超前地質(zhì)預(yù)報(bào)隧道工程論文

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1常用隧道預(yù)報(bào)方法的基本原理

1．1TSP隧道地震波探測(cè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧道地震超前預(yù)報(bào)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)稱TSP(TunnelSeismicPredic-tion)，是我國(guó)20世紀(jì)90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測(cè)量技術(shù)公司引進(jìn)的一套先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)，也是我國(guó)目前應(yīng)用較為廣泛的一種。TSP和其他的反射地震波方法一樣，采用了回聲測(cè)量原理:地震波在指定的震源點(diǎn)(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，產(chǎn)生的地震波在巖石中以面波的形式向前傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗界面，例如斷層，巖石破碎帶，巖性突變等)時(shí)，一部分地震信號(hào)返回來(lái)，一部分地震信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射的地震信號(hào)被兩個(gè)三維高靈敏度的地震檢波器(一般左邊墻和右邊墻各一個(gè))接收。通過對(duì)接收信號(hào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，便可推斷空洞斷層，巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數(shù)。

1．2紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

對(duì)地球表層巖體的溫度起到主導(dǎo)作用的是地球地?zé)釄?chǎng)。在一定深度范圍內(nèi)，深度方向每增加1km，地?zé)釄?chǎng)的溫度則相應(yīng)的增加30℃，而與其垂直的水平方向，地?zé)釄?chǎng)的溫度變化卻非常小，由此得出結(jié)論，在一定深度下，開挖隧道的巖體，可將其看做位于一恒定溫度場(chǎng)中，為一常溫場(chǎng)，溫度的變化幾乎為零。所以，當(dāng)預(yù)計(jì)即將開挖的掌子面后方存在含有水的巖層，如溶洞、裂隙水等，且該含水巖層與開挖巖體存在一定的溫度差時(shí)，巖體中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱傳導(dǎo)和對(duì)流作用，那么溫度場(chǎng)即不再為恒溫場(chǎng)，故而會(huì)產(chǎn)生一定的溫度異常場(chǎng)，由于這種異常的存在，故掌子面上會(huì)存在著溫度的差異，所以利用紅外輻射測(cè)溫法測(cè)定這種溫度變化差異，就可預(yù)報(bào)掌子面前方的含水層情況。這種方法就是紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

1．3其他幾種超前預(yù)報(bào)方法

超前預(yù)報(bào)法除了上述介紹的幾種之外，還包括HSP水平聲波刨面法、聲波CT技術(shù)等幾種方法，相對(duì)而言，這幾種方法運(yùn)用較少。以下簡(jiǎn)要的介紹這幾種方法的原理:

1)HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。由于波的傳播過程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費(fèi)馬原理，故該方法的原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)之上。HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有其局限性，探測(cè)時(shí)的前提條件是巖溶洞穴及充填物與周邊地質(zhì)體間存在較明顯的聲學(xué)特性差異。預(yù)報(bào)時(shí)，在隧道的施工掌子面或邊墻處發(fā)射低頻聲波信號(hào)，同時(shí)，在隧道內(nèi)其他地點(diǎn)接收反射波的信號(hào)，通過對(duì)探測(cè)到的反射波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域等方法的分析，就可以了解掌子面前方巖體的變化情況。

2)聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的基本原理與醫(yī)學(xué)CT技術(shù)原理相同，在做預(yù)報(bào)時(shí)也有相應(yīng)的物理前提，即物性差異不同的介質(zhì)，在其內(nèi)部聲波的傳播速度也不同，通過這種預(yù)報(bào)方法，在密集對(duì)穿的測(cè)試方式下，可以通過聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同來(lái)計(jì)算模擬出物體內(nèi)部不同物性的具體性質(zhì)，再通過現(xiàn)場(chǎng)收集到的地質(zhì)資料的分析，從而達(dá)到對(duì)預(yù)報(bào)的掌子面前方的巖體內(nèi)部的地質(zhì)體進(jìn)行三維圖像的直觀展示。

2常用隧道探測(cè)方法的特點(diǎn)

2．1TSP超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):

1)該方法適用的范圍比較廣，適用于各類地質(zhì)情況;

2)對(duì)掌子面前方的距離預(yù)報(bào)較長(zhǎng)，能預(yù)報(bào)掌子面前方達(dá)500m深度;

3)不影響隧道施工，只是在接收信號(hào)時(shí)短暫停止施工即可;4)用時(shí)短，每次的探測(cè)時(shí)間約為45min;

5)投入費(fèi)用較少，單位長(zhǎng)度隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)費(fèi)用非常低;

6)成果報(bào)告快，僅需要一天時(shí)間即可完成成果報(bào)告。缺點(diǎn):

1)存在部分因斷層、大型節(jié)理帶與掌子面角度為鈍角時(shí)，活隧道因開挖空腔擋住地震震源產(chǎn)生的地震波，使其無(wú)法穿透，不能經(jīng)過反射鏡面反射，使得待接收裝置無(wú)法接收，而導(dǎo)致局部斷層等不被識(shí)別。

2)TSP的成果質(zhì)量受到現(xiàn)場(chǎng)起爆點(diǎn)、接收點(diǎn)鉆孔的位置、長(zhǎng)度以及角度等的影響非常嚴(yán)重。

3)因?yàn)樗褂玫脑O(shè)備均為進(jìn)口設(shè)備，所以成本較高，在普通隧道施工中應(yīng)用較少。

2．2紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):預(yù)測(cè)速度快，占用施工時(shí)間較少;數(shù)據(jù)分析快，預(yù)測(cè)工作結(jié)束時(shí)，就可以得到初步結(jié)論。缺點(diǎn):僅僅可以預(yù)測(cè)出含水巖體的大致方位，不能給出含水巖體的具體位置及所含水量及水壓等詳細(xì)數(shù)據(jù)。

3結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過前面的總結(jié)分析，我們從總體上了解了隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的發(fā)展概況以及現(xiàn)階段我國(guó)所常用的幾種超前探測(cè)方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)越來(lái)越多地采用數(shù)值模擬計(jì)算方法來(lái)模擬隧道圍巖的變形。

作者：朱飛 劉國(guó)正 彭紅明 單位：青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局