隧道及地下工程的施工不良地質(zhì)預(yù)報講義

1、隧道及地下工程的施工中地質(zhì)災(zāi)害隱患 的探查、預(yù)報新技術(shù)及集成系統(tǒng)將隱患變成明示 將危險消滅在出現(xiàn)之前 不僅要做搶險救險的英雄，更要做警示、避險的保障者 鐘世航 隧道（鐵路、公路隧道，水利水電的輸水隧洞）和地下工程（民用、軍工大型地下洞室、礦山坑道、采區(qū)）是高風(fēng)險的工程，存在大量地質(zhì)和施工的未知數(shù)，特別是地質(zhì)條件的未知數(shù)。埋深較大的隧道（如埋深200300m 以上），設(shè)計前的地質(zhì)勘查是不可能將隧道開挖標(biāo)高上的地質(zhì)情況查清的。于是施工時坍方、溶洞、暗河、涌水、涌泥時有發(fā)生，造成人身、物資、財產(chǎn)、工期、造價等方面的重大損失。位于巫奉高速公路的桃樹埡隧道，在ZK38+249前后發(fā)生坍方，坍方落物為大塊

2、的巖石。經(jīng)調(diào)查和分析，這是原來未發(fā)現(xiàn)的斷層造成的。一處坍方，坍深約3.5m 圖中G為鋼質(zhì)拱架 W為地下水 K為坍體中未填實的空洞隧道坍方至地面產(chǎn)生的塌陷洞錦屏二級電站輔助洞涌水園梁山隧道突泥被3#溶洞爆噴突泥所掩埋的電瓶車被3#溶洞爆噴突泥所掩埋的梭礦2#溶洞突水洞口2#溶洞突水洞內(nèi)2#溶洞充填物錦屏二級電站輔助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水 埋深稍大的隧道，地面地質(zhì)勘查的難度大，尤其是難以探查到可能造成危害的較小的不良地質(zhì)體，也僅能大致確定許多界面和不良地質(zhì)體在隧道開挖時可能出現(xiàn)的位置。因此，在施工過程中校準(zhǔn)勘查資料，并對掌子面前方的各種不良地質(zhì)作探查并準(zhǔn)確地定位十分必要。 隧道施

3、工中遇到可能造成地質(zhì)災(zāi)害的不良地質(zhì)體，主要包括斷層、破碎帶及破碎巖體、某些強風(fēng)化巖脈、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，由于施工和動態(tài)設(shè)計的需要，對重要的巖體分界線和巖體的破碎或完好情況也要進一步查清。 近幾年，每年完成的以鐵路、公路隧道達600km，還有大量的水工隧洞、地鐵、大型地下工程，還有更大量的煤礦、固體礦產(chǎn)的巷道和采區(qū)，許多工程都在地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)，目前的安全形勢嚴(yán)峻。對隧道施工地質(zhì)預(yù)報提出越來越高的要求。 物探工作者和地質(zhì)工作者義不容辭地要迎著困難上，要做安全的“守護神”。 歷史： 上世紀(jì)70年代起，陸續(xù)有零星的試驗工作 上世紀(jì)80年代初，我國鐵道科學(xué)研究院圍繞大瑤山隧道提出科研課題未受

4、重視，科研項目流產(chǎn)，大瑤山隧道突水淹沒隧道和豎井， 80年代中期，大秦鐵路隧道“處處冒煙”告急，鐵道科學(xué)研究院于1986年在南嶺隧道開始試驗，1987年再次提出系統(tǒng)研究用物探技術(shù)作隧道施工時掌子面前方不良地質(zhì)預(yù)報的可行性研究報告，1988年第1次討論性評審，1989年作為部列可行性研究項目，1990年可行性研究通過部組織的評審，“隧道施工時掌子面前方不良地質(zhì)預(yù)報”列為不重點科研項目。 1991年-1995年鐵道部組織了11個單位、設(shè)了6個子課題，經(jīng)過5年的攻關(guān)，采取了近乎苛刻的管理方法設(shè)定了兩個階段，每階段定了“評考”的工程.經(jīng)過3個階段，3次每次3天的專家評審，最終選定地震反射負視速度法（后

5、又稱隧道VSP）和陸地聲納作為主要方法，探地雷達等作為輔助方法。第2階段由負視速度法和陸地聲納法各為龍頭，分成兩組。對南昆鐵路隧道作實測預(yù)報，前者以斷層預(yù)報為主，后者以斷層和溶洞預(yù)報為主，均取得了全部預(yù)報成功，項目獲南昆線一等獎。攻關(guān)成果1995年通過鐵道部鑒定。 90年代中，水利水電部門用探地雷達進行了掌子面前方地質(zhì)預(yù)報。 90年代中，瑞士Amberg公司推出TSP，其原理與負視速度法相同，但采用一點接收，多點放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一點或幾個炮點激震多點接收的方式，強調(diào)物探概念和地質(zhì)。 當(dāng)時由于技術(shù)能力、經(jīng)費、工程問題和試驗工程選擇困難的原因，未將水的探查預(yù)報作為主

6、要研究內(nèi)容。 2000年后交通、能源基本建設(shè)大量投資，大量工程建在中、西部，地質(zhì)復(fù)雜，巖溶、突水突泥問題嚴(yán)重?！八淼朗┕r掌子面前方不良地質(zhì)預(yù)報”問題再次引起關(guān)注。我國一些有前瞻能力的物探工作者，在濃厚的盲目寵洋的氣氛中，以真正解決工程問題為目標(biāo)在經(jīng)費困難的情況下再次投入研究。鐘世航開始研究推廣用探地雷達在應(yīng)急的探水手段，并將陸地聲納的方法和儀器研究、發(fā)展上一個臺階；2003年，李貅和鐘世航開始研究用瞬變電磁法作為主要的探水手段；2005年趙永貴引進和試驗美國TRT法 國家有關(guān)部門也進一步重視有關(guān)研究工作： 2003年-2005年“隧道施工時掌子面前方不良地質(zhì)預(yù)報瞬變電磁法研究”列為陜西省交通

7、科研項目。 2005年12月國家自然科學(xué)基金重點項目“高壓大流量巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報和治理”課題開題。超前預(yù)報部分物探技術(shù)以重點研究開發(fā)陸地聲納法、瞬變電磁法和探地雷達為主； 2007年6月，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施核心技術(shù)“隧道施工期大涌水等地質(zhì)災(zāi)害超前實時預(yù)報系統(tǒng)與裝備”完成招標(biāo)審查，課題物探部分為陸地聲納法、瞬變電磁法和復(fù)合激發(fā)極化法； 2007年8月，國家自然科學(xué)基金裝備專項的“復(fù)合激發(fā)極化法儀器和設(shè)備研究”通過立項評審。 以下的介紹將圍繞上述課題的技術(shù)方法。 3 種方法的集成目標(biāo)不漏掉一個重大的地質(zhì)隱患集成的方法：1.陸地聲納法：120-15

8、0m已遠的斷層、破碎帶、溶洞、暗河的探查、預(yù)報并對他們的空間位置作較準(zhǔn)確定位；判斷較大出水；2.瞬變電磁法：80m左右遠含水體的探查預(yù)報；3.復(fù)合式激發(fā)極化法：約50m左右遠，區(qū)分自由水和束縛水，涌水量分級； 使用物探方法解決巖土工程的難題，首先需要物探和要反映的地質(zhì)問題間的聯(lián)系，也常遇到是否有未解決的地質(zhì)學(xué)方面的問題需要去突破。 例如大瑤山隧道發(fā)生了深部的巖溶水涌水，埋深2500m的錦屏二級電站隧洞也發(fā)生了深部的巖溶水涌水。許多長大隧道和電廠房都深埋地下，巖溶水和裂隙水有無人們未注意的規(guī)律？物探的地質(zhì)預(yù)報的直接探查和間接探查應(yīng)遵循什么技術(shù)路線？ 下面舉例說明有關(guān)研究工作。錦屏二級電站隧洞巖溶

9、裂隙水發(fā)育規(guī)律1 地質(zhì)構(gòu)造因素可能發(fā)生涌水的部位分析：隧洞通過的斷層及向斜、背斜核部； EW向和NNE向結(jié)構(gòu)面是工程區(qū)內(nèi)地下水活動的重要通道；。 2 斷裂性質(zhì)及性質(zhì)因素主要出水構(gòu)造為NWW和NEE向的張扭性結(jié)構(gòu)面，尤其在埋藏淺部和背斜核部。近EW向結(jié)構(gòu)面相交處及EW向結(jié)構(gòu)面與層面相交部位3 巖性因素4 巖溶發(fā)育因素可能發(fā)生涌水的前兆分析：由弱可溶巖進入強可溶巖的邊界部位時；導(dǎo)水構(gòu)造多數(shù)集中發(fā)育在向斜一翼；當(dāng)黑色巖體進入白色或花斑狀巖體時；當(dāng)隧洞由滲、滴水段進入線狀滲水段時；風(fēng)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)渾水；當(dāng)?shù)販販y值出現(xiàn)比前一點低時。深部巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律的新認識1 “在古溶蝕面標(biāo)高以下巖溶將不發(fā)育”，這是人們

10、的認識。但實踐證明，如果匯水標(biāo)高低于工程標(biāo)高，在工程施工范圍就有可能發(fā)育巖溶，其規(guī)模的大小則與構(gòu)造、巖性、新構(gòu)造運動發(fā)育和河流切割有關(guān)。 在錦屏二級電站，會遇到直徑1m左右的溶洞和溶管，會遇到一些小斷層和裂隙溶蝕產(chǎn)生的涌水、突泥。 下表是2006年輔助洞段部分出水點的調(diào)查統(tǒng)計資料，可以看到稍大一點的出水大部都直接與溶蝕裂隙溶管有關(guān)。AK13+878涌水的溶管照片埋深200m以上的錦屏二級電站輔助洞東段AK10+750等處又出現(xiàn)了溶蝕的小斷裂中充填的泥水突涌的現(xiàn)象。涌泥體的寬度達35m。2 涌水段不僅受控于巖性、構(gòu)造與地下水動力條件，而且與巖石的成分和構(gòu)造有關(guān)。即使巖性相同，成分較復(fù)雜，呈黑白相

11、間條帶狀、斑狀的大理巖是易產(chǎn)生巖溶裂隙水的段，成分較單一，純色的大理巖則裂隙水不發(fā)育易發(fā)生巖爆。3 裂隙組中發(fā)育小溶洞、有一定寬度溶隙者是導(dǎo)引集中裂隙水，使這組裂隙發(fā)生較大涌水。陸地聲納法探查資料中反映，所探查到的多組裂隙中，存在小的溶洞（那怕直徑3050cm）或溶隙那組或二、三組，是大涌水的通道。 這對探查預(yù)報巖溶裂隙大涌水指出了選用方法、直接探水和間接探水相結(jié)合的方向和技術(shù)突破的技術(shù)路線。 錦屏二級電站出口段AK12+900-990小溶洞、溶隙導(dǎo)水對物探預(yù)報手段的要求（1）綜合物探要達到的目標(biāo)：應(yīng)當(dāng)基本不遺漏掌子面前方及周邊至少1/2隧道跨度范圍內(nèi)的重大隱患，包括斷層、破碎帶、強風(fēng)化巖脈、

12、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶溝、大中涌水體等；預(yù)報的地質(zhì)體空間定位要有足夠的精度，誤差應(yīng) 5%；要能對涌水量作出定量或半定量的估算。因為施工需對于小、中、大涌水分別制定引排或超前注漿堵水等方案，確定是否作水平鉆孔及其它措施;要能預(yù)報巖體的破碎或完好情況。若圍巖情況將有突變，施工方要作好施工措施變更預(yù)案，設(shè)計方也要作設(shè)計的變更，地質(zhì)預(yù)報應(yīng)從資料方面給于必要的支援；要適應(yīng)TBM（全斷面掘進機）和鉆爆法的施工，TBM長達幾十米，機械占據(jù)了幾十米長的全部隧道空間，預(yù)報手段要適應(yīng)其工作方式。要少占用開挖時間，少干擾施工。隧道施工講求施工速度，通常，單線鐵路隧道月開挖可達200250m，雙車道公路隧道月開挖可

13、達100150m，過多地占用開挖時間，過多地干擾施工，將會影響施工方與預(yù)報方的配合。對每一種物探方法的要求要有特長，在綜合物探系統(tǒng)中要能獨擋一面，例如彈性波類方法主要要探查斷層、破碎帶、溶洞等，并能準(zhǔn)確定位，能對巖體破碎和完整程度給于一定判定；電磁類方法主要探查含水層；激發(fā)極化類方法要能區(qū)分含水泥砂、淤泥或自由流動的水，并判定涌水量。要探查一定遠的距離，與開挖速度相適應(yīng)。一般來講，主力方法應(yīng)能探查200m左右,預(yù)報100m以上;預(yù)報特定目標(biāo)的方法，也應(yīng)當(dāng)探查50m以遠。要能較準(zhǔn)確地作被探查地質(zhì)體的空間定位?，F(xiàn)場采集時間短，停止掌子面施工工作不超過1小時，對邊墻施工干擾不超過2小時。1 彈性波反

14、射系列方法預(yù)報方法分析目前，彈性波反射系列的方法，已投入應(yīng)用的如地震反射負視速度法（隧道VSP）、陸地聲納法（極小偏移距超寬頻帶彈性波反射單道連續(xù)剖面）、水平聲波法、TSP、日本HSP、美國提出的TRT等，它們或在隧道邊墻鉆孔設(shè)檢波器和用炸藥爆炸激振,接收反射波來探查,或在掌子面上用錘擊激振并設(shè)檢波器接收反射波(陸地聲納法),在探查斷層、破碎帶、巖脈等方面，都基本上能作為可投入實用的方法應(yīng)用。陸地聲納法還可以探查單個的中小溶洞，在探查巖溶方面發(fā)揮了作用。它們都能作100m或達150m以遠的預(yù)報。各種反射法實測得的是反射波的走時和反射波的時間曲線.為確定反射面的距離,需知道彈性波的波速V，然后按

15、公式 L=Vt/2計算距離。其中 L為反射點的距離 t為測得的反射波的走時但是當(dāng)反射面不平行掌子面時，這些方法卻僅能測出第一個反射面以近巖體的波速，尚測不出第2層、第3層的巖體波速。目前均用實測的第1層波速作定量計算。因此，當(dāng)預(yù)報距離較遠時，對反射面的定位誤差就較大。設(shè)法測量各層波速，是要研究攻克的課題。同時，所測的反射面是與彈性波射線垂直的面，而不是掌子面正前方的面，需要通過作圖將所測面延伸到隧道掌子面前方。探測距離越遠，誤差越大，干擾越多，錯誤率越高。 隧道VSP、HSP等工作原理示意圖 鉆孔裝藥起爆采集 TSP預(yù)報全過程 一維的測量得不到反射面3維的空間形態(tài)，這樣定位只能是概略的。這是這

16、些方法的弱點。彈性波法中選擇和繼續(xù)發(fā)展陸地聲納法，這是有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和儀器、設(shè)備 陸地聲納法工作原理示意圖 陸地聲納法是“陸上極小偏移距超寬帶彈性波反射超短余震接收系統(tǒng)單點連續(xù)剖面法”的簡稱。是地震反射法的變種，吸收了水聲法、探地雷達、超聲波法的某些特點而形成了一個雜交的品種。不需打孔、不需放炮，安全簡便。 1 在隧道掌子面上設(shè)測量剖面，剖面上每30cm左右設(shè)一測點，用錘擊方式激發(fā)彈性波，在激震點旁設(shè)檢波器接收被測物體的反射波，檢波器用黃油與巖面耦合。不然后將各測點的時間曲線拼成時間剖面，根據(jù)同相軸和頻譜解釋圈定斷層、大節(jié)理、巖層分界面、巖脈、涌水層、溶洞等不良地質(zhì)體，為確定反射

17、體的空間位置，通常布置水平和鉛垂的兩條測線; 2 用錘激震源以及檢波器和儀器結(jié)合，可激發(fā)和接收從10Hz4000Hz的波，然后可通過分窗口帶通濾波提取不同頻段的反射波，高頻段的反射波可反映薄層和大節(jié)理等和小溶洞，低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞，通過不同頻段反射的圖象對比，可以分辨不同的不良地質(zhì)體；3 作為極小震-檢距的方法，反射波是續(xù)至波，故可避開直達波、聲波、面波的干擾，而且不僅可探查斷層等近似平面型的物體，還可探查溶洞等有限大小地質(zhì)體；由于全信息的采集，還可根據(jù)頻譜測出斷層影響破碎帶的范圍。 彈性波類方法有較高的定位定量精度，波速可以和巖體完整程度和密度相聯(lián)系，探

18、測距離較長。但反射類方法波的反射點，通常都不在掌子面正前方，作時深轉(zhuǎn)化后得到的是測點到反射面的距離，要作偏移，才能準(zhǔn)確確定反射體的空間位置。目前的問題是，如何提高定位精度。定位精度的第1個關(guān)鍵參數(shù)是波速。目前大部分彈性波反射類方法都是在隧道邊墻利用折射波法測第一個主反射面以近巖體的波速。當(dāng)反射面不平行掌子面時,便得不到第2層、第3層巖體波速。一般來講，只有測點在三維空間布置，才能實測并解出各層波速并對反射面的空間位置較正確定位。 例如陸地聲納法,將邊墻測波速的小折射波測點改成幾個零震-檢距的測點，即可和掌子面上原布置的水平和鉛垂向剖面上的測點結(jié)合,根據(jù)測得的反射時通過迭代求出各層波速，或通過3

19、維建模計算解算出波速及各反射面空間參數(shù)。 陸地聲納法在掌子面上布置水平和鉛垂向測線各一條，作反射面的空間定位：水平向的剖面可反映反射面和水平測線的夾角，可計算其走向鉛垂向剖面可反映反射面的傾向、傾角復(fù)雜介質(zhì)中傳播規(guī)律正演數(shù)值模擬模型數(shù)值模擬圖像模型數(shù)值模擬圖像模型數(shù)值模擬圖像模型數(shù)值模擬圖像模型數(shù)值模擬圖像云臺山隧道“關(guān)門斷層”預(yù)探 第一次探查在DK86+520掌子面上進行，第二次在+524掌子面上進行，各設(shè)水平及鉛垂向測線一條，陸地聲納法現(xiàn)場采集每次用時40分鐘左右。預(yù)報在掌子面前方40m內(nèi)未見主干斷層及破碎帶，但有幾條較大節(jié)理或小斷層。隧道掘進時在大節(jié)理或小斷層處均發(fā)生拱部坍方，變更設(shè)計降

20、低了圍巖級別。第三、四次探查在DK86+534和+551進行，在掌子面上分別設(shè)了長4m的水平測線和長2m的鉛垂向測線各一條，每次現(xiàn)場采集用時約40分鐘。這次預(yù)報給出了主干斷層在隧道中出露的里程和產(chǎn)狀、厚度，并查出了寬約20m的斷層影響破碎帶的出露位置。這是因為破碎帶中巖體節(jié)理密度明顯加大，巖塊塊體小，對高頻波散射嚴(yán)重所致，這是破碎帶的典型特征之一。云臺山隧道DK86+534掌子面陸地聲納法地質(zhì)預(yù)報圖 潭峪溝隧道斷層破碎帶的掌子面前方預(yù)報德勝口隧道 ZK34+113掌子面陸地聲納時間剖面 所做的預(yù)報結(jié)果及開挖后斷層實測情況2009年2月18日，德勝口隧道左洞ZK34+710+716，施工隊未做初

21、噴，在架設(shè)鋼拱架時落石造成1死3傷。此處為交叉小斷層處，2008年12月29日預(yù)報100米外的ZK34+713前后有交叉斷層，并特別提醒+710前后應(yīng)特別注意。工程處理討論會上，業(yè)主方負責(zé)人強調(diào)，預(yù)報已特別指明了此處是危險位置，今后施工方應(yīng)認真對待預(yù)報報告。錦屏二級電站2#引水洞K13+186預(yù)報及開挖后實測反饋為進一步解決各層波速測定及所測反射面計算成圖問題，在測波速專利基礎(chǔ)上，設(shè)計了通過掌子面上和邊墻上陸地聲納測量的若干測點測的資料利用解析幾何中空間點和平面關(guān)系的公式構(gòu)建多元非線性方程組，獲得數(shù)學(xué)模型，解算出波速和反射面空間位置。經(jīng)2屆研究生論文已在給定的已知數(shù)據(jù)情況下通過。陸地聲納法預(yù)報

22、理論研究 波速唯一解建模下略陸地聲納法探查溶洞 陸地聲納使用的寬高頻帶，對溶洞的反映很突出，直徑 m 的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的優(yōu)勢頻段為1000Hz000Hz ，正是陸地聲納的最佳工作頻段。南昆鐵路羊寨基巖出露測區(qū)巖溶探查 （0-100m)高速公路路基下溶洞探查滬蓉西十里排測線6的陸地聲納時間剖面 （圈定標(biāo)注者為溶洞反射的雙曲線圖像） 南昆鐵路鋁廠隧道出口端斷層、溶洞等不良地質(zhì)預(yù)報宜萬鐵路八字嶺隧道巖溶溶槽的地質(zhì)預(yù)報滬蓉西高速公路齊岳山隧道右洞暗河測線右邊已 爆破揭露了 暗河，可觀察到 滬蓉西高速公路齊岳山隧道左洞暗河預(yù)報暗河前壁 誤差2-3m 溶洞位置吻合齊岳山隧道進口右洞Z

23、K326+250前后右墻角爆破揭露的暗河一角 反映暗河的頻譜 反映暗河和溶洞時的頻譜大嶺后隧道85m以遠寬30-50cm的小溶洞或溶蝕縫的探查預(yù)報探查預(yù)報的m以遠寬30cm左右的小溶洞在掌子面上被揭露照片巖溶裂隙水的大涌水，許多與中小溶洞、溶隙、溶管有關(guān)，它們可以形成集水的小室，導(dǎo)引地下水經(jīng)過它順某組張性裂隙或形成溶管涌出，錦屏即為一例。因此探查中小溶洞、溶隙、溶管是預(yù)報涌水的重要內(nèi)容之一。錦屏二級電站輔助洞出口A洞A13+585向進口方向探查（A、B洞已開挖出水點位置已知）導(dǎo)水巖溶裂隙及導(dǎo)水的小溶洞、溶隙的探查某 測 點 的 頻 譜 分 析 曲 線（溶洞和溶隙最佳反射頻率10003000Hz

24、)錦屏二級電站輔助洞AK12+785已知條件下的實測實驗實測點附近導(dǎo)水和涌水小溶洞、溶隙LDS-1（2006年前產(chǎn)）LDS-3 (2007年產(chǎn)) 研究工作還在進展中。如同時采集縱、橫波，現(xiàn)場試驗已采集分離了縱、橫波，尚待進一步工作。瞬變電磁法探水的主要方法，目標(biāo)前方m 瞬變電磁法探查掌子面前方水層原理示意圖 瞬變電磁法是通過掌子面前的一個大線圈產(chǎn)生電磁波，含水層受此電磁波感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，在掌子面上的探頭接收，在剖面圖上呈現(xiàn)低電阻反映。 工作：隧道中維空間的正演及反演研究儀器及發(fā)射系統(tǒng)改進現(xiàn)場試驗干擾因素的研究1 理論研究1）等效導(dǎo)電平面成像方法研究2）數(shù)值模擬計算 3

25、）適合隧道超前地質(zhì)預(yù)報的瞬變電磁工作方法技術(shù)研究 4）隧道影響校正方法 5）現(xiàn)場實測試驗1）等效導(dǎo)電平面成像方法研究 由于隧道內(nèi)的全空間的環(huán)境不同于地面的半空間情況，因此隧道中的探測方法不能照搬地面方法，必須采用全空間條件下的理論和方法。目前在瞬變電磁法中，等效導(dǎo)電平面法是建立在全空間理論基礎(chǔ)上的。另外，視縱向電導(dǎo)對低阻導(dǎo)電薄層反應(yīng)靈敏，有利于探測低阻充水?dāng)鄬印Ｒ虼?，本文將等效?dǎo)電平面法引入到隧道的超前預(yù)報探測中。 等效導(dǎo)電平面解釋法是根據(jù)視縱向電導(dǎo)曲線的特征值直觀地劃分地層的一種近似解釋方法，因此又稱“視縱向電導(dǎo)解釋法”。由于該方法可以形象地理解為：隨著t的增減，等效導(dǎo)電平面以1/0速度上下

26、“浮動”，故又稱為“浮動薄板解釋法”。設(shè)在隧道掌子面上有圓形回線，其中通以階躍電流，并在t=0時刻斷開電源： 則在t0 時，掌子面前方產(chǎn)生渦旋電流，在地表任一點便可觀測到由此渦流產(chǎn)生的電磁場。根據(jù)電磁理論，可用一導(dǎo)電平面來代替掌子面前方均勻介質(zhì)，然后用鏡像法可發(fā)方便地求出空間任一點的感應(yīng)電磁場。 設(shè)A為一完全導(dǎo)電平面，面電導(dǎo)率為，其上方高處有一半徑為的圓形回線，其中電流強度為。當(dāng)電源斷開時，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)電板A上產(chǎn)生渦流，為求出渦流產(chǎn)生的電磁場，在A前方處，置一虛源代替導(dǎo)電平面板中的渦流，因此只需求出虛源在空間任一點產(chǎn)生的電磁場即可。根據(jù)電磁場理論，引入矢勢 ，則導(dǎo)電板內(nèi)任一點的電磁強度為

27、則在t0 時，掌子面前方產(chǎn)生渦旋電流，在地表任一點便可觀測到由此渦流產(chǎn)生的電磁場。根據(jù)電磁理論，可用一導(dǎo)電平面來代替掌子面前方均勻介質(zhì)，然后用鏡像法可發(fā)方便地求出空間任一點的感應(yīng)電磁場。 設(shè)A為一完全導(dǎo)電平面，面電導(dǎo)率為，其上方高處有一半徑為的圓形回線，其中電流強度為。當(dāng)電源斷開時，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)電板A上產(chǎn)生渦流，為求出渦流產(chǎn)生的電磁場，在A前方處，置一虛源代替導(dǎo)電平面板中的渦流，因此只需求出虛源在空間任一點產(chǎn)生的電磁場即可。得在層狀介質(zhì)情況下，推出視縱向電導(dǎo)和視深度，其中為實測值， ， ，為發(fā)射回線半徑，為發(fā)射電流。于是引入輔助函數(shù) （1）又有 可得 （2） 值提取可由(1)式和（2）式構(gòu)

28、成的目標(biāo)函數(shù)取極小求得最優(yōu)解來獲取。 綜上所示，求取視縱向電導(dǎo)曲線的具體步驟為：(1)首先求得 實測曲線和它的時間導(dǎo)數(shù)曲線 ；(2)把 和 代入(1)式，求得輔助函數(shù) ；(3)再由 值計算對應(yīng)的值 ；(4)由 求得 ，再代入視縱向電導(dǎo)的表達式，求得 的值。(5)對于一系列 值，再利用視深度的表達式便可得到 曲線。(6)進行微分成像，即求 曲線的二次導(dǎo)數(shù)曲線 ，畫出該曲線與視深度的變化規(guī)律。由于 曲線對視深度的高靈敏性，它可在較早的時間范圍內(nèi)，以較高的靈敏度和信噪比將電性分界面分辨得很詳細，而且深層位電性特征也能在晚期部分得到反映。長凼子隧道瞬變電磁法探水錦屏二級電站輔助洞 表5. 2瞬變電磁超

29、前地質(zhì)預(yù)報效果統(tǒng)計表 測線位置 TEM推斷結(jié)果 開挖結(jié)果A洞掌子面AK11+843 AK11+822，充水裂隙 AK11+820，充水裂隙 AK11+812，充水裂隙 AK11+810，充水裂隙 AK11+806，充水裂隙 AK11+805，充水裂隙 AK11+793，充水裂隙 AK11+790，充水裂隙A洞掌子面AK11+447 AK11+442，充水裂隙 AK11+445，充水裂隙A洞掌子面（里程AK11+843）視電阻率斷面等值線圖 視縱向電導(dǎo)微分成像圖視電阻率異常三維體成像圖A洞掌子面（里程AK11+447） 橫通道 (7-2#) 瞬變電磁多測道圖 可以看出，在整體的晚期時間道上，所有

30、點多測道線均呈現(xiàn)出衰減變緩慢的趨勢，因此在測線前方預(yù)報距離內(nèi)后段的視電阻率會較低。視縱向電導(dǎo)微分成像圖視電阻率斷面等值線圖探地雷達探地雷達是目前隧道地質(zhì)預(yù)報探水的最主要手段。1 探地雷達探水的優(yōu)勢探地雷達是用發(fā)射天線向巖體發(fā)射有一定寬度的高頻電磁波，巖體中的介質(zhì)因介電常數(shù)的不同而反射雷達波被接收天線接收。介電常數(shù)差是雷達工作的基礎(chǔ)。空氣的介電常數(shù)為1，巖石的介電常數(shù)為420，水的介電常數(shù)為81，水的電導(dǎo)率遠高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達對水有特別的敏感性。但是至今未有人從理論上作系統(tǒng)研究，在隧道地質(zhì)預(yù)報實踐中大部分工作者未能成功應(yīng)用。因此解決有關(guān)理論和實踐問題列為本課題的任務(wù)之一。經(jīng)過理論

31、推導(dǎo)得到以下結(jié)論：判水原則雷達波對水和含水率高的介質(zhì)的反射強烈，反射波強度大；雷達波從其它介質(zhì)到含水層界面的反射波相位與入射波相反;雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低.（1）雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低。電磁場由麥克斯韋方程來描述并包括電荷守衡方程以及場量與介質(zhì)關(guān)系的本構(gòu)方程 H =J D/ t 和 J = - / t E = - B/ t D = E B = 0 B = H D = 0 J = e E J 其中 為介質(zhì)的介電常數(shù) 為介質(zhì)的導(dǎo)磁率 e 為介質(zhì)的電導(dǎo)率若介質(zhì)為均勻、線性、各向同性，則 H = （e + j）E = j(- je/)

32、 E = jE 電場和磁場滿足波動方程 2 E（r）+ k2 E（r） = 0因此，無界均勻有耗介質(zhì)中的電磁波的電場表達式為 E（r）= E0 e - j K r 其中 K = - j 為衰減系數(shù) 為相位常數(shù)若假設(shè)介質(zhì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率均為實數(shù) 則 =()1/2 1+（e/）21/2 -1 /2 1/2 =()1/2 1+（e/）21/2 +1 /2 1/2 當(dāng)e/ 1 ， 即電導(dǎo)率e很大時 （ e ）1/2 /2 衰減系數(shù)與e 及頻率 f 成正相關(guān)，頻率高的成分衰減系數(shù)大； 可見，雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低。 （2）雷達波對水和含水率高的介質(zhì)的反射強烈，反射波強度

33、大有耗媒質(zhì)中 = -2+422+2221/2 1/2 /2 = （0）1/2r2+ （600）1/2/2 其中0為雷達波在空氣中的波長, 0= c/f =2c/ c為雷達波在空氣中的波速，等于光速。 波阻抗 Zc =(/K)1/2 =/0(r-j600）1/21/2在弱耗媒質(zhì)中（r 600） =（0）1/2 (300/r）1/2 入射波的電場Ei = E0ie j ( t k r) 反射波的電場Er = E0re j ( t k r) 雷達波是橫波，垂直入射到反射面 ki r = kr r Ei ki =0 Er kr =0 ZC1/ZC2 =n2/n1 其中n1=（1）1/2 n2=（2）1

34、/2入射波與反射波的電場之比 Ei /Er = (Zc2Zc1)/ (Zc2 Zc1) =（n1n2）/（n1n2） 設(shè)功率反射系數(shù)R = ( Ei /Er )2 對高電阻介質(zhì),在從介電常數(shù)為1的介質(zhì)向介電常數(shù)為2的介質(zhì)垂直入射情況下,因r 600， R = （11/2 21/2）/ （11/221/2） 即：介電常數(shù)差別越大, 反射系數(shù)越大,反射波強度越大, 水的介電常數(shù)遠大與巖石,因此雷達波的反射強烈。對高電導(dǎo)率(低電阻率)介質(zhì), r1 R = （n1n2）2n22/（n1n2）2n22 =1+(1- n1/n2)2/ 1+(1+ n1/n2)2 若n1 n2則 R 2- 2（n1/n2)

35、/ 2+2(n1/n2) 1-2（n1/n2) 即電導(dǎo)率差別越大, 反射系數(shù)越大,反射波強度越大，約接近1。水的電導(dǎo)率遠大與巖石,因此雷達波的反射強烈。（3）雷達波從其它介質(zhì)到含水層界面的反射波相位與入射波相反 實際上，從Ei /Er =（n1n2）/（n1n2） = (Zc2Zc1)/ (Zc2 Zc1) 即可看出，當(dāng)波從高阻抗向低阻抗入射時，Zc2 Zc1， Ei與Er 正負符號相同; 而反射波Ei與入射波Er方向相反，因此二者的相位必相反。所以反射波電場Er 與入射波電場Ei 間有1800的相位差。這些是含水層反射雷達波的重要正演概念，是分析和解釋含水層反射信號的基本原則。隧道襯砌檢測時

36、地下水的反映錦屏二級電站輔助洞已知條件下的實測實驗頻譜分析曲線錦屏二級電站輔助洞出口段A洞選擇有裂隙水的邊墻作探查，巖溶裂隙水有明顯的反映，主要依據(jù)是強反射和反射波正半周在前，與雷達入射子波負半周在前相反。AK12+900前后左邊墻雷達探水時間剖面AK11+447掌子面雷達探水時間剖面（經(jīng)開挖證實）例錦屏二級電站輔助洞進口段1km前后，雷達曾多次預(yù)報地下水，主要依據(jù)是強反射和反射波正半周（或負半周）在前，與雷達入射子波負半周（或正半周）在前相反；同時不同深度的水的反映，均沿同一組節(jié)理或小斷裂。預(yù)報得到開挖的證實。但其中一處，在預(yù)報里程開挖后未見地下水。可是在邊墻鉆孔時，鉆進12m,孔中即有股水

37、涌出，而反應(yīng)此處的雷達時間剖面反映的強負半周的反射同相軸正好在剖面的兩測。每次探查預(yù)報約15m。（入射波為負半周在前）（橢圓圈定標(biāo)示者為水的反映，色標(biāo)表示為：正半周為紅色等暖色系列，負半周為蘭色等冷色系列）例北京地鐵鳥巢段掌子面前方含水砂層的探查。 含水砂層易導(dǎo)致開挖時的坍垮。由于雷達發(fā)射子波是負半周在前，故含水砂層的強反射波反相以后為正半周在前。預(yù)報距離約15m。預(yù)報結(jié)果經(jīng)開挖證實。雷達做掌子面前方水的預(yù)報，完成了理論問題的研究，已知條件下的實測對比，提出了現(xiàn)場采集的注意事項，并進行了預(yù)報實踐。瞬變電磁法與陸地聲納綜合探查陸地聲納與探地雷達組合探查預(yù)報小溶洞、溶隙及出水位置錦屏二級電站輔助洞

38、AK10+730-+762隧底下方巖溶發(fā)育情況的探查測線1瞬變電磁法視電阻率剖面錦屏二級電站2#引水洞陸地聲納和雷達預(yù)報掌子面前方涌水區(qū)分束縛水和自由水的復(fù)合式激發(fā)激化法國家863項目和國家自然科學(xué)基金裝備專項支持這是用于隧道掌子面前方含水體水量預(yù)測方法二電流激發(fā)極化半衰時之差法(簡稱半衰時之差法)。該方法以定點源三極法或二極法為測量裝置，向地下供入大小兩種電流，將大電流作用下的二次場半衰時減去小電流作用下的二次場半衰時得到的差值即為半衰時之差。繪制半衰時之差隨AM的變化曲線。對于含束縛水或者不含水的地質(zhì)體，半衰時之差應(yīng)為負值或零；對于自由含水體半衰時之差應(yīng)為正值，且水量與半衰時之差與橫軸的包絡(luò)面積呈正相關(guān)關(guān)系。 視極化率正演數(shù)據(jù) 模型試驗 三峽翻壩公路雞公