【畢業(yè)學(xué)位論文】隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測(cè)方法研究-地球探測(cè)與信息技術(shù)博士論文

博士學(xué)位論文 隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測(cè)方法研究 作者姓名： 王齊仁 學(xué)科專業(yè)： 地球探測(cè)與信息技術(shù) 學(xué)院 （系、 所） ： 信息物理工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 何繼善 院士 中 南 大 學(xué) 2007 年 12 月 分類號(hào) 密級(jí) 博士學(xué)位論文 隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測(cè)方法研究 者姓名： 王齊仁 學(xué)科專業(yè)： 地球探測(cè)與信息技術(shù) 學(xué)院 （系、 所） ： 信息物理工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 何繼善 院士 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中 南 大 學(xué) 2007 年 12 月 博士學(xué)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(zhì)地段， 突泥、突水、瓦斯突出、巖爆等災(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象（即隧道地質(zhì)災(zāi)害）時(shí)有發(fā)生。隨著我國(guó)隧道工程數(shù)量、規(guī)模不斷擴(kuò)大，深、大、長(zhǎng)隧道增加，施工過(guò)程中遇到的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測(cè)的理論和實(shí)踐研究意義重大。 超前探測(cè)以介質(zhì)物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)差異為基礎(chǔ)， 是地球物理探測(cè)方法在隧道、地下井巷、采場(chǎng)等工作面上的運(yùn)用，通過(guò)觀測(cè)地下物理場(chǎng)的分布及其變化規(guī)律來(lái)研究工作面前方是否存在地質(zhì)異常以及地質(zhì)體賦存狀況及規(guī)模。 論文以隧道地震預(yù)報(bào) (探地雷達(dá)（ 基本理論、技術(shù)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合其在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的實(shí)踐應(yīng)用開展研究。 闡明了隧道地質(zhì)災(zāi)害體的主要類型、成因、地質(zhì)與構(gòu)造特征及物理力學(xué)性質(zhì)；基于層狀地質(zhì)模型和隧道地震反射法的基本原理， 推導(dǎo)并研究了多層介質(zhì)反射波時(shí)距曲線的特點(diǎn)；用 調(diào)諧厚度與調(diào)諧厚度差出發(fā)，討論了地震波對(duì)薄層結(jié)構(gòu)的分辨能力，剖析了入射角和界面 “空間角”對(duì)反射系數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了資料分析解釋的基本準(zhǔn)則，介紹了 結(jié)合工程實(shí)例討論了影響探測(cè)效果的主要因素；設(shè)計(jì)了一種“赤道組合檢波觀測(cè)系統(tǒng)”，闡述了其基本原理和實(shí)踐方法，為后續(xù)反演疊代提供了精確的初始速度參數(shù)。 以探地雷達(dá)法的基本原理為基礎(chǔ)，利用時(shí)域有限差分（ 論，把帶時(shí)間變量的 度方程轉(zhuǎn)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(chǎng)值抽樣，以時(shí)間遞推的方式直接模擬電磁作用過(guò)程；運(yùn)用梅 摘要 柱體介質(zhì)及其組合進(jìn)行多種模型的正演模擬；黔桂鐵路新線隧道的探測(cè)成果證明了這種模擬方法的合理性和正確性；在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了各種不同巖層、巖溶雷達(dá)圖像的一般規(guī)律，討論了影響 測(cè)效果的主要因素和關(guān)鍵技術(shù)。 理論研究和實(shí)踐表明， 法主要反映巖石的力學(xué)性質(zhì)，屬長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)層狀介質(zhì)的探測(cè)效果較好，對(duì)小型溶洞探測(cè)效果不夠理想，對(duì)遠(yuǎn)距離解譯的精度不夠高； 主要反映介質(zhì)的電性和介電性質(zhì)，具有較高的分辨能力，對(duì)洞穴、夾層和斷裂帶具有較高的識(shí)別能力，但探測(cè)距離有限。長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)宜采用 法，對(duì) 測(cè)成果有懷疑的地段或巖溶較發(fā)育區(qū)段選用 法，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析解釋，相互驗(yàn)證補(bǔ)充，以提高超前預(yù)報(bào)的可靠程度。 關(guān)鍵詞 : 隧道地質(zhì)災(zāi)害， 超前探測(cè)， 組合檢波， 隧道地震預(yù)報(bào) （ ，探地雷達(dá) (,時(shí)域有限差分 (博士學(xué)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(xué)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(xué)位論文 目錄 第一章 緒 論 1 究意義 1 道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)研究進(jìn)展 3 外研究及應(yīng)用概況 3 內(nèi)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 5 前探測(cè)的難點(diǎn)及存在的主要問(wèn)題 7 究思路 8 于探測(cè)方法 8 于正、反演理論和試驗(yàn)研究 9 于觀測(cè)系統(tǒng) 10 要研究?jī)?nèi)容 10 第二章 隧道地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)地球物理特征 12 質(zhì)災(zāi)害體的地質(zhì)及構(gòu)造特征 12 起大塌方的工程地質(zhì)條件 12 起突水災(zāi)害的地質(zhì)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(shù) 19 石的紅外輻射特性 21 道圍巖分類和工程巖體分級(jí) 22 類方法 22 級(jí)依據(jù) 23 章小結(jié) 26 第三章 隧道地震反射法基本理論與記錄合成 27 勻介質(zhì)中的波動(dòng)方程 27 力與應(yīng)變 27 力與應(yīng)變的關(guān)系 29 動(dòng)方程 30 震反射法基本原理 33 33 34 距曲線方程 34 個(gè)平界面 34 博士學(xué)位論文 目錄 個(gè)平界面 36 距曲線特點(diǎn) 39 性縱波在界面上的反射和透射 40 函數(shù) 40 界條件 41 射系數(shù)和透射系數(shù) 41 直入射反射系數(shù) 43 震記錄的人工合成 45 震子波及二層介質(zhì)模型地震記錄合成 45 層介質(zhì)模型地震記錄合成 47 向分辨能力 48 射角及界面“空間角”對(duì)反射系數(shù)的影響 49 射角對(duì)反射系數(shù)的影響 49 間角”的影響 51 章小結(jié) 52 第四章 赤道組合檢波與資料處理解釋 53 前預(yù)報(bào)系統(tǒng) 53 統(tǒng)工作原理 53 統(tǒng)主要組成和技術(shù)性能 54 料處理流程 54 道組合檢波觀測(cè)系統(tǒng) 54 道組合檢波觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 54 道組合檢波觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 55 據(jù)處理 56 帶濾波與初至前歸零 56 達(dá)波的拾取 58 值估計(jì) 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(shí)例 61 料解釋的一般原則 61 峰山隧道（ 61 61）超前探測(cè)成果分析 63 家?guī)r隧道（ 32 90）超前探測(cè)成果分析 65 良地質(zhì)體的基本特征 67 要影響因素 69 發(fā)條件 69 博士學(xué)位論文 目錄 收傳感器的安放 71 器參數(shù)的選擇 71 測(cè)系統(tǒng)的布置 73 于 討論 73 應(yīng)用條件 73 演計(jì)算的速度 74 探和地質(zhì)綜合解譯 75 章小結(jié) 76 第五章 隧道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)雷達(dá)探測(cè)法 77 地雷達(dá)基本理論 77 達(dá)探測(cè)原理 77 磁波速度估計(jì) 78 石的介電常數(shù)與反射系數(shù) 80 域有限差分法雷達(dá)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(shù)值模擬 85 柱體模型數(shù)值模擬 86 雜模型數(shù)值模擬 90 達(dá)探測(cè)實(shí)例 92 程概況 92 洞類地質(zhì)體雷達(dá)圖像特征 93 層破碎及夾層類地質(zhì)體雷達(dá)圖像特征 95 隙類地質(zhì)體雷達(dá)圖像特征 96 個(gè)異常體雷達(dá)圖像特征 97 合成果分析 97 章小結(jié) 100 第六章 結(jié)論與展望 101 文結(jié)論 101 作展望 102 參考文獻(xiàn) 103 致 謝 111 攻讀博士學(xué)位期間主要研究成果 112 博士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒 論 我國(guó)是多山而且地質(zhì)條件十分復(fù)雜的國(guó)家，山 區(qū)及高原約占全國(guó)總面積的60%， 公路、 鐵路經(jīng)常在崇山峻嶺中穿過(guò)， 隧道在道路工程中所占的比例相當(dāng)大。例如，在湘黔、襄渝、京原鐵路上，隧道的長(zhǎng)度占總線長(zhǎng)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(zhǎng) 26隧道 13 座，總長(zhǎng)達(dá) 21 80以上，被稱為 “地下鐵道 ”。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)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(jí)公路，過(guò)去 “逢山盡量繞著走 ”的設(shè)計(jì)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(diào)和保護(hù)了沿線的自然環(huán)境和人文景觀。 交通部和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的第二次公路普查顯示， 2000 年底，全國(guó)公路隧道達(dá) 1684 座、 延米，其中 30005 處， 3000m 和 1000m 之間的長(zhǎng)隧道 135 處。 2001 年底，全國(guó)共有公路隧道 1782 處、 延米，其中特長(zhǎng)隧道 18 處，長(zhǎng)隧道 155 處。2002 年年底，全國(guó)公路隧道達(dá) 1972 處、 延米，其中特長(zhǎng)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(mèng)恕院士說(shuō) “廿一世紀(jì)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(zhǎng) ，而且單座隧道具有向里程長(zhǎng)、埋深大發(fā)展的趨勢(shì)1 究意義 地質(zhì)災(zāi)害是指以地質(zhì)營(yíng)力為主要原因引起的、 造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失或使人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境、資源發(fā)生嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象或過(guò)程。其中地質(zhì)營(yíng)力包括內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用、外動(dòng)力地質(zhì)作用和人類地質(zhì)作用三大類7。隧道屬于地下建筑工程，其圍巖地質(zhì)情況復(fù)雜多變，常遇到滑坡、崩坍、巖堆、偏壓地層、巖洞、高應(yīng)力、高強(qiáng)度地層、松散地層、軟土等不良地質(zhì)地段，和膨脹地層、含水未固結(jié)圍巖、溶洞、斷層、巖爆、流沙以及瓦斯溢出地層等特殊地質(zhì)地段，它們具有不同的性質(zhì)、形狀和規(guī)模，且成因和變異條件非常復(fù)雜，地質(zhì)條件具有突發(fā)性。如華鎣山公路隧道地質(zhì)復(fù)雜，集溶洞、涌泥、突水、巖爆、高瓦斯和石油天然氣于一身。設(shè)計(jì)和勘察文件所提供的地質(zhì)資料，不可能自始至終符合實(shí)際情況，其詳細(xì)程度也不能完全達(dá)到隧道施工的具體要求，因而常會(huì)出現(xiàn)博士學(xué)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(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象，即隧道地質(zhì)災(zāi)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?yàn)殚_采、掘進(jìn)等人類工程活動(dòng)改變了地下巖體的自然平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生變形、破壞。如果沒(méi)有可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，潛在的地質(zhì)隱患就可能變成災(zāi)難；施工中必將采取保守的安全支護(hù)，造成建設(shè)資金大量浪費(fèi)、工期延長(zhǎng)等不利影響。隧道施工中安全和工程事故時(shí)有發(fā)生，輕則延長(zhǎng)工期、增加投資，重則毀壞機(jī)械設(shè)備，甚至造成人員傷亡，而且事故處理難度大。因地質(zhì)災(zāi)害使得隧道修建嚴(yán)重受挫的實(shí)例在國(guó)內(nèi)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(gè)長(zhǎng)7 51m、深 21m 的大坑，估計(jì)塌方量約為兩萬(wàn)多立方，在隧道內(nèi)形成長(zhǎng)達(dá) 188m 的塌體。塌方向進(jìn)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?jī)晒锾幫话l(fā)涌水涌砂，最大涌出量達(dá) 50000t/d，淹沒(méi)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(dǎo)洞 177m，淹沒(méi)多臺(tái)大型機(jī)械設(shè)備；辛普倫隧道在 42m 大變形洞段的施工中耗費(fèi)了 18 個(gè)月；艾那山 I 線 400m 大變形路段用了 36 個(gè)月才得以通過(guò)；阿爾卑斯山地區(qū)規(guī)劃中的深埋特長(zhǎng)隧道所面臨的主要是高地溫問(wèn)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(zhǎng)水工隧道所面臨的主要是大變形和涌水問(wèn)題9。隨著隧道工程數(shù)量、規(guī)模不斷擴(kuò)大，深、大、長(zhǎng)隧道增加，遇到的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，使得這一問(wèn)題更加突出。因此，對(duì)隧道地質(zhì)災(zāi)害的超前探測(cè)和預(yù)報(bào)倍受各國(guó)巖土工程、地質(zhì)工程和地球物理專家、技術(shù)人員的關(guān)注。 采用鉆探方法進(jìn)行預(yù)報(bào)不僅成本高、效率低， 而且這種接觸式方法在鉆進(jìn)過(guò)程中有可能誘發(fā)水害和瓦斯爆炸。超前探測(cè)是地球物理探測(cè)方法在隧道、地下井巷、采場(chǎng)等工作面上的運(yùn)用，它以介質(zhì)物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)地下物理場(chǎng)的分布及其變化規(guī)律來(lái)研究工作面前方是否存在地質(zhì)異常體等問(wèn)題。其目的是： （1）超前探測(cè)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