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将隐患变成明示将危险消灭在出现之前——隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患的探查、预报新技术及集成系统不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者钟世航中国铁道科学研究院山东大学北京水工资环新技术开发有限公司近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达1000km以上，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量的煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复杂的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出越来越高的要求。物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要做安全的“守护神”。隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质体，主要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些强风化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，还有岩爆等，作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。岩爆等或许明年会议涉及。位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+249前后发生坍方，坍方落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。一处坍方，坍深约3.5m图中G为钢质拱架W为地下水K为坍体中未填实的空洞隧道坍方至地面产生的塌陷洞锦屏二级电站辅助洞涌水园梁山隧道突泥被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿2#溶洞突水洞口2#溶洞突水洞内2#溶洞充填物锦屏二级电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水历史：上世纪70年代起，陆续有零星的试验工作上世纪80年代初，我国铁道科学研究院围绕大瑶山隧道提出科研课题未受重视，科研项目流产，大瑶山隧道突水淹没隧道和竖井，80年代中期，大秦铁路隧道“处处冒烟”告急，铁道科学研究院于1986年在南岭隧道开始试验，1987年再次提出系统研究用物探技术作隧道施工时掌子面前方不良地质预报的可行性研究报告，1988年第1次讨论性评审，1989年作为部列可行性研究项目，1990年可行性研究通过部组织的评审，“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列为不重点科研项目。1991年-1995年铁道部组织了11个单位、设了6个子课题，经过5年的攻关，采取了近乎苛刻的管理方法——设定了两个阶段，每阶段定了“评考”的工程.经过3个阶段，3次每次3天的专家评审，最终选定地震反射负视速度法（后又称隧道VSP）和陆地声纳作为主要方法，探地雷达等作为辅助方法。第2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分成两组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断层和溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻关成果1995年通过铁道部鉴定。90年代中，水利水电部门用探地雷达进行了掌子面前方地质预报。90年代中，瑞士Amberg公司推出TSP，其原理与负视速度法相同，但采用一点接收，多点放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一点或几个炮点激震多点接收的方式，强调物探概念和地质。当时由于技术能力、经费、工程问题和试验工程选择困难的原因，未将水的探查预报作为主要研究内容。2000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地质复杂，岩溶、突水突泥问题严重。“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，在浓厚的盲目宠洋的气氛中，以真正解决工程问题为目标在经费困难的情况下再次投入研究。钟世航开始研究推广用探地雷达在应急的探水手段，并将陆地声纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；2003年，李貅和钟世航开始研究用瞬变电磁法作为主要的探水手段；2005年赵永贵引进和试验美国TRT法……2005年12月国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”课题开题。超前预报部分物探技术以重点研究开发陆地声纳法、瞬变电磁法和探地雷达为主；2007年6月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备”完成招标审查，课题物探部分为陆地声纳法、瞬变电磁法和复合激发极化法；2007年8月，国家自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器和设备研究”通过立项评审。以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。对物探预报手段的要求（1）综合物探要达到的目标：应当基本不遗漏掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的重大隐患，包括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等；预报的地质体空间定位要有足够的精度，误差应＜5%；要能对涌水量作出定量或半定量的估算。因为施工需对于小、中、大涌水分别制定引排或超前注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措施;要能预报岩体的破碎或完好情况。若围岩情况将有突变，施工方要作好施工措施变更预案，设计方也要作设计的变更，地质预报应从资料方面给于必要的支援；要适应TBM（全断面掘进机）和钻爆法的施工，TBM长达几十米，机械占据了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。要少占用开挖时间，少干扰施工。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路隧道月开挖可达200~250m，双车道公路隧道月开挖可达100~150m，过多地占用开挖时间，过多地干扰施工，将会影响施工方与预报方的配合。对每一种物探方法的要求要有特长，在综合物探系统中要能独挡一面，例如弹性波类方法主要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和完整程度给于一定判定；电磁类方法主要探查含水层；激发极化类方法要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。要探查一定远的距离，与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法应能探查200m左右,预报100m以上;预报特定目标的方法，也应当探查50m以远。要能较准确地作被探查地质体的空间定位。现场采集时间短，停止掌子面施工工作不超过1小时，对边墙施工干扰不超过2小时。目前，弹性波反射系列的方法，已投入应用的如地震反射负视速度法（隧道VSP）、陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、日本HSP、美国提出的TRT等。它们都要在隧道中钻孔设检波器和用炸药爆炸激振。探地雷达也是目前使用较多的方法。。隧道VSP、HSP等工作原理示意图钻孔装药起爆采集TSP预报全过程但是隧道和地铁施工的进度和技术要求预报的精度要提高，要求探查溶洞、暗河，并要求对大涌水和涌泥要做出预报。各种反射法实测得的是反射波的走时和反射波的时间曲线.为确定反射面的距离,需知道弹性波的波速V，然后按公式L=V·t/2计算距离。其中L为反射点的距离t为测得的反射波的走时设法测量各层波速，是要研究攻克的课题。同时，所测的反射面是与弹性波射线垂直的面，而不是掌子面正前方的面，需要通过作图将所测面延伸到隧道掌子面前方。探测距离越远，误差越大，干扰越多，错误率越高。3种方法的集成目标——不漏掉一个重大的地质隐患集成的方法：1.陆地声纳法：120-150m以远的断层、破碎带、溶洞、暗河的探查、预报并对他们的空间位置作较准确的定位；判断较大出水点；2.瞬变电磁法：80m左右远含水体的探查预报；3.复合式激发极化法：约50m左右远，区分自由水和束缚水，涌水量分级；2012年国家科技进步二等奖陆地声纳法，这是有我国完全自主知识产权的技术和仪器、设备陆地声纳法工作示意图陆地声纳法是“陆上极小偏移距超宽带弹性波反射超短余震接收系统单点连续剖面法”的简称。是弹性波反射法的新方法，吸收了水声法、探地雷达、超声波法的某些特点并采用了许多其他学科的技术，而形成了一个新品种。不需打孔、不需放炮，安全简便。1在隧道掌子面上设测量剖面，剖面上每30cm左右设一测点，用锤击方式激发弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检波器用凡士林与岩面耦合。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面，根据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体，为确定反射体的空间位置，通常布置水平和铅垂的两条测线;2用锤激震源以及检波器和仪器结合，可激发和接收从10Hz～4000Hz的波，然后可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波，高频段的反射波可反映薄层和大节理等和小溶洞，低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞，通过不同频段反射的图象对比，可以分辨不同的不良地质体；3作为极小震-检距的方法，反射波是续至波，故可避开直达波、声波、面波的干扰，而且不仅可探查断层等近似平面型的物体，还可探查溶洞等有限大小地质体；由于全信息的采集，还可根据频谱测出断层影响破碎带的范围。弹性波类方法有较高的定位定量精度，波速可以和岩体完整程度和密度相联系，探测距离较长。但反射类方法波的反射点，通常都不在掌子面正前方，作时深转化后得到的是测点到反射面的距离，要作偏移，才能准确确定反射体的空间位置。目前的问题是，如何提高定位精度。陆地声纳法,将边墙测波速的小折射波测点改成几个零震-检距的测点，即可和掌子面上原布置的水平和铅垂向剖面上的测点结合,根据测得的反射时通过迭代求出各层波速，或通过3维建模计算解算出波速及各反射面空间参数。陆地声纳法在掌子面上布置水平和铅垂向测线各一条，作反射面的空间定位：水平向的剖面可反映反射面和水平测线的夹角，可计算其走向铅垂向剖面可反映反射面的倾向、倾角•陆地声纳法的上述的这些特点，带来以下优点：•（1）近零震一检距的方法，反射波是最后到达的波，用此可以避开直达波、声波、面波的干扰。•（2）入射波的反射角近于零，没有转换波，测得的反射波效率高。•（3）采用分窗口带通滤波技术提取不同频段的波，因此可避免测线附近人行、车行及其他机械的干扰，可以在闹市区作正常数据采集。（4）显示方式更便于利用反射波的相位和振幅特征。•（5）不必固着检波器，现场采集工作效率高。优点•①在浅层勘探的时候，可避开直达波、面波、折射波的干扰•1920年，弹性波反射方法出现时的理论基础是自激自收（左图），但为勘探石油，采用爆炸震源，而发展成一点激发，多点接收的方法（右图）。②更接近基本理论自激自收得到垂直反射面反射波，转换波能量最小，接收到的波最单纯，干扰小一点激发，多点接收采用叠前偏移、水平叠加等办法，使结果尽量接近自激自收效果优点传统的地震勘探使用的频率均低于250Hz,为提高分辨率，国内外均在努力扩展频率范围。本项目采用不同于传统检波器的思路，实现了超宽频带高灵敏度检波器，仪器主机则实现了采样率高，采样长度长的专用仪器。超宽频带高灵敏检波器，而且在有效工作频率内，均衡稳定的响应各频率的振动信号。检波器检波器特性曲线山东省电子产品监督检验所产品质量检测实测资料振幅谱本项目采用新的构思用锤击型震源激发高宽频实测激震频谱柠条塔矿地面探查超过175-200m深反射波频谱陆地声纳专用仪器从1991年至2010年经过了四代更新，2006年选用A770军用加固型笔记本计算机作为主工控机，接插名牌数据采集卡（工业级）加信号调理前置板组成，型号LDS-3、LDS-4。研制的系列仪器和专业设备均为轻巧的便携式，具有超强防尘、防水、抗震的性能，提高野外工作效率。二、主要科技创新第三代第四代复杂介质中传播规律——正演数值模拟模型数值模拟图像模型数值模拟图像模型数值模拟图像模型数值模拟图像模型数值模拟图像应用实例潭峪沟隧道断层破碎带的掌子面前方预报德胜口隧道ZK34+448掌子面陆地声纳时间剖面•隧道开挖出露的交叉裂隙和溶隙德胜口隧道ZK35+933掌子面陆地声纳时间剖面2009年2月18日，德胜口隧道左洞ZK34+710～+716，施工队未做初喷，在架设钢拱架时落石造成1死3伤。此处为交叉小断层处，2008年12月29日预报100米外的ZK34+713前后有交叉断层，并特别提醒+710前后应特别注意。工程处理讨论会上，业主方负责人强调，预报已特别指明了此处是危险位置，今后施工方应认真对待预报报告。德胜口隧道右洞2008年11月30日预报约160米外的YK34+797前后2条交叉的小断层是注意重点。施工队未按预报建议在此处特别加强初期支护，而安排5、6个工人架设钢拱架。由于作者正要做掌子面前方地质预报，要求拱架架设工作暂停，并为了预报人员的安全，把全断面施工钢台架推顶至掌子面。台