超前地質(zhì)預報隧道工程論文
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1常用隧道預報方法的基本原理
隧道地震超前預報測量系統(tǒng)簡稱TSP(TunnelSeismicPredic-tion)，是我國20世紀90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測量技術(shù)公司引進的一套先進的地質(zhì)超前預報探測系統(tǒng)，也是我國目前應用較為廣泛的一種。TSP和其他的反射地震波方法一樣，采用了回聲測量原理:地震波在指定的震源點(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，產(chǎn)生的地震波在巖石中以面波的形式向前傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗界面，例如斷層，巖石破碎帶，巖性突變等)時，一部分地震信號返回來，一部分地震信號透射進入前方介質(zhì)，反射的地震信號被兩個三維高靈敏度的地震檢波器(一般左邊墻和右邊墻各一個)接收。通過對接收信號的運動學和動力學特征進行分析，便可推斷空洞斷層，巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學參數(shù)。
1．2紅外探水超前地質(zhì)預報方法
對地球表層巖體的溫度起到主導作用的是地球地熱場。在一定深度范圍內(nèi)，深度方向每增加1km，地熱場的溫度則相應的增加30℃，而與其垂直的水平方向，地熱場的溫度變化卻非常小，由此得出結(jié)論，在一定深度下，開挖隧道的巖體，可將其看做位于一恒定溫度場中，為一常溫場，溫度的變化幾乎為零。所以，當預計即將開挖的掌子面后方存在含有水的巖層，如溶洞、裂隙水等，且該含水巖層與開挖巖體存在一定的溫度差時，巖體中會產(chǎn)生相應的熱傳導和對流作用，那么溫度場即不再為恒溫場，故而會產(chǎn)生一定的溫度異常場，由于這種異常的存在，故掌子面上會存在著溫度的差異，所以利用紅外輻射測溫法測定這種溫度變化差異，就可預報掌子面前方的含水層情況。這種方法就是紅外探水超前地質(zhì)預報方法。
1．3其他幾種超前預報方法
超前預報法除了上述介紹的幾種之外，還包括HSP水平聲波刨面法、聲波CT技術(shù)等幾種方法，相對而言，這幾種方法運用較少。以下簡要的介紹這幾種方法的原理:
1)HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預報方法。由于波的傳播過程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費馬原理，故該方法的原理是建立在彈性波理論的基礎之上。HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預報方法有其局限性，探測時的前提條件是巖溶洞穴及充填物與周邊地質(zhì)體間存在較明顯的聲學特性差異。預報時，在隧道的施工掌子面或邊墻處發(fā)射低頻聲波信號，同時，在隧道內(nèi)其他地點接收反射波的信號，通過對探測到的反射波信號進行時域、頻域等方法的分析，就可以了解掌子面前方巖體的變化情況。
2)聲波CT超前地質(zhì)預報方法。聲波CT超前地質(zhì)預報方法的基本原理與醫(yī)學CT技術(shù)原理相同，在做預報時也有相應的物理前提，即物性差異不同的介質(zhì)，在其內(nèi)部聲波的傳播速度也不同，通過這種預報方法，在密集對穿的測試方式下，可以通過聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同來計算模擬出物體內(nèi)部不同物性的具體性質(zhì)，再通過現(xiàn)場收集到的地質(zhì)資料的分析，從而達到對預報的掌子面前方的巖體內(nèi)部的地質(zhì)體進行三維圖像的直觀展示。
2常用隧道探測方法的特點
2．1TSP超前地質(zhì)預測預報法的特點優(yōu)點:
1)該方法適用的范圍比較廣，適用于各類地質(zhì)情況;
2)對掌子面前方的距離預報較長，能預報掌子面前方達500m深度;
3)不影響隧道施工，只是在接收信號時短暫停止施工即可;4)用時短，每次的探測時間約為45min;
5)投入費用較少，單位長度隧道的超前地質(zhì)預報費用非常低;
6)成果報告快，僅需要一天時間即可完成成果報告。缺點:
1)存在部分因斷層、大型節(jié)理帶與掌子面角度為鈍角時，活隧道因開挖空腔擋住地震震源產(chǎn)生的地震波，使其無法穿透，不能經(jīng)過反射鏡面反射，使得待接收裝置無法接收，而導致局部斷層等不被識別。
2)TSP的成果質(zhì)量受到現(xiàn)場起爆點、接收點鉆孔的位置、長度以及角度等的影響非常嚴重。
3)因為所使用的設備均為進口設備，所以成本較高，在普通隧道施工中應用較少。
2．2紅外探水超前地質(zhì)預報法的特點
優(yōu)點:預測速度快，占用施工時間較少;數(shù)據(jù)分析快，預測工作結(jié)束時，就可以得到初步結(jié)論。缺點:僅僅可以預測出含水巖體的大致方位，不能給出含水巖體的具體位置及所含水量及水壓等詳細數(shù)據(jù)。
3結(jié)語
經(jīng)過前面的總結(jié)分析，我們從總體上了解了隧道工程超前地質(zhì)預報的發(fā)展概況以及現(xiàn)階段我國所常用的幾種超前探測方法，并對其優(yōu)缺點進行了簡要的分析。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，將會越來越多地采用數(shù)值模擬計算方法來模擬隧道圍巖的變形。
作者：朱飛 劉國正 彭紅明 單位：青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局