隧隧道施工地质灾害隐患的探查、预报新技术及集成系统(课件).ppt

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1、将隐患变成明示将隐患变成明示 将危险消灭在出现之前将危险消灭在出现之前 隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患的隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患的探查、预报新技术及集成系统探查、预报新技术及集成系统不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者钟世航钟世航中国铁道科学研究院中国铁道科学研究院山东大学山东大学北京水工资环新技术北京水工资环新技术开发开发有限公司有限公司近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达1000km以上以上，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量的还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程

2、，还有更大量的煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复杂煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复杂的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出越的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出越来越高的要求来越高的要求。物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要做安全的做安全的“守护神守护神”。隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质体，主要包括体，主要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些强风断层、破碎带及破碎岩体、某些强风化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等化岩脉、溶洞、溶管、涌

3、水、涌泥等，还有，还有岩爆岩爆等，等，作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。岩爆等或许明年会议涉及。岩爆等或许明年会议涉及。位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+24ZK38+249 9前后发生坍方，坍方前后发生坍方，坍方落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。一处坍方，坍深约一处坍方，坍深约3.5m 图中图中G为钢质拱架为钢质拱架W为地下水为地下水K为坍体中未填实的空洞为坍体中未填实的空洞隧道坍方至地面产生的塌陷洞隧道坍方至地面

4、产生的塌陷洞锦屏二级电站辅助洞涌水锦屏二级电站辅助洞涌水园梁山隧道突泥园梁山隧道突泥被被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车被被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿2#溶洞突水洞口溶洞突水洞口2#溶洞突水洞内溶洞突水洞内2#溶洞充填物溶洞充填物锦屏二级电站辅助洞锦屏二级电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水涌泥、涌水历史：历史：上世纪上世纪70年代起，陆续有零星的试验工作年代起，陆续有零星的试验工作上世纪上世纪80年代初，我国铁道科学研究院围绕大瑶山隧道提出科研课年代初，我国铁道科学研究院围绕大瑶山隧道提出科研课题未受重视，科研项目流产，大瑶山隧道

5、突水淹没隧道和竖井，题未受重视，科研项目流产，大瑶山隧道突水淹没隧道和竖井，80年代中期，大秦铁路隧道年代中期，大秦铁路隧道“处处冒烟处处冒烟”告急，铁道科学研究院于告急，铁道科学研究院于1986年在南岭隧道开始试验，年在南岭隧道开始试验，1987年再次提出系统研究用物探技术作隧年再次提出系统研究用物探技术作隧道施工时掌子面前方不良地质预报的可行性研究报告，道施工时掌子面前方不良地质预报的可行性研究报告，1988年第年第1次讨次讨论性评审，论性评审，1989年作为部列可行性研究项目，年作为部列可行性研究项目，1990年可行性研究通过部年可行性研究通过部组织的评审，组织的评审，“隧道施工时掌子面

6、前方不良地质预报隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列为不重点科研项列为不重点科研项目。目。1991年年-1995年铁道部组织了年铁道部组织了1111个单位个单位、设了设了6 6个子课题，经过个子课题，经过5 5年的年的攻关，采取了近乎苛刻的管理方法攻关，采取了近乎苛刻的管理方法设定了两个阶段，每阶段定了设定了两个阶段，每阶段定了“评考评考”的工程的工程.经过经过3 3个阶段，个阶段，3 3次每次次每次3 3天的专家评审天的专家评审，最终选定地震反，最终选定地震反射负视速度法（后又称隧道射负视速度法（后又称隧道VSPVSP）和陆地声纳作为主要方法，探地雷达）和陆地声纳作为主要方法，探地雷达等作为

7、辅助方法。第等作为辅助方法。第2 2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分成两阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分成两组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断层和组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断层和溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻关成溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻关成果果19951995年通过铁道部鉴定年通过铁道部鉴定。90年代中，水利水电部门用探地雷达进行了掌子面前方地质预报。年代中，水利水电部门用探地雷达进行了掌子面前方地质预报。90年代中，瑞士年代中，瑞士Amberg公司推出公司推出T

8、SP，其原理与负视速度法相同，但，其原理与负视速度法相同，但采用一点接收，多点放炮激震的方式。采用一点接收，多点放炮激震的方式。1996年日本研究并推出年日本研究并推出HSP，一点，一点或几个炮点激震多点接收的方式，强调物探概念和地质。或几个炮点激震多点接收的方式，强调物探概念和地质。当时由于技术能力、经费、工程问题和试验工程选择困难的原因，未当时由于技术能力、经费、工程问题和试验工程选择困难的原因，未将水的探查预报作为主要研究内容。将水的探查预报作为主要研究内容。20002000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地质

9、复杂，岩溶、突水突泥问题严重。质复杂，岩溶、突水突泥问题严重。“隧道施工时掌子面前方不良地质预隧道施工时掌子面前方不良地质预报报”问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，在浓厚的盲问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，在浓厚的盲目宠洋的气氛中，以真正解决工程问题为目标在经费困难的情况下再次投目宠洋的气氛中，以真正解决工程问题为目标在经费困难的情况下再次投入研究。钟世航开始研究推广用入研究。钟世航开始研究推广用探地雷达探地雷达在应急的探水手段，并将陆地声在应急的探水手段，并将陆地声纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；2003年，李貅和钟世

10、航开始研年，李貅和钟世航开始研究用究用瞬变电磁法瞬变电磁法作为主要的探作为主要的探水手段；水手段；2005年赵永贵引进和试验美国年赵永贵引进和试验美国TRT法法2005年年12月国家自然科学基金重点项目月国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙水与高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理不良地质情况超前预报和治理”课题开题。超前预报部分物探技术以重点课题开题。超前预报部分物探技术以重点研究开发研究开发陆地声纳法陆地声纳法、瞬变电磁法瞬变电磁法和和探地雷达探地雷达为主；为主；2007年年6月，国家高技术研究发展计划（月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础计划）的重大交

11、通基础设施核心技术设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备”完成招标审查，课题物探部分为完成招标审查，课题物探部分为陆地声纳法陆地声纳法、瞬变电磁法瞬变电磁法和和复合激发极复合激发极化法；化法；2007年年8月，国家月，国家自然科学基金装备专项的自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器和复合激发极化法仪器和设备研究设备研究”通过立项评审。通过立项评审。以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。对物探预报手段的要求对物探预报手段的要求（1）综合物探要达到的目标：）综合物探要达到的目标：应当基本应

12、当基本不遗漏不遗漏掌子面前方及周边至少掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的隧道跨度范围内的重大隐患重大隐患，包，包括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等；括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等；预报的地质体空间预报的地质体空间定位要有足够的精度定位要有足够的精度，误差应，误差应5%；要能要能对涌水量作出定量或半定量的估算对涌水量作出定量或半定量的估算。因为施工需对于小、中、大涌水分。因为施工需对于小、中、大涌水分别制定引排或超前注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措施别制定引排或超前注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措

13、施;要能要能预报岩体的破碎或完好情况预报岩体的破碎或完好情况。若围岩情况将有突变，施工方要作好施工。若围岩情况将有突变，施工方要作好施工措施变更预案，设计方也要作设计的变更，地质预报应从资料方面给于必要的支措施变更预案，设计方也要作设计的变更，地质预报应从资料方面给于必要的支援；援；要要适应适应TBM（全断面掘进机）（全断面掘进机）和钻爆法和钻爆法的施工，的施工，TBM长达几十米，机械占长达几十米，机械占据了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。据了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。要要少占用开挖时间，少干扰施工少占用开挖时间，少干扰施工。隧道施工讲求施工速度，通常

14、，单线铁路。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路隧道月开挖可达隧道月开挖可达200250m，双车道公路隧道月开挖可达，双车道公路隧道月开挖可达100150m，过多地占，过多地占用开挖时间，过多地干扰施工，将会影响施工方与预报方的配合。用开挖时间，过多地干扰施工，将会影响施工方与预报方的配合。对每一种物探方法的要求对每一种物探方法的要求要有特长要有特长，在综合物探系统中要，在综合物探系统中要能独挡一面能独挡一面，例如弹性波类方法主，例如弹性波类方法主要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和完要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和完整程度给于一定判定；电磁类方

15、法主要探查含水层；激发极化类方法整程度给于一定判定；电磁类方法主要探查含水层；激发极化类方法要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。要探查要探查一定远的距离一定远的距离，与开挖速度相适应与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法应。一般来讲，主力方法应能探查能探查200m左右左右,预报预报100m以上以上;预报特定目标的方法，也应当探查预报特定目标的方法，也应当探查50m以远。以远。要能较要能较准确地作被探查地质体的空间定位准确地作被探查地质体的空间定位。现场采集时间短，现场采集时间短，停止掌子面施工工作不超过停止掌子面施工工作不超过1

16、小时，对边墙施工小时，对边墙施工干扰不超过干扰不超过2小时。小时。目前，弹性波反射系列的方法，已投入应目前，弹性波反射系列的方法，已投入应用的如地震反射负视速度法（隧道用的如地震反射负视速度法（隧道VSP）、）、陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反射单道连续剖面）、水平声波法、射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、日、日本本HSP、美国提出的、美国提出的TRT等。它们都要在隧等。它们都要在隧道中钻孔设检波器和用炸药爆炸激振。探地道中钻孔设检波器和用炸药爆炸激振。探地雷达也是目前使用较多的方法。雷达也是目前使用较多的方法。隧道隧道VSP、HSP等工作原理示

17、意图等工作原理示意图 钻孔装药起爆采集 TSP预报全过程但是隧道和地铁施工的进度和技术要求预报的精度要但是隧道和地铁施工的进度和技术要求预报的精度要提高，要求探查溶洞提高，要求探查溶洞、暗河，并要求对大涌水和涌泥要做暗河，并要求对大涌水和涌泥要做出预报出预报。各种反射法实测得的是反射波的走时和反射波的时间各种反射法实测得的是反射波的走时和反射波的时间曲线曲线.为确定反射面的距离为确定反射面的距离,需知道弹性波的波速需知道弹性波的波速V，然后按，然后按公式公式L=Vt/2计算距离。其中计算距离。其中L为反射点的距离为反射点的距离t为测得的反射波的走时为测得的反射波的走时设法测量各层波速，是要研究

18、攻克的课题设法测量各层波速，是要研究攻克的课题。同时，所测。同时，所测的反射面是与弹性波射线垂直的面，而不是掌子面正前方的反射面是与弹性波射线垂直的面，而不是掌子面正前方的面，需要通过作图将所测面延伸到隧道掌子面前方。探的面，需要通过作图将所测面延伸到隧道掌子面前方。探测距离越远，误差越大，干扰越多，错误率越高测距离越远，误差越大，干扰越多，错误率越高。3种方法的集成种方法的集成目标目标不漏掉一个重大的地质隐患不漏掉一个重大的地质隐患集成的方法：集成的方法：1.陆地声纳法陆地声纳法：120-150m以远的断层、破碎带、溶洞、以远的断层、破碎带、溶洞、暗河的探查、预报并对他们的空间位置作较准确的

19、定位；判暗河的探查、预报并对他们的空间位置作较准确的定位；判断较大出水点；断较大出水点；2.瞬变电磁法瞬变电磁法：80m左右远含水体的探查预报；左右远含水体的探查预报；3.复合式激发极化法复合式激发极化法：约：约50m左右远，区分自由水和束缚左右远，区分自由水和束缚水，涌水量分级；水，涌水量分级；2012年国家科技进步二等奖年国家科技进步二等奖陆地声纳法，陆地声纳法，这是有我国完全自主知识产权的技术和仪器、设备这是有我国完全自主知识产权的技术和仪器、设备 陆地声纳陆地声纳法工作示意图法工作示意图 陆地声纳法陆地声纳法是是“陆上极小偏移距陆上极小偏移距超宽带超宽带弹性波反射超短余震接收系弹性波反

20、射超短余震接收系统单点连续剖面法统单点连续剖面法”的简称。的简称。是弹性波是弹性波反射反射法的新方法法的新方法，吸收了水声法、吸收了水声法、探地雷达探地雷达、超声波法的某些特点并采用了许多其他学科的技术，而形成超声波法的某些特点并采用了许多其他学科的技术，而形成了一个新品种。了一个新品种。不需打孔、不需放炮，安全简便不需打孔、不需放炮，安全简便。1 在隧道在隧道掌子面掌子面上设测量剖面，剖面上每上设测量剖面，剖面上每30cm左右设一测点左右设一测点，用，用锤击方式激发锤击方式激发弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检波器用凡士林与岩

21、面耦合。然后将各测点的时间曲线波器用凡士林与岩面耦合。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面拼成时间剖面，根根据同相轴和频谱解释圈定据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体，溶洞等不良地质体，为确定反射体的空间位置，为确定反射体的空间位置，通常布置水平和铅垂的通常布置水平和铅垂的两条测线两条测线;2 用用锤锤激激震震源源以以及及检检波波器器和和仪仪器器结结合合，可可激激发发和和接接收收从从10Hz4000Hz的的波波，然然后后可可通通过过分分窗窗口口带带通通滤滤波波提提取取不不同同频频段段的的反反射射波波，高高频频段段的

22、的反反射射波波可可反反映映薄薄层层和和大大节节理理等等和和小小溶溶洞洞，低低频频段段的的反反射射波波可可反反映映较较大大的的断断层层、较较厚厚的的岩岩脉脉、岩岩层层和和大大溶溶洞洞，通通过过不不同同频频段段反反射射的的图图象象对对比比，可以分辨不同的不良地质体；可以分辨不同的不良地质体；3 作作为为极极小小震震-检检距距的的方方法法，反反射射波波是是续续至至波波，故故可可避避开开直直达达波波、声声波波、面面波波的的干干扰扰，而而且且不不仅仅可可探探查查断断层层等等近近似似平平面面型型的的物物体体，还还可可探探查查溶溶洞洞等等有有限限大大小小地地质质体体；由由于于全全信信息息的的采采集集，还还可

23、可根根据据频频谱谱测测出出断断层层影影响破碎带响破碎带的范围。的范围。弹性波类方法有较高的定位定量精度，波速可以和岩体完整程度和弹性波类方法有较高的定位定量精度，波速可以和岩体完整程度和密度相联系，探测距离较长。但反射类方法波的反射点，通常都不在掌密度相联系，探测距离较长。但反射类方法波的反射点，通常都不在掌子面正前方，作时深转化后得到的是测点到反射面的距离，要作偏移，子面正前方，作时深转化后得到的是测点到反射面的距离，要作偏移，才能准确确定反射体的空间位置。目前的问题是，如何提高定位精度。才能准确确定反射体的空间位置。目前的问题是，如何提高定位精度。陆地声纳法陆地声纳法,将边墙测波速的小折射

24、波测点改成将边墙测波速的小折射波测点改成几个零震几个零震-检距检距的测点，即的测点，即可和掌子面上原布置的水平和铅垂向剖面上的测点结合可和掌子面上原布置的水平和铅垂向剖面上的测点结合,根据测得的反射时根据测得的反射时通通过迭代过迭代求出各层波速，或求出各层波速，或通过通过3维建模维建模计算解算出波速及各反射面空间参数计算解算出波速及各反射面空间参数。陆地声纳法在掌子面上布置水平和铅垂向测线各一条，作反射面的空陆地声纳法在掌子面上布置水平和铅垂向测线各一条，作反射面的空间定位：间定位：水平向的剖面可反映反射面和水平测线的夹角，可计算其走向水平向的剖面可反映反射面和水平测线的夹角，可计算其走向铅垂

25、向剖面可反映反射面的倾向、倾角铅垂向剖面可反映反射面的倾向、倾角陆地声纳法的上述的这些特点，带来以下优点：陆地声纳法的上述的这些特点，带来以下优点：（1）近零震一检距的方法，反射波是最后到达的波，用此）近零震一检距的方法，反射波是最后到达的波，用此可以避开可以避开直达波直达波、声波、面波的干扰。、声波、面波的干扰。（2）入射波的反射角近于零，）入射波的反射角近于零，没有转换波没有转换波，测得的反射波效率高。，测得的反射波效率高。（3）采用分窗口带通滤波技术提取不同频段的波，因此可避免测线）采用分窗口带通滤波技术提取不同频段的波，因此可避免测线附近人行、车行及其他机械的干扰，可以附近人行、车行及

26、其他机械的干扰，可以在闹市区在闹市区作正常数据采集。作正常数据采集。（4）显示方式更便于利用反射波的）显示方式更便于利用反射波的相位和振幅相位和振幅特征。特征。（5）不必固着检波器，现场采集）不必固着检波器，现场采集工作效率高工作效率高。优点优点在浅层勘探的时候在浅层勘探的时候，可避开直达波，可避开直达波、面波、折、面波、折射波的干扰射波的干扰 1920年，弹性波反射方法出现时的理论基础是自激自收（左图），但为勘探石油，采用爆炸震源，而发展成一点激发，多点接收的方法（右图）。更接近更接近基本理论基本理论自激自收自激自收得到垂直反射面反射波，转换波能量得到垂直反射面反射波，转换波能量最小，接收到

27、的波最单纯，干扰小最小，接收到的波最单纯，干扰小 一点激发，多点接收一点激发，多点接收采用叠前偏移、水平叠加等办法，使结果尽量接近自激自收效果优点优点 传统的地震勘探使用的频率均低于250 Hz,为提高分辨率，国内外均在努力扩展频率范围。本项目采用不同于传统检波器的思路，实现了超宽频带高灵敏度检波器，仪器主机则实现了采样率高，采样长度长的专用仪器。超宽频带高灵敏检波器，而且在有效工作频率内，均衡稳定的响应各频率的振动信号。检波器检波器检波器特性曲线检波器特性曲线山东省电子产品监督检验所产品质量检测实测资料振幅谱 本项目本项目采用新的构思用锤击型震源激发高宽频 实测激震频谱 柠条塔矿地面探查超过

28、175-200m深反射波频谱 陆地声纳专用仪器从1991年至2010年经过了四代更新，2006年选用A770军用加固型笔记本计算机作为主工控机，接插名牌数据采集卡（工业级）加信号调理前置板组成，型号LDS-3、LDS-4。研制的系列仪器和专业设备均为轻巧的便携式，具有超强防尘、防水、抗震的性能，提高野外工作效率。二、主要科技创新二、主要科技创新第三代第三代第四代第四代复杂介质中传播规律复杂介质中传播规律正演数值模拟正演数值模拟模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图像模型模型数值模拟图像数值模拟图像应用实例应

29、用实例潭峪沟隧道潭峪沟隧道断层破碎带断层破碎带的掌子面前方预报的掌子面前方预报德胜口隧道德胜口隧道ZK34+448掌子面陆地声纳时间剖面掌子面陆地声纳时间剖面隧道开挖出露的交叉裂隙和溶隙隧道开挖出露的交叉裂隙和溶隙德胜口隧道德胜口隧道ZK35+933掌子面陆地声纳时间剖面掌子面陆地声纳时间剖面2009年年2月月18日，德胜口隧道左洞日，德胜口隧道左洞ZK34+710+716，施工队未做初喷，在架设钢拱架时落石落石造成1死死3伤伤。此处为交叉小断层处，2008年12月29日预报100米外的ZK34+713前后有交叉断层，并特别提醒+710前后应特别注意。工程处理讨论会上，业主方负责人强调，预报已

30、特别指明了此处是危险位置，今后施工方应认真对待预报报告。德胜口隧道右洞德胜口隧道右洞2008年年11月月30日预报约日预报约160米外的米外的YK34+797前后前后2条交叉的条交叉的小断层是注意重点。施工队未按预报建议在此处特别加强初期支护，而安排小断层是注意重点。施工队未按预报建议在此处特别加强初期支护，而安排5、6个工人架设钢拱架。由于作者正要做掌子面前方地质预报，要求拱架架设工作暂个工人架设钢拱架。由于作者正要做掌子面前方地质预报，要求拱架架设工作暂停，并为了预报人员的安全，把全断面施工钢台架推顶至掌子面。台架刚就位，停，并为了预报人员的安全，把全断面施工钢台架推顶至掌子面。台架刚就位

31、，即发生落石，即发生落石，2处坍落面积均约处坍落面积均约2平方米，落石被钢架上的钢丝网阻挡，撤出了施平方米，落石被钢架上的钢丝网阻挡，撤出了施工民工，幸未造成大事故。工民工，幸未造成大事故。北京六环线卧龙岗隧道北京六环线卧龙岗隧道 隧道穿过千枚岩，为双洞平行浅埋公路隧道，穿过千隧道穿过千枚岩，为双洞平行浅埋公路隧道，穿过千枚岩，枚岩，施工时几百米两个隧道竟坍方施工时几百米两个隧道竟坍方4 4次，次，3 3次坍顶通到地次坍顶通到地面；为此付出的工程治理费用约面；为此付出的工程治理费用约40004000万元。后采用陆地声万元。后采用陆地声纳法做地质预报，除准确确定较大断层外，查出并确定许纳法做地质

32、预报，除准确确定较大断层外，查出并确定许多与较大断层相交的小断层，他们和较大断层的组合是造多与较大断层相交的小断层，他们和较大断层的组合是造成坍方的地质因素。经成坍方的地质因素。经6 6方会议（业主、设计、勘查、施方会议（业主、设计、勘查、施工、监理、预报）会商，根据预报提出的施工措施修改了工、监理、预报）会商，根据预报提出的施工措施修改了施工组织设计、施工办法，此后的剩余一半长度施工未再施工组织设计、施工办法，此后的剩余一半长度施工未再出现坍方。出现坍方。卧龙岗隧道东洞预报结果卧龙岗隧道东洞预报结果坍方位置坍方位置探查预报发现，探查预报发现，坍方是与较大的断层和密集的相交小断坍方是与较大的断

33、层和密集的相交小断层的组合造成的。层的组合造成的。地质勘查发现了较大断层，原做的隧道施地质勘查发现了较大断层，原做的隧道施工地质预报未能发现并确定这些密集的小断层，致使施工处工地质预报未能发现并确定这些密集的小断层，致使施工处理不到位。新的预报后，采用了预报单位的地质结论和资料，理不到位。新的预报后，采用了预报单位的地质结论和资料，并接受了预报单位提出的开挖、支护措施，并接受了预报单位提出的开挖、支护措施，以后施工安全顺以后施工安全顺利进行。现已通车。利进行。现已通车。锦屏二级电站引水洞的预报锦屏二级电站锦屏二级电站2#引水洞引水洞K13+186预报及开挖后实测反馈预报及开挖后实测反馈陆地声纳

34、法探查溶洞陆地声纳法探查溶洞 陆地声纳使用的宽高频带，对溶洞的反映很突出，陆地声纳使用的宽高频带，对溶洞的反映很突出，直径直径 m m 的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的优势的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的优势频段为频段为1000Hz1000Hz000Hz000Hz ，正是陆地声纳的最佳工作频段。，正是陆地声纳的最佳工作频段。南昆铁路羊寨基岩出露测区岩溶探查南昆铁路羊寨基岩出露测区岩溶探查（0-100m)南昆铁路铝厂隧道出口端南昆铁路铝厂隧道出口端断层、溶洞断层、溶洞等不良地质预报等不良地质预报沪蓉西高速公路齐岳山隧道沪蓉西高速公路齐岳山隧道左左洞暗河和溶洞洞暗河和溶洞预报暗河前

35、壁预报暗河前壁误差误差2-3m溶洞位置吻合溶洞位置吻合齐岳山隧道进口右洞齐岳山隧道进口右洞ZK326+250前后右墙角爆破揭露的暗河一角前后右墙角爆破揭露的暗河一角反映暗河的频谱反映暗河的频谱反映暗河和溶洞时的频谱反映暗河和溶洞时的频谱岩溶裂隙水的岩溶裂隙水的大涌水，许多与中小溶洞、溶隙、溶管有关大涌水，许多与中小溶洞、溶隙、溶管有关，它们可以形成集，它们可以形成集水的小室，导引地下水经过它顺某组张性裂隙或形成溶管涌出，锦屏即为一例。水的小室，导引地下水经过它顺某组张性裂隙或形成溶管涌出，锦屏即为一例。因此探查中小溶洞、溶隙、溶管是预报涌水的重要内容之一。因此探查中小溶洞、溶隙、溶管是预报涌水

36、的重要内容之一。锦屏二级电站辅助洞出口锦屏二级电站辅助洞出口A洞洞A13+585向进口方向探查向进口方向探查（A、B洞已开挖出水点位置已知）洞已开挖出水点位置已知）导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙的探查导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙的探查某某测测点点的的频频谱谱分分析析曲曲线线（溶洞和溶隙最佳反射频率（溶洞和溶隙最佳反射频率10003000Hz)LDS-3(2007年产年产)大峪子隧道用激震枪在掌子面激震激震枪发明专利受理通知书超磁致伸缩激振器，用蓄电池供电超磁致伸缩激振器，用蓄电池供电发明和实用新型发明和实用新型专利专利10项项计算机计算机软件著作权软件著作权10项项已授权发明专利已授权发

37、明专利7 7项项，计算机版权计算机版权1010项项，实用新实用新型专利型专利6 6项。项。已进入实审的发明专利已进入实审的发明专利4 4项项已列入国家行业标准已列入国家行业标准3部部仪器设备质检报告仪器设备质检报告已列入已列入3 3部国家行业标准，发表相关论文部国家行业标准，发表相关论文6060余篇余篇科学技术成果鉴定意见：科学技术成果鉴定意见：中中国国岩岩石石力力学学与与工工程程学学会会组组织织的的技技术术成成果果鉴鉴定定，有有包包括括5 5位院士的鉴定委员签章的鉴定意见位院士的鉴定委员签章的鉴定意见指出指出：解决了解决了下列难题下列难题 单点自激自收类型方法现场实测各层波速的难题；在隧道施

38、工地质预报中可分辨相互交叉的裂隙和断层，给出其产状并对它们作空间定位，实现了隧道工程施工中的中、小断层、交叉断层、中、小溶洞的地质隐患小尺度精细探查的要求；实现了浅层工程地质勘探中高分辨率探查和城市和隧道现场常规干扰情况下的有效探查；适应在山区地形起伏影响条件下的工作，地形影响小；在目前工程地质探测方法是重要的突破。突破了目前国内外在工程地质探测技术领域无法获取250Hz以上的国际性、历史性难题。科学技术成果鉴定意见：科学技术成果鉴定意见：形成了从基本理论、技术方法、仪器设备、数形成了从基本理论、技术方法、仪器设备、数据采集、资料处理软件以及工作方法及操作规程据采集、资料处理软件以及工作方法及

39、操作规程等全套技术。等全套技术。获获得得了了多多项项革革命命性性的的技技术术创创造造，实实现现了了精精细细探探查查、精精细细定定位位的的理理想想要要求求；技技术术成成果果具具有有原原创创性性 在在隧隧道道施施工工中中探探查查断断层层破破碎碎带带、溶溶洞洞等等方方面面以以及及在在城城市市、地地面面浅浅层层勘勘查查方方面面达达到到国国际际领领先先水水平。平。科学技术成果鉴定意见科学技术成果鉴定意见中国岩石力学与工程学会中国岩石力学与工程学会2012年发年发明奖一等奖明奖一等奖瞬变电磁法探水的主要方法，目标前方瞬变电磁法探水的主要方法，目标前方m瞬变电磁法探查掌子面前方水层原理示意图瞬变电磁法探查掌

40、子面前方水层原理示意图瞬变电磁法是通过掌子面前的一个大线圈产生电磁波，含水层受此瞬变电磁法是通过掌子面前的一个大线圈产生电磁波，含水层受此电磁波感应产生感应涡流，感应涡流产生感应电磁场，在掌子面上的探电磁波感应产生感应涡流，感应涡流产生感应电磁场，在掌子面上的探头接收，在剖面图上呈现低电阻反映头接收，在剖面图上呈现低电阻反映。工作：隧道中维空间的正演及反演研究工作：隧道中维空间的正演及反演研究仪器及发射系统改进仪器及发射系统改进现场试验现场试验干扰因素的研究干扰因素的研究1理论研究理论研究1）等效导电平面成像方法研究）等效导电平面成像方法研究2）数值模拟计算数值模拟计算 3）适合隧道超前地质预

41、报的瞬变电磁工作方法技术研究）适合隧道超前地质预报的瞬变电磁工作方法技术研究 4）隧道影响校正方法）隧道影响校正方法 5）现场实测试验）现场实测试验1）等效导电平面成像方法研究）等效导电平面成像方法研究由于隧道内的全空间的环境不同于地面的半空间情况，因此隧道中由于隧道内的全空间的环境不同于地面的半空间情况，因此隧道中的探测方法不能照搬地面方法，必须采用全空间条件下的理论和方法。的探测方法不能照搬地面方法，必须采用全空间条件下的理论和方法。目前在瞬变电磁法中，等效导电平面法是建立在全空间理论基础上的。目前在瞬变电磁法中，等效导电平面法是建立在全空间理论基础上的。另外，视纵向电导对低阻导电薄层反应

42、灵敏，有利于探测低阻充水断层。另外，视纵向电导对低阻导电薄层反应灵敏，有利于探测低阻充水断层。因此，本文将等效导电平面法引入到隧道的超前预报探测中。因此，本文将等效导电平面法引入到隧道的超前预报探测中。等效导电平面解释法是根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地等效导电平面解释法是根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的一种近似解释方法，因此又称层的一种近似解释方法，因此又称“视纵向电导解释法视纵向电导解释法”。由于该方法可。由于该方法可以形象地理解为：随着以形象地理解为：随着t的增减，等效导电平面以的增减，等效导电平面以1/0速度上下速度上下“浮动浮动”，故又称为，故又称为“浮动薄板解释法浮

43、动薄板解释法”。设在隧道掌子面上有圆形回线，其中通以阶跃电流，并在设在隧道掌子面上有圆形回线，其中通以阶跃电流，并在t=0时刻断开电源：时刻断开电源：则在则在t0时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由此涡流时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。设设A为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，为一完全导电平面，

44、面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，其中电流强度为。其中电流强度为。当电源断开时，由于电磁感应，导电板当电源断开时，由于电磁感应，导电板A上产生涡流，为求出涡流产生的电磁上产生涡流，为求出涡流产生的电磁场，在场，在A前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间任一点产生的电磁场即可。任一点产生的电磁场即可。根据电磁场理论，引入矢势根据电磁场理论，引入矢势，则导电板内任一点的电磁强度为，则导电板内任一点的电磁强度为则在则在t0时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由时，掌子面前方产生涡旋电流，在地

45、表任一点便可观测到由此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。设设A为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，其中电流强度为。线，其中电流强度为。当电源断开时，由于电磁感应，导电板当电源断开时，由于电磁感应，导电板A上产生涡流，为求出涡流产生的上产生涡流，为求出涡流产生的电磁场，在电磁场，在A前方处，置一虚源代替导

46、电平面板中的涡流，因此只需求出前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间任一点产生的电磁场即可。虚源在空间任一点产生的电磁场即可。得得在层状介质情况下，推出视纵向电导和视深度，其中为实测值，在层状介质情况下，推出视纵向电导和视深度，其中为实测值，为发射回线半径，为发射电流。，为发射回线半径，为发射电流。于是引入辅助函数于是引入辅助函数（1）又有又有可得可得 （2）值提取可由值提取可由(1)式和（式和（2）式构成的目标函数取极小求得最优解来）式构成的目标函数取极小求得最优解来获取。获取。综上所示，求取视纵向电导曲线的具体步骤为：综上所示，求取视纵向电导曲线的具体步骤为：(1)

47、首先求得首先求得实测曲线和它的时间导数曲线实测曲线和它的时间导数曲线；(2)把把和和代入代入(1)式，求得辅助函数式，求得辅助函数；(3)再由再由值计算对应的值值计算对应的值；(4)由由求得求得，再代入视纵向电导的表达式，求得，再代入视纵向电导的表达式，求得的值。的值。(5)对于一系列对于一系列值，再利用视深度的表达式便可得到值，再利用视深度的表达式便可得到曲线。曲线。(6)进行微分成像，即求进行微分成像，即求曲线的二次导数曲线曲线的二次导数曲线，画，画出该曲线与视深度的变化规律。出该曲线与视深度的变化规律。由于由于曲线对视深度的高灵敏性，它可在较早的时间范围曲线对视深度的高灵敏性，它可在较早

48、的时间范围内，以较高的灵敏度和信噪比将电性分界面分辨得很详细，而且深层位内，以较高的灵敏度和信噪比将电性分界面分辨得很详细，而且深层位电性特征也能在晚期部分得到反映。电性特征也能在晚期部分得到反映。长凼子隧道瞬变电磁法探水长凼子隧道瞬变电磁法探水锦屏二级电站辅助洞锦屏二级电站辅助洞表表5.2瞬变电磁超前地质预报效果统计表瞬变电磁超前地质预报效果统计表测线位置测线位置TEM推断结果推断结果开挖结果开挖结果A洞掌子面洞掌子面AK11+843AK11+822，充水裂隙，充水裂隙AK11+820，充水裂隙，充水裂隙AK11+812，充水裂隙，充水裂隙AK11+810，充水裂隙，充水裂隙AK11+806

49、，充水裂隙，充水裂隙AK11+805，充水裂隙，充水裂隙AK11+793，充水裂隙，充水裂隙AK11+790，充水裂隙，充水裂隙A洞掌子面洞掌子面AK11+447AK11+442，充水裂隙，充水裂隙AK11+445，充水裂隙，充水裂隙A洞掌子面（里程洞掌子面（里程AK11+843）视电阻率断面等值线图视电阻率断面等值线图 视纵向电导微分成像图视纵向电导微分成像图视电阻率异常三维体成像图视电阻率异常三维体成像图探地雷达探地雷达探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要手段。探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要手段。1 探地雷达探水的优势探地雷达探水的优势探地雷达是用发射天线向岩体发射有一定宽度的高

50、频电磁波，岩体中探地雷达是用发射天线向岩体发射有一定宽度的高频电磁波，岩体中的介质因介电常数的介质因介电常数的不同而反射雷达波被接收天线接收。介电常数差是的不同而反射雷达波被接收天线接收。介电常数差是雷达工作的基础。空气的介电常数为雷达工作的基础。空气的介电常数为1，岩石的介电常数为，岩石的介电常数为420，水的，水的介电常数为介电常数为81，水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对，水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对水有特别的敏感性。但是至今未有人从理论上作系统研究，在隧道地质水有特别的敏感性。但是至今未有人从理论上作系统研究，在隧道地质预报实践中大部分工作者未能成功应