隧道毕业论文翻译(隧道施工中的地质灾害预测)(中文)
毕业设计(论文)
外文翻译
题 目 隧道施工中的地质灾害
预测
专 业 岩土与地下结构工程
班 级 岩土0801班
学 生
指导教师 李明
重庆交通大学
2012年6月
隧道施工中的地质灾害预测
李术才、李书辰、张青松、薛一国、刘斌、苏茂新
摘要:在隧道建设中复杂的地质条件和地质灾害具有挑战性的问题,这将造成很大的人员伤亡和财产损失。因此,可靠的预测地质缺陷的特征,如断层、岩溶、洞穴和地下水,具有重要的实践意义和理论价值。在本文中,我们提出了标准典型的地质异常检测隧道地震预测(TSP)的方法。地质雷达(GPR)通过信号采集理论推导出含水结构。短暂三维成像的电磁法(TEM)用来开发等效电导法。为了改良的一个预测技术,通过分析所有预测方法的优缺点,我们设计了一种可靠的预测地质缺陷特征的技术系统。这项应用技术我们将在过程中详细的阐述。为了更好的预测,预测方法的选择是一个重要及具有挑战性的工作。为了预测的最优化,我们开发了层次分析法(AHP)。在中国,我们在几个重要项目杀运用了这项新开发的预测系统,其中包括沪蓉西高速公路、金平2号水力发电站、胶州湾海底隧道。这些个案研究表明:在隧道施工地质灾害中,我们成功检测到了地质缺陷特征,并且具有较高的精确度和效率,也证明了它是一个有效能把风险降到最低的预测系统。
关键词:隧道工程、地质灾害、综合预测、隧道地震预测(TSP)、地质雷达(GPR)、瞬变电磁法(TEM)、层次分析法(AHP)。
1. 简介
在中国,许多大型项目都在修建中,如水利和电站、铁路、高速公路、能源储存和运输系统,以及地下矿山。这些项目为工程的进步提供了一个重要的机遇。然而,由于复杂地质条件和潜在的地质灾害,会造成重大的生命和财产损失,也存在严峻的挑战。因此,改善地质缺陷的预测能力成为了非常重要的事情,例如:断层、岩溶洞穴和地下水[1-6]淹没。
中国的大多数隧道的特点就是长度长,覆盖面积广和地质条件复杂。例如:宜昌到万州的铁路坐落在山区,以其危险性很高的岩溶地质和高透水度著称。严重的水涌也给贯通马鹿箐隧道和野三关隧道的宜昌-万州铁路带来了巨大的伤亡和经济损失。在水电工程领域,四川省内金平2号水电站的辅助隧道全长17.5公里,深2375米。如此大的负荷使隧道层在极高的原位应力之下。在这种环境下,隧道的施工将会受到潜在的岩爆,尤其是在不良地质条件,如断层、虚弱围岩及地下水的污染更有可能发生。
在中国,研究地质灾害的控制在隧道施工中已成为一个及其重要的问题,包括有关机理、处理技术、预测技术。地质缺陷特预测在危害控制方面起着至关重要的作用,本文对其进行了详细的阐述。
目前,地质预测方法危害源可以分为两大类:地质调查和物探。地质调查包括工程地质分析、导向开挖及岩心钻探,而物探包括地震、磁力和地质雷达方法。每种方法有自己的优缺点。要得到好的结果,综合预测方法需要多加练习。 实际的研究已进行,很难预测谁会成为综合地质灾害的来源预测的新方法。李等人[2、3]总结了裂缝中对地下水预测方法和岩溶环境的不利地质因素。屈等人[5]提出了一种方法利用系统理论预测地质灾害来源。王等人[6]对厦门的水下隧道建设地质灾害预测进行了综合研究。迪等人[7]在隧道施工中开发了一种综合物理预测法。在他们的方法中,地质灾害的预测主要依靠有声地磁雷达的方法。 当前困难的问题是如何才能进行可靠的预测包括:(1)识别和灾害定位,裂隙、岩溶洞穴及地下水群(例如地下河);(2)含水层的预测;(3)解释预测结果、多种物探结果的解释和优化预测方法的选择。
对于前两个问题,评估典型的地质异常已经可以靠改进中的TSP识别和定位地质缺陷的技术。探地雷达的信号可以监测含水断层结构和三维瞬变电磁法(TEM),探地雷达现已经被研究成为可以解决识别含水结构。层次分析法(AHP)被引用进来以优化预测方法。在中国,这种方法已经被用于很多关键的项目以便更可靠的预测危险地质情况。例如沪蓉西高速公路、金平2号水力发电站、胶州湾海底隧道。这些案例研究表明已经成功的检测到地质异常而且具有良好的精度和效率。
2.隧道施工中预测地质灾害的方法
地质条件和围岩的水文环境的调查都才采用了地质勘查技术。该工程地质分析方法可以预测大规模的缺陷,潜在的岩溶洞穴群和地下暗河。当然导向钻进和岩心钻探法能够为地质灾害的来源提供详细的信息。然而后两者时间和花费较高。
2.1地质分析法
地质分析法是一种长期预测的方法。通过分析地质资料和记录数据的结果,
采用地质素描法结合地貌底层和构造地质理论预测的前方的工作面地质条件。这种预测方法可以任何时间做,不影响正常施工。可是,这只能预测一些明显的不利地质条件。
2.2采用TSP识别不良地质
地震波是可反射的弹性波。因此,他的应用范围宽,但是他的超前预报落后于现场的应用结果。我们对于这种方法对弹性波的各种典型地质缺陷的响应特征进行了研究。
研究发现,断层和断裂破碎带可以被识别,根据以下的观察:(1)竖直方向的垂直反射波小幅增加;(2)深度偏移伴随很强的负反射开始,伴随很强的正反射结束,其间在反射带有杂乱的正反射和负反射层;(3)垂直和水平反射波的速率下降。也就检测到有含水地质构造,可以探测到该构造有以下证据:
(1)在一个二维断层扫描图,水平反射波的速率降低,垂直反射波速率降低或小幅上升;垂直反射波于水平反射波的速度比值,岩石泊松比突然增加。岩石密度和杨氏模量大幅减少。
(2)负反射波很明显,少许表面反射波出现在主表面反射波之后[8]。
2.3利用探地雷达反应含水结构
使用探地雷达探测水是一项极具挑战性的工作。探地雷达信号通过反射波的能量和频率反应含水结构的特征。
(1)反射波能量
当不同的介电系数增加时,反射波的能量变大。能量的综合电磁波反射系数,给出了: r1
122 (1)
ε1和ε2是相对介电系数。介电系数与水和围岩的区别是及其重要的。所以当雷达波到达水和围岩之间的结合部时,介电系数增加。
(2)频率
高频电磁波传播过程中衰减。衰减系数定义为:
b
2 (2)
这里ε是介电系数,σ是电导率,μ是渗透性。水的渗透性是不变的。当雷达波
遇到水,水的电导率增加,导致高频波衰减系数和衰减速度增加。因此,雷达波频率减少。基于上述分析,地下水基于以下观察预测:
(1)反射波能量增加
(2)主频率降低
(3)有异常同相轴
图1显示一个典型的雷达信号地下水的检测。带有椭圆区域显示了较大的反射特征能量,较低的主频和异常同相轴,这是反应出地下水。图2,显示主频率是标记的地区和其他地区的对照。
图1地探检测到的一个典型地下水信号 图2地探雷达的傅里叶图谱
2.4 三维空间的瞬变电磁成像法
瞬变电磁成像法在隧道工作面的检测不同于在地面上。地面勘探是半空间的,而隧道工作面检测是整个空间的问题。基于等效电导的平面方法,理论和三维全空间的方法都必须应用于隧道。此外,纵向有个敏感电阻的回应低电阻的导电薄地层,可以帮助检测低电阻地质的泥水情况。
如图3
所示,隧道的工作面附近有一个垂直的循环回路,带有一些电流,电在
T=0的时刻断开。
I(t)I,t0
I(t)0,t0 (3)
在垂直循环回路中T是调查时间,I是当前变化值。当电源断开时,由于电磁感应,电磁信号回传生成隧道工作面前的三维空间。电磁感应在无限大的电导平面中可以近似的代替电磁场产生的涡流(图4)。计算涡流产生的电磁场。一个虚拟的资源代替涡流被放入电导平面,有了这些虚拟的资源电磁阀的所有点都可以在三维空间里通过计算得到:
Bz
t6Ias2ht0s
2t2a4h0t5/2 (4)
这里Bz是磁性的组成部分,a是线圈半径,S纵向电导,h线圈和平面电导间传输距离,μ。是绝缘体在真空中的常数。
图3瞬变电磁法超前地质预报的草图。
图4电导和隧道工作面的示意图。
2.5典型的预测分析方法
表1这些方法可用于地质危险源隧道施工的预测,可以比较他们的预测目标预测距离、及其优缺点。从表1可以看出没有单一的方法可以预测所有隧道施工地质灾害源。因此,我们需要一个可以整合所有方法优点的系统来预测所有出现在隧道施工中工作面前可能发生的地质危险源。
表1地质灾害源的预测方法
3 隧道施工中一种全面的地质灾害预报系统
3.1综合预测的原则
在隧道施工中地质灾害源预测原则随着几个主要项目的经验被开发了出来。如下所列:
(1)不同的预测方法应该有效的相结合,去其糟粕取其精华。
(2)地质灾害源的预测应该分为不同阶段,由隧道工作面到地质灾害源的距离决定每个阶段的风险水平。
3.2优化后的层次分析法
为了进行可靠的预测,选取预测方法是一个重要及具挑战性的任务,这里我们提出了优化以后的层次分析法,如下所述:
(1)步骤1:主动推导出地质缺陷的形式,列出预测方法。
(2)步骤2:选择评价预测方法的主要因素,如在技术上的可行性,经济因素和优势互补的方法。
(3)步骤3:列出一个定性的评价因素。评价分为7个成绩:E=(0.05 、0.2、0.35、0.5、0.65、0.8、0.95)。这里0.05和0.95表示最糟糕和最好的。对评价的模糊矩阵可以表达为:
(5)
这里uij(i=1,2……,n;j=1,2,……,n)是影响
预测效果因素的值。这些重量分布可以通过计算特征向量R获得。
(4)步骤4:根据层次分析法制作一个评价等级。第一级可收集为: uu1,u2,u3un
这里
uiui1,ui2,ui3uin
U值的单因素评价结果可定义为:
BiAiRibi1,bi2,bi3bin
这里Ai是U的权值向量。
(5)步骤5:进行最终的评价,以及运用层次分析法的评价结果选择一个优化预报方案。最终的评价结果是:
BARb1,b2,b3bn
3.3预测的程序
预测步骤如图5所示。该系统中,地质预测危害源结合了不同的方法。隧道施工的开始时,地质灾害风险分析是基于整个隧道地质分析。
图5 综合地质灾害预测系统
在坚硬的岩体地区段采用地震法预测100 - 150米的隧道工作面的前方,而虚弱岩体的地区利用地震法对地质危害源100左右米隧道工作面的前方进行预测。当隧道工作面正靠近地质灾害源,准确预测来源时使用地质雷达法或瞬变电磁法。另外,岩心钻探或导向钻挖可以进行准确定位地质灾害源位置。这样得到预测方法可以与其他隧道建设案例相比较,提高预测精度。
4 案例研究
4.1齐岳山隧道涌水预报
齐岳山隧道是沪蓉西高速公路上最重要的隧道之一,如图6所示。绵延中低山脉,岩溶底层分布很广。为了保证隧道施工安全,隧道施工中展开了地质灾害源的预测。
图6沪蓉西高速公路布局
(1)地质调查
隧道围岩属于夹杂微晶体石灰岩。石灰岩溶解度很高。隧道出口一面的地下河分布很广,可从地面预测到地下河的位置。隧道岩体里施工可能会有岩溶洞穴,地下涌水。根据断层位置和地表条件(图7),也可以推断出岩溶洞穴可能存在于开挖段ZK329+100和ZK329+650之间。
图7齐岳山地质剖面图
(2)预测方法的选择
根据防治区域的工程地质调查,位于ZK329+100和ZK329+650间地质灾害应为岩溶洞穴和地下涌水。故预测方法上地震波法(TSP),探地雷达(GPR),陆地声纳法,岩心钻探,瞬变电磁法都应该考虑在内。利用层次分析法(AHP),评价结果是B = AR = {0.8878, 0.7234, 0.6664, 0.4462, 0.7112}。所以这个项目应选用TSP,探地雷达,瞬变电磁法。
(3)TSP预测
进行地震波预测使用的是TSP203。预测范围是从ZK329+682到ZK329+552。从预测结果显示,在图8,9中,发现了在ZK329+630,有较强的负反射波出现,垂直波速率和水平波速率的比值,泊松比大幅增加,但杨氏模量大幅减少。因此,这个里程段应该存在一个熔岩洞穴。
图8反射波记录图
图9二维数据预测结果
(4)瞬变电磁法预测
里程ZK329+650的隧道工作面处使用瞬态电磁法的检测。断层的瞬变电磁法显示于图10工作面的前方30米有个低电阻率的区域,在ZK329+620,可以确定是一个含水结构。
图10瞬变电磁法对断层的检测
(5)探地雷达预测
这次预测使用地质雷达SIR-3000监测ZK329+625和ZK329+618之间区域,结构显示于图11。反射波速率在标记的椭圆处会大于其他区域,线条出现明显的波动。经分析,主要响应频率大约是31兆赫(图11a)和36兆赫(图 11b),区域频率明显低于其他区域。对应的位置到ZK329+619(图11a)和ZK329+613(图11b),估计为含水底层的反射波。
(a)里程ZK329+625的地探雷达监测结果 (b)里程ZK329+618的地探雷达 监测结果
图11探地雷达剖面数据结果
(6)开挖观察
从上述的预测方法,我们发现ZK329+618到ZK329+613之间的断层内有地下水。地下水越多,地下涌水出现的风险越大。尤其在雨季,这种风险可能要高得多。在隧道开挖过程中。流入的地下水出现在左边隧道边墙的ZK329+618到ZK329+612段,如图12所示。这些地下水在干燥的季节中流速约为300立方米/小时,而在雨季里高达1200立方米/小时。暴风雨后,一个长度为500米的隧道将被淹没。这次研究利用预测系统成功预测出了地下水的位置和数量。
4.2金平水电站辅助隧道2号
(a)发生在ZK329+618的水涌
(b)发生在ZK329+613的水涌
(c)地下水涌照片
图12水涌灾害淹没齐岳山隧道的照片
金平水电站2号位于中国四川省,如图13。这是目前亚龙湾最大的水电站。金平水电2号辅助隧道坐落于岩溶地层。因为他是深埋地下且纵向延伸,潜在的地质灾害是主要的隧道施工地质问题。金平水电2号辅助隧道的地质条件很复杂,伴随高压水头和2375米的覆盖层。最主要的是要求在隧道施工中预测高压地下水的流入,和地质灾害。陆地声纳、瞬变电磁法和地质雷达用于了这次地质灾害的预测。
(1)瞬变电磁法
预测在AK11+446开始。结果显示于图14-16,如图14显示隧道不同地方的
工作面上削弱的电压伴随时间的变化。结果显示多通道衰减,曲线右边部分迟钝。因此,在预测的范围内明显的发现在较远的地区低电阻。
图15显示出明显的岩体电阻率的轮廓。隧道工作面前5-10,26-32,35-50米处存在异常。以地质条件加以考虑,这些阶层可能是充满了岩体地下水。
图16所示电导率界限的变化,表面有许多异相轴在纵向电导的第二衍生物。表面那里的围岩裂隙可能充满了地下水。
图13金平二号水电站的布局
图14衰减电压随时间的变换
图15视电阻率轮廓图
图16.二阶微分的纵向电导成像区
(2)探地雷达法
利用地质雷达在电磁法的同一地点预测。结果显示于图17,标记范围内的矩形区域显示岩体裂隙间有地下水。
(3)开挖观察
观察发现隧道施工中AK11+445,AK11+420,AK11+405符合上述预测方法发现大量地下水。
图17探地雷达在AK11+447段剖面的时间数据
4.3预测含水断层
胶州湾隧道是位于山东修建于连接青岛主城和外围部分的水下隧道(图18)。隧道长度7120米。隧道的地质构造存在一个很突出的缺陷。施工期间海水流入隧道存在巨大风险。因此,缺陷的预测具有很重要的意义。这项研究中。位于FK4+300和FK4+400间的导向隧道工程实践作了简要介绍。基于层次分析法的考虑,TSP、地质雷达、瞬变电磁法用于这水下隧道。
(1)TSP检测
检测结果显示于图19-21。FK4+341和FK4+351的岩石强度很低,而且出现水涌风险很高。
(2)探地雷达法
根据地质调查和TSP的预测,使用一枚短程预测的探地雷达在FK4+391区域在开挖面预测可能出现的缺陷。天线频率是100兆赫,样品数量512,预测结果显示于图22。从图可知岩体在里程FK4+385-391处较为软弱。预测范围内两侧有缝隙。FK4+374-378处也较为软弱,信号在这个区域较弱。在工作面的正中成功预测出一个缺陷。而且还预测到在这个裂隙中充满了地下水。
(3)瞬变电磁法
使用TSP了解清隧道工作面前方的地质灾害后,瞬变电磁法应用于这个项目。图23显示这个节段的电阻率轮廓。此图表示了电阻率的变化与距离。岩体的电阻率在FK4+374-380间较低。所以岩体样品湿润且强度低。岩体电阻率在FK4+369-374间较高,意味着岩体强度高。岩体电阻率在FK4+361和FK4+368低,岩体湿润,强度低。岩体FK4+342-361间软弱,裂隙间充满了地下水。建议采取保护措施开挖该段隧道。
(4)开挖观察
观察到裂隙位于FK4+362。这个裂隙中有深度泥浆,强度低。与水接触时软化正在发生软化。图24显示出开挖后裂隙范围。根据观察,对岩体裂隙的在主隧道中进行了评估。建议支护系统应该加强长度,钻孔深度也应扩大。综上所述,开挖于预测结果很一致。
图18潮州湾水下隧道的布局
图19深度偏移方案
图20反射提取方案
图21二维图像的预测结果
图22雷达的解释结果
图23瞬变电磁法的视电阻率的断面轮廓
图24断层开挖后的照片
五 结论
经过研究得出如下结论:
(1)研制成功一种综合的隧道施工地质灾害源的预测系统,通过这个系统,可以采用不同的地质物探方法来预测灾害源。每种方法的优点是可以利用的,而缺点是可以避免的。
(2)系统的特征是强调地质分析。灾害源的位置确定是预测的关键所在。在这些案例研究表明,该系统是一种有效预测地质灾害来源的方法。
(3)断层和裂隙的存在都可以结合地震预测和雷达的方法。地下水的存在可以结合雷达和瞬变电磁法。
(4)全面预测系统的应用需要地质物探的专业经验要求。在未来应努力开发一个更专业的系统。
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