超前地質(zhì)預(yù)報隧道工程論文

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1常用隧道預(yù)報方法的基本原理

1．1TSP隧道地震波探測超前地質(zhì)預(yù)報方法

隧道地震超前預(yù)報測量系統(tǒng)簡稱TSP(TunnelSeismicPredic-tion)，是我國20世紀(jì)90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測量技術(shù)公司引進(jìn)的一套先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)，也是我國目前應(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，一部分地震信號返回來，一部分地震信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射的地震信號被兩個三維高靈敏度的地震檢波器(一般左邊墻和右邊墻各一個)接收。通過對接收信號的運(yùn)動學(xué)和動力學(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)報方法

對地球表層巖體的溫度起到主導(dǎo)作用的是地球地?zé)釄?。在一定深度范圍?nèi)，深度方向每增加1km，地?zé)釄龅臏囟葎t相應(yīng)的增加30℃，而與其垂直的水平方向，地?zé)釄龅臏囟茸兓瘏s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中，為一常溫場，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，巖體中會產(chǎn)生相應(yīng)的熱傳導(dǎo)和對流作用，那么溫度場即不再為恒溫場，故而會產(chǎn)生一定的溫度異常場，由于這種異常的存在，故掌子面上會存在著溫度的差異，所以利用紅外輻射測溫法測定這種溫度變化差異，就可預(yù)報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)報方法。

1．3其他幾種超前預(yù)報方法

超前預(yù)報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，相對而言，這幾種方法運(yùn)用較少。以下簡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)報方法有其局限性，探測時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)報時，在隧道的施工掌子面或邊墻處發(fā)射低頻聲波信號，同時，在隧道內(nèi)其他地點(diǎn)接收反射波的信號，通過對探測到的反射波信號進(jìn)行時域、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)報方法。聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報方法的基本原理與醫(yī)學(xué)CT技術(shù)原理相同，在做預(yù)報時也有相應(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)報方法，在密集對穿的測試方式下，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)場收集到的地質(zhì)資料的分析，從而達(dá)到對預(yù)報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常用隧道探測方法的特點(diǎn)

2．1TSP超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報法的特點(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)對掌子面前方的距離預(yù)報較長，能預(yù)報掌子面前方達(dá)500m深度;

3)不影響隧道施工，只是在接收信號時短暫停止施工即可;4)用時短，每次的探測時間約為45min;

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

6)成果報告快，僅需要一天時間即可完成成果報告。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，活隧道因開挖空腔擋住地震震源產(chǎn)生的地震波，使其無法穿透，不能經(jīng)過反射鏡面反射，使得待接收裝置無法接收，而導(dǎo)致局部斷層等不被識別。

2)TSP的成果質(zhì)量受到現(xiàn)場起爆點(diǎn)、接收點(diǎn)鉆孔的位置、長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)報法的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):預(yù)測速度快，占用施工時間較少;數(shù)據(jù)分析快，預(yù)測工作結(jié)束時，就可以得到初步結(jié)論。缺點(diǎn):僅僅可以預(yù)測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

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)報的發(fā)展概況以及現(xiàn)階段我國所常用的幾種超前探測方法，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡要的分析。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會越來越多地采用數(shù)值模擬計(jì)算方法來模擬隧道圍巖的變形。

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