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日评语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。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’sgeologicalforecastLeiYin(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074)Abstract：Integratedgeologicalforecasttechnicalsystemisnotonlyinvolvesvariouskindsofinstruments’detections，butalsoincludesmanyengineeringgeologicalforecastingtools，andformsacompletetechnicalsystem．Thistechnicalsystemiscomposedoffourparts，calledfourtechnicalsteps，include：thegeologicalanalysisandmacroscopicforecastforlocationoftunnel，thepredictionofthetunnelsharmfulgeologicunit,theadvancedrillingandnearwarningoftheconstrualgeologiccalamity．Theaccurateapplicationofthistechnicalsystem,combinedwithFuzzyneuralnetworkintegratedforecastmethodcangreatlyincreasethelevelsofthetunnel’sgeologicalforecast.ThispaperchoosesLiuJingyuRiverTunneltobetheexampleofengineeringusageofeologicalforecast.Keywords：tunnel;thegeologicalforecast;technicalsystem;fuzzyneuralnetwork;LiujingyuRiverTunnel1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