隧道地质灾害超前探测方法研究

论文摘要

隧道属于地下建筑工程,施工中常遇到各种不良地质地段,突泥、突水、瓦斯突出、岩爆等灾害性地质现象（即隧道地质灾害）时有发生。随着我国隧道工程数量、规模不断扩大,深、大、长隧道增加,施工过程中遇到的工程地质、水文地质条件越来越复杂,隧道地质灾害超前探测的理论和实践研究意义重大。超前探测以介质物理性质及结构差异为基础,是地球物理探测方法在隧道、地下井巷、采场等工作面上的运用,通过观测地下物理场的分布及其变化规律来研究工作面前方是否存在地质异常以及地质体赋存状况及规模。论文以隧道地震预报（Tunnel Seismic Predication）和探地雷达（Ground Penetrating Radar）的基本理论、技术方法为基础,结合其在超前地质预报中的实践应用开展研究。阐明了隧道地质灾害体的主要类型、成因、地质与构造特征及物理力学性质;基于层状地质模型和隧道地震反射法的基本原理,推导并研究了多层介质反射波时距曲线的特点;用Richer子波和正弦指数衰减子波模拟了多层介质模型的合成记录,从调谐厚度与调谐厚度差出发,讨论了地震波对薄层结构的分辨能力,剖析了入射角和界面“空间角”对反射系数的影响。在此基础上,总结提出了资料分析解释的基本准则,介绍了TSP203超前地质预报系统的特点,结合工程实例讨论了影响探测效果的主要因素;设计了一种“赤道组合检波观测系统”,阐述了其基本原理和实践方法,为后续反演叠代提供了精确的初始速度参数。以探地雷达法的基本原理为基础,利用时域有限差分（FDTD）理论,把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分格式,采用中心差近似代替Maxwell方程组中的微分算符,得到二阶精度的场值抽样,以时间递推的方式直接模拟电磁作用过程;运用梅-方超吸收边界条件对二层介质、圆柱体介质及其组合进行多种模型的正演模拟;黔桂铁路新线隧道的探测成果证明了这种模拟方法的合理性和正确性;在此基础上,总结了各种不同岩层、岩溶雷达图像的一般规律,讨论了影响GPR探测效果的主要因素和关键技术。理论研究和实践表明,TSP方法主要反映岩石的力学性质,属长距离地质预报,对层状介质的探测效果较好,对小型溶洞探测效果不够理想,对远距离解译的精度不够高;GPR法主要反映介质的电性和介电性质,具有较高的分辨能力,对洞穴、夹层和断裂带具有较高的识别能力,但探测距离有限。长期超前地质预报宜采用TSP方法,对TSP探测成果有怀疑的地段或岩溶较发育区段选用GPR方法,结合地质构造特点进行综合分析解释,相互验证补充,以提高超前预报的可靠程度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 隧道地质灾害超前预报研究进展
• 1.2.1 国外研究及应用概况
• 1.2.2 国内研究及应用现状
• 1.3 超前探测的难点及存在的主要问题
• 1.4 研究思路
• 1.4.1 关于探测方法
• 1.4.2 关于正、反演理论和试验研究
• 1.4.3 关于观测系统
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 隧道地质灾害的地质地球物理特征
• 2.1 地质灾害体的地质及构造特征
• 2.1.1 引起大塌方的工程地质条件
• 2.1.2 引起突水灾害的地质条件
• 2.1.3 特殊岩性地层
• 2.2 地球物理特征
• 2.2.1 密度与波速
• 2.2.2 电阻率
• 2.2.3 介电常数
• 2.2.4 岩石的红外辐射特性
• 2.3 隧道围岩分类和工程岩体分级
• 2.3.1 分类方法
• 2.3.2 分级依据
• 2.4 本章小结
• 第三章 隧道地震反射法基本理论与记录合成
• 3.1 均匀介质中的波动方程
• 3.1.1 应力与应变
• 3.1.2 应力与应变的关系
• 3.1.3 波动方程
• 3.2 地震反射法基本原理
• 3.2.1 TSP法
• 3.2.2 TVSP法
• 3.3 时距曲线方程
• 3.3.1 一个平界面
• 3.3.2 多个平界面
• 3.3.3 时距曲线特点
• 3.4 弹性纵波在界面上的反射和透射
• 3.4.1 波函数
• 3.4.2 边界条件
• 3.4.3 反射系数和透射系数
• 3.4.4 垂直入射反射系数
• 3.5 地震记录的人工合成
• 3.5.1 地震子波及二层介质模型地震记录合成
• 3.5.2 多层介质模型地震记录合成
• 3.5.3 垂向分辨能力
• 3.6 入射角及界面“空间角”对反射系数的影响
• 3.6.1 入射角对反射系数的影响
• 3.6.2 “空间角”的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 赤道组合检波与资料处理解释
• 4.1 TSP203超前预报系统
• 4.1.1 系统工作原理
• 4.1.2 系统主要组成和技术性能
• 4.1.3 TSPwin资料处理流程
• 4.2 赤道组合检波观测系统
• 4.2.1 赤道组合检波观测系统设计
• 4.2.2 赤道组合检波观测系统的优点
• 4.3 数据处理
• 4.3.1 通带滤波与初至前归零
• 4.3.2 直达波的拾取
• 4.3.3 Q值估计
• 4.3.4 反射波提取
• 4.3.5 P-S波分离与速率分析
• 4.3.6 深度偏移和反射面提取
• 4.4 资料解释原则与工程实例
• 4.4.1 资料解释的一般原则
• 4.4.2 雪峰山隧道（YK96+761～YK96+861）超前探测成果分析
• 4.4.3 朱家岩隧道（YK53+032～YK52+890）超前探测成果分析
• 4.4.4 不良地质体的基本特征
• 4.5 主要影响因素
• 4.5.1 激发条件
• 4.5.2 接收传感器的安放
• 4.5.3 仪器参数的选择
• 4.5.4 观测系统的布置
• 4.6 关于TSP的讨论
• 4.6.1 TSP法应用条件
• 4.6.2 TSP反演计算的速度
• 4.6.3 物探和地质综合解译
• 4.7 本章小结
• 第五章 隧道地质灾害超前预报雷达探测法
• 5.1 探地雷达基本理论
• 5.1.1 雷达探测原理
• 5.1.2 电磁波速度估计
• 5.1.3 岩石的介电常数与反射系数
• 5.2 时域有限差分法雷达波正演
• 5.2.1 时域有限差分法的基本原理
• 5.2.2 吸收边界条件与梅-方超吸收边界条件
• 5.2.3 水平层状模型数值模拟
• 5.2.4 圆柱体模型数值模拟
• 5.2.5 复杂模型数值模拟
• 5.3 雷达探测实例
• 5.3.1 工程概况
• 5.3.2 溶洞类地质体雷达图像特征
• 5.3.3 断层破碎及夹层类地质体雷达图像特征
• 5.3.4 裂隙类地质体雷达图像特征
• 5.3.5 多个异常体雷达图像特征
• 5.3.6 综合成果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要研究成果