隧道超前地質預報技術與計算機輔助預報系統(tǒng)研究.pdf

1、隧道施工過程中，各類不同成因的不良地質和施工地質災害常常成為制約隧道修建的最主要因素。因此，對掌子面前方的地質條件和可能的地質災害開展超前地質預報，對確保隧道施工安全具有舉足輕重的作用。本文采用工程地質、巖體力學、地球物理探測、數(shù)字圖像識別、非線性科學理論、現(xiàn)代信息技術相結合的方法，從隧道不良地質超前預報、隧道施工地質災害預測和隧道超前地質綜合預報三大方面對隧道超前地質預報技術進行深入研究，并最終開發(fā)了一套較為完善的隧道超前地質預報計算

2、機輔助軟件系統(tǒng)。論文取得的主要成果如下： （1）從TSP（Tunnel Seismic Prediction）、地質雷達（Ground Penetrating Radar）、瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods）、BEAM(Bore Tunnelling Electrical Ahead Monitoring)的探測原理出發(fā)，通過分析其探測隧道常見不良地質的典型案例，總結并提煉了TSP對

3、空洞、斷層破碎帶、含水溶隙等不良地質的波形特征；地質雷達對完整巖體、破碎巖體、空洞、含水溶洞等不良地質的波形特征；瞬變電磁法對富水斷層、干燥斷層、富水溶洞、干燥溶洞、含水溶隙裂隙等不良地質以及不良地質組合和后方低阻體的響應特征；Beam對巖溶含水體、含水裂隙、充水斷層帶、無水斷層等不良地質的響應特征。這些成果為建立超前地質預報解譯標志、提高隧道超前地質預報精度奠定了良好基礎。 （2）探討了數(shù)字圖像模式識別技術在超前地質預報中的應

4、用。通過地質雷達圖像預處理，采用神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別技術，探索地質雷達溶洞圖像的智能識別，建立了智能識別二維地質雷達圖像中由于含水小溶洞造成雙曲線特征的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，為識別地質雷達圖像中的其它不良地質體提供了新途徑。 （3）探討了巖爆與洞室形態(tài)和尺寸的關系。通過分析同一尺寸不同洞室形狀、同一洞室形狀不同尺寸下的巖爆強度，得到在其它影響因素相同條件下巖爆存在洞室尺寸和洞形效應。橢圓形洞（諧洞）對減少巖爆最有利，巖爆將隨洞室開挖尺寸的增

5、大而增強，但最終趨于一個穩(wěn)定值。將這一成果應用于錦屏二級水電站引水隧洞和輔助洞的巖爆預測中，結果表明，在相同樁號、巖爆其它發(fā)生條件相似的條件下，引水隧洞中段的巖爆強度將比輔助洞提高半個等級。 （4）在圍巖大變形預測方面，提出了根據(jù)洞壁位移-時間觀測曲線預測圍巖失穩(wěn)時間的方法。認為洞壁位移-時間觀測曲線的拐點即為圍巖失穩(wěn)的時間，由此建立了多階非線性回歸預報模型，求解了圍巖失穩(wěn)時間的數(shù)學表達式，并利用最小二乘法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合，

6、求得預報模型的參數(shù)，即可預測圍巖失穩(wěn)的時間。該方法一般適用于圍巖失穩(wěn)的臨短預報，其可靠程度取決于位移-時間觀測曲線的連續(xù)性。 （5）從預測隧道掌子面前方涌突水危險性角度出發(fā)，建立了隧道涌突水危險性的經(jīng)驗公式：，其中a為一無量綱的涌突水危險性綜合系數(shù)，A1為巖墻厚度，A2為巖墻強度，B1為富水情況，B2為水壓條件，并從地層巖性、地質構造等地質指標和TSP、地質雷達、瞬變電磁等物探相關參數(shù)指標對地下水富集條件進行綜合判斷。通過實例驗

7、證表明，隧道涌突水危險性綜合系數(shù)a基本能反映掌子面前方涌突水危險程度的高低。 （6）提出了“以地質分析為核心，綜合物探分析，洞內外結合、長短預測結合，物性參數(shù)互補”的綜合預報原則，建立了隧道超前地質綜合預報的工作體系。在此基礎上，構建了隧道常見不良地質的綜合預報方法和工作流程，并選取相關地質參數(shù)和物探成果參數(shù)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術，建立了隧道常見不良地質的綜合預報模型。該綜合預報體系在銅鑼山隧道得到較好應用，為確保隧道施工安全提