【畢業(yè)學位論文】隧道地質災害超前探測方法研究-地球探測與信息技術博士論文

博士學位論文 隧道地質災害超前探測方法研究 作者姓名： 王齊仁 學科專業(yè)： 地球探測與信息技術 學院 （系、 所） ： 信息物理工程學院 指導教師： 何繼善 院士 中 南 大 學 2007 年 12 月 分類號 密級 博士學位論文 隧道地質災害超前探測方法研究 者姓名： 王齊仁 學科專業(yè)： 地球探測與信息技術 學院 （系、 所） ： 信息物理工程學院 指導教師： 何繼善 院士 論文答辯日期 答辯委員會主席 中 南 大 學 2007 年 12 月 博士學位論文 摘要 隧道屬于地下建筑工程， 施工中常遇到各種不良地質地段， 突泥、突水、瓦斯突出、巖爆等災害性地質現(xiàn)象（即隧道地質災害）時有發(fā)生。隨著我國隧道工程數量、規(guī)模不斷擴大，深、大、長隧道增加，施工過程中遇到的工程地質、水文地質條件越來越復雜，隧道地質災害超前探測的理論和實踐研究意義重大。 超前探測以介質物理性質及結構差異為基礎， 是地球物理探測方法在隧道、地下井巷、采場等工作面上的運用，通過觀測地下物理場的分布及其變化規(guī)律來研究工作面前方是否存在地質異常以及地質體賦存狀況及規(guī)模。 論文以隧道地震預報 (探地雷達（ 基本理論、技術方法為基礎，結合其在超前地質預報中的實踐應用開展研究。 闡明了隧道地質災害體的主要類型、成因、地質與構造特征及物理力學性質；基于層狀地質模型和隧道地震反射法的基本原理， 推導并研究了多層介質反射波時距曲線的特點；用 調諧厚度與調諧厚度差出發(fā)，討論了地震波對薄層結構的分辨能力，剖析了入射角和界面 “空間角”對反射系數的影響。在此基礎上，總結提出了資料分析解釋的基本準則，介紹了 結合工程實例討論了影響探測效果的主要因素；設計了一種“赤道組合檢波觀測系統(tǒng)”，闡述了其基本原理和實踐方法，為后續(xù)反演疊代提供了精確的初始速度參數。 以探地雷達法的基本原理為基礎，利用時域有限差分（ 論，把帶時間變量的 度方程轉化為差分格式，采用中心差近似代替 程組中的微分算符，得到二階精度的場值抽樣，以時間遞推的方式直接模擬電磁作用過程；運用梅 摘要 柱體介質及其組合進行多種模型的正演模擬；黔桂鐵路新線隧道的探測成果證明了這種模擬方法的合理性和正確性；在此基礎上，總結了各種不同巖層、巖溶雷達圖像的一般規(guī)律，討論了影響 測效果的主要因素和關鍵技術。 理論研究和實踐表明， 法主要反映巖石的力學性質，屬長距離地質預報，對層狀介質的探測效果較好，對小型溶洞探測效果不夠理想，對遠距離解譯的精度不夠高； 主要反映介質的電性和介電性質，具有較高的分辨能力，對洞穴、夾層和斷裂帶具有較高的識別能力，但探測距離有限。長期超前地質預報宜采用 法，對 測成果有懷疑的地段或巖溶較發(fā)育區(qū)段選用 法，結合地質構造特點進行綜合分析解釋，相互驗證補充，以提高超前預報的可靠程度。 關鍵詞 : 隧道地質災害， 超前探測， 組合檢波， 隧道地震預報 （ ，探地雷達 (,時域有限差分 (博士學位論文 摘要 to we as of in on is on of s is of in of we on in of on of of of of on an An On on of of of 士學位論文 摘要 of of PR in SP s so to is to is on to is of is a so of of is is be on be on is SP or is a we to to to of 士學位論文 目錄 第一章 緒 論 1 究意義 1 道地質災害超前預報研究進展 3 外研究及應用概況 3 內研究及應用現(xiàn)狀 5 前探測的難點及存在的主要問題 7 究思路 8 于探測方法 8 于正、反演理論和試驗研究 9 于觀測系統(tǒng) 10 要研究內容 10 第二章 隧道地質災害的地質地球物理特征 12 質災害體的地質及構造特征 12 起大塌方的工程地質條件 12 起突水災害的地質條件 13 殊巖性地層 14 球物理特征 14 度與波速 15 阻率 18 電常數 19 石的紅外輻射特性 21 道圍巖分類和工程巖體分級 22 類方法 22 級依據 23 章小結 26 第三章 隧道地震反射法基本理論與記錄合成 27 勻介質中的波動方程 27 力與應變 27 力與應變的關系 29 動方程 30 震反射法基本原理 33 33 34 距曲線方程 34 個平界面 34 博士學位論文 目錄 個平界面 36 距曲線特點 39 性縱波在界面上的反射和透射 40 函數 40 界條件 41 射系數和透射系數 41 直入射反射系數 43 震記錄的人工合成 45 震子波及二層介質模型地震記錄合成 45 層介質模型地震記錄合成 47 向分辨能力 48 射角及界面“空間角”對反射系數的影響 49 射角對反射系數的影響 49 間角”的影響 51 章小結 52 第四章 赤道組合檢波與資料處理解釋 53 前預報系統(tǒng) 53 統(tǒng)工作原理 53 統(tǒng)主要組成和技術性能 54 料處理流程 54 道組合檢波觀測系統(tǒng) 54 道組合檢波觀測系統(tǒng)設計 54 道組合檢波觀測系統(tǒng)的優(yōu)點 55 據處理 56 帶濾波與初至前歸零 56 達波的拾取 58 值估計 59 射波提取 59 分離與速率分析 60 度偏移和反射面提取 60 料解釋原則與工程實例 61 料解釋的一般原則 61 峰山隧道（ 61 61）超前探測成果分析 63 家?guī)r隧道（ 32 90）超前探測成果分析 65 良地質體的基本特征 67 要影響因素 69 發(fā)條件 69 博士學位論文 目錄 收傳感器的安放 71 器參數的選擇 71 測系統(tǒng)的布置 73 于 討論 73 應用條件 73 演計算的速度 74 探和地質綜合解譯 75 章小結 76 第五章 隧道地質災害超前預報雷達探測法 77 地雷達基本理論 77 達探測原理 77 磁波速度估計 78 石的介電常數與反射系數 80 域有限差分法雷達波正演 81 域有限差分法的基本原理 82 收邊界條件與梅 84 平層狀模型數值模擬 85 柱體模型數值模擬 86 雜模型數值模擬 90 達探測實例 92 程概況 92 洞類地質體雷達圖像特征 93 層破碎及夾層類地質體雷達圖像特征 95 隙類地質體雷達圖像特征 96 個異常體雷達圖像特征 97 合成果分析 97 章小結 100 第六章 結論與展望 101 文結論 101 作展望 102 參考文獻 103 致 謝 111 攻讀博士學位期間主要研究成果 112 博士學位論文 第一章 緒論 1第一章 緒 論 我國是多山而且地質條件十分復雜的國家，山 區(qū)及高原約占全國總面積的60%， 公路、 鐵路經常在崇山峻嶺中穿過， 隧道在道路工程中所占的比例相當大。例如，在湘黔、襄渝、京原鐵路上，隧道的長度占總線長度的百分之十幾；寶天鐵路差不多平均一公里一座隧道；成昆鐵路沿大渡河岸一段線路長 26隧道 13 座，總長達 21 80以上，被稱為 “地下鐵道 ”。隨著國家經濟的發(fā)展，交通土建工程不斷增加，在山嶺重丘地 區(qū)修建高等級公路，過去 “逢山盡量繞著走 ”的設計思路已被隧道所代替，既縮短了里程， 提高了行車安全性，又協(xié)調和保護了沿線的自然環(huán)境和人文景觀。 交通部和國家統(tǒng)計局公布的第二次公路普查顯示， 2000 年底，全國公路隧道達 1684 座、 延米，其中 30005 處， 3000m 和 1000m 之間的長隧道 135 處。 2001 年底，全國共有公路隧道 1782 處、 延米，其中特長隧道 18 處，長隧道 155 處。2002 年年底，全國公路隧道達 1972 處、 延米，其中特長隧道 21 處、 隧道 194 處、 延米，中隧道 657 處、 延米，短隧道1100 處、 延米。王夢恕院士說 “廿一世紀是隧道及地下空間大發(fā)展的年代 ”，不僅公路隧道的總里程繼續(xù)大幅度增長 ，而且單座隧道具有向里程長、埋深大發(fā)展的趨勢1 究意義 地質災害是指以地質營力為主要原因引起的、 造成人類生命財產損失或使人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境、資源發(fā)生嚴重破壞的現(xiàn)象或過程。其中地質營力包括內動力地質作用、外動力地質作用和人類地質作用三大類7。隧道屬于地下建筑工程，其圍巖地質情況復雜多變，常遇到滑坡、崩坍、巖堆、偏壓地層、巖洞、高應力、高強度地層、松散地層、軟土等不良地質地段，和膨脹地層、含水未固結圍巖、溶洞、斷層、巖爆、流沙以及瓦斯溢出地層等特殊地質地段，它們具有不同的性質、形狀和規(guī)模，且成因和變異條件非常復雜，地質條件具有突發(fā)性。如華鎣山公路隧道地質復雜，集溶洞、涌泥、突水、巖爆、高瓦斯和石油天然氣于一身。設計和勘察文件所提供的地質資料，不可能自始至終符合實際情況，其詳細程度也不能完全達到隧道施工的具體要求，因而常會出現(xiàn)博士學位論文 第一章 緒論 2突泥、突水、瓦斯突出、巖爆、冒頂與底鼓等災害性地質現(xiàn)象，即隧道地質災害。這些現(xiàn)象可能是由于巖層的物理和工程特性的變化所致，也可能因為開采、掘進等人類工程活動改變了地下巖體的自然平衡狀態(tài)，當應力超過巖體強度時就會產生變形、破壞。如果沒有可靠的超前地質預報，潛在的地質隱患就可能變成災難；施工中必將采取保守的安全支護，造成建設資金大量浪費、工期延長等不利影響。隧道施工中安全和工程事故時有發(fā)生，輕則延長工期、增加投資，重則毀壞機械設備，甚至造成人員傷亡，而且事故處理難度大。因地質災害使得隧道修建嚴重受挫的實例在國內外不乏其例，如靠椅山隧道于 1999 年 9月 6 日在 013 145+028 段，發(fā)生大“通天”塌方，使地表出現(xiàn)一個長7 51m、深 21m 的大坑，估計塌方量約為兩萬多立方，在隧道內形成長達 188m 的塌體。塌方向進口端推移了約 60 多米、向出口端推移了約 100 余米，其中約有 60 余米全被塌方體阻塞，隧道被迫停工8； 衡廣線上的大瑤山隧道中部兩公里處突發(fā)涌水涌砂，最大涌出量達 50000t/d，淹沒坑道，被迫停止施工；南嶺隧道，施工中在 +745 +920 出現(xiàn)突發(fā)性碎屑流，僅 1984 年 11 月 26 日 27日兩天就涌出流塑狀泥 7986塞導洞 177m，淹沒多臺大型機械設備；辛普倫隧道在 42m 大變形洞段的施工中耗費了 18 個月；艾那山 I 線 400m 大變形路段用了 36 個月才得以通過；阿爾卑斯山地區(qū)規(guī)劃中的深埋特長隧道所面臨的主要是高地溫問題，而水力資源豐富的印度喜馬拉雅地區(qū)規(guī)劃的大量特長水工隧道所面臨的主要是大變形和涌水問題9。隨著隧道工程數量、規(guī)模不斷擴大，深、大、長隧道增加，遇到的工程地質、水文地質條件越來越復雜，使得這一問題更加突出。因此，對隧道地質災害的超前探測和預報倍受各國巖土工程、地質工程和地球物理專家、技術人員的關注。 采用鉆探方法進行預報不僅成本高、效率低， 而且這種接觸式方法在鉆進過程中有可能誘發(fā)水害和瓦斯爆炸。超前探測是地球物理探測方法在隧道、地下井巷、采場等工作面上的運用，它以介質物理性質差異為基礎，通過觀測地下物理場的分布及其變化規(guī)律來研究工作面前方是否存在地質異常體等問題。其目的是： （1）超前探測地層巖性、軟弱層位置、巖體 完整程度、斷裂帶位置及寬度、破碎程度