隧道施工地質(zhì)災(zāi)害隱患的探查、預(yù)報新技術(shù)及集成系統(tǒng)(168頁)

1、將隱患變成明示 將危險消滅在出現(xiàn)之前 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) 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 中國鐵道科學(xué)研究院 山東大學(xué) 北京水工資環(huán)新技術(shù)開發(fā)有限公司 近幾年，每年完成的以鐵路、公路隧道達(dá)1000km以上，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(hù)神”。 隧道施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

2、強(qiáng)風(fēng)化巖脈、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，還有巖爆等，作者這里只介紹與坍方、涌水、涌泥有關(guān)的預(yù)報。巖爆等或許明年會議涉及。 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(shí)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 歷史： 上世紀(jì)70年代起，陸續(xù)有零星的試驗(yàn)工作

3、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重視，科研項(xiàng)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(yàn)，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(xiàng)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(diǎn)科研項(xiàng)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)

4、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(fù)視速度法（后又稱隧道VSP）和陸地聲納作為主要方法，探地雷達(dá)等作為輔助方法。第2階段由負(fù)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(shí)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(xiàng)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(dá)進(jìn)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(fù)視速度法相同，但采用一點(diǎn)接收，多點(diǎn)放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一點(diǎn)或幾個炮點(diǎn)激震多點(diǎn)接收的方式，強(qiáng)調(diào)物探概念和地質(zhì)。 當(dāng)時由于技術(shù)能

5、力、經(jīng)費(fèi)、工程問題和試驗(yàn)工程選擇困難的原因，未將水的探查預(yù)報作為主要研究內(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(fèi)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(dá)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(jìn)和試驗(yàn)美國TRT法 2005年12月國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高壓大流量巖溶裂隙

6、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(diǎn)研究開發(fā)陸地聲納法、瞬變電磁法和探地雷達(dá)為主； 2007年6月，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)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(shí)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(xiàng)的“復(fù)合激發(fā)極化法儀器和設(shè)備研究”通過立項(xiàng)評審。 以下的介紹將圍繞上述課題的技術(shù)方法。 對物探預(yù)報手段的要求（1）綜合物探要達(dá)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(qiáng)風(fēng)化巖脈、溶洞、溶管

7、、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?yàn)槭┕ば鑼τ谛?、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(jì)方也要作設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)）和鉆爆法的施工，TBM長達(dá)幾十米，機(jī)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(dá)200250m，雙車道公路隧道月開挖可

8、達(dá)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(dú)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(yuǎn)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(yuǎn)。 要能較準(zhǔn)確地作被探查地質(zhì)體的空間定位。 現(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。目前

9、，彈性波反射系列的方法，已投入應(yīng)用的如地震反射負(fù)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。它們都要在隧道中鉆孔設(shè)檢波器和用炸藥爆炸激振。探地雷達(dá)也是目前使用較多的方法。 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 但是隧道和地鐵施工的進(jìn)度和技術(shù)要求預(yù)報的精度要提高，要求探查溶洞、暗河，并要求對大涌水和涌泥要做出預(yù)報。 各種反射法實(shí)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，然后按公式 L=Vt/2 計(jì)算距離。其中 L為反射點(diǎn)的距離 t為測得

10、的反射波的走時 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(yuǎn)，誤差越大，干擾越多，錯誤率越高。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：120-150m以遠(yuǎn)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)確的定位；判斷較大出水點(diǎn)；2. 瞬變電磁法：80m左右遠(yuǎn)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(yuǎn)，區(qū)分自由水和束縛水，涌水量分級；2012年國家科技進(jìn)步二等獎陸地聲納法，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

11、納法工作示意圖 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(diǎn)連續(xù)剖面法”的簡稱。是彈性波反射法的新方法，吸收了水聲法、探地雷達(dá)、超聲波法的某些特點(diǎn)并采用了許多其他學(xué)科的技術(shù)，而形成了一個新品種。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(diǎn)，用錘擊方式激發(fā)彈性波，在激震點(diǎn)旁設(shè)檢波器接收被測物體的反射波，檢波器用凡士林與巖面耦合。然后將各測點(diǎn)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)

12、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(dá)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，探測距離較長。但反射類方法波的反射點(diǎn)，通常都不在掌子面正前方，作時深轉(zhuǎn)化后得到的

13、是測點(diǎn)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。 陸地聲納法,將邊墻測波速的小折射波測點(diǎn)改成幾個零震-檢距的測點(diǎn)，即可和掌子面上原布置的水平和鉛垂向剖面上的測點(diǎn)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維建模計(jì)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(jì)算其走向鉛垂向剖面可反映反射面的傾向、傾角陸地聲納法的上述的這些特點(diǎn)，帶來以下優(yōu)點(diǎn)： （1）近零震一檢距的方法，反射波是最后到達(dá)的波，用此可以避開直達(dá)波 、聲波、面波的干擾。（2）入射波

14、的反射角近于零，沒有轉(zhuǎn)換波，測得的反射波效率高。（3）采用分窗口帶通濾波技術(shù)提取不同頻段的波，因此可避免測線附近人行、車行及其他機(jī)械的干擾，可以在鬧市區(qū)作正常數(shù)據(jù)采集。（4）顯示方式更便于利用反射波的相位和振幅特征。（5）不必固著檢波器，現(xiàn)場采集工作效率高。 優(yōu)點(diǎn)在淺層勘探的時候，可避開直達(dá)波、面波、折射波的干擾 1920年，彈性波反射方法出現(xiàn)時的理論基礎(chǔ)是自激自收（左圖），但為勘探石油，采用爆炸震源，而發(fā)展成一點(diǎn)激發(fā)，多點(diǎn)接收的方法（右圖）。更接近基本理論自激自收得到垂直反射面反射波，轉(zhuǎn)換波能量最小，接收到的波最單純，干擾小 一點(diǎn)激發(fā)，多點(diǎn)接收采用疊前偏移、水平疊加等辦法，使結(jié)果盡量接近自激

15、自收效果優(yōu)點(diǎn) 傳統(tǒng)的地震勘探使用的頻率均低于250 Hz,為提高分辨率，國內(nèi)外均在努力擴(kuò)展頻率范圍。本項(xiàng)目采用不同于傳統(tǒng)檢波器的思路，實(shí)現(xiàn)了超寬頻帶高靈敏度檢波器，儀器主機(jī)則實(shí)現(xiàn)了采樣率高，采樣長度長的專用儀器。 超寬頻帶高靈敏檢波器，而且在有效工作頻率內(nèi)，均衡穩(wěn)定的響應(yīng)各頻率的振動信號。檢波器檢波器特性曲線山東省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所產(chǎn)品質(zhì)量檢測實(shí)測資料振幅譜 本項(xiàng)目采用新的構(gòu)思用錘擊型震源激發(fā)高寬頻 實(shí)測激震頻譜 檸條塔礦地面探查超過175-200m深反射波頻譜 陸地聲納專用儀器從1991年至2010年經(jīng)過了四代更新，2006年選用A770軍用加固型筆記本計(jì)算機(jī)作為主工控機(jī)，接插名牌數(shù)據(jù)采集卡

16、（工業(yè)級）加信號調(diào)理前置板組成，型號LDS-3、 LDS-4。研制的系列儀器和專業(yè)設(shè)備均為輕巧的便攜式，具有超強(qiáng)防塵、防水、抗震的性能，提高野外工作效率。二、主要科技創(chuàng)新第三代第四代復(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)值模擬圖像應(yīng)用實(shí)例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+448掌子面陸地聲納時間剖面隧道開挖出露的交叉裂隙和溶隙德勝口隧道 ZK35+933掌子面陸地聲納時間剖面 2009年2月18日，德勝口隧道左洞ZK34+710+716，施工隊(duì)未做初噴，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，20

17、08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(fù)責(zé)人強(qiáng)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(rèn)真對待預(yù)報報告。 德勝口隧道右洞2008年11月30日預(yù)報約160米外的YK34+797前后2條交叉的小斷層是注意重點(diǎn)。施工隊(duì)未按預(yù)報建議在此處特別加強(qiáng)初期支護(hù)，而安排5、6個工人架設(shè)鋼拱架。由于作者正要做掌子面前方地質(zhì)預(yù)報，要求拱架架設(shè)工作暫停，并為了預(yù)報人員的安全，把全斷面施工鋼臺架推頂至掌子面。臺架剛就位，即發(fā)生落石，2處坍落面積均約2平方米，落石被鋼架上的鋼絲網(wǎng)阻擋，撤出了施工民工，幸未造成大事故。北京六環(huán)

18、線臥龍崗隧道 隧道穿過千枚巖，為雙洞平行淺埋公路隧道，穿過千枚巖，施工時幾百米兩個隧道竟坍方4次，3次坍頂通到地面；為此付出的工程治理費(fèi)用約4000萬元。后采用陸地聲納法做地質(zhì)預(yù)報，除準(zhǔn)確確定較大斷層外，查出并確定許多與較大斷層相交的小斷層，他們和較大斷層的組合是造成坍方的地質(zhì)因素。經(jīng)6方會議（業(yè)主、設(shè)計(jì)、勘查、施工、監(jiān)理、預(yù)報）會商，根據(jù)預(yù)報提出的施工措施修改了施工組織設(shè)計(jì)、施工辦法，此后的剩余一半長度施工未再出現(xiàn)坍方。臥龍崗隧道東洞預(yù)報結(jié)果坍方位置探查預(yù)報發(fā)現(xiàn)，坍方是與較大的斷層和密集的相交小斷層的組合造成的。地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)了較大斷層，原做的隧道施工地質(zhì)預(yù)報未能發(fā)現(xiàn)并確定這些密集的小斷層，致

19、使施工處理不到位。新的預(yù)報后，采用了預(yù)報單位的地質(zhì)結(jié)論和資料，并接受了預(yù)報單位提出的開挖、支護(hù)措施，以后施工安全順利進(jìn)行。現(xiàn)已通車。錦屏二級電站引水洞的預(yù)報錦屏二級電站2#引水洞K13+186預(yù)報及開挖后實(shí)測反饋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) 南昆鐵路鋁廠隧道出口端斷層、溶洞等不良地質(zhì)預(yù)報滬蓉西高速公路齊岳山隧道左洞暗河和溶洞預(yù)報暗河前壁 誤差2-3m 溶洞位置吻合齊岳山隧道進(jìn)口右洞ZK326+25

20、0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(jìn)口方向探查（A、B洞已開挖出水點(diǎn)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(diǎn) 的 頻 譜 分 析 曲 線（溶洞和溶隙最佳反射頻率10003000Hz)LDS-3 (2007年產(chǎn))大峪子隧道用激震槍在掌子面激震激震槍發(fā)明專利受理通知書超磁致伸縮激振器，用蓄電池供電發(fā)明和實(shí)用新型專利1

21、0項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)10項(xiàng) 已授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)，計(jì)算機(jī)版權(quán)10項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)。已進(jìn)入實(shí)審的發(fā)明專利4項(xiàng)已列入國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3部儀器設(shè)備質(zhì)檢報告已列入3部國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)表相關(guān)論文60余篇科學(xué)技術(shù)成果鑒定意見： 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會組織的技術(shù)成果鑒定，有包括5位院士的鑒定委員簽章的鑒定意見指出：解決了下列難題 單點(diǎn)自激自收類型方法現(xiàn)場實(shí)測各層波速的難題； 在隧道施工地質(zhì)預(yù)報中可分辨相互交叉的裂隙和斷層，給出其產(chǎn)狀并對它們作空間定位，實(shí)現(xiàn)了隧道工程施工中的中、小斷層、交叉斷層、中、小溶洞的地質(zhì)隱患小尺度精細(xì)探查的要求； 實(shí)現(xiàn)了淺層工程地質(zhì)勘探中高分辨率探查和城市和隧道現(xiàn)場常規(guī)干擾情況下的有效

22、探查；適應(yīng)在山區(qū)地形起伏影響條件下的工作，地形影響?。辉谀壳肮こ痰刭|(zhì)探測方法是重要的突破。 突破了目前國內(nèi)外在工程地質(zhì)探測技術(shù)領(lǐng)域無法獲取250Hz以上的國際性、歷史性難題。 科學(xué)技術(shù)成果鑒定意見： 形成了從基本理論、技術(shù)方法、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、資料處理軟件以及工作方法及操作規(guī)程等全套技術(shù)。 獲得了多項(xiàng)革命性的技術(shù)創(chuàng)造，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)探查、精細(xì)定位的理想要求；技術(shù)成果具有原創(chuàng)性 在隧道施工中探查斷層破碎帶、溶洞等方面以及在城市、地面淺層勘查方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平?？茖W(xué)技術(shù)成果鑒定意見中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會2012年發(fā)明獎一等獎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

23、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(jìn)現(xiàn)場試驗(yàn)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(jì)算 3）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(shí)測試驗(yàn)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，

24、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?。因此，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“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(diǎn)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(diǎn)的感應(yīng)電磁場。 設(shè)A為一

25、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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)的電磁強(qiáng)度為 則在t0 時，掌子面前方產(chǎn)生渦旋電流，在地表任一點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)度為。當(dāng)電源斷開時，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)電板A

26、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(diǎn)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(shí)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)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(shí)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(jì)算對應(yīng)的值 ；(4)由 求得 ，再代入視縱向電導(dǎo)的表達(dá)式，求得 的值。(5)對于一系列 值，再利用視深度的表達(dá)式便可得

27、到 曲線。(6)進(jìn)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(xì)，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瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報效果統(tǒng)計(jì)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

28、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探地雷達(dá)探地雷達(dá)是目前隧道地質(zhì)預(yù)報探水的最主要手段。1 探地雷達(dá)探水的優(yōu)勢探地雷達(dá)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(dá)波被接收天線接收。介電常數(shù)差是雷達(dá)工作的基礎(chǔ)?？諝獾慕殡姵?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(yuǎn)高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達(dá)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(shí)踐中大部分工作者未能成功

29、應(yīng)用。因此解決有關(guān)理論和實(shí)踐問題列為本課題的任務(wù)之一。經(jīng)過理論推導(dǎo)得到以下結(jié)論：判水原則雷達(dá)波對水和含水率高的介質(zhì)的反射強(qiáng)烈，反射波強(qiáng)度大；雷達(dá)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(dá)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(dá)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

30、、各向同性，則 H = （e + j）E = j(- je/) 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(dá)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(shí)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(dá)波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率

31、降低。 （2）雷達(dá)波對水和含水率高的介質(zhì)的反射強(qiáng)烈，反射波強(qiáng)度大有耗媒質(zhì)中 = -2+422+2221/2 1/2 /2 = （0）1/2r2+ （600）1/2/2 其中0為雷達(dá)波在空氣中的波長, 0= c/f =2c/ c為雷達(dá)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(dá)波是橫波，垂直入射到反射面 ki r = kr r Ei ki =0 Er kr =0 ZC1

32、/ZC2 =n2/n1 其中n1=（1）1/2 n2=（2）1/2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(qiáng)度越大, 水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大與巖石,因此雷達(dá)波的反射強(qiáng)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

33、+ n1/n2)2 若n1 n2則 R 2- 2（n1/n2)/ 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(qiáng)度越大，約接近1。水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大與巖石,因此雷達(dá)波的反射強(qiáng)烈。（3）雷達(dá)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(shí)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(fù)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(dá)波的重要

34、正演概念，是分析和解釋含水層反射信號的基本原則。錦屏二級電站輔助洞已知條件下的實(shí)測實(shí)驗(yàn)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(qiáng)反射和反射波正半周在前，與雷達(dá)入射子波負(fù)半周在前相反。AK12+900前后左邊墻雷達(dá)探水時間剖面AK11+447掌子面雷達(dá)探水時間剖面（經(jīng)開挖證實(shí)）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(dá)發(fā)射子波是負(fù)半周在前，故含水砂層的強(qiáng)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(shí)。瞬變電磁法與陸地聲納綜合探查陸地聲納與探地雷達(dá)組合探查預(yù)報小溶洞、溶隙及出水位置區(qū)

35、分束縛水和自由水的復(fù)合式激發(fā)極化法國家 863項(xiàng)目和自然科學(xué)基金裝備專項(xiàng)支持這是用于隧道掌子面前方含水體水量預(yù)測的方法二電流激發(fā)極化半衰時差值法之中（簡稱半衰時差值法）。該方法以定電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，即半衰時之差。繪制半衰時差隨AM的變化曲線。含束縛水或者不含水的地質(zhì)體，半衰時之差應(yīng)為負(fù)值或零；自由水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)線面積呈正相關(guān)關(guān)系。激發(fā)極化法應(yīng)用于過探查地下水已有30年，但他只能根據(jù)極化率來判斷水，并且不能區(qū)分自由水（可以流動的水）還是束縛水（含在

36、泥沙中的水），區(qū)分不了含水層還是淤泥。激發(fā)極化的理論是來自雙電層和薄膜極化的假說。雙電層的形成 薄膜極化（窄孔隙）示意圖(b)外電場中正離子流出窄孔隙a)窄孔隙中正離子過剩30年來，按此假說和物理模擬試驗(yàn)讀的到結(jié)論：供給的激發(fā)電流大小不影響極化率和極化電流半衰期大小。但作者提出滲透電場在激發(fā)電流激發(fā)下受干擾的新理論。認(rèn)為采用不同大小的激發(fā)電流，對流動的水的不同水量會有不同的極化半衰期。以前的物理模擬試驗(yàn)未考慮流動水的情況。改用流動水作模擬試驗(yàn)則出現(xiàn)了完全不同的結(jié)果。模型整體實(shí)物圖模型整體效果圖試驗(yàn)內(nèi)容與目的通過模擬隧道含水體超前預(yù)報情況研究水量與半衰時之差的關(guān)系提出水量估算方法試驗(yàn)裝置模型架；

37、含水構(gòu)造。含水構(gòu)造實(shí)物圖含水構(gòu)造設(shè)計(jì)圖含水?dāng)鄬铀淼狼惑w右后前上下左2m4.5m2m 含水構(gòu)造水量預(yù)測物理模型試驗(yàn)含水量與半衰時之差的關(guān)系二電流激發(fā)極化時差具有區(qū)分自由水和束縛水的能力：初始數(shù)據(jù)（未注水）均為負(fù)值，而加水之后，在曲線的前段出現(xiàn)了正值；二電流激發(fā)極化時差超前探測數(shù)據(jù)包絡(luò)面積與水量的關(guān)系注入水量與半衰時之差包絡(luò)面積成線性正相關(guān)關(guān)系。隧道含水構(gòu)造含水量預(yù)測技術(shù)隧道含水構(gòu)造含水量預(yù)測技術(shù)二期模型試驗(yàn)(a)斷層超前探測示意圖(b)斷層超前探測照片斷層超前探測試驗(yàn)(a)溶洞超前探測示意圖(b)溶洞超前探測照片溶洞超前探測試驗(yàn)時域激電儀器電極布置兩個斷層超前探測試驗(yàn)數(shù)據(jù)斷層1未注水?dāng)鄬?注水量

38、0.074m斷層1注水量0.124m 斷層1注水量0.198m 斷層1注水量0.297m 斷層1注水量0.371m 在斷層2注入體積為0.371m的水的情況下，分步驟向斷層1注水；半衰時之差數(shù)據(jù)對兩個斷層有一定的分辨能力；兩個溶洞超前探測試驗(yàn)數(shù)據(jù)向溶洞1和溶洞2同時分步驟注水，注入水量一致；半衰時之差數(shù)據(jù)對兩個溶洞有一定的分辨能力；半衰時之差包絡(luò)面積與水量呈線性正相關(guān)關(guān)系。溶洞1包絡(luò)面積與水量的關(guān)系注水量0.008m注水量0.016m注水量0.048m注水量0.120m視極化率正演數(shù)據(jù) 含導(dǎo)水?dāng)鄬映疤綔y正演模擬直立含水?dāng)鄬映疤綔y正演視電阻率數(shù)據(jù)響應(yīng)特征 極小值的存在是主要響應(yīng)特征 曲線的尾支數(shù)值趨于圍巖的電阻率 視極化率數(shù)據(jù)響應(yīng)特征 極大值的存在是主要響應(yīng)特征 曲線的首支數(shù)值趨于圍巖的極化率曲線形態(tài)受到斷層電性、規(guī)模以及位置等多個因素的綜合影響。錦屏二極電站輸水隧洞超前預(yù)報二電流激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù) 反演成像 K13+643出水點(diǎn) K13+672位置出水點(diǎn) K13+672位置出水點(diǎn) K13+643出水點(diǎn) 三峽翻壩公路雞公嶺隧道預(yù)報實(shí)踐三峽翻壩公路雞公嶺隧道屬高風(fēng)險巖溶隧道，隧道左洞施工至ZK19+500段落時具有較高突涌水災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險。2009年12月6日, 在左洞ZK19+509處開展了激發(fā)極化法超前地質(zhì)預(yù)報。實(shí)測資料三維電阻率反演成像預(yù)報結(jié)果 激發(fā)極化法超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果