研 学 报 告.doc

目 录1开始语.2超前预报的必要性.3超前预报的内容及适用范围.4超前预报技术的方法、理论依据及各自的优缺点.5研学过程的心得.6参考文献.一、开始语在大二的刚开始，我欣然接受了对超前地质预报技术与方法、理论依据这个课题的研学任务，在刚开始接受的是时候感觉真的很困难，一点思绪都没有。后来在和老师以及同学们讨论之后，在自己认真的对自己的研学的内容进行了分析之后，在去了图书馆查了很多很多的文献和资料以后，终于对自己的课题有了一定的认识，这时的我如茅塞顿开一样，就很努力的投入了对自己课题的研学中，在经过了半个多月的努力下，我基本清楚了自己所研学的课题，对其有了一定深度的认识。下面就是我对自己的课题研学的报告的内容二、超前预报的必要性由于隧道埋深大,在初勘中采用宏观的地面调绘、钻探、物探、遥感判释、波速测井等方法,很难准确查明施工过程中所需要的微观水文、地质条件及不良地质体的赋存状态,导致施工过程中突水、突泥、坍塌、瓦斯燃烧等事件时有发生,给施工带来极大困难,造成施工人员和施工设备的重大安全事故。在隧道施工时,前方常存在不良地质条件,如断层、破碎带、溶洞、软土层、地下暗河等。在前方地质情况无法知悉的情况下,贸然施工极有可能带来无发预估的后果。在穿河隧道中,所遇到的最主要地质问题地层破碎带及由此带来的渗水,甚至突水突泥问题,对隧道施工与运营的影响十分巨大。所以,通过一套完整的综合超前地质。超前地质预报技术出现在上个世纪中后期，是工程地质的一个分支，我国从上个世纪70 年代后期逐渐开始重视这一方面的研究和应用，中国科学院地质研究所的孙广忠院士等作了大量的工作。进入21 世纪，伴随着西部大开发战略的启动，修建的铁路、公路将明显增多。由于隧道长度、埋深等各方面因素的影响，地质条件越趋复杂，隧道施工中遇到的问题也会相应地增多，不可预料的地质灾害如突泥、突水、塌方等成为困绕工程施工的主要难题。近十几年来，隧道施工技术已经有了很大的发展，为了保证在隧道施工时的安全和高效，超前地质预报的研究显得越来越重要。要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防隧道施工中的地质灾害。如在施工中的塌方是制约快速施工的最主要因素之一，而断层、岩溶是隧道隧洞开挖过程中最常见的不良地质现象，也是引起隧道塌方的”罪魁祸首”之一。由断层及断层破碎带、岩溶陷落柱等引起的隧道隧洞塌方占塌方总数的90%以上。赋存于断层及破碎带中的溶洞、暗河、淤泥带是隧道隧洞突泥突水等地质灾害的最主要根源，断层破碎带是诱发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等地质灾害的最主要地质因素之一。断层破碎带还与岩爆的发生和产生密切相关。可以说，隧道隧洞施工中发生的地质灾害，几乎都有断层、岩溶有关。鉴于断层破碎带、岩溶对隧道施工的巨大影响。因此，进行断层破碎带、岩溶超前地质预报的研究具有极其重要的意义。根据隧道隧洞开挖面前方隐伏断层及破碎带、岩溶规模准确定位和评价，采取准确而有效的防治工作，不仅可以减少隧道塌方、突泥等灾害的发生、加快施工进度，而且可以为施工单位节约大量成本，显著提高经济效益。它既可以产生巨大的经济效益，又具有广泛的社会效益。三、超前预报的内容及适用范围1) 地质法。主要是根据隧道洞内外地质调查和隧道施工期掌子面地质条件调查结果, 如岩体结构面的产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质过程等变化特征, 通过地质作图及其构造相关性分析, 从而推断出掌子面前方可能存在的地质情况。该方法操作简单, 对施工不造成影响, 但适用范围有限, 在隧道埋深较浅、地质条件构造简单的条件下, 该方法有较高的准确性, 但对深埋隧道或构造较复杂地区, 该方法工作难度较大, 预报只能做定性分析。2) 地质雷达法。采用的是连续扫描电磁波反射曲线的叠加的办法, 利用电磁波在隧道掌子面前方岩体中的传播、反射原理, 根据测到的反射脉冲波走时计算反射面距隧道掌子面的距离。由于电磁波对水很敏感, 地质雷达对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。但地质雷达探测距离短, 而且易受洞内金属和机电设备干扰,从而影响探测精度。3) TSP ( Tunnel Seismic Predict ion) 超前预报方法。由瑞士Amberg 测量技术公司20 世纪90 年代初开发的用于隧道超前预报的专用技术。其基本原理是: 在隧道内, 首先采用小量炸药作为震源, 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; 反射波的传播速度、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, 并通过不同数据表现出来; 通过数据采集系统( 传感器和记录仪) , 将这些数据收集, 然后处理, 最后进行计算, 形成一系列反映界面或地质体反射能量的地震记录图和隧道平面、剖面图。四超前预报技术的方法、理论依据及各自的优缺点超前地质预报主要有四中方法，即瞬变电磁法（TEM）、探地雷达法（GPR）、超前钻孔法、地震发射波发(TSP).瞬变电磁法(TEM)瞬变电磁法是一种时间域电磁法, 它是利用阶跃波形电磁脉冲激化,利用不接地回线向地下发射一次场, 在一次场断电后, 地下介质就会产生感应二次场, 由于良导电介质内感应电流的热损耗, 二次场大致按指数规律随时间衰减, 形成瞬变磁场。二次场主要来源于良导电介质内的感应电流, 因此它包含着与地下介质有关的地质信息。二次场通过接收回线观测, 对所观测的数据进行分析和处理, 据此, 解释地下介质及相关物理参数。目前瞬变电磁法应用于隧道超前地质预报在我国仍处于起步阶段, 具体的应用及解译方法还不够完善和统一, 最终影响了预报结果的准确性。a.瞬变电磁法的仪器组成：瞬变电磁仪主要由发射机、接收机及线圈支撑框架三部分组成。b.瞬变电磁法隧道超前地质预报的解译方法瞬变电磁解译图件1) 感应电动势衰减曲线图。感应电动势衰减曲线图横轴代表时间道号, 纵轴代表感应电动势值。衰减曲线常绘制在双对数坐标系中, 也可采用单对数坐标系。为便于不同测点衰减曲线间的对比, 实际工作中可将不同测点衰减曲线绘制在一张图上( 见图1) 。现场数据采集时便可得到每一测点的感应电动势衰减曲线, 从曲线的衰减趋势上可以初步判断出采集数据质量的好坏。2） 感应电动势剖面图。以测点为横轴, 采集的感应电动势为纵轴, 沿测线方向绘出各时间道的曲线, 即得到该剖面线上的感应电动势剖面图。横轴采用线性坐标, 纵轴可采用线性或对数坐标。为便于多道曲线对比和部分道数据变化范围较大时用对数坐标, 即采用对数和线性混合坐标系( 见图2) 。感应电动势剖面曲线特点是通过对比不同时间道感应电动势值与地下地质体对应关系显示的。通过不同测点的感应电动势衰减速度来判断各测点在同一深度处的视电阻率值的大小, 即衰减速度越快视电阻率值越大。3) 视电阻率平剖图。视电阻率平剖图中横轴代表测点点号, 纵轴代表探测深度。横轴采用线性坐标, 纵轴既可采用线性坐标, 又可采用对数坐标( 见图3) 。图中通过各个测点曲线的斜率变化来反映视电阻率值的变化, 即斜率变大时, 视电阻率的值变小。4) 视电阻率等值线纵深剖面图。以测点为横轴, 距掌子面距离为纵轴, 以视电阻率为记录值,绘制出视电阻率等值线纵深剖面图( 见图4) 。值得说明的是, 该图中表明的视电阻率值并非岩体或者不良地质体的真实电阻率值。但是视电阻率较低的部位其真实电阻率也低, 即为低阻异常区域。该剖面图为最终形成的解译图件, 其直观的绘出了沿测线地电断面电性变化特征, 可以从中判断出不良地质体的规模、形态及埋深等。除了上述较为主要的解译图件外, 瞬变电磁还可以形成瞬变场等值线平面图、视纵向电导微分成像图等, 都对数据解译有所帮助。探地雷达法（GPR）地质雷达是一种用于探测地下深层构造的探测设备。经过多年的发展，如今已被广泛应用于考古、建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空等多个工程建设领域，尤其是在超前地质预报和工程质量检测工作中扮演着越来越重要的角色。虽然地质雷达功能强大，用途广泛，但是要想获得满意的扫描图像和准确的预报结果却依然是困扰工程技术人员的一个难题。在实际应用中为了提高超前地质预报的准确性，除应综合各方面的基本信息加以考虑外，更应注重参数设置、数据处理和图像判读等方面的深入研究。本文结合南惠高速公路前埭隧道工程实践，详细分析了地质雷达工作流程中三个重要环节，较全面地总结了应用地质雷达进行超前地质预报时应遵循的基本规律，其成果对工程技术人员提高地质雷达预报准确性有重要的参考价值。a. 现场采集是利用地质雷达进行地质探测至关重要的第一个环节，它直接影响到探测工作的最终成果。进行现场采集前最重要的一个步骤就是确定雷达扫描参数，合适的参数有助于获取主要地质信息而忽略次要的干扰信号.b.数据处理)滤波滤波就是通过一定的算法，去除雷达记录中的干扰信号，使雷达记录突出主要地质信息，忽略次要地质信息，它对雷达记录的判读有着重要的意义。在隧道超前地质预报中常用到的滤波算法有：去直流漂移，一般用于处理深部的信号。增益，一般按能量衰减规律进行增益，也可采用分段增益。去水平信号干扰，在非层状结构中一般很少出现水平的同相轴，如果有水平信号，则一般为干扰信号，应予去除。带通滤波，功能是去除高频和低频信号，保留中心频率附近的信号，通常应使上限频率更靠近中心频率。实际应用中可选取低频信号较多的区域（黑白条纹较宽的区域）的频率值,设置带通滤波的下截频，选取高频信号较多的区域（黑白条纹较窄的区域）的频率值，设置带通滤波的上截频。以上种滤波算法一般应按从到的顺序依次进行，亦可根据实际情况变通，总的原则是，最大限度地过滤掉干扰信号，从而逐步显示出主要地质信息。c. 超前地质预报中的典型波形特征滤波效果的好坏，主要看处理后的图像是否突出了主要地质信息，同时过滤了次要干扰信号。下面是在多年实践经验的基础上总结出来的一些典型的波形特征。）地下管道波形特征（图）地下管道的反射波呈向下的抛物线形，中间反射强，两侧很快衰减，尤其是金属管道，反射极强。反射弧形宽度与地下管道的直径和管道距地面的深度有关.图地下管道波形特征图）混凝土中钢筋的波形特征（图）电磁波几乎不能穿透钢板。对于混凝土中的钢筋来说，其反射电磁波的能力极强，在扫描云图上小的抛物线状图案即为混凝土中的钢筋。图混凝土中钢筋的波形特征图）地下结构层面的波形特征（图）地下结构层面为两种不同介质的接触面，介质差异越大则反射越强烈。根据介质介电常数的不同，反射波与入射波在界面处或同相或反相。反射波频率以低频成分为主。图地下结构层面的波形特征图）地下空洞反射波形态特征（图）地下空洞反射波具有局部孤立体的特点，在波形图上表现为多次强反射，侧向散射波较弱。反射波频率以高频成分为主，与入射波同相，与表面反射波反相。图地下空洞反射波形态特征图d. 地质雷达在工程中的应用实例前隧道位于泉三高速公路泉州支线（南安至惠安）公路工程合同段，为双洞单向行车双车道隧道（上下行分离）。隧道右洞，长；隧道左洞，长。前埭隧道洞口位于丘陵坡麓地带，坡体覆盖坡积含角烁质粘性土。坡体基岩出露，岩体呈松散或镶嵌碎裂结构，风化程度较高。洞身位于坡陡丘陵之中，地面最高点，最大埋深。隧道穿越弱风化花岗岩，岩体较坚硬，呈粒状结构。围岩节理裂隙发育，多以近垂直和水平节理为主。地下水为风化基岩裂隙水，受大气降水补给，水文地质一般。年月日对前埭隧道进口右洞掌子面进行了超前地质探测。e. 预报的优缺点地质雷达探测技术作为超前地质预报短期预报的重点, 具有以下优缺点:1) 工作效率高, 能够绘制出三维的探测图像, 信息丰富;2) 特别适用于断层带、含水构造的预报;3) 探测距离小, 一般20m 左右, 图像具有多解性, 需要有很强的工程地质专业知识背景和丰富的工程实践经验;4) 仪器体积大, 洞内干扰因素多(洞内积水、渗流水、铁质器具、钢纤维或钢筋混凝土等) , 现场操作不便。地震发射波法（TSP）TSP 超前地质预报系统用于预报隧道前方0 120 m 范围内及周围临近区域地质状况，预测掌子面前方围岩的类别; 主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括地层岩性界面、构造破碎带、富水带、岩溶发育带等不良地质体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。除了为短期预报提供指导意义外，还同时能够为施工单位制定一个相对长期的施工计划提供科学的依据。TSP( 隧道地震反射波超前地质预报) , 具有适用范围广、预报距离长、精确度高、探测时间短和对施工干扰小、提交资料快等优点。TSP203plus 采用地震波反射原理, 利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围临近区域的地质情况( 图1) 。地震波是由特定位置进行小型爆破所产生, 布局一般是24 个爆破点沿着隧道左壁或右壁平行隧道隧洞底板成直线排列, 炮孔深1. 5m, 间距1. 5m, 由人工制造一系列有规则排列的轻微震源, 形成地震震源断面。这些震源发出的地震波遇到隧道前方的地质界面( 即波阻抗界面, 如地层层面、节理面、断层破碎带、溶洞、暗河、淤泥带等) 时,部分信号反射回来形成反射波, 被预先埋设的信号采集装置接收放大。这些反射波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向均与相关界面的性质、位置和产状密切相关。经过相应软件的处理和人工解译, 就可得出岩体强度变化界面或不良地质体的性质、位置、规模、产状及岩石动力参数等数据。一.TSP203plus技术操作要点a.准备工作超前预报人员在充分查阅施工地区的工程地质资料, 仔细观测隧道的岩性、地质构造、岩体工程地质特征的基础上, 根据现场实际情况, 确定TSP 超前预报探测系统进行现场测试的位置( 隧道的左壁或右壁) 。b.布置震源炮孔在探测人员指定的隧道侧壁上, 布置24 个炮孔。炮孔垂直于隧道壁, 向下倾斜15%, 孔深1 5m, 孔径40 42mm, 孔间距1. 5m, 距离隧道底部1m( 所有孔口在一条平行于隧道轴的直线上) , 从掌子面与隧道壁的交点处开始布置1#孔, 依次后推, 直到第24# 孔。c.布置传感器钻孔25 号、26 号在与爆破孔同侧隧道壁, 同高的延长线上, 距离最外一个爆破孔( 第24 号孔) 15 20m 处, 布置传感器钻孔25 号。传感器钻孔垂直于隧道壁, 向下倾斜15%, 孔深2. 0m, 直径50mm。按照同样标准在另一侧壁同一里程和高程上打传感器孔26 号。25 号、26 号孔用直径50mm 钻头钻制( 图2) 。图2 TSP203 探测孔布置二. TSP203plus技术应用中出现的问题和对策无容置疑, TSP203plus 探测效果同样存在不尽理想的情况, 有时误差亦非常大。综合分析TSP203plus 探测失败的具体环境和施做条件, 总结分析出预报误差的主要原因有如下几点, 并有针对性地提出了改进策略, 这样将有效提高后续预报工作的准确率。1) 采集到的地震波信号数据质量不高。影响采集地震波信号数据质量主要在激发和接收两个环节: 如震源孔质量, 炸药量的多少, 电雷管出现延时, 闷孔封堵出现漏水或封堵质量差, 接收孔的套管与周围介质的耦合不好等现象, 这些都影响了地震波在岩层内部的穿透能力。应提高检测人员现场指导和操作能力, 针对围岩情况选择合适的炸药量、减少和降低周围干扰噪声、使用高质量的瞬发电雷管、提高激发震源炮孔的质量以及封堵质量等, 减少能量的损耗, 提高信噪比, 才能采集到高质量的信号数据。2) 传感器接收孔和激发震源孔方位参数量测不准确。应做到激发震源孔间距应大致相等, 有利于反射波时域同相轴的跟踪, 可提高数据分析质量;震源炮孔与传感器接收孔的孔口应在距离隧道底部1m 的一条平行于隧道轴的直线上, 并垂直于隧道壁向下倾角10%, 其误差不应过大, 便于用水充填震源炮孔或锚固密实传感器套管。3) T SP203plus 采用# 一点接收, 多点激发的方式, 因此在后期信号处理过程中分析参数选择不恰当, 造成预报结果出现误差。预报单位专业地质工程师要对现场隧道掌子面围岩情况进行详细了解、观察, 认真做好地质描述, 与预报结果进行综合比对分析, 选择最为合适的数据分析参数, 这样才能保证预报结果更符合现场实际情况。三. TSP203 作为超前地质预报中长期预报的重点, 具有以下优缺点:1) 探测距离长, 对掌子面干扰小, 同时可以节约工程投资;2) 通过对纵波速度的高低鉴别能够基本上识别岩体的完整性, 给深埋工程地质环境中岩爆预防可提供有价值的物理信息;3) TSP203 法探测一次成本较高, 占用施工时间较长;4) 深埋情况下难以根据岩体的物理参数(如纵波速度、杨氏模量等)判断出掌子面前方不良地质构造。超前钻孔法超前探孔是对TSP203 地质预报仪探测手段成果的确认和补充。由于超前钻孔能够最直接地揭示掌子面前方的地质特征, 所以准确率较高,也是超前地质预报一种必不可少的手段。目前,常采用的超前探孔是地质钻机或潜孔钻机超前探孔。地质钻机可取出芯样,便于对掌子面前方地质了解,潜孔钻机则根据钻机钻进的速度变化及孔中排出的岩粉来判断前方地质情况,虽然不如地质钻机直观明了,但投入成本相对较低。一般在掌子面钻13 个孔,在地质情况有变化的地方适当增加钻孔数量。一水平超前钻探法水平超前钻探法是一次钻探30 40 m 的更直观实用的中距离地质钻探方法。该法通过钻取岩芯和孔内岩屑、回水情况, 以及在钻孔过程中钻机速度、扭矩、推进力等相关参数, 进行分析对比, 判断探测距离内围岩性质、级别、煤层瓦斯、地下水等地质状况。和上述物探方法相比, 水平超前钻探法具有更直观、更准确的特点。水平超前钻探虽是一孔之见, 却能起到 管中窥豹!的作用。二 超短距离( 5 m) 钻探法超短距离( 5 m) 钻探法是在隧道掘进过程中, 每次打眼时采用5 m 钻杆在隧道拱部和底部各钻2 个探测孔, 而隧道每循环进尺控制在3 m 以内, 这就使工作面始终保持2 m 的安全距离。当钻孔出现不良地质征兆时, 可及时采取应对措施。这种探测方法简单易行, 避免了钻机的频繁移动, 不中断隧道的正常掘进, 在实际应用中取得了良好效果。以上介绍的是四种主要的超前地质预报的方法，但是在实际的应用中则需要的是综合的超前预报的技术。目前，常用的预报方法有：地面地质调查法、地质雷达、TSP 等。受各种条件的限制，不同的地质超前预报方法有各自的优缺点。地面地质调查法是长期超前地质预报方法。它是运用地下地表构造的相关性原理，对隧道周围的不良地情况进行宏观和较为粗略的预报，预报距离可以达到200 m 以上。它有可靠的理论基础，适用性强，成本低，但仅靠有限之“见”难以预报较大范围内的地质情况，特别是在地层岩性变化极为复杂(如强烈褶皱地层)的隧道中预报的难度很大。地质雷达是短期超前地质预报方法。它分辨高、无损伤、探测和数据处理快、机动灵活，但其预报距离较短，只能预报掌子面前方1030 m 以内。而且很难克服施工隧道内的干扰因素，影响探测成果的准确性，而较准确预报距离往往只有十几米。TSP 是长期超前地质预报方法之一。它利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方150 范围内的地质条件和岩石特性变化；同时，还可以提供杨氏模量、泊松比等岩石力学参数，也可预测围岩级别，从而更清晰地反映前方的地质状况，为信息化施工顺利进行奠定基础。现在TSP 已经被国内外广大技术人员和工程单位广泛采用。但它探测费用高；对隧道施工有细微干扰；受探测人员专业技术水平限制；存在多解性特点。在探测成果图中，断层、节理、软弱岩层界面，都以相近的异常带形式出现，差别甚小，在经验不足或解释水平不高的情况下很难区分。从以上 3 种方法及目前国内外情况可知，各种方法都有优缺点，但提高预报的准确性和及时性仍是国内外隧道工程地质界需要解决的技术难题。因此，有必要提出一种新的预报手段，提高预报精度，及时有效指导隧道施工，完善信息化施工技术。综合预报手段是以上述 3 种预报方法为基础，以系统科学理论为指导，配合科学的信息化管理技术，建立起来的预报手段。它联合以上2 种或3 种预报方法，根据其获得的信息，建立该隧道的工程信息数据库，利用反映介质相同或相似特性的不同方法之间的综合解释，最大限度地消除解释的非唯一性，推断以及分析前方的不良地质情况；同时它能够根据跟踪预报的结果及时的提供预测信息，从而为重大隧道工程提供理想的预报效果。五研学心得在这次的研学中，从一开始的什么都不懂到现在的对超前地质预报有了一定的了解。在这个过程中，真的是有苦有甜，真的是一段很美好的回忆。在这个过程中，让我懂了对于超前预报来说，不管是那种方法，如TSP 、TPR等，都有自己的有点和缺点。所以在实际的应用中，我们应该采用的是综合的超前地质预报方法，采取各个的所长，对于不同的地质条件，制定不同的方案，这样才能最大的发挥出超前地质预报系统的优势。同时，这次的研学给了我独自努力解决问题的信心和能力，让我懂得利用不同的资源去找到自己想要的答案，同时我也学会了更好的同人合作的方式方法，让我认识到了合作的重要性。总之，这次研学带给我的不仅只是知识上的丰富，还有精神上的成熟，让我不断的成长起来！六参考文献1.TSP 203P lus超前地质预报技术在贵广铁路客运专线长大隧道施工中的应用技术研究 张腾, 夏润禾( 1. 长安大学公路学院, 西安710064;2. 中交第二公路工程局有限公司, 2.隧道信息化施工中综合超前地质预报技术 曲海锋 ，刘志刚，朱合华 (1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 石家庄铁道学院 土木分院，河北 石家庄 050043；3. 同济大学岩土工程重点实验室，上海 200092)3. 基于风险评价的岩溶隧道综合超前地质预报技术研究 葛颜慧，李术才，张