵波波速时，掌子面上的测点用纵波检波器测量沿隧道纵向运动质点的振动，在测量横波波速时用横波检波器测量垂直隧道纵向运动的质点的振动。在边墙或隧道底部、拱部等部位的测点，则要向掌子面方向锤击激震，并用定向的检波器接收来自掌子面方向的反射波，测得各测点对反射面的实测反射时间，得到其时间曲线。在边墙或隧道底部、拱部施测的方法是：在激震点处钻深10～20cm的小孔，孔径略大于所用钢筋的的直径，孔中插入钢筋，向掌子面方向锤击钢筋激震。

用假设岩体波速的方法，根据掌子面上的测点测得的各测点对反射面的反射时间，按专利申请2010102666019提供的方法，求出虚拟的反射面的空间位置，然后计算边墙测点在假设的波速情况下对虚拟的反射面的反射时间，与实测反射时间比较，得到实测反射时间与虚拟反射时间的差值。假设多个波速，得到多个实测反射时间与虚拟反射时间的差值，绘出差值-波速曲线，则差值为零的点即为实际波速。或将反射时间的差值取绝对值后绘|差值|-波速曲线，曲线极小值点对应的波速即为实际波速。

附图说明：

图1为在隧道掌子面上布置一条水平测线和一条铅垂向的测线示意图。

图中：M-隧道掌子面，A-水平测线，B-铅垂向的测线，

1、2…14和I、II…VII-测点号。

图2为在隧道边墙布置的测点及其向掌子面前方反射面的入射、反射射线示意图。

图中：M-隧道掌子面，b-隧道边墙，(1)、(2)、(3)、(4)-测点号，

S-入射及反射射线，S′-入射及反射射线，

面₁-反射面1，面₂-反射面2。

图3为一张实测的时间剖面图。

图中：①、②、③、④、⑤-分别为1～5反射面反射波同相轴。

图4为用以确定V₀的|Δt|-V曲线示意图。

图中：V-所假设的波速值，|Δt|-反射时间差值的绝对值，

V₀-所求出的实际波速值

min|Δt|-|Δt|的极小点，它所对应的V值，即为V₀。

图5为用以确定V₀的Δt-V曲线示意图。

图中：V-所假设的波速值，Δt-反射时间差值，

V₀-所求出的实际波速值

具体实施方式：

(1)在隧道掌子面上设一条水平测线A、一条铅垂向的测线B，在测线上每隔20～40cm设一测点，在每一测点按5～40cm震-检距用锤击锤和激震杆激震，用时在接收点接收，然后通过计算机作归一化处理将各测点的时间曲线汇成时间剖面，根据同相轴确定各反射面；

(2)在隧道边墙或隧底、拱部等部位的4～8个测点上，用5～40cm震-检距的方式，激震得到某反射面P到这些测点(1)、(2)、(3)…(g)的反射时间t_P1、t_P2、t_P3…(P＝1、2、3、4…，下同)；

(3)在边墙或隧底或拱部的测量方法：

在已设每一个锤击点处打一深10-20cm的小孔，其直径略大于所用钢筋的直径，孔中插入短钢筋，钢筋插入后外露15cm左右，锤击钢筋背向掌子面的侧面，采用2分量或3分量检波器，若测纵波速度，则用朝向隧道纵向的检波器，测取平行隧道纵向运动的质点振动的纵波；若测量横波波速，则采用2分量或3分量检波器测取掌子面前方反射的横波。

(4)在A、B测线的时间剖面上，根据同相轴确定各反射面，并选定3个或3个以上不在同一测线上的测点1、2、3、…n(n≥3)和I、II…m(m≥3)；

假设第P层岩体均方波速V_σP设，根据V_σP设，计算出第P个反射面面_设P的空间位置；

(5)根据面_设P的位置，计算点(1)、(2)、(3)…的反射时间t_P1设、t_P2设、…并计算出Δt_P1、Δt_P2、…Δt_Pg

Δt_Pg＝t_Pg-t_Pg设

若Δt_P1、Δt_P2…Δt_Pg＝0，

则所选定的波速V_σ设P等于实际波速V_σP，

若Δt_P1、Δt_P2…Δt_Pg＞0，

则所选定的波速V_σP设小于实际波速V_σP，

若Δt_P1、Δt_P2…＜0，

则所选定的波速V_σP设大于实际波速V_σP，

假设多个波速，得到多个实测反射时间与虚拟反射时间的差值，绘出|差值|-波速曲线(|差值|即差值的绝对值)，则|差值|为零的点或曲线极小值点对应的波速即为实际波速。或绘出差值-波速曲线，差值为零的点对应的波速即为实际波速。

作为一个实例，对本发明进一步说明如下：

(1)在隧道掌子面上设一条水平测线A，一条铅垂向测线B，每隔30cm设一测点，即1、2、3、4、5…(A线)，I、III、…(B线)，采用震-检为30cm，测出各测点时间曲线，通过计算机归一化计算汇成时间剖面(图3)，从时间剖面上追踪出第一个反射面面1，第二个反射面面2，第三个反射面3…的同相轴；

(2)在掌子面后方边墙设一铅垂方向测线，以30cm点距设4个测点，以20-40cm的震-检距测量，并由此4个测点组成的测线的时间剖面分辨出面1，面2，面3…的同相轴，读出面1的反射时间t₁₁、t₁₂、t₁₃、t₁₄，面2的反射时间t₂₁、t₂₂、t₂₃、t₂₄，和面3、面4的反射时间。

(3)计算各层岩体的均方根波速V_σP，以第2层均方根波速V_σ2为例：

设定一组V₂，V_21设＝2000m/s、V_22设＝2050m/s、V_23设＝2100m/s…V_2N设＝V_22N-1设+50m/s，

计算出4个边墙测点数组虚拟的反射时间：

t_121设、t_122设、t_123设…

t_221设、t_222设、t_223设…

t_321设、t_322设、t_323设…

t_421设、t_422设、t_423设…

再计算出各点计算的反射时间与实测反射时间之差

Δt₁₂₁、Δt₁₂₂、Δt₁₂₃…

Δt₂₂₁、Δt₂₂₂、Δt₂₂₃…

Δt₃₂₁、Δt₃₂₂、Δt₃₂₃…

Δt₄₂₁、Δt₄₂₂、Δt₄₂₃…

其中Δt₁₂₁＝t₂₁-t_121设、Δt₁₂₂＝t₂₁-t_122设、Δt₁₂₃＝t₂₁-t_123设、…Δt_12N＝t₂₁-t_12N设，

Δt₂₂₁＝t₂₂-t_221设、Δt₂₂₂＝t₂₂-t_222设、Δt₂₂₃＝t₂₂-t_223设、…Δt_22N＝t₂₂-t_22N设，

Δt₃₂₁＝t₂₃-t_321设、Δt₃₂₂＝t₂₃-t_322设、Δt₃₂₃＝t₂₃-t_323设、…Δt_32N＝t₂₃-t_32N设，

Δt₄₂₁＝t₂₄-t_421设、Δt₄₂₂＝t₂₄-t_422设、Δt₄₂₃＝t₂₄-t_423设、…Δt_42N＝t₂₄-t_42N设。

然后用以上4组数据绘出4条|Δt|-V曲线(图4)，其纵坐标为|Δt|，横坐标为V_σ；从曲线上找到极小点，即min|Δt|的点。min|Δt|的点对应的|Δt|应等于0或接近于0，它所对应的V值，即为V_σ2，取上述4个测点所得的V_σ2的平均值，即得第2层岩体均方根波速。

照此，可计算出各层岩体的均方根波速。

均方根波速与各层岩体的波速符合下式

$V_0={(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{V}_i^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i)}^{1/2}$

其中t_i为相应反射面的反射时间，

V_i为相应层的岩体波速，

可据此式计算各层的岩体波速。

Claims (2)

1.一种在隧道中用弹性波反射法时测取掌子面前方岩体波速的方法，其特征在于：在掌子面上设定一条水平、一条铅垂且相互交叉的测线，在测线上每隔20～40cm设一测点，采用5～40cm震-检距测出各测点时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点对反射面的反射时间。在掌子面后方边墙设铅垂向测线，上设4-8个测点，点间距为用20～40cm，震-检距为5～40cm，测得时间曲线并汇成时间剖面，在时间剖面上确定于掌子面得到的时间剖面上相同的反射面，并得到测点对反射面的反射时间；用锤击锤及激震杆在掌子面激震，测量纵波速度时，采用测量质点沿隧道纵向运动的纵波检波器，测量横波波速时，采用测量质点垂直隧道纵向运动的横波检波器；在边墙激震点处打一深10～20cm的小孔，孔中插入钢筋，钢筋插入后外露15cm左右，锤击钢筋背向掌子面的侧面激震，分别测量质点沿隧道纵向运动的纵波和垂直隧道纵向运动的横波；采用先假设岩体波速的方法，根据掌子面上的测点测得的对反射面的反射时间求出虚拟的反射面的空间位置，然后计算边墙测点在假设的波速情况下对反射面的反射时间，与实测反射时间比较，假设多个波速值，分别求出与实测值差值，最后选定真波速值。

2.根据权利要求1所述的在隧道中测取掌子面前方岩体波速的方法，其特征在于：先假设某反射面P到掌子面岩体的均方根波速V_σP设，由掌子面上的测线上不少于3个不在同一测线上的相应测点的反射时，计算出一个虚拟的反射面_设P，然后计算出边墙各测点对面_设P的相应反射时t_P1设、t_P2设、t_P3设…，与它们各自的实测反射时相比较，得到其差值Δ，设定多个波速，得到多个差值，然后绘出|差值|-波速曲线，则其极小值即为实测波速值；或绘出差值-波速曲线，其差值为零的点对应的波速即为实测波速值；所得到的是层面到掌子面的岩体的均方根速度。

Images