專(zhuān)利名稱：隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隧道施工領(lǐng)域的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。
技術(shù)背景鐵路、公路施工中常遇到埋深超過(guò)數(shù)百米，長(zhǎng)度達(dá)數(shù)公里或數(shù)十公里的隧 道，雖然在前期勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，都做過(guò)相應(yīng)的地質(zhì)勘察工作，對(duì)施工也有一 定的指導(dǎo)意義，但由于巖體的復(fù)雜性,使得勘察所獲得的資料與隧道開(kāi)挖后實(shí)際 揭露出來(lái)的情況可能會(huì)有較大的出入。隧道施工就帶有很大盲目性,施工中經(jīng)常 出現(xiàn)預(yù)料不到的塌方，冒頂，涌水等事故。這些事故一旦發(fā)生，輕則影響工期,增 加工程投資，重則砸毀機(jī)械設(shè)備，甚至造成人員傷亡,而且事故發(fā)生后的處理工作 難度較大，因而做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道工程建設(shè)過(guò)程中十分重要的一項(xiàng)工作。 超前預(yù)報(bào)采用的物探方法目前常有TSP (系列)、陸地聲納、表面雷達(dá)、瞬變 電磁、電法、紅外線、聲波CT等方法，這些方法常結(jié)合鉆探法、工程地質(zhì)分析等手段進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，并使用多種方法相互印證而得出預(yù)報(bào)成果。其運(yùn)用范圍 越來(lái)越廣泛、解釋水平也越來(lái)越高，工藝越來(lái)越成熟，但既便如此，這些方法 仍然無(wú)法解決地下深部及隧道掌子面深部的異常地質(zhì)情況的空間位置的高分辨 率探測(cè)和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種隧道施工中地下深部及隧道掌子面深部的異常 地質(zhì)情況的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)實(shí)施下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的采用以上所述的發(fā)明方法，根據(jù)在中、短期預(yù)報(bào)成果，借助于合理布置的 超前探孔的孔位，將雷達(dá)天線放入孔底，由雷達(dá)記錄出測(cè)試信息，測(cè)試范圍是以鉆孔中心15m為半徑范圍內(nèi)的地質(zhì)信號(hào)，并將鉆孔深度洞身范圍內(nèi)的信息全部 投影到平面上。根據(jù)雷達(dá)圖像并結(jié)合地質(zhì)分析判斷前方地質(zhì)異常情況。探孔數(shù) 量1 3個(gè)，具體孔數(shù)將依據(jù)測(cè)試信號(hào)首次分析預(yù)報(bào)成果，如果初步懷疑前方有 異常地質(zhì)情況存在，再作第二個(gè)超前探孔，如第二個(gè)探孔也懷疑存在不良地質(zhì) 情況，則再作第三個(gè)，最多三個(gè)探孔。探孔可設(shè)置一定外插角度，可依據(jù)三次 信號(hào)把異常地質(zhì)體的空間位置描述出來(lái)。本發(fā)明方法避免了超前探孔的一孔之 見(jiàn)，結(jié)合鉆孔雷達(dá)，能了解掌子面前方在鉆孔深度范圍，以鉆孔15m為半徑的 空間地質(zhì)構(gòu)造；能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方的空間地質(zhì)現(xiàn)象，給出地質(zhì)異常體的具 體位置，為施工制定可行的處理措施提供了可操作性的地質(zhì)資料，減少了災(zāi)害性事故的發(fā)生幾率，如突涌水(泥)，直接利用探孔再作鉆孔雷達(dá)測(cè)試，除探孔 施工占用較長(zhǎng)時(shí)間外，鉆孔雷達(dá)測(cè)試方便、用時(shí)比其它物探方法相對(duì)較少，對(duì) 減少塌方、快速施工起著極為重要的作用，為施工安全和按時(shí)完成工期提供了 可靠的保證。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例工藝流程圖。圖2探孔布置示意圖。圖3本發(fā)明實(shí)施例的探孔1的測(cè)試信號(hào)。圖4本發(fā)明實(shí)施例的探孔2的測(cè)試信號(hào)。圖5是本發(fā)明實(shí)施例三次采集的信號(hào)成果綜合分析預(yù)報(bào)成果。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖1所示為本發(fā)明的工藝流程圖步驟l、先根據(jù)中期預(yù)報(bào)結(jié)果初步分析判斷不良地質(zhì)體的大致位置，然后根 據(jù)中短期預(yù)報(bào)成果，判斷出掌子面前方存在的地質(zhì)異常信號(hào)；根據(jù)中、短期預(yù) 報(bào)成果現(xiàn)場(chǎng)確定超前探孔方案，確定具體位置與探孔深度；中期預(yù)報(bào)可采用TSP、陸地聲納方法，預(yù)報(bào)距離80 120m;短期預(yù)報(bào)可采 用瞬變電磁、電法、表面雷達(dá)方法，距離在20 50m。本發(fā)明實(shí)施例采用表面雷 達(dá)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。掌子面表面雷達(dá)測(cè)試容易受到外界的干擾，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)假異 常，當(dāng)在掌子表面雷達(dá)預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)前方存在異常后，根據(jù)掌子面表面雷達(dá)的測(cè)試 成果準(zhǔn)備第一次(單孔)鉆孔布孔方案。步驟2、通過(guò)初步預(yù)報(bào)分析判斷，合理布置超前鉆孔的具體孔位，目的是防 鉆孔直接打在地質(zhì)異常帶上引起的高壓突涌水、塌孔等影響測(cè)試。在掌子面的 前方鉆取水平超前探孔，探孔要選擇在稍微遠(yuǎn)離容易出水的構(gòu)造位置附近或在 掌子面中間的適當(dāng)位置，探孔高度位置可根據(jù)施工方便靈活選擇，探孔深度不 小于15m但也不宜超過(guò)50m， 50m深鉆孔孔徑不小于64mm， 30m深鉆孔孔徑不小于48咖；鉆超前探孔時(shí)，有可能會(huì)揭露出高壓地下水，為確保施工安全，在超前探 孔開(kāi)孔時(shí)先埋孔口管，當(dāng)有高壓地水揭露時(shí)，可作到有效控制。步驟3、將雷達(dá)天線綁在軟桿上緩慢放入探測(cè)孔中，防止損壞天線，軟桿可 以采用通過(guò)絲扣接長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)塑料桿。步驟4、使用SIR-20雷達(dá)采集信號(hào)。探測(cè)參數(shù)選擇如下報(bào)告天線中心頻率lOOMHz，時(shí)窗取決與最大探測(cè)深度及地層電磁波速 度，采樣率最少應(yīng)達(dá)到記錄的反射波中最高頻率的2倍，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距(應(yīng)遵循 Nyquist定律)與發(fā)射、接收天線間距最深目的體相對(duì)接收與發(fā)射天線的張角 為臨界角的2倍。步驟5、將采集的信號(hào)進(jìn)行處理和圖像判釋?zhuān)鶕?jù)探測(cè)信息，判斷洞身15 50m深度范圍內(nèi)有無(wú)含水巖溶管道和裂隙的異常地質(zhì)體；如果無(wú)，進(jìn)入步驟6;否則重復(fù)以上步驟2-5，在第一個(gè)探孔周?chē)鞯诙€(gè)水平探孔，放入天線， 孔內(nèi)雷達(dá)信號(hào)采集與處理、判釋?zhuān)蝗绻袛酂o(wú)異常不良地質(zhì)存在，進(jìn)入步驟6; 否則，重復(fù)以上步驟2-5，圍繞第一個(gè)探孔再作第三個(gè)水平探孔，放入天線，孔 內(nèi)雷達(dá)信號(hào)采集和處理、判釋?zhuān)蝗绻袛酂o(wú)異常不良地質(zhì)存在，進(jìn)入步驟6;在選擇探孔時(shí)，3個(gè)探孔位置選擇不能在同一直線上或靠得太近，在掌子面 上相互要構(gòu)成三角形，邊長(zhǎng)大于2m、最小角度不小于30°;同時(shí)探孔要選擇在稍 微遠(yuǎn)離出水構(gòu)造位置的附近，探孔高度位置可根據(jù)施工方便靈活選擇。鉆孔雷達(dá)天線是在360。全空間范圍內(nèi)發(fā)射電磁波，雷達(dá)測(cè)試的所有不良地 質(zhì)現(xiàn)象都投影到以通過(guò)鉆孔為軸線的剖面上，能夠判斷出它離掌子面的大致位 置，但不能判斷出它在隧道的具體那個(gè)空間位置，即在左、在右、在上、在下 均不能準(zhǔn)確判斷。因此，單孔鉆孔雷達(dá)預(yù)報(bào)不能夠精確地對(duì)異常的空間分布位 置進(jìn)行定位，只能得出地質(zhì)異常體與鉆孔的距離關(guān)系。如果要精確定位，必須 采用三個(gè)鉆孔對(duì)同一個(gè)異常進(jìn)行探測(cè)。將第三個(gè)孔預(yù)報(bào)的資料結(jié)合前兩次資料 進(jìn)行綜合分析，可以準(zhǔn)確地判斷出掌子面前方在以鉆孔深度范圍內(nèi)的洞身空間 是否存在不良地質(zhì)體以及準(zhǔn)確的空間位置。雷達(dá)在數(shù)據(jù)采集時(shí)的信號(hào)觸發(fā)方式一般有三種，即測(cè)量輪觸發(fā)、時(shí)間觸發(fā)和 鍵盤(pán)觸發(fā)，根據(jù)信號(hào)觸發(fā)方式的不同，天線的移動(dòng)也不同，測(cè)量輪觸發(fā)天線的 移動(dòng)可以時(shí)快時(shí)慢。時(shí)間觸發(fā)天線的移動(dòng)速度必須連續(xù)均勻；鍵盤(pán)觸發(fā)天線的 移動(dòng)可以時(shí)快時(shí)慢。但在觸發(fā)瞬間要求天線不能移動(dòng)。在用鉆孔雷達(dá)進(jìn)行預(yù)報(bào) 時(shí)， 一般采用時(shí)間觸發(fā)，天線的移動(dòng)速度連續(xù)均勻。數(shù)據(jù)的采用一般分連測(cè)和 點(diǎn)測(cè)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要采取不同的采集方式， 一般情況選擇連測(cè)。雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理包括增強(qiáng)有效信息，抑制隨機(jī)噪聲，壓制非目的體 的雜亂回波，提高圖像的信噪比和分辨率；鉆孔雷達(dá)層析成像數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下
(1) 對(duì)原始數(shù)據(jù)做濾波處理，去除隨機(jī)噪聲；
(2) 將掃描序列和鉆孔資料錄入微機(jī)，建立鉆孔、射線以及振幅(走時(shí))之間的 內(nèi)在聯(lián)系；
(3) 對(duì)射線進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，求得射線走時(shí)和振幅，并以人機(jī)對(duì)話方式 進(jìn)行錯(cuò)誤射線校正；
(4) 選定層析成像參數(shù)，采用共軛梯度法迭代求解各像元的衰減系數(shù)或慢度;
(5) 為避免像元邊界處所得物性參數(shù)突變，采用樣條插值法對(duì)各像元參數(shù)做 圓滑處理；
(6) 生成雷達(dá)層析圖像；
CO將慢度層析圖像轉(zhuǎn)化為速度層析圖像。
圖像判釋主要依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像(包括單孔反射剖面和雷達(dá)層析圖像)的正 演結(jié)果和已知的地質(zhì)、鉆探資料，對(duì)獲得的雷達(dá)資料進(jìn)行合理的地質(zhì)解釋。
步驟6、根據(jù)分析成果，采取針對(duì)的處理措施，如果沒(méi)有異常地質(zhì)體，進(jìn)行 下一步施工，如果有但不影響施工安全或預(yù)測(cè)突涌水較小時(shí)，可繼續(xù)下步開(kāi)挖； 當(dāng)存在大的構(gòu)造和突涌水構(gòu)造時(shí)，實(shí)施超前灌漿或其它的有效處理方案。
如圖2所示，為水平探孔布置示意圖，第一個(gè)孔選在掌子面中心孔上，第 二個(gè)孔選在第一個(gè)孔的一側(cè)，距第一個(gè)孔有2米，距掌子面邊距分別有1. 5米 和1. 7米，第三個(gè)孔和前面2個(gè)孔在掌子面上相互構(gòu)成三角形(梅花型布置)， 距第一個(gè)孔垂線距離有2米，以上3個(gè)水平超前探孔位置選擇不能靠得太近， 不在同一直線上，邊長(zhǎng)均大于2m，最小角度不小于30Q，確保在探測(cè)范圍內(nèi)儀 器分辨率相同、管道定位準(zhǔn)確。
如圖3、 4所示，為鉆孔雷達(dá)的孔l、孑L2反射雷達(dá)圖像，可以清楚的看到 富水裂隙。將第三個(gè)孔預(yù)報(bào)的資料結(jié)合前兩個(gè)孔的資料進(jìn)行綜合分析，得出預(yù) 報(bào)成果見(jiàn)圖5，可以準(zhǔn)確地判斷出掌子面前方存在不良地質(zhì)體以及準(zhǔn)確的空間位 置。
鉆孔雷達(dá)單孔反射雷達(dá)圖像上，溶洞和巖溶裂隙反應(yīng)清晰，說(shuō)明單孔雷達(dá) 反射法用于研究碳酸巖的巖石特性效果顯著，但在全方位天線的單孔反射雷達(dá) 圖像，點(diǎn)狀反射體和面狀反射體的空間方位不能確定。要確定這些反射體空間 方位可通過(guò)3個(gè)或以上鉆孔的單孔反射測(cè)量聯(lián)合求得，也可通過(guò)單孔方向性天線測(cè)量求得。
采用本發(fā)明方法，鉆孔雷達(dá)徑向探測(cè)距離大，可以發(fā)揮鉆孔的最大效益， 雷達(dá)層析成像技術(shù)可以探明地下深部的巖層破碎程度、裂隙和巖溶發(fā)育程度， 適用于地下深部的巖層特性研究。本發(fā)明方法探測(cè)范圍廣，對(duì)掌子面前方的空 間異常地質(zhì)現(xiàn)象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，對(duì)減少塌方、快速施工提供了可靠的保證。適用于 地下深部及隧道掌子面深部的高分辨率探測(cè)，在許多情況下是深部工程唯一可 行和有效的探測(cè)手段。
權(quán)利要求
1、一種隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，其特征在于采用如下步驟步驟1、先根據(jù)中期預(yù)報(bào)結(jié)果初步分析判斷不良地質(zhì)體的大致位置，然后根據(jù)中短期預(yù)報(bào)成果，較準(zhǔn)確地判斷出掌子面前方存在的地質(zhì)異常信號(hào)；根據(jù)中、短期預(yù)報(bào)成果現(xiàn)場(chǎng)確定超前探孔的具體位置與探孔深度；步驟2、在掌子面的前方水平鉆取超前探孔，探孔選擇在稍遠(yuǎn)離容易出水的構(gòu)造位置附近或在掌子面中間適當(dāng)位置，探孔高度位置可根據(jù)施工方便靈活選擇，探孔深度不小于15m但也不宜超過(guò)50m，50m深鉆孔孔徑不小于64mm，30m深鉆孔孔徑不小于48mm；步驟3、將雷達(dá)天線用軟桿綁扎緩慢放入探測(cè)孔中，使用雷達(dá)采集信號(hào)，將采集的信號(hào)成果進(jìn)行處理，然后進(jìn)行圖像判釋?zhuān)徊襟E4、根據(jù)探測(cè)信息，得出洞身15～50m深度范圍內(nèi)有無(wú)含水巖溶管道和裂隙的預(yù)報(bào)成果；如果無(wú)異常不良地質(zhì)存在，進(jìn)行下一步施工；如果認(rèn)為探孔周?chē)写蟮耐挥克畼?gòu)造時(shí)，重復(fù)步驟2、3，在第一個(gè)探孔周?chē)鞯诙€(gè)水平探孔和孔內(nèi)雷達(dá)信號(hào)采集和處理、判釋?zhuān)蝗绻麩o(wú)異常不良地質(zhì)存在，進(jìn)行下一步施工；當(dāng)認(rèn)為存在不良地質(zhì)現(xiàn)象，重復(fù)步驟2、3，圍繞第一個(gè)探孔再作第三個(gè)水平探孔以及孔內(nèi)雷達(dá)信號(hào)采集和處理、判釋?zhuān)痪C合分析所獲得的雷達(dá)信號(hào)資料，判斷掌子面前方在以鉆孔中心15米半徑范圍內(nèi)的洞身空間是否存在不良地質(zhì)體以及不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確空間位置；3個(gè)水平探孔位置不能在同一直線上或靠得太近，在掌子面上相互要構(gòu)成三角形，邊長(zhǎng)大于2m、最小角度不小于30°。
2、 如權(quán)利要求1所述的隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，其特征在于，步驟3、 4所述的雷達(dá)信號(hào)采集和處理、判釋采用如下方法雷達(dá)在信號(hào)采集時(shí)，天線移動(dòng)方式和雷達(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)的信號(hào)觸發(fā)方式相對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)處理包括增強(qiáng)有效信息，抑制隨機(jī)噪聲，壓制非目的體的雜亂回波，提 高圖像的信噪比和分辨率；鉆孔雷達(dá)層析成像數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下(1) 對(duì)原始數(shù)據(jù)做濾波處理，去除隨機(jī)噪聲；(2) 將掃描序列和鉆孔資料錄入微機(jī)，建立鉆孔、射線以及振幅(走時(shí))間的內(nèi) 在聯(lián)系；(3) 對(duì)射線進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，求得射線走時(shí)和振幅，并以人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行錯(cuò)誤射線校正；(4) 選定層析成像參數(shù)，采用共軛梯度法迭代求解各像元的衰減系數(shù)或慢度;(5) 為避免像元邊界處所得物性參數(shù)突變，還須采用樣條插值法對(duì)各像元參 數(shù)做圓滑處理；(6) 生成雷達(dá)層析圖像；(7) 將慢度層析圖像轉(zhuǎn)化為速度層析圖像；圖像判釋主要依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演結(jié)果和己知的地質(zhì)、鉆探資料，對(duì)獲 得的雷達(dá)資料進(jìn)行合理的地質(zhì)解釋。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所 述步驟2超前探孔開(kāi)孔時(shí)先埋孔口管。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所 述步驟1中期預(yù)報(bào)可采用TSP、陸地聲納方法，預(yù)報(bào)距離80 120m;短期預(yù)報(bào) 可采用瞬變電磁、電法、表面雷達(dá)方法，距離在20 50m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隧道施工領(lǐng)域的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，首先根據(jù)中短期預(yù)報(bào)確定探孔方案，鉆孔后放入雷達(dá)天線，采集雷達(dá)信號(hào)，確定是否存在異常地質(zhì)體，如果確定無(wú)，繼續(xù)進(jìn)行施工，如果確定有，再次鉆孔，放入雷達(dá)天線進(jìn)行信號(hào)采集，確定是否存在異常地質(zhì)體，如果確定無(wú)，繼續(xù)進(jìn)行施工，如果確定有，再次鉆孔，放入雷達(dá)天線進(jìn)行信號(hào)采集。依據(jù)三次信號(hào)把異常地質(zhì)體的空間位置描述出來(lái)，為下一步的處理提供了可操作性的地質(zhì)資料。本發(fā)明方法探測(cè)范圍廣，對(duì)掌子面前方的空間異常地質(zhì)現(xiàn)象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，對(duì)減少塌方、快速施工提供了可靠的保證，適用于地下深部及隧道掌子面深部的高分辨率探測(cè)，在許多情況下是深部工程唯一可行和有效的探測(cè)手段。
文檔編號(hào)G01V3/12GK101251605SQ200810044238
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者勇 葉, 廖建東, 偉 張, 志 張, 楊家松, 楊振中, 樓加丁, 譚天元, 強(qiáng) 邱 申請(qǐng)人:中鐵二局股份有限公司