复杂地质条件下长大隧道综合地质超前预报研究

论文摘要

长大隧道一般埋深较大并且地质条件复杂,在初期勘察中很难准确查明水文、地质条件。地质超前预报能及时发现掌子面前方地质情况变化,达到提前采取工程措施、控制风险的目的。论文通过地质调查、理论分析、数值模拟和现场探测等方法,对复杂地质条件下长大隧道的综合地质超前预报相关问题进行了较深入的研究。论文的主要研究内容和成果如下:①概括和对比了地质超前预报的常用方法,重点阐述了地质雷达探测法的基本理论、探测方法、探测仪器、数据采集以及数据处理,并对TGP预报系统的原理和方法做了分析。结合各种地质超前预报方法的优缺点,提出了以地质法为基础,以地质雷达为核心,以地震反射波法为辅助的综合地质超前预报方法。②由于地质法是综合地质超前预报的基础,本文对云中山特长隧道进行了比较详细的地质调查和灾害分析,掌握了隧址区的工程地质和水文地质特征,初步分析了隧道施工可能出现的地质灾害类型。③采用时域有限差分法编写了Mtalab程序,对完整围岩、断层破碎带、富水带、溶洞的常见地质情况进行地质雷达正演模拟,得到了不同规模、不同角度、不同大小、不同填充物的11种常见地质情况的典型地质雷达特征图像。④以云中山隧道为依托,应用了本文提出的综合地质超前预报方法,通过工程验证,经过在准确性、连续性、及时性、对施工影响程度等方面的分析评价,表明本方法能够满足复杂地质条件下长大隧道的施工需求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地质超前预报的常用方法
• 1.2.2 综合地质超前预报方法
• 1.3 本文的研究内容和技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 综合地质超前预报方法
• 2.1 地质法地质超前预报
• 2.1.1 地表地质复查
• 2.1.2 利用侧墙出露断层预报前方地质
• 2.1.3 掌子面地质素描法
• 2.2 地震反射波法地质超前预报
• 2.2.1 探测仪器
• 2.2.2 探测原理
• 2.2.3 探测方法
• 2.3 地质雷达用于超前预报的理论与方法
• 2.3.1 波动方程
• 2.3.2 平面电磁波在无耗介质中的传播
• 2.3.3 平面电磁波在耗散介质中的传播
• 2.3.4 平面波在介质分界面的反射和透射
• 2.3.5 地质雷达的探测方法
• 2.3.6 探测仪器
• 2.3.7 ProEx 系统的性能指标
• 2.3.8 REFLEXW 软件
• 2.4 综合地质超前预报流程
• 2.4.1 地表地质复查
• 2.4.2 掌子面地质素描
• 2.4.3 地震反射波法探测
• 2.4.4 地质雷达探测
• 2.4.5 综合分析
• 2.5 本章小结
• 3 云中山隧道地质调查与地质灾害分析
• 3.1 忻保高速公路工程概述
• 3.2 云中山特长隧道工程概况
• 3.2.1 云中山地质概况
• 3.2.2 地层岩性
• 3.2.3 隧址区水文地质条件
• 3.2.4 隧址区稳定性分析评价
• 3.3 典型地质灾害分析
• 3.3.1 断层破碎带
• 3.3.2 富水带
• 3.3.3 溶洞
• 3.3.4 地应力状况
• 3.3.5 瓦斯隧道地质灾害
• 3.4 地表地质复查
• 3.5 本章小结
• 4 典型地质情况地质雷达特征图像正演模拟
• 4.1 FDTD 法正演模拟的基本原理
• 4.1.1 麦克斯韦方程组和Yee 元胞
• 4.1.2 二维空间TM 波FDTD 方程
• 4.2 解的稳定性和数值色散
• 4.2.1 courant 稳定性条件
• 4.2.2 数值色散
• 4.3 UPML 吸收边界条件
• 4.4 计算机程序实现
• 4.4.1 设置激励源
• 4.4.2 计算流程
• 4.5 不良地质情况模型正演模拟
• 4.5.1 完整围岩模拟
• 4.5.2 2m 宽水平断层破碎带模拟
• 4.5.3 4m 宽水平断层破碎带模拟
• 4.5.4 2m 宽倾斜断层破碎带模拟
• 4.5.5 2m 宽水平富水带模拟
• 4.5.6 4m 宽水平富水带模拟
• 4.5.7 2m 宽倾斜富水带模拟
• 4.5.8 边长2m 的正方形溶洞模拟
• 4.5.9 边长2m 的正方形充水溶洞模拟
• 4.5.10 半径0.5m 的圆形溶洞模拟
• 4.5.11 半径0.5m 的圆形充水溶洞模拟
• 4.5.12 典型地质情况特征图像特点分析
• 4.6 本章小结
• 5 云中山隧道综合地质超前预报
• 5.1 断层破碎带综合地质超前预报成果
• 5.1.1 地表地质复查
• 5.1.2 掌子面地质素描
• 5.1.3 地震反射波法探测
• 5.1.4 地质雷达探测
• 5.1.5 综合预报结果与开挖揭露地质情况
• 5.2 富水带综合地质超前预报成果
• 5.2.1 地表地质复查
• 5.2.2 掌子面地质素描
• 5.2.3 地震反射波法探测
• 5.2.4 地质雷达探测
• 5.2.5 综合预报结果与开挖揭露地质情况
• 5.3 综合地质超前预报效果评价
• 5.3.1 准确性
• 5.3.2 对隧道施工的干扰
• 5.3.3 及时性
• 5.3.4 连续性
• 5.4 应用总结
• 5.4.1 地质法
• 5.4.2 TGP 预报系统
• 5.4.3 地质雷达探测法
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录