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超前地質(zhì)預報隧道工程論文

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超前地質(zhì)預報隧道工程論文

1常用隧道預報方法的基本原理

1.1TSP隧道地震波探測超前地質(zhì)預報方法

隧道地震超前預報測量系統(tǒng)簡稱TSP(TunnelSeismicPredic-tion),是我國20世紀90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測量技術(shù)公司引進的一套先進的地質(zhì)超前預報探測系統(tǒng),也是我國目前應用較為廣泛的一種。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(通常在隧道的左邊墻或右邊墻,大約24個炮點布成一條直線)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?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動學和動力學特征進行分析,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)狀及巖石力學參數(shù)。

1.2紅外探水超前地質(zhì)預報方法

對地球表層巖體的溫度起到主導作用的是地球地熱場。在一定深度范圍內(nèi),深度方向每增加1km,地熱場的溫度則相應的增加30℃,而與其垂直的水平方向,地熱場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中,為一常溫場,溫度的變化幾乎為零。所以,當預計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)生相應的熱傳導和對流作用,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)預報方法。

1.3其他幾種超前預報方法

超前預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)預報方法。由于波的傳播過程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費馬原理,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特性差異。預報時,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)其他地點接收反射波的信號,通過對探測到的反射波信號進行時域、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)預報方法。聲波CT超前地質(zhì)預報方法的基本原理與醫(yī)學CT技術(shù)原理相同,在做預報時也有相應的物理前提,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,從而達到對預報的掌子面前方的巖體內(nèi)部的地質(zhì)體進行三維圖像的直觀展示。

2常用隧道探測方法的特點

2.1TSP超前地質(zhì)預測預報法的特點優(yōu)點:

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報較長,能預報掌子面前方達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)投入費用較少,單位長度隧道的超前地質(zhì)預報費用非常低;

6)成果報告快,僅需要一天時間即可完成成果報告。缺點:

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、接收點鉆孔的位置、長度以及角度等的影響非常嚴重。

3)因為所使用的設備均為進口設備,所以成本較高,在普通隧道施工中應用較少。

2.2紅外探水超前地質(zhì)預報法的特點

優(yōu)點:預測速度快,占用施工時間較少;數(shù)據(jù)分析快,預測工作結(jié)束時,就可以得到初步結(jié)論。缺點:僅僅可以預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)缺點進行了簡要的分析。近年來,隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,將會越來越多地采用數(shù)值模擬計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