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地下工程测试技术课程论文
中国地质大学
研究生课程论文
课程名称地下工程测试技术
教师姓名陈建平左昌群
研究生姓名雷银
研究生学号120120452
研究生专业地质工程
所在院系工程学院
类别:
A.博士√B.硕士C.进修生
日期:
2013年6月29日
评语
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浅谈隧道超前地质预报的方法与原理
雷银
(中国地质大学(武汉)工程学院,武汉430074)
摘要:
超前地质预报不只是各种仪器探测,还包括大量的工程地质预报手段,并形成一个完整的技术体系。
该体系主要包括:
隧道所在地区地质分析与宏观预报,隧道的洞身不良地质体的超前预报,超前钻探和施工地质灾害临近警报,共四个组成部分,即四大技术步骤。
这一技术体系的准确应用,结合模糊神经网络综合预报方法,可以极大地提高隧道超前地质预报的水平。
本文选取六景郁江隧道做为隧道超前地质预报在实际工程中的应用实例。
关键词:
隧道;超前地质预报;技术体系;模糊神经网络;六景郁江隧道
Anintroductiontothemethodsandprinciplesoftunnel’sgeologicalforecast
LeiYin
(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074)
Abstract:
Integratedgeologicalforecasttechnicalsystemisnotonlyinvolvesvariouskindsofinstruments’detections,butalsoincludesmanyengineeringgeologicalforecastingtools,andformsacompletetechnicalsystem.Thistechnicalsystemiscomposedoffourparts,calledfourtechnicalsteps,include:
thegeologicalanalysisandmacroscopicforecastforlocationoftunnel,thepredictionofthetunnelsharmfulgeologicunit,theadvancedrillingandnearwarningoftheconstrualgeologiccalamity.Theaccurateapplicationofthistechnicalsystem,combinedwithFuzzyneuralnetworkintegratedforecastmethodcangreatlyincreasethelevelsofthetunnel’sgeologicalforecast.ThispaperchoosesLiuJingyuRiverTunneltobetheexampleofengineeringusageofeologicalforecast.
Keywords:
tunnel;thegeologicalforecast;technicalsystem;fuzzyneuralnetwork;LiujingyuRiverTunnel
1区域地质分析
利用隧址所在地区的各种比例尺区域地质图、区域构造体系图及其说明书,应用超前地质预报的地质理论,初步分析隧址所在地区的主要构造方位、力学性质和构造多期活动特征及其不同方位构造对隧道围岩稳定性的影响程度,主要地层类型、特征及其对隧道围岩稳定性的影响程度,主要岩浆岩的类型、特征、空间分布及其对隧道围岩稳定性的影响程度。
在区域地质分析的基础上,应用超前地质预报的理论分析隧道施工可能遇到的不良地质类型、大约位置、规模和产状(特别是走向),分析施工地质灾害的类型、发生的可能性和对隧道施工的影响程度。
主要包括:
地层分析,构造体系、构造型式分析,岩浆侵入体成因、产状分析,溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带成生条件和展布规律分析,煤层、采空区和瓦斯地质分析等等。
在隧道不良地质分析的基础上,研究隧道主要不良地质与地貌的关系,为隧道不良地质的地质分析提供佐证。
2隧道的洞身不良地质体超前预报
依据预报距离,分为简单隧道超前地质预报和复杂隧道超前地质预报,复杂隧道超前地质预报又包括长期(长距离)和短期(短距离)两种预报形式。
2.1简单隧道超前地质预报
(一)地面地质调查法
该方法适用于隧道施工前期及施工过程中判断隧道地质稳定性程度,提出施工对策。
通过对隧道范围内进行大规模详细的地质调绘,确定各组的地层层序、厚度、标志层位置,结合沉积韵律,建立标准地层剖面。
对地质构造进行追踪调查后,根据施工进展情况,展开有针对性的地质调绘,详尽地核对细化勘测设计资料。
在不同位置实测构造面产状,获取构造的性质、规模、范围等第一手资料,经过施工单位联测将构造位置在图上定位,利用地质作图法,把构造投影到洞身位置。
地质调查的工作方法有穿越调查法和追索调查法两种。
具体调查方法和工作步骤,则视调查对象而定。
主要地质调查对象划分如表1所示,这五个方面的地面调查工作不是孤立进行的,而是相互关联、互为补充。
(二)地质素描法
该方法适用于隧道开挖后,根据掌子面地质情况,进一步对掌子面前方地质情况作出判断并随时提出修改意见。
地质素描是对已开挖掌子面的地质情况在现场做实地调查,并进行详细编录,采集必要的数据。
具体包括对掌子面地层岩性、节理发育程度、受构造影响的程度、围岩稳定状态等进行详细编录,实测岩层产状、节理产状及间距、微构造产状、断层面产状及规模等,分段测绘统计分析岩体各种参数,进行掌子面的工程地质评价,作出掌子面断面图,再据其作出常规预报展示图和分段预报通知书。
根据隧道岩层的倾角,结合标准地层剖面确定岩层层位,采用公式计算,预测预报某一软弱岩层在洞身的位置,并根据其稳定性提出施工措施建议。
该方法对掌子面前方的地层岩性空间具体位置预测是十分准确的。
断层及微构造在掌子面出现,实测产状后分析断层、微构造的产出规律,据其在掌子面部位、构造走向与隧道轴向的关系作出地质预报图。
(三)水文地质条件预测法
洞内涌水量的预测在熟悉既有勘测设计资料、岩组层序及地质构造特点的基础上,通过对洞内掌子面涌水量动态变化的长期观测记录,掌握地下水初期涌水量、衰减涌水量和稳定涌水量的变化规律,综合分析地层、断层线性构造等特点。
结合基岩裂隙水的运移特点,查明地下水的补给、迁流及排泄途径,对未开挖段开展水文预报工作。
(四)节理裂隙统计分析预测法
隧道通过区地层受构造运动的影响,形成了较多的节理、裂隙及断层。
而节理、裂隙与断层的发展变化是有一定规律的。
通过长期测量、分析、统计其节理产状、间距、贯通性等情况,得出节理、裂隙、断层的发展渐变规律,预报预测掌子面前方是否发育断层及微构造。
(五)掌子面编录推测法
主要是通过掌子面已揭露地质体(岩层、不良地质体等)进行观测与编录,对掌子面前方一定范围内可能出现的地质体及位置、对掌子面实见地质体向掌子面前方延伸情况进行有依据的推断。
主要分为岩层及层位推断法、条带状地质体涉及隧道长度推断法和不规则地质体涉及隧道长度推断法三种。
2.2长期超前预报技术
长期超前地质预报的预报距离为掌子面前方100-150m以上。
国内外主要采用TSP(隧道地震勘探)或TGP等仪器探测方法来进行。
此外还有断层参数预测法和地面地质体投射法等工程地质预报法。
(一)三种长期超前地质预报技术简介
(1)TSP或TGP探测解译技术
TSP设备是由瑞士安伯格开发生产的、当前国内外最先进的隧道长期超前地质预报设备,也是隧道长期超前地质预报最重要的技术手段。
其基本原理是:
首先,在隧道内,人工制造一系列有规则排列的轻微震源;震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面时,将产生反射波,它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状密切相关,并以不同数据表现出来;通过设备设置的震源反射波的数据采集系统,经软件处理后,可以形成反射波的速度图,能量的深度偏移图,反射层提取图,并最终形成反映探测区段总体地质特征的物理参数与二维(三维)地质推断图,供工程技术人员分析解译。
应用TSP进行超前地质预报,准确地采集第一手数据固然重要,但最关键技术仍是数据处理及其成果的解译,特别是成果解译;不同的人员,其解译水平、预报的距离和预报的精度都有很大差别。
当前,绝大多数国内外地质预报同仁,是通过最终形成反映探测区段总体地质特征的物理参数与二维.(三维)地质推断图进行分析解译和预报的,预报遵循的基本原则是:
①反射振幅越强,反射系数和波阻抗的差别越大。
②正反射振幅(红色)表明正的反射系数,表明坚硬岩层;负反射振幅(兰色)表明软弱岩层。
③若横波反射比纵波强,则表明岩层饱含水。
④纵横波速度比有较大的增加或泊松比突然增大,常常因流体的存在而引起。
⑤若纵波速度下降,则表明裂隙密度或孔隙度增加。
实践证明:
这种分析解译和预报的方法有很大的不足,即它只能进行较大区段、泛泛地质特征的总体评价和预报,很难对单个的、重要不良地质体性质、位置、特征及其规模做进一步预报。
当然,也有部分同仁依据地震波速度图、能量深度偏移图、能量反射层提取图与物理参数与二维(三维)地质推断图结合起来,进行综合分析、解译和预报。
个别经验丰富者,则以地质分析为依据,将第一手地质资料与数据处理形成的各类图件的分析、解译相结合,进行综合预报。
笔者认为:
后两者,特别是后者,是TSP超前地质预报的真正发展方向。
TGP地质预报系统的探测原理与TSP相似。
其成果资料的分析与解释遵循以下原则:
①分析解释坚持纵波(P波)资料为主,横波(Sh、Sv)资料为辅的原则;坚持同侧(检波器1)的资料为主,对侧(检波器2)资料为辅的原则。
②不良地质位置的判断,以纵波(P波)资料为主,横波(Sh、Sv)资料为辅的原则。
③不良地质性质的判断,坚持纵波与横波相结合综合分析的原则。
④不良地质规模的判断,坚持同侧与对侧相结合综合分析的原则。
⑤负反射能量条带(蓝色)表明不良地质本身的岩体相对软弱或破碎风化。
⑥横波(Sh波、Sv波)反射能量明显比纵波(P波)反射能量强,表明饱水的泥质岩石或岩溶洞穴。
TSP和TGP均是隧道长期超前地质预报的主要仪器。
(2)断层参数预测法
这是刘志刚教授独家研制出来的、一种利用断层影响带内的特殊节理和其集中带有规律分布的特点和经过大量断层影响带系统编录得出的经验公式(LiuZhigang公式)超前预报断层破碎带的位置、规模的新技术。
(3)地面地质体投射法。
这是在地表准确鉴别不良地质体性质、位置、规模以及岩体质量,和精确测量不良地质体的产状的基础上,应用地面地质界面和地质体投射公式进行超前地质预报的技术。
(二)隧道长期超前地质预报的技术指标
①有效预报距离一般为掌子面前方100m,经验丰富者可达150~200m。
②预报不良地质位置的精度,~般可达80%,经验丰富者可达90%以上。
③预报不良地质规模的精度,一般页可达70%,经验丰富者可达80%以上。
2.3短期超前预报技术
短期超前地质预报为掌子面前方15~30m。
国内外主要采用地质雷达探测、红外探水等仪器探测法和地质素描预测法、地质前兆预测法等工程地质方法。
(一)主要技术手段简介
(1)地质雷达探测法。
地质雷达探测属于一种电磁波物探技术。
电磁波通过天线向地下发射,遇到不同阻抗介面时,将产生反射波和透射波。
接收机利用分时采样原理和数据组合方式,把天线接收的信号转化为数字信号,主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号,并以时间剖面的形式显示出来,供解译人员分析。
地质雷达探测法的关键技术是分析电磁波频率,电磁波振幅和同相轴的连续性三项指标。
①围岩中的空洞,表现为轮廓明显的高频率、强振幅、同相轴连续性好的频谱带。
②围岩中明显多水地带,表现为轮廓不明显的低频率、强振幅、同相轴连续的频谱带。
③富水破碎带,表现为轮廓不明显的低频率、强振幅、同相轴不连续频谱带。
④溶洞、暗河等洞穴型岩溶,表现为轮廓明显的频谱带。
若为空洞时为高频率、强振幅;若充满水时表现为低频率、强振幅。
⑤岩溶淤泥带、岩溶陷落柱等充填型岩溶,同样表现为轮廓明显的频谱带。
若为稀性岩溶淤泥带时,则表现为低频率、强振幅;若充填有其它不均匀、稠性介质时,则表现为零乱的同相轴不连续的较强振幅。
(2)红外探水法
红外探水属于一种物理场探测技术。
地下岩体、水体每时每刻都在向外界发射红外波段的电磁波,形成红外辐射场,物体的红外辐射能量与其温度的四次方成正比,当探测前方存在不良地质情况时,与周围围岩的温度就有一定的差异,正是依据这些异常来推断掌子面前方不良地质的情况。
若在掌子面布点时,当各行各列探测值的最大差值超出安全值范围,说明前方存在不良地质。
而在隧道边墙布点时,当曲线的末端出现整体上升或下降,且变化差值超出安全值范围,说明前方存在不良地质;其中探测曲线上升,表明前方存在一些气态灾害;如果探测曲线下降,表明前方存在一些含水不良地质体。
(3)地质素描预测法
包括岩性和层位预测法、地质体延伸预测法。
(4)不良地质前兆预测法
断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带出现之前,一般都会出现各自的明显或不明显的前兆标志;这些标志的出现,常常预示前述不良地质体已经临近了。
(二)短期超前地质预报的主要技术指标
由于短期预报是在地质分析与宏观预报和长期预报的基础上进行的,所以,预报的精度一般要超过长期超前地质预报,特别是对不良地质性质的预报。
3超前钻探
3.1超前钻探分类
超前钻探分为长距离(280m)、短距离(15-30m)两种形式;又分为取芯和不取芯两种类型。
3.2超前钻探布孔
超前钻探的布孔数量,视不良地质的性质和可能发生施工地质灾害的严重程度来决定。
对于较大的断层破碎带,布置1孔或2~3孔即可达到目的;对于溶洞、暗河或岩溶淤泥带等可能发生突泥突水的区段,则以布置5孔为宜。
布孔的位置,则主要依据长期、短期超前地质预报的结论来确定。
4综合物探测试法
综合物探测试法是在地质超前预报过程中常用的方法:
(1)用SE1243PEN型综合工程探测仪进行负视速度法测试。
该方法的原理是根据声波在不同介质中传播速度及能量的变化来预测前方的地质情况。
该方法是利用8~12个检波器在不同位置同时接收同一个震动源(放炮)在介质中传来的声波,并且把接收到的声波变化记录到计算机内,通过计算机的处理及后期判释工作来预测,同时也可将前方围岩的纵波波速测出,根据纵波波速给出围岩类别。
(2)采用RAMAC-Ⅱ型地质雷达进行的地质雷达法测试。
(3)采用浮点动测仪进行高密度地震法测试。
(4)采用WDJD-Ⅰ电法仪进行电法测试。
这些方法适用于与其他方法对比分析,结合地面地质调查及掌子面地质描述的情况,进行综合分析对比,预测掌子面前方地质情况。
5工地质灾害临近警报
施工地质灾害临近警报技术主要包括:
塌方,突泥、突水、岩爆等地质灾害的监测技术;还包括地质灾害发生可能性的判断技术。
6模糊神经网络综合预报方法
6.1不良地质综合预报流程
依据隧道超前地质综合预报原则和综合预报工作体系,建立综合预报断层、破碎岩体、富水情况、溶洞、软弱岩体等不良地质情况的工作流程,实际综合预报中,可依据物探方法适宜性评价和“物性参数互补”等综合预报原则,选取适宜的一种或几种物探方法组合。
6.2预测指标选取与分级
根据上述综合预报流程,结合地质资料和物探方法对断层、破碎岩体、溶洞、富水情况、软弱岩体五种不良地质情况的响应特点,选取适宜的地质和物探参数指标,并根据各个指标对预报结果的影响对其进行分级。
(1)断层预测指标及其分级
将断层预测目标划分为4个级别:
存在、存在可能性较大、存在可能性较小、不存在。
选择六类因子作为断层的预测指标:
设计阶段区域断层信息;掌子面断层调查情况;TSP反射界面和诈变化特征;地质雷达波的综合特征;BEAM的PFE值。
总结各因子对应于断层的表现特征,确定各断层评价指标分级情况
(2)破碎岩体预测指标及其分级
将岩体破碎程度划分为4个级别:
完整、较完整、较破碎、破碎。
选取五类因素作为掌子面前方岩体破碎程度综合分析预报的预测凶子:
设计阶段地质资料;掌子面节理裂隙发育情况;TSP的P波VP波速特征;BEAM的PFE值;地质雷达波的综合特征。
总结各因子对应于不同破碎程度的表现特征,确定破碎岩体预测指标分级情况。
(3)围岩富水情况预测指标及其分级
将围岩富水情况划分为4种不同类型,选取6种因子作为预测指标,分别为设计阶段富水信息、掌子面出水情况、TSP的P波波速与S波波速之比蹦魄的变化情况、BEAM测得电阻率值、瞬变电磁测得视电阻率变化、地质雷达波波形综合特征。
总结各指标对应于不同富水情况的表现特征,并参考C.w.Zang等的分级经验,确定富水情况预测指标分级情况。
(4)溶洞预测指标及其分级
将溶洞预测目标划分为4个级别:
存在、存在可能性较大、存在可能性较小、不存在。
选取五类因素作为有无溶洞综合分析预报的评价因子:
设计阶段地质资料;掌子面溶洞调查情况;TSP的VP/VS变化特征:
BEAM的PFE值;地质雷达波的综合特征。
最终确定的溶洞预测指标分级情况。
(5)软弱岩体预测指标及其分级
将软弱岩体预测目标划分为4个级别:
坚硬岩、较坚硬岩、软岩和极软岩。
选取三类因素作为软弱岩体的综合分析预报指标:
设计阶段地质资料;掌子面岩体强度调查测试情况;TSP探测的P波波幅正负特征。
最终确定软弱岩体预测指标分级情况。
6.3模糊神经网络综合预报
上述隧道不良地质情况综合预报体现的是一种工作方法,整个预报过程仍需进一步可操作化。
本文采用模糊神经网络方法,建立上述隧道不良地质情况的模糊神经网络综合预报模型进行综合预报。
模糊神经网络(fuzzyneuralnetwork)结合了人工神经网络和模糊系统的优点,两者结合形成的模糊神经网络同时具有模糊逻辑易于表达人类知识和神经网络的分布式信息存储以及学习能力的优点。
(1)模糊神经网络结构
采用串联型模糊神经网络,神经网络为3层BP网络,网络第一层前接模糊量化评价,网络第三层输出后进行模糊还原,模糊神经网络结构。
(2)模糊量化评价
在超前预报综合分析与评判中,根据建立隶属度的基本原则,将评价因子分为2种方式分别计算:
第一类:
当评价因子为用文字描述的定性指标时,因其指标离散化,故其隶属函数采用特征函数。
即
第二类:
当评价因子为数值式的定量指标时,建立代表隶属度和指标数值之间的函数关系,即隶属函数。
隶属函数种类很多,综合各因子数据的分布特征,采用“梯形”和“三角”分布形式。
(3)神经网络算法
采用误差反向传播BP神经网络算法,标准BP算法在迭代计算过程中存在易陷入局部最小值和收敛速度慢的问题,为克服以上2个问题,采用加入自适应学习率和动量的改进算法。
7超前地质预报在六景郁江隧道施工中的应用
六景郁江隧道位于南宁至柳州高速公路六景郁江大桥上游约180m处。
所在位置属于低山丘陵孤峰平原地貌,两岸为一级阶地,地形宽阔平坦,地程高65~68m,江面高程62.7m,隧道下穿宽阔的U型河谷,河道顺直,江面宽约200m,河床底高程27.5m,最大水深36m,水位受下游西津水电站直接影响而变化。
郁江为常年通航的航运干线,水深流急。
隧道为西南成品油管道输送工程南宁支线穿越郁江河谷而设,净空尺寸为B=2.3m、H=2.2m。
隧道平面投影直线长467.761m,斜长505.864m,顺河床剖面呈U型设置。
分别于南、北两岸开凿洞口,并以斜井(南口斜井长201.579m、北口斜井长195.371m)进入河床下部的平坡段,平段长108.914m(i=0.1%),平段洞底标高为-16.392m(距河床底面43.892m)。
(图1)
7.1TSP超前预报法的应用
施工单位在六景郁江隧道南岸斜井距洞口78~198m范围段进行了TSP203超前地质预报,以检测工作面前方围岩情况,为后续施工提供地质参考资料。
(一)检测原理
TSP203的原理是地震波的回波原理。
人工制造一系列有规则排列的轻微震源,形成一个地震源断面,同时,三维地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体(如地层层面、节理面,特别是断层破碎带界面和溶洞、暗河等)被反射返回的地震波数据。
这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的。
在一定间隔距离内连续多次采用上述方法,可以得到前方地层的地质力学参数,如杨氏模量和横向变形系数等。
现场工程技术人员结合相关的地质资料可以准确地预知前方及周围地质变化状况。
(二)检测方法
TSP203超前地质预报系统(TSP即TunnelSeismicPredictionahead的英文缩写,以下简称TSP203)是瑞士安伯格测量技术公司专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的,是目前国内外在这个领域最先进的科技成果,属于地球物理探查方法的一种。
它可以十分有效地为工程人员制订各种施工方案、采取相应措施提供可靠的地质资料。
采用TSP203可以预报隧道掘进前方及周围150m甚至更远范围之内的地层状况。
它的一切工作都在掌子面后面的毛洞中进行,对隧道的连续施工不会有太大影响。
除采集数据时为降低环境噪声对成果分析的不良干扰需暂停施工0.5h左右,其他工作可以和掘进工作同时进行,花费较少,并可获得地层变化的二维和三维图像,代表性强,可靠度高。
(三)检测实施
掌子面位置距洞口78m,用TSP203仪器进行资料采集。
(1)钻孔:
在距离工作面40m处的隧道毛壁上钻深度为1.5m的孔,布置接收器(接收器标准的外部直径为42~43mm,总长2m)。
自工作面起,每隔1.5m钻孔一个,钻孔深度为1.5m,最后一个孔与接收器的距离大于20m。
所有钻孔的顶点位置尽可能在与隧道斜井轴线平行的同一直线上。
(2)测量、记录:
钻孔完毕后,逐个测量孔的深度和倾斜度,并做好记录。
(3)埋设接收器:
用于地震信号采集的接收器分为接收杆和超灵敏三轴传感器两部分,传感器位于接收杆顶部。
接收器放在一个特殊的钢套管中,套管通过环氧树脂药卷与岩层结合。
埋设接收器前,先清孔,清除孔底虚渣,放入环氧树脂药卷,插入套管,用钻带动其钻动。
保证环氧树脂药卷充分搅拌。
待套管与岩层紧密结合以后,插入接收器。
当旋转钢套管时,其锋利的叶片切割树脂药筒,并开始硬化。
注意传感器方向朝向掌子面。
(4)连线检查:
把接收器、检波器(电脑)、起爆器、同步器连接起
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