研究超前地質(zhì)預報隧道工程論文
1常用隧道預報方法的基本原理
1．1TSP隧道地震波探測超前地質(zhì)預報方法
隧道地震超前預報測量系統簡(jiǎn)稱(chēng)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(jìn)的一套先進(jìn)的地質(zhì)超前預報探測系統，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(diǎn)(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線(xiàn))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，當地震波遇到巖石物性界面(即波阻抗界面，例如斷層，巖石破碎帶，巖性突變等)時(shí)，一部分地震信號返回來(lái)，一部分地震信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射的地震信號被兩個(gè)三維高靈敏度的地震檢波器(一般左邊墻和右邊墻各一個(gè))接收。通過(guò)對接收信號的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)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、規模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數。
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(chǎng)。在一定深度范圍內，深度方向每增加1km，地熱場(chǎng)的溫度則相應的增加30℃，而與其垂直的水平方向，地熱場(chǎng)的`溫度變化卻非常小，由此得出結論，在一定深度下，開(kāi)挖隧道的巖體，可將其看做位于一恒定溫度場(chǎng)中，為一常溫場(chǎng)，溫度的變化幾乎為零。所以，當預計即將開(kāi)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(kāi)挖巖體存在一定的溫度差時(shí)，巖體中會(huì )產(chǎn)生相應的熱傳導和對流作用，那么溫度場(chǎng)即不再為恒溫場(chǎng)，故而會(huì )產(chǎn)生一定的溫度異常場(chǎng)，由于這種異常的存在，故掌子面上會(huì )存在著(zhù)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(jiǎn)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(guò)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(shí)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(xué)特性差異。預報時(shí)，在隧道的施工掌子面或邊墻處發(fā)射低頻聲波信號，同時(shí)，在隧道內其他地點(diǎn)接收反射波的信號，通過(guò)對探測到的反射波信號進(jìn)行時(shí)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學(xué)CT技術(shù)原理相同，在做預報時(shí)也有相應的物理前提，即物性差異不同的介質(zhì)，在其內部聲波的傳播速度也不同，通過(guò)這種預報方法，在密集對穿的測試方式下，可以通過(guò)聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同來(lái)計算模擬出物體內部不同物性的具體性質(zhì)，再通過(guò)現場(chǎng)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部的地質(zhì)體進(jìn)行三維圖像的直觀(guān)展示。
2常用隧道探測方法的特點(diǎn)
2．1TSP超前地質(zhì)預測預報法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):
1)該方法適用的范圍比較廣，適用于各類(lèi)地質(zhì)情況;
2)對掌子面前方的距離預報較長(cháng)，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(shí)短暫停止施工即可;4)用時(shí)短，每次的探測時(shí)間約為45min;
5)投入費用較少，單位長(cháng)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(shí)間即可完成成果報告。缺點(diǎn):
1)存在部分因斷層、大型節理帶與掌子面角度為鈍角時(shí)，活隧道因開(kāi)挖空腔擋住地震震源產(chǎn)生的地震波，使其無(wú)法穿透，不能經(jīng)過(guò)反射鏡面反射，使得待接收裝置無(wú)法接收，而導致局部斷層等不被識別。
2)TSP的成果質(zhì)量受到現場(chǎng)起爆點(diǎn)、接收點(diǎn)鉆孔的位置、長(cháng)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(jìn)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(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):預測速度快，占用施工時(shí)間較少;數據分析快，預測工作結束時(shí)，就可以得到初步結論。缺點(diǎn):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據。
3結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)前面的總結分析，我們從總體上了解了隧道工程超前地質(zhì)預報的發(fā)展概況以及現階段我國所常用的幾種超前探測方法，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì )越來(lái)越多地采用數值模擬計算方法來(lái)模擬隧道圍巖的變形。
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