隧道及地下工程的施工不良地质预报.ppt

1、隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患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的探查、预报新技术及集成系统将隐患变成明示将隐患变成明示将危险消灭在出现之前将危险消灭在出现之前不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者隧道（铁路、公路隧道，水利水电的输水隧洞）和地下工程（民隧道（铁路、公路隧道，水利水电的输水隧洞）和地下工程（民用、军工大型地下洞室、矿山坑道、采区）是高风险的工程，存在大用、军工大型地下洞室、矿山坑道、采区）是高风险的工程，存在大量地质和施工的未知数，特别是地质条件的未知数。埋深较大的隧道量地质和施工的未知数

2、，特别是地质条件的未知数。埋深较大的隧道（如埋深（如埋深200300m以上），设计前的地质勘查是不可能将隧道开以上），设计前的地质勘查是不可能将隧道开挖标高上的地质情况查清的。于是施工时坍方、溶洞、暗河、涌水、挖标高上的地质情况查清的。于是施工时坍方、溶洞、暗河、涌水、涌泥时有发生，造成人身、物资、财产、工期、造价等方面的重大损涌泥时有发生，造成人身、物资、财产、工期、造价等方面的重大损失。失。位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+249ZK38+249前后发生坍方，坍方落物前后发生坍方，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。为大块

3、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，坍深约一处坍方，坍深约3.5m 图中图中G为钢质拱架为钢质拱架W为地下水为地下水K为坍体中未填实的空洞为坍体中未填实的空洞隧道坍方至地面产生的塌陷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锦屏二级电站辅助洞涌水园梁山隧道突泥园梁山隧道突泥被被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车被被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿2#溶洞突水洞口溶洞突水洞口2#溶洞突水洞内溶洞突水洞内2#溶洞充填物溶洞充填物锦屏二级电站辅助洞锦屏二级电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水涌泥、涌水 埋深稍大的隧

4、道，地面地质勘查的难度大，尤其是埋深稍大的隧道，地面地质勘查的难度大，尤其是难难以探查到可能造成危害的较小的不良地质体以探查到可能造成危害的较小的不良地质体，也，也仅能大致仅能大致确定许多界面和不良地质体在隧道开挖时可能出现的位置确定许多界面和不良地质体在隧道开挖时可能出现的位置。因此，在施工过程中校准勘查资料，并对掌子面前方的各因此，在施工过程中校准勘查资料，并对掌子面前方的各种不良地质作探查并准确地定位十分必要。种不良地质作探查并准确地定位十分必要。隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质体，主隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质体，主要包括要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些强风化岩脉

5、、溶洞、断层、破碎带及破碎岩体、某些强风化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等溶管、涌水、涌泥等，由于施工和动态设计的需要，由于施工和动态设计的需要，对重对重要的岩体分界线和岩体的破碎或完好情况也要进一步查清。要的岩体分界线和岩体的破碎或完好情况也要进一步查清。近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达600km，还，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量的有大量的水工隧洞、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杂的

6、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。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，物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要做安全的要做安全的“守护神守护神”。历史：历史：上世纪上世纪70年代起，陆续有零星的试验工作年代起，陆续有零星的试验工作上世纪上世纪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，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，大秦铁路隧道年代中期，大秦铁路隧道“处处冒烟处处冒烟”告急，铁

7、道科学研究院告急，铁道科学研究院于于1986年在南岭隧道开始试验，年在南岭隧道开始试验，1987年再次提出系统研究用物探技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，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年年第第1次讨论性评审，次讨论性评审，1989年作为部列可行性研究项目，年作为部列可行性研究项目，1990年可行性年可行性研究通过部组织的评审，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隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列列为不重点科研项目。为不重点科研项目。19911991年年-19951995年铁道部组织了年铁道部组

8、织了1111个单位个单位、设了设了6 6个子课题，经过个子课题，经过5 5年的攻关，采取了近乎苛刻的管理方法年的攻关，采取了近乎苛刻的管理方法设定了两个阶段，每阶段设定了两个阶段，每阶段定了定了“评考评考”的工程的工程.经过经过3 3个阶段，个阶段，3 3次每次次每次3 3天的专家评审天的专家评审，最终选，最终选定地震反射负视速度法（后又称隧道定地震反射负视速度法（后又称隧道VSPVSP）和陆地声纳作为主要方法，）和陆地声纳作为主要方法，探地雷达等作为辅助方法。第探地雷达等作为辅助方法。第2 2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为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

9、预报，前者以断层预报为主，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。攻关成果一等奖。攻关成果19951995年通过铁道部鉴定年通过铁道部鉴定。90 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。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。9090年代中，瑞士年代中，瑞士AmbergAmberg公司推出公司推出TSPTSP，其原理与负视速度法相同，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。但采用一点接收，多

10、点放炮激震的方式。19961996年日本研究并推出年日本研究并推出HSPHSP，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。，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，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。未将水的探查预报作为主要研究内容。20002000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，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。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隧道施工

11、时掌子面前方不良地质预报地质预报”问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，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的情况下再次投入研究。钟世航开始研究推广用探地雷达探地雷达在应急的探在应急的探水手段，并将陆地声纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；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，年，李貅和钟世航开始研究用李貅和钟世航开始研究用瞬变电磁法瞬变电磁法作为主要的探作为主要的探水手段；水手段

12、；2005年赵年赵永贵引进和试验美国永贵引进和试验美国TRT法法国家有关部门也进一步重视有关研究工作：国家有关部门也进一步重视有关研究工作：2003年年-2005年年“隧道施工时掌子面前方不良地质预报瞬变电磁法研究隧道施工时掌子面前方不良地质预报瞬变电磁法研究”列为陕西省交通科研项目。列为陕西省交通科研项目。2005年年12月国家自然科学基金重点项目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高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理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课题开题。超前预报部分物探技术以重点研究开发发陆地声纳法陆地声纳法、瞬变电磁法瞬

13、变电磁法和和探地雷达探地雷达为主；为主；2007年年6月，国家高技术研究发展计划（月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础设施计划）的重大交通基础设施核心技术核心技术“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”完成招完成招标审查，课题物探部分为标审查，课题物探部分为陆地声纳法陆地声纳法、瞬变电磁法瞬变电磁法和和复合激发极化法；复合激发极化法；2007年年8月，国家月，国家自然科学基金装备专项的自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器和设备复合激发极化法仪器和设备研究研究”通过立项评审。通过立项评审。以下的介绍将围绕上述课题

14、的技术方法。以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。3种方法的集成种方法的集成目标目标不漏掉一个重大的地质隐患不漏掉一个重大的地质隐患集成的方法：集成的方法：1.陆地声纳法：陆地声纳法：120-150m已远的断层、破碎带、溶洞、已远的断层、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定位；判暗河的探查、预报并对他们的空间位置作较准确定位；判断较大出水；断较大出水；2.瞬变电磁法：瞬变电磁法：80m左右远含水体的探查预报；左右远含水体的探查预报；3.复合式激发极化法：约复合式激发极化法：约50m左右远，区分自由水和束缚左右远，区分自由水和束缚水，涌水量分级；水，涌水量分级；使用物探方法解

15、决岩土工程的难题，首先需要物探和要反映的地使用物探方法解决岩土工程的难题，首先需要物探和要反映的地质问题间的联系，也常遇到是否有未解决的地质学方面的问题需要去质问题间的联系，也常遇到是否有未解决的地质学方面的问题需要去突破。突破。例如大瑶山隧道发生了深部的岩溶水涌水，埋深例如大瑶山隧道发生了深部的岩溶水涌水，埋深2500m的锦屏二的锦屏二级电站隧洞也发生了深部的岩溶水涌水。许多长大隧道和电厂房都深级电站隧洞也发生了深部的岩溶水涌水。许多长大隧道和电厂房都深埋地下，岩溶水和裂隙水有无人们未注意的规律？物探的地质预报的埋地下，岩溶水和裂隙水有无人们未注意的规律？物探的地质预报的直接探查和间接探查应

16、遵循什么技术路线？直接探查和间接探查应遵循什么技术路线？下面举例说明有关研究工作。下面举例说明有关研究工作。锦屏二级电站隧洞岩溶裂隙水发育规律锦屏二级电站隧洞岩溶裂隙水发育规律1地质构造因素地质构造因素可能发生涌水的部位分析：可能发生涌水的部位分析：隧洞通过的断层及向斜、背斜核部断层及向斜、背斜核部；EW向向和NNE向结构面是工程区内地下水活动的重要通道；。2断裂性质及性质因素断裂性质及性质因素主要出水构造主要出水构造为NWW和NEE向的张扭性结构面，尤其在埋藏浅部和背斜核部。近EW向结构面相交处相交处及EW向结构面与层面相交部位3岩性因素岩性因素4岩溶发育因素岩溶发育因素可能发生涌水的前兆分

17、析：可能发生涌水的前兆分析：由弱可溶岩进入强可溶岩的边界部位时；导水构造多数集中发育在向斜一翼；当黑色岩体进入白色或花斑状岩体时；当隧洞由渗、滴水段进入线状渗水段时；风钻孔内出现浑水；当地温测值出现比前一点低时。深部岩溶裂隙发育规律的新认识深部岩溶裂隙发育规律的新认识1“在古溶蚀面标高以下岩溶将不发育在古溶蚀面标高以下岩溶将不发育”，这是人们的认识。但实践，这是人们的认识。但实践证明，证明，如果汇水标高低于工程标高，在工程施工范围就有可能发育岩如果汇水标高低于工程标高，在工程施工范围就有可能发育岩溶，溶，其规模的大小则与构造、岩性、新构造运动发育和河流切割有关。其规模的大小则与构造、岩性、新构

18、造运动发育和河流切割有关。在锦屏二级电站，会遇到直径在锦屏二级电站，会遇到直径1m左右的溶洞和溶管，会遇到一些左右的溶洞和溶管，会遇到一些小断层和裂隙溶蚀产生的涌水、突泥。小断层和裂隙溶蚀产生的涌水、突泥。下表是下表是2006年辅助洞段部分出水点的调查统计资料，可以看到稍年辅助洞段部分出水点的调查统计资料，可以看到稍大一点的出水大部都直接与溶蚀裂隙溶管有关。大一点的出水大部都直接与溶蚀裂隙溶管有关。AK13+878涌水的溶管照片涌水的溶管照片埋深埋深200m以上的锦屏二级电站辅助洞东段以上的锦屏二级电站辅助洞东段AK10+750等等处又出现了溶蚀的小断裂中充填的泥水突涌的现象。涌泥处又出现了溶

19、蚀的小断裂中充填的泥水突涌的现象。涌泥体的宽度达体的宽度达35m。2涌水段不仅受控于岩性、构造与地下水动力条件涌水段不仅受控于岩性、构造与地下水动力条件，而且与而且与岩石的成岩石的成分和构造有关。分和构造有关。即使岩性相同，即使岩性相同，成分较复杂，呈黑白相间条带状、斑成分较复杂，呈黑白相间条带状、斑状的大理岩状的大理岩是易产生是易产生岩溶裂隙水的段，岩溶裂隙水的段，成分较单一，纯色的大理岩则成分较单一，纯色的大理岩则裂隙水裂隙水不发育不发育易发生易发生岩爆。岩爆。3裂隙组中发育小溶洞、有一定宽度溶隙裂隙组中发育小溶洞、有一定宽度溶隙者是者是导引集中裂隙水，导引集中裂隙水，使这使这组裂隙组裂隙

20、发生较大涌水。发生较大涌水。陆地声纳法探查资料中反映，所探查到的陆地声纳法探查资料中反映，所探查到的多组多组裂隙中，存在小的溶洞（那怕直径裂隙中，存在小的溶洞（那怕直径3050cm）或溶隙那组或二、三）或溶隙那组或二、三组，是组，是大涌水大涌水的通道。的通道。这对探查预报岩溶裂隙大涌水指出了选用方法、直接探水和间接这对探查预报岩溶裂隙大涌水指出了选用方法、直接探水和间接探水相结合的方向和技术突破的技术路线。探水相结合的方向和技术突破的技术路线。锦屏二级电站出口段锦屏二级电站出口段AK12+900-990小溶洞、溶隙导水小溶洞、溶隙导水对物探预报手段的要求对物探预报手段的要求（1）综合物探要达到

21、的目标：）综合物探要达到的目标：应当基本应当基本不遗漏不遗漏掌子面前方及周边至少掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的隧道跨度范围内的重大隐患重大隐患，包括，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；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；预报的地质体空间预报的地质体空间定位要有足够的精度定位要有足够的精度，误差应，误差应5%；要能要能对涌水量作出定量或半定量的估算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。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别制定引排或超前

22、注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措施;要能要能预报岩体的破碎或完好情况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。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；的支援；要要适应适应TBM（全断面掘进机）（全断面掘进机）和钻爆法和钻爆法的施工，的施工，TBM长达几十米，机械占据长达几十米，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。了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。要要少占用开挖时间，少干扰施工少占用开挖时

23、间，少干扰施工。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路隧道月开挖可达隧道月开挖可达200250m，双车道公路隧道月开挖可达，双车道公路隧道月开挖可达100150m，过多地，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。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对每一种物探方法的要求要有特长要有特长，在综合物探系统中要，在综合物探系统中要能独挡一面能独挡一面，例如弹性波类方法主要，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要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，

24、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。能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。要探查要探查一定远的距离一定远的距离，与开挖速度相适应与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法应能。一般来讲，主力方法应能探查探查200m左右左右,预报预报100m以上以上;预报特定目标的方法，也应当探查预报特定目标的方法，也应当探查50m以远。以远。要能较要能较准确地作被探查地质体的空间定位准确地作被探查地质体的空间定位。现场采集时间短，现场采集时间短，停止掌子

25、面施工工作不超过停止掌子面施工工作不超过1小时，对边墙施工干小时，对边墙施工干扰不超过扰不超过2小时。小时。1弹性波反射系列方法预报方法分析弹性波反射系列方法预报方法分析目前，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（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）、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、续剖面）、水平声波法、TSP、日本、日本HSP、美国提出的、美国提出的TRT等，它们等，它们或在隧道边墙钻孔设检波器和用炸药爆炸激振或在隧道边墙钻孔设检波器和用炸药爆炸激

26、振,接收反射波来探查接收反射波来探查,或或在掌子面上用锤击激振并设检波器接收反射波在掌子面上用锤击激振并设检波器接收反射波(陆地声纳法陆地声纳法),在探查断在探查断层、破碎带、岩脉等方面，都基本上能作为可投入实用的方法应用。层、破碎带、岩脉等方面，都基本上能作为可投入实用的方法应用。陆地声纳法还可以探查单个的中小溶洞，在探查岩溶方面发挥了作用。陆地声纳法还可以探查单个的中小溶洞，在探查岩溶方面发挥了作用。它们都能作它们都能作100m或达或达150m以远的预报。各种反射法实测得的是反射以远的预报。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波的走时和反射波的时间曲线.为确定反射面的距离为确

27、定反射面的距离,需知道弹性波的需知道弹性波的波速波速V，然后按公式，然后按公式L=Vt/2计算距离。其中计算距离。其中L为反射点的距离为反射点的距离t为测得的反射波的走时为测得的反射波的走时但是当反射面不平行掌子面时，这些方法却仅能测出第一个反射面以但是当反射面不平行掌子面时，这些方法却仅能测出第一个反射面以近岩体的波速，尚测不出第近岩体的波速，尚测不出第2层、第层、第3层的岩体波速。目前均用实测的层的岩体波速。目前均用实测的第第1层波速作定量计算。层波速作定量计算。因此，当预报距离较远时，对反射面的定位因此，当预报距离较远时，对反射面的定位误差就较大。设法测量各层波速，是要研究攻克的课题。同

28、时，所测误差就较大。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，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。干扰越多，错误率越高。隧道隧道VSP、HSP等工作原理示意图等工作原理示意图 钻孔装药起爆采集 TSP预报全过程 一维的测量得不到反射面一维的测量得不到反射面3维的空间形态，这样定位维的空间形态，这样定位只能是概略的。这是这些方法的弱点。只能是概略的。这是这些方法的

29、弱点。弹性波法中选择和继续发展陆地声纳法，这是有我国完全自弹性波法中选择和继续发展陆地声纳法，这是有我国完全自主知识产权的技术和仪器、设备主知识产权的技术和仪器、设备 陆地声纳陆地声纳法工作原理示意图法工作原理示意图 陆地声纳法陆地声纳法是是“陆上极小偏移距陆上极小偏移距超宽带超宽带弹性波反射超短余震接收弹性波反射超短余震接收系统单点连续剖面法系统单点连续剖面法”的简称。是的简称。是地震反射地震反射法的变种，吸收了水声法、法的变种，吸收了水声法、探地雷达、超声波法的某些特点而形成了一个探地雷达、超声波法的某些特点而形成了一个杂交杂交的品种。的品种。不需打孔、不需打孔、不需放炮，安全简便不需放炮

30、，安全简便。1 1 在隧道在隧道掌子面掌子面上设测量剖面，剖面上每上设测量剖面，剖面上每30cm30cm左右设一测点左右设一测点，用，用锤击方式激发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，弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检波器用黄油与岩面耦合。不然后将各测点的时间曲线检波器用黄油与岩面耦合。不然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面拼成时间剖面，根据同相轴和频谱解释圈定根据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体，层、溶洞等不良地质体，为确定反射体的空间位置，为确定反射体的空间位置，通常布置水

31、平和通常布置水平和铅垂的两条测线铅垂的两条测线;2 2 用用锤锤激激震震源源以以及及检检波波器器和和仪仪器器结结合合，可可激激发发和和接接收收从从10Hz10Hz4000Hz4000Hz的的波波，然然后后可可通通过过分分窗窗口口带带通通滤滤波波提提取取不不同同频频段段的的反反射射波波，高高频频段段的的反反射射波波可可反反映映薄薄层层和和大大节节理理等等和和小小溶溶洞洞，低低频频段段的的反反射射波波可可反反映映较较大大的的断断层层、较较厚厚的的岩岩脉脉、岩岩层层和和大大溶溶洞洞，通通过过不不同同频频段段反反射射的的图图象对比，可以分辨不同的不良地质体；象对比，可以分辨不同的不良地质体；3 3 作

32、作为为极极小小震震-检检距距的的方方法法，反反射射波波是是续续至至波波，故故可可避避开开直直达达波波、声声波波、面面波波的的干干扰扰，而而且且不不仅仅可可探探查查断断层层等等近近似似平平面面型型的的物物体体，还还可可探探查查溶溶洞洞等等有有限限大大小小地地质质体体；由由于于全全信信息息的的采采集集，还还可可根根据据频频谱谱测测出出断断层影响破碎带层影响破碎带的范围。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，通常都不和密度相联系，探测距离较长。但反射类方法波的反射点，

33、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。位精度。定位精度的第定位精度的第1个关键参数是个关键参数是波速。波速。目前大部分弹性波反射类方法都是在隧道边墙利用折射波法测第一个第一个主反射面以近岩体的波速。当反射面不平行掌子面时,便得不到第2层、第3层岩体波速。一般来讲，只有测点在三维空间布置，才能实测并解出各层波速并对反射面的空间位置较正确定位。例如陆地声纳法,将边墙测波速的小折射波测

34、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：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、倾角铅垂向剖面可反映反射面的倾向、倾角复杂介质中传播规律复杂介质中传播规律正演数值模拟正演数值模拟模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图

35、像模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图像云台山隧道云台山隧道“关门断层关门断层”预探预探 第第一一次次探探查查在在DK86+520DK86+520掌掌子子面面上上进进行行，第第二二次次在在+524+524掌掌子子面面上上进进行行，各各设设水水平平及及铅铅垂垂向向测测线线一一条条，陆陆地地声声纳纳法法现现场场采采集集每每次次用用时时4040分分钟钟左左右右。预预报报在在掌掌子子面面前前方方40m40m内内未未见见主主干干断断层层及及破破碎碎带带，但但有有几几条条较较大大节节理理或或小小断断层层。隧隧道道掘掘进进时时在在大大节节理理或或小小

36、断断层层处处均均发发生生拱拱部部坍坍方方，变变更设计更设计降低了围岩级别。降低了围岩级别。第第三三、四四次次探探查查在在DK86+534DK86+534和和+551+551进进行行，在在掌掌子子面面上上分分别别设设了了长长4m4m的的水水平平测测线线和和长长2m2m的的铅铅垂垂向向测测线线各各一一条条，每每次次现现场场采采集集用用时时约约4040分分钟钟。这这次次预预报报给给出出了了主主干干断断层层在在隧隧道道中中出出露露的的里里程程和和产产状状、厚厚度度，并并查查出出了了宽宽约约20m20m的的断断层层影影响响破破碎碎带带的的出出露露位位置置。这这是是因因为为破破碎碎带带中中岩岩体体节节理理

37、密密度度明明显显加加大大，岩岩块块块块体体小小，对对高高频频波波散散射射严严重重所所致致，这这是是破破碎碎带带的典型特征之一。的典型特征之一。云台山隧道云台山隧道DK86+534掌子面陆地声纳法地质预报图掌子面陆地声纳法地质预报图 潭峪沟隧道潭峪沟隧道断层破碎带断层破碎带的掌子面前方预报的掌子面前方预报德胜口隧道德胜口隧道ZK34+113掌子面陆地声纳时间剖面掌子面陆地声纳时间剖面 所做的预报结果及开挖后断层实测情况所做的预报结果及开挖后断层实测情况2009年年2月月18日，德胜口隧道左洞日，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落石造成1死死3伤伤。此处为

38、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。锦屏二级电站锦屏二级电站2#引水洞引水洞K13+186预报及开挖后实测反馈预报及开挖后实测反馈为进一步解决各层波速测定及所测反射面计算成图问题，在测波速专为进一步解决各层波速测定及所测反射面计算成图问题，在测波速专利基础上，设计了通过掌子面上和边墙上陆地声纳测量的若干测点测利基础上，设计了通过掌子面上和边墙上陆地声纳测量的若干测点测的资料利用解析几何中空间点和平面关系的公式构建多元

39、非线性方程的资料利用解析几何中空间点和平面关系的公式构建多元非线性方程组，获得数学模型，解算出波速和反射面空间位置。经组，获得数学模型，解算出波速和反射面空间位置。经2届研究生论届研究生论文已在给定的已知数据情况下通过。文已在给定的已知数据情况下通过。陆地声纳法预报理论研究陆地声纳法预报理论研究波速唯一解建模波速唯一解建模下略下略陆地声纳法探查溶洞陆地声纳法探查溶洞 陆地声纳使用的宽高频带，对溶洞的反映很突出，陆地声纳使用的宽高频带，对溶洞的反映很突出，直径直径 m m 的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的优势频段为优势频段为1000Hz1000Hz

40、000Hz000Hz ，正是陆地声纳的最佳工，正是陆地声纳的最佳工作频段。作频段。南昆铁路羊寨基岩出露测区岩溶探查南昆铁路羊寨基岩出露测区岩溶探查（0-100m)高速公路路基下溶洞探查高速公路路基下溶洞探查沪蓉西十里排测线沪蓉西十里排测线6的陆地声纳时间剖面的陆地声纳时间剖面（圈定标注者为溶洞反射的双曲线图像）（圈定标注者为溶洞反射的双曲线图像）南昆铁路铝厂隧道出口端南昆铁路铝厂隧道出口端断层、溶洞断层、溶洞等不良地质预报等不良地质预报宜万铁路宜万铁路八字岭隧道八字岭隧道岩溶溶槽的岩溶溶槽的地质预报地质预报沪蓉西高速公路齐岳山隧道沪蓉西高速公路齐岳山隧道右右洞暗河洞暗河测线右边已测线右边已爆破

41、揭露了爆破揭露了 暗河，可观察到暗河，可观察到 沪蓉西高速公路齐岳山隧道沪蓉西高速公路齐岳山隧道左左洞暗河洞暗河预报暗河前壁预报暗河前壁误差误差2-3m溶洞位置吻合溶洞位置吻合齐岳山隧道进口右洞齐岳山隧道进口右洞ZK326+250前后右墙角爆破揭露的暗河一角前后右墙角爆破揭露的暗河一角反映暗河的频谱反映暗河的频谱反映暗河和溶洞时的频谱反映暗河和溶洞时的频谱大岭后隧道大岭后隧道85m以远宽以远宽30-50cm的小溶洞或溶蚀缝的探查预报的小溶洞或溶蚀缝的探查预报探查预报的探查预报的m以远宽以远宽30cm左右左右的小溶洞在掌子面上被揭露照片的小溶洞在掌子面上被揭露照片岩溶裂隙水的岩溶裂隙水的大涌水，

42、许多与中小溶洞、溶隙、溶管有关大涌水，许多与中小溶洞、溶隙、溶管有关，它们可以形成集水的，它们可以形成集水的小室，导引地下水经过它顺某组张性裂隙或形成溶管涌出，锦屏即为一例。因此小室，导引地下水经过它顺某组张性裂隙或形成溶管涌出，锦屏即为一例。因此探查中小溶洞、溶隙、溶管是预报涌水的重要内容之一。探查中小溶洞、溶隙、溶管是预报涌水的重要内容之一。锦屏二级电站辅助洞出口锦屏二级电站辅助洞出口A洞洞A13+585向进口方向探查向进口方向探查（A、B洞已开挖出水点位置已知）洞已开挖出水点位置已知）导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙的探查导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙的探查某某测测点点的的频频谱谱分分

43、析析曲曲线线（溶洞和溶隙最佳反射频率（溶洞和溶隙最佳反射频率10003000Hz)锦屏二级电站辅助洞锦屏二级电站辅助洞AK12+785已知条件下的实测实验已知条件下的实测实验实测点附近导水和涌水小溶洞、溶隙实测点附近导水和涌水小溶洞、溶隙LDS-1（2006年前产）年前产）LDS-3(2007年产年产)研究工作还在进展中。如同时采集纵、横波，现场试验已采集分研究工作还在进展中。如同时采集纵、横波，现场试验已采集分离了纵、横波，尚待进一步工作离了纵、横波，尚待进一步工作。瞬变电磁法探水的主要方法，目标前方瞬变电磁法探水的主要方法，目标前方m瞬变电磁法探查掌子面前方水层原理示意图瞬变电磁法探查掌子

44、面前方水层原理示意图瞬变电磁法是通过掌子面前的一个大线圈产生电磁波，含水层受此瞬变电磁法是通过掌子面前的一个大线圈产生电磁波，含水层受此电磁波感应产生感应涡流，感应涡流产生感应电磁场，在掌子面上的探电磁波感应产生感应涡流，感应涡流产生感应电磁场，在掌子面上的探头接收，在剖面图上呈现低电阻反映头接收，在剖面图上呈现低电阻反映。工作：隧道中维空间的正演及反演研究工作：隧道中维空间的正演及反演研究仪器及发射系统改进仪器及发射系统改进现场试验现场试验干扰因素的研究干扰因素的研究1理论研究理论研究1）等效导电平面成像方法研究）等效导电平面成像方法研究2）数值模拟计算数值模拟计算 3）适合隧道超前地质预报

45、的瞬变电磁工作方法技术研究）适合隧道超前地质预报的瞬变电磁工作方法技术研究 4）隧道影响校正方法）隧道影响校正方法 5）现场实测试验）现场实测试验1）等效导电平面成像方法研究）等效导电平面成像方法研究由于隧道内的全空间的环境不同于地面的半空间情况，因此隧道由于隧道内的全空间的环境不同于地面的半空间情况，因此隧道中的探测方法不能照搬地面方法，必须采用全空间条件下的理论和方中的探测方法不能照搬地面方法，必须采用全空间条件下的理论和方法。目前在瞬变电磁法中，等效导电平面法是建立在全空间理论基础法。目前在瞬变电磁法中，等效导电平面法是建立在全空间理论基础上的。另外，视纵向电导对低阻导电薄层反应灵敏，有

46、利于探测低阻上的。另外，视纵向电导对低阻导电薄层反应灵敏，有利于探测低阻充水断层。因此，本文将等效导电平面法引入到隧道的超前预报探测充水断层。因此，本文将等效导电平面法引入到隧道的超前预报探测中。中。等效导电平面解释法是根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分等效导电平面解释法是根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的一种近似解释方法，因此又称地层的一种近似解释方法，因此又称“视纵向电导解释法视纵向电导解释法”。由于该。由于该方法可以形象地理解为：随着方法可以形象地理解为：随着t的增减，等效导电平面以的增减，等效导电平面以1/0速度上速度上下下“浮动浮动”，故又称为，故又称为“浮动薄板解释法浮动

47、薄板解释法”。设在隧道掌子面上有圆形回线，其中通以阶跃电流，并在设在隧道掌子面上有圆形回线，其中通以阶跃电流，并在t=0时刻断开电源：时刻断开电源：则在则在t0时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由此涡时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。设设A为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，为一完全导电平面，面

48、电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，其中电流强度为。其中电流强度为。当电源断开时，由于电磁感应，导电板当电源断开时，由于电磁感应，导电板A上产生涡流，为求出涡流产生的电磁上产生涡流，为求出涡流产生的电磁场，在场，在A前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间任一点产生的电磁场即可。空间任一点产生的电磁场即可。根据电磁场理论，引入矢势根据电磁场理论，引入矢势，则导电板内任一点的电磁强度为，则导电板内任一点的电磁强度为则在则在t0时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表

49、任一点便可观测到由此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。设设A为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，其中电流强度为。线，其中电流强度为。当电源断开时，由于电磁感应，导电板当电源断开时，由于电磁感应，导电板A上产生涡流，为求出涡流产生的上产生涡流，为求出涡流产生的电磁场，在电磁场，在A前方处，置一虚源代替导电

50、平面板中的涡流，因此只需求出前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间任一点产生的电磁场即可。虚源在空间任一点产生的电磁场即可。得得在层状介质情况下，推出视纵向电导和视深度，其中为实测值，在层状介质情况下，推出视纵向电导和视深度，其中为实测值，为发射回线半径，为发射电流。，为发射回线半径，为发射电流。于是引入辅助函数于是引入辅助函数（1）又有又有可得可得 （2）值提取可由值提取可由(1)式和（式和（2）式构成的目标函数取极小求得最优解来）式构成的目标函数取极小求得最优解来获取。获取。综上所示，求取视纵向电导曲线的具体步骤为：综上所示，求取视纵向电导曲线的具体步骤为：(1)首