隧道施工地质地震波法超前探测技术研究.pdf

技术 与市场 技 术研发 第 加卷第 1 期 2 0 1 3 年 隧道施 工地质地震 波法超 前探 测技术研究 张光波 西藏云天工程建筑有限公司， 西藏8 5 0 0 0 0 摘要 随着隧道里程的快速增长， 隧道施工的安全越来越重要。地质地震波法作为一种主要的超前探测技术， 在国内 隧道工程 中取得了诸多成功应用的探测实例。同时在应用中， 不同探测方法也存在不少问题。文章主要对超前探测中 应用较为广泛的地震波探测技术加以阐明， 指出隧道超前探测中地震波的种类， 并进一步提出地震波法超前探测的工 作方 法。 关键词 隧道施 工地质 ； 地震波 法； 超前探 测 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 8 5 5 4 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 1 3 0 引言 随着我国公路 、 铁路、 水利 、 矿山及其他工程建设的飞速 发展， 隧道工程也大量出现。影响隧道及井巷工程掘进安全 的地质因素较多， 其 中断层构造、 破碎带、 软弱层及含水体是 最主要的异常体， 因此必须对此进行超前探测与预报， 为工程 掘进提供可靠的技术保障。地震波法超前探测的目标是要建 立和完善一套实时的巷道前方地质体的动态监测与预报系 统， 并可以指导隧道地质施工过程中的相关问题， 保证工程施 工安全， 提高经济效益。 1 隧道地质超前探测 隧道地质超前探测指根据隧道洞 内外地质调查 、 掌子面 素描及隧道开挖揭示的洞身围岩条件变化趋势的结果 ， 运用 数学 、 概率论、 逻辑学 、 物理学、 地质学、 计算机科学等各学科 知识 ， 结合探测人员经验， 对隧道施工可能遇到的各种不 良地 质体及可能发生的各种地质灾害的性质 、 分布位置 、 规模进行 判断和探测， 并根据判断和探测结果提出应采取地质灾害预 防和处理的措施。因此， 隧道地质超前探测包括隧道工程可 行性研究阶段、 勘察设计阶段和施工阶段的探测。 2 地震波探测原理 不同岩层物理性质的差异， 导致地震波在不同岩层中的 传播速度也不同。 2 ． 1 地震波探 测的基 本原理 震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时， 遇到不同的波阻抗界面时， 在界面处发生反射、 透射 折射 等 现象， 这些在不同波阻抗界面发生的反射、 透射 折射 地震波 可被排列于震源附近的检波器所接收 ， 从而形成可用于地震 解释的原始数据。 2 ． 2 弹性介 质和理论基础 某物体在外力作用下产生形变， 当外力去掉之后 ， 物体能 迅速恢复到受力前的形态和大小， 物体这种特性称为弹性 ， 该 介质称之为弹性介质。自然界大部分物质都可以在一定的外 力作用下呈现出弹性的性质。 在弹性理论的研究中， 根据介质的不同特征可分为各向 同性和各向异性两类。所有弹性性质和空间方向无关的称之 为各向同性介质； 反之则为各向异性介质。在矿井地震波勘 探中， 人工地震震源是在很短的时间内激发的脉冲式地震波， 激发的能量对于探测前方的岩层和接收点处介质所产生的作 用力较小 ， 因此， 可以将它们看作弹性介质， 并可 以用弹性理 论来研究地震波的传播问题。研究表明， 大部分岩、 煤的机制 在地震勘探中都可以看作各向同性介质， 从而可以利用一些 基本弹性理论来进行地震波研究。 在隧道地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在 岩、 煤介质中的传播规律， 以探测前方地质构造和岩层的分布 等。研究的理论中， 通常把岩、 煤介质看作各向同性的弹性介 质， 把地震波看作弹性波。 2 ． 3波的分类 地震波分为面波和体波两大类。面波又可分为瑞利波和 勒夫波两种， 体波又可分为纵波和横波两种。现将各种波的 特征分别进行阐述。 2 ． 3 ． 1 面波 根据弹性力学理论， 面波又分为勒夫波和瑞利波。瑞利 波是沿介质与大气层接触的自由表面传播的面波， 具有频率 低、 速度接近于横波波速且衰减慢等特点， 在一般地震勘探中 是一种干扰波。勒夫波使岩石质点运动类似 S H波， 运动没有 垂向位移， 岩石运动在垂直于传播方向上， 在水平面内从一边 到另一边。由于勒夫波常具有很大振幅， 能在建筑物地基之 下造成水平剪切， 是破坏性最强大的波。 2 ． 3 ． 2 纵波 弹性介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的 波称为纵波。纵波中介质点受到交变拉压应力作用并产生伸 缩变形， 故纵波亦称压缩波 或 P波 。而且， 由于纵波中的质 点疏密相间， 故又称为疏密波。 2 ． 3 ． 3 横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直， 这样的波称为“ 横 波” 。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方 向相互垂 直。在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距 离。横波中介质点受到剪切应力的作用而产生切变形变， 故 横波又称为切变波。 3 地震波法超前探测工作方法 隧道地震波法超前探测工作方法是建立在经典弹性波理 论基础上， 形成的反射波法超前探测技术。图 1 为波反射法 地质探测程序。开展隧道地质探测工作， 首先要对所处的地 质环境有一个整体的把握 ， 其具体内容主要包括 地质资料的 收集 、 整理及分析； 地质调查； 隧道洞内地质调查和掌子面地 质素描； 隧道地质探测工作方法的选择， 以及后期的探测实施 等。下面分别对各个阶段的工作内容作简单介绍。 技 术 研 发 图 1 波反射法地质探测程序 1 地质资料的收集、 整理及分析阶段的工作主要是收集 所在地区的区域地质、 工程地质和水文地质的资料 ， 了解隧道 通过的地区地层、 地质构造的分布情况、 工程地质及水文地质 的条件， 时隧道施丁过程中可能遇到的各种地质条件及可能 发生的地质灾害做出预判， 为隧道工程地质勘探提供科学的 依据。通过这个阶段的工作 ， 达到明确隧道施工地质超前探 测的晕点 E 作区段的目的。 2 结合地质调查的工作， 确定隧道施工地质超前探测上 作的重点区段包括 断层及其破碎带的地理佗置； 岩溶可能发 育的部位； 煤层分布位置； 隧道可能穿过的采 、 废弃矿巷 的部 位； 浅埋隧道穿越强风化岩脉的部位； 节理密集发育岩体分布 位置； 含水体分布位置。 3 隧道洞内地质调查和掌子面的地质描述工作 由于是沿 着隧道的边墙进行的， 其主要内容有 地层及岩性描述； 地层 分界面产状及位置确定 ； 地质构造的位置、 产状规模 的测定及 其性质描述； 节理裂隙统计； 确定临空面滴水位置； 特殊地质 现象的描述等 。 V0 1 ． 2 0 No． 1 。 2 01 3 4 隧道地质探测工作方法的选择应 当遵守这样几个原 则 有牢固的理论基础； 很少 占用掌子面的施工时间； 适用性 强； 操作简单 ； 能适应隧道施工的需要； 对隧道施工所面临的 地质问题具有很强的针对性。 5 在选定探测方法之后可以开始进行掌子面的探测工 作。在掌子面的探测过程中， 应重点注意以下几个问题 ①探 测要在掌子面通风一段时间， 降低其附近温度后进行； ②洞内 管线 ， 特别是动力管线对探测信号的反射和接受均有一定程 度的影响， 为此应尽量避免信号传输线与洞内管线的交叉接 触， 减小这种原因造成的信号干扰； ③洞内施工与探测工作不 要同时进行； ④掌子面施工台架对探测也有一定的影响， 因 此， 探测过程应该尽量将施工的台架移动到探测的场地之外。 4 结语 综上所述 ， 在隧道的施工过程中， 通过采用地震波法超前 探测技术对前方的地质构造异常进行有效的预测预报。地震 波法超前探测技术在我国隧道工程 中发挥着巨大的指导作 用， 为巷道掘进及安全生产提供了重要的技术保障。隧道施 工在 日常生产过程中， 存在较多安全隐患， 完全依靠地质技术 人员的经验， 防范地质灾害的发生， 其工作量和责任都十分重 大。利用地震波法超前探测技术， 既可减轻技术人员的工作 压力 ， 又可增加地质预测的准确率， 具有较好的应用效果。 参考文献 [ 1 ] 齐传生． 隧道地震波超前地质预报系统的应用[ J ] ． 世界 隧道 ， 1 9 9 9 1 3 6 4 0 ． [ 2 ] 赵存明， 沈斐敏 ． 公路施工隧道地质灾害超前预报技术 分析[ J ] ． 中国安全生产科学技术， 2 0 0 6 4 1 3 1 5 ． [ 3 ] 杜立志． 隧道施工地质地震波法超前探测技术研 究[ J ] ． 吉林大学， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 鲁光银． 隧道地质灾害反射渡法探测数值模拟及围岩 F A HP分级研究【 D1 ． 中南大学， 2 0 0 9 9 ． 上接 第 2 2页 高、 有功损耗大等不足之处， 除了在枢纽变电站中常会使用之 外 ， 其他 应用很少 。 3 ． 3利 用 变 压 器 分接 头调 压 通过改边变压器的变比可 以实现财次级绕组电压的调 节 ， 一股有有 载 5调压和无载调压两 种方 法。 3 。 3 】 有载调压 柯载 压器可在带负荷运行的情况下财其分接头进行切 换， 它和普通的变压器相比其调节范围也比较大， 调节范围可 以达到额定电压的加％～ 3 0 ％， 在1 l 0 k V 变电站中应用较为广泛。 3 ． 3 ． 2 无载 调压 无载调压必须在变压器断开电压之后停电操作 ， 通过对 变压器分接头的改变实现对二次电压的调节。该种调压方式 埘季节性停电的变电站比较适用。由于无法根据负荷变化埘 电压进行灵活的调节， 因此很多城市电网对1 1 0 k V 及其以J - 的 变『玉器都采用 了该种调压方式 。 3 - 4 改变线路参数 R以及 x来实现调压 输送功率一定时， 可以通过对参数 R以及 x大小进行 调节来改变电压的损耗 ， 进而实现对电压的调节 第一， 可以 通过并联或者是串联电容线路参数来实现调压； 第二， 依据允 许电压损耗来合理选择导线的截面实现调 ； 第三， 通过串联 电感线圈， 使得线路的电压损耗和无功功率得到有效增加来 24 实现调压； 第 四， 通过对电网的接线方式进行改变来实现调 。以上方法在选用的时候要结合实际情况。 4 结语 综上所述 ， 电力 系统 的安 全稳定 运行 会直 接受 到电压 的 影响， 电压和整个电网的运行有着直接的关系， 要想保证其处 于安全、 稳定、 可靠以及经济的运行状态， 就要做好对电压 的 调节， 保证电压的质量。文中分析了几种主要电压调节方法， 在实际选用中要根据现场的实际情况， 综合考虑之后选择合 理 的调压方法 。 参考文献 [ 1 ] 韩太旭， 韦德友， 刘大鹏． 电力系统的电压质量与电压调 整 [ J ] ． 黑龙 江科技信 息， 2 0 o 7 1 ． [ 2 ] 刘沛清， 阳江华． 现代电力系统电压调节措施分析综述 [ J ] ． 技 术与市场 ， 2 0 1 l 6 ． [ 3 ] 王庆宝． 电力系统的电压质量与电压调整[ J ] ． 黑龙江科 技信 息， 2 0 0 7 1 9 ． 【 4 ] 来美英， 来运梅 ． 电力系统的调压措施 [ J ] ． 科技信息 学 术版 ， 2 0 0 6 9 ． [ 5 ] 邓忠梅， 王建波． 电力系统的电压质量与电压调整[ J ] ． 黑 龙 江科技信息 ， 2 0 0 8 2 1 4 8 4 9 ． [ 6 ] 冯鹤彬． 电压质量对电网的影响及调整措施[ J ] ． 河南科 技 ， 2 0 1 1 2 4 7 6 ．