隧道地质超前预报研究进展

第 1 8卷 第 3期 2003年 9月(46o～464) 地 球 物 理 学 进 展 PR0GRESS IN GE0PHYSICS Vd．18 No．3 S|jpkmber 2003 隧道地质超前预报研究进展 赵永贵 ， 刘 浩 ， 孙 宇 ， 肖宽怀。 (1．中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；2．云南航天新技术工程公司，昆明 650217；3．铁道部第一勘查 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 院，兰州 730000) 摘 要 隧道地质超前预报是工程地球物理研究中的疑难问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一．目前应用的工程地质推断、地质雷达撂爰I、反射 地震负视速度法、TSP和 I耵 技术有一定的效果，但在 目标判别、定位和岩体工程分类的可靠性方面还需要改进 ． 关t 词 隧道 ，超 前预报 ，GPR，TSP技 术， I耵 技 术 中圈分类号 P631，U456 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2003)03．O460-05 l~esearch progress IIl tunnel geological premcuon 一 ’ ● · - - ● _ '●·● ZHAO Yong-gui ， LIU Hao2 ， SUN yu2， XIAO Kuan．huai (1．Institute ofGeology and Geophysics，ChineseAcademy ofSciences，8eqing 100029，China；2．M Aerial Tadmology 啊Ⅻ ， 16mming 650217，Ch／na；3．No．1 Prospecting and DesigningInstitute，the Ministry ofRailway，LoJlghou 730000，a ) Abstract Tunnel geological prediction is an important one of engineering geophysics subjects．The techniques used now indudlng eng~ ing geology examination，GPR， P and I耵 are efficient in some case8，but they need improving in reliability aspects of object recognition，position and rock engineering classification． Keywords tunnel，prediction，GPR， P， Ⅱ汀 O 隧道超前预报的重要性和技术难度 隧道施工 中的地质超前预报关系到工程的安 全、质量和进度，因而倍受关注．特别是在地质条件 复杂的隧道工程中，有必要进行地质超前预报工作 ． 例如在奥地利横穿阿尔卑斯山的 Unterwaler隧道施 工中就全程使用了超前预报 ．我国西部为多山地区， 地质条件复杂，隧道开挖中的坍塌、冒顶、涌水等地 质灾害时有发生，因而在公路、铁路和水电工程的地 下隧道施 工 中也逐 渐 开始 了地质 超 前 预报 工 作[1 ]． 隧道地质超前预报要解决的问题主要有个三方 面，包括断裂、溶洞、破碎带等不 良地质对象的性质、 规模的判定；不良地质体的位置及产状的确定；岩体 工程类别化的识别等内容． 由于隧道内可供观测的空间位置有限，观测方 案受到限制 ，因而要准确的达到预报的要求难度很 大 ．多年来国内外的工程地球物理工作者在不断地 改进探测技术和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ．试图提高预报的可靠性 和精度 ，已经取得了很多成功的经验 ．但是目前的技 术水平在预报准确性和可靠性方面还有待提高．目 前地质超前预报工作使用的方法包括以下几种：工 程地质调查与推断，地质雷达探测，反射地震和地震 CT等．本文的目的是试图通过分析比较各种超前预 报方法的长短之处，讨论如何更好的改进超前预报 技术 ． 1 目前隧道地质超前预报使用的技术方法 1．1 工程地质调查与推断方法 工程地质调查与推断是隧道超前预报中使用最 早的方法 ．通过地表和隧道内的工程地质调查与分 析，了解隧道所处地段的地质结构特征 ，推断前方的 地质情况 ．其调查的内容包括地层与岩性的产出特 征、断裂构造与节理的发育规律、岩溶带发育的部 位、走向、形态等，预测隧道掌子面前方的不良地质 现象可能的类型、部位、规模，以便隧道施工中采取 合理的工艺与措施，避免事故．在隧道埋深较浅、构 造不太复杂的情况下，这种预报方法有很高的准确 收稿日期 2003-02．10； 修回日期 2003．05．10． 基金项目 云南省交通厅“隧道地质超前预报技术研究”项目资助． 作者俺介 赵永贵，男，1943年生，辽宁新民人，博士，1964年毕业于北大地球物理系，中国科学院地质与地理物理研究所研究员，中国地球 物理学会工程地球物理专业委员会主任．(Emil：zhaoyonggui@263．net) 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 赵永贵，等：隧道地质超前预报研究进展 46l 性，目前这种方法仍在使用【5]．该方法与其它物探方 法相结合，可以取得更好的效果．但是在构造比较复 杂地区和深埋隧道的情况下，该方法工作难度较大， 准确性难于保证 ． 1．2 地质雷达检测方法 地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方 法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年 来也被用于隧道超前预报工作 ．地质雷达能发现掌 子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破 m／m O．O O．25 O．5O O．75 1．oo 碎带有较高的识别能力．在深埋隧道和富水地层以 及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段 ． 但是地质雷达目前探测的距离较短，大约在 20—30 m以内．对于长距离隧道的预报只能分段进行，同时 雷达记录易受洞内机器干扰，探测分析中要特别注 意波相识别，排除干扰 ．下图是公路甏道超前预报中 雷达探测记录，围岩中的裂隙水含水带对电磁波有 强烈的反射，从反射图像中可圈定含水带位置． 图 1 公路隧道超前预报中含水带的地质雷达记录 Fig．1 Geo-radar record of retaining water belt 1．3 隧道 内反射地震预报方法 反射地震是工程物探中最可靠的方法之一，但 用于隧道超前预报工作由于观测条件的限制以及岩 体内不同方向都可能形成反射，使之在解释与判别 方面遇到了很大的困难．为了用反射地震信号探测 隧道掌子面前方的地质情况，从观测方式和处理方 法方面进行了专门的研究，并形成了几种不同的技 术．我国是较早的开展反射地震隧道超前预报方法 的国家之一H J．铁道系统在上世纪 9O年代初就开始 设题进行专门研究工作．比较有代表性的工作有铁 道部第一勘测设计院的曾昭璜等，1994年在地球物 理学报上发表他们的研究成果 ，文章的题目为“隧道 地震反射法超前预报”⋯1．近年来何振起等人在铁道 工程学报上也发表了类似的工作成果． 目前这种方 法在国内被称为“负视速度法”．该方法的观测是在 隧道侧壁打孔布置检波器和炮点，检波器和炮点在 一 条平行隧道轴的直线上，利用直达波估计岩体波 速，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点 推测前方反射界面的位置．观测与分析方法与垂直 地震测井方法有很多相似之处，所以有时也称‘垂直 剖面法’．检波器和炮点埋入到隧道侧壁岩体中 1— 1．5 In，有效地避免了面波和隧道驻波的干扰，提高 了信噪比，应用结果表明在很多情况下，这种方法是 很有效的．对于前方规模较大的不 良地质体能可靠 地预报，但是对于不 良地质体性质的翔别和定位等 方面还更多地依赖于经验和对于周围地质条件的了 解．该方法很难对前方岩体工程类别的变化提供更 可靠的信息． ． 反射地震方法在宝中线颉河隧道、老爷岭隧道 和侯月线云台山隧道、朔黄铁路的长粱山隧道以及 福州飞鸾岭公路隧道等都有成功的应用． 1．4 TSP超前预报技术 TSP超前预报方法(Tunnel Seismic Prediction)是 由瑞士 Amberg测量技术公司开发的用于隧道超前 预报的先进技术 ．其工作原理也是隧道内反射地震 方法，但处理方法有独到之处．该方法在国欧洲、亚 洲有广 泛的应用，中国也先后 引进 了该公 司的 TSP202、TSP2o3等超前预报系统．TSP的观测是由一 ——一～百rrT翻厂1矗IIi ■瞳啊r ■- 汨 ——一～百rrT翻厂1睡■问■瞳啊r ■— 汨 维普资讯 http://www.cqvip.com 462 地 球 物 理 学 进 展 l8卷 个三分量检波器承担，埋入隧道侧壁岩体中 1～1．5 m，炮点设与侧壁岩体 内，等间距排列，与接收点在 一 条平行隧道走向的直线上，这与国内的采用‘负视 速 度法 ’的观测 方式 基本 相 同．TSP方法 与 国内 的 ‘负视速度法 ’的主要 区别是在资料处理方法上 ，TSP 不采用走时曲线分析方法，而是采用深度偏移成像 方法．在偏移成像之前进行二维 Radon变换，利用视 速度的差异，消除隧道走向近乎平行的反射界面．该 方 法对纵 、横波 P、SV、SH分别进行处理 ．应该说 TSP 技术在隧道反射地震方面是做得比较好的，有较好 的实用性．但是由于 TSP的观测方式的限制，不可能 对断层的产状、位置和岩体波速等参量同时给出准 确的结果，因而在定位精度和岩体类别划分方面还 有待改进 ． 0 16 32 48 ；~Ifmi'1 ．．．．．； 图 2 反射地震“负视速度法”超前预报观测与分 析示意图(何振起，2000) Fig．2 Sketch of negative apparent vdocity method (HE Zhen—qi，2000) 图 3 TSP观测方式与断层反射波视速度曲线 Fig．3 Observation mode and apparent velocity curve by faults 应用 TSP202技术在株六复线的新倮纳铁路隧 道施工中进行了超前预报，结合工程地质分析 ，取得 了很好 的效果 ． 云南云南航天使用 TSP203在云南元磨高速公 路的大风垭 口、布垅箐隧道的施工中全程进行了超 前预报，取得了很好的地质效果 ． 1．5 TRT反射地震层析成像方法 IRT技术的全称是“真正反射层析成像”(True Reflection Tomography)是由美国 NSA工程公司近年 来开发的，在欧洲、亚洲开始应用．应用 IRT技术进 行超前预报的第一个例子是在 Blisadona隧道．该隧 道的实验表明在坚硬的结晶岩地段， IRT技术可预 报长度 100 150 m，在软弱土层和破碎岩体地段可 预报 60 90 m．另一成功的例子是奥地利的过阿尔 卑斯山的铁路双线隧道，隧道长 1076 m，段面积 100 m2．施工中进行了全程的超前预报，对于岩性变化 界面和断裂破碎带进行了预报，其结果与施工揭露 的地质情况基本一致．TRT方法在观测方式和资料 处理方法上与 TSP和‘负视速度法’有很大不同．在 观测上，虽然 IRT也是利用反射地震波，但它采用 的是空间多点接收和激发．检波器和激发的炮点呈 空间分布，以充分获得空间波场信息，以提高不良地 质体的定位精度．这与垂直剖面法的观测方式明显 不同． IRT资料处理方法的重要关健技术是速度扫 描和偏移成像，不需要读走时．这种方法对岩体中反 射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等 都有较高的精度，应该说较 TSP方法有较大的改进． 强 rT 蔷 —__盯 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 赵永贵，等：隧道地质超前预报研究进展 2 隧道超前预报方法未来的发展 目前的超前预报方法在实践中积累了很多成功 的经验，也暴露出不少问题 ，最主要的问题是不良地 质条件的判读缺乏明确的指标，更多的依赖于经验， 其次是不良地质对象的定位精良不高，特别是对于 与隧道走向近乎平行的断裂带、饱水带等；第三是对 S3 s5 A3 A8 S3 S5 于预报岩体工程类别的变化方面还缺乏可靠的依 据 ． 这些问题和缺点主要是由于观测条件的限制、 观测方式过于简单和分析处理方法比较简单造成 的．在大多数观测条件下超前预报检测都局限于隧 道之内，特别是采用垂直剖面法观测方式，缺乏横向 变化的信息．在以往的资料处理中不健全面、有效地 图4 TSP203超前预报及与开挖地质情况对比 Fig。4 Correlation between forecast and actual circs S4 A5 A10 图5 IRT观测布置图(Richard，2002) Fig．5 Observation distribution of IRT(Richani，2002) 孥囊 鎏 - ‘ 一 耋 _ l 二耋 图6 I阳 预报结果(Richard。2002) Fig．6 Forecast result of TRT(1tich-ld，_20吆 ) 广r1一翻广] -函豳I 一 m 一 。 ～ n ～ ～ 一 + 维普资讯 http://www.cqvip.com 地 球 物 理 学 进 展 18卷 利用波场的运动学和动力学特征 ，多数分析处理方 法仅局限于记录的运动学特征，即走时信息 ，对于记 录的动力学特征研究较少 ．例如介质对于地震波的 吸收特征，对于不同频率地震波的吸收、率减与岩体 孔隙率、完整性的关系等特性缺乏研究． 因而今后要想提高超前预报的精度，还必须对 现有的超前预报方法进行改进，特别是观测方法上 要扩大观测的有效方位角，获得三维空间波陈面数 据、提高定位精度；在资料分析处理上，要建立不同 地质界面的特征识别模式，提高判别准确性；要发展 速度扫描分析和介质完整性、工程类别与吸收频谱 特性的关系研究，提供更可靠的岩体类别识别和定 量化指标 ．此外应特别加速国内的超前预报软件的 开发，以适应超前预报工作的迫切需要[51． 参 考 文 献 (References)： [1] 曾昭璜 ．隧道地震反射法超前预报[J】．地球物理学报，1994，37 (2)：218～230． [2] 何振起 ，李海，梁彦忠．利用地震反射法进行睫道簟工地质超前 预报[J]．铁道工程学报 ，2000；4：81～85． [3] 李忠 ．TSP-202探测系统在新倮纳隧道地质超前预报中的应用 研究[J]．地质与勘探 ，2002；38(1)：86—89． [4] Richard Otto，Edward Button，Helfried B∞曲口dM and Petex Schwab．The Appfication 0fTRT-Ture R I∞d0nTmmsra~ -atthe Unterwald Tunnel，Ge0physic8，2002；2：51—56． [5] 赵永贵．中国工程地球物理研究的进展与未来[J】．地球物理学 进展 ，2OO2，17(2)：301—3O4． 欢迎订阅 《地球物理学进展》 =垫 CN 11 ． 2982／P 季 刊 2O04年每期定价 25元 全年 loo元(含邮资) 《地球物理学进展》是中国科学院主管，中国科学院地质与地球物理研究所和中国地球物 理学会共同主办的地球物理学及相关领域的综合性学术刊物，国内外公开发行。主要报道国 内外地球物理学研究的最新进展和成果，探讨地球物理学的发展战略，评价地球物理学科的现 状和发展趋势。主要刊登有创新性或意义重大的研究 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 、专论、综述、快报和其他文章。 本刊为中国科学引文数据库核心期刊，内容新颖 ，信息量大，是迅速、准确、快捷地反映我 国地球物理学科整体发展水平的代表性刊物之一。面向从事地球科学、高空及大气科学等研 究领域及油气勘探、固体矿产资源探查 、环保、工程、国防等部门的广大读者和大专院校师生， 是从事地球物理和相邻学科研究的案头必备刊物之一。 定购方法：通过全国非邮发报刊联合发行部或与本刊编辑部联系均可。 (1)全国非邮发报刊联合发行部 邮 编 ： 300385，天津市大寺泉集北里别墅 17号全国非邮发报刊联合发行部 电 话 ： 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