隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助預(yù)報(bào)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(zhì)和施工地質(zhì)災(zāi)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(zhì)條件和可能的地質(zhì)災(zāi)害開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，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(zhì)、巖體力學(xué)、地球物理探測、數(shù)字圖像識別、非線性科學(xué)理論、現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合的方法，從隧道不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)三大方面對隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)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(zhì)預(yù)報(bào)計(jì)算

2、機(jī)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(zhì)雷達(dá)（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(zhì)的典型案例，總結(jié)并提煉了TSP對

3、空洞、斷層破碎帶、含水溶隙等不良地質(zhì)的波形特征；地質(zhì)雷達(dá)對完整巖體、破碎巖體、空洞、含水溶洞等不良地質(zhì)的波形特征；瞬變電磁法對富水?dāng)鄬?、干燥斷層、富水溶洞、干燥溶洞、含水溶隙裂隙等不良地質(zhì)以及不良地質(zhì)組合和后方低阻體的響應(yīng)特征；Beam對巖溶含水體、含水裂隙、充水?dāng)鄬訋?、無水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)的響應(yīng)特征。這些成果為建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯標(biāo)志、提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度奠定了良好基礎(chǔ)。 （2）探討了數(shù)字圖像模式識別技術(shù)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)

4、用。通過地質(zhì)雷達(dá)圖像預(yù)處理，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)，探索地質(zhì)雷達(dá)溶洞圖像的智能識別，建立了智能識別二維地質(zhì)雷達(dá)圖像中由于含水小溶洞造成雙曲線特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為識別地質(zhì)雷達(dá)圖像中的其它不良地質(zhì)體提供了新途徑。 （3）探討了巖爆與洞室形態(tài)和尺寸的關(guān)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(qiáng)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(yīng)。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(qiáng)，但最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。將這一成果應(yīng)用于錦屏二級水電站引水隧洞和輔助洞的巖爆預(yù)測中，結(jié)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(qiáng)度將比輔助洞提高半個(gè)等級。 （4）在圍巖大變形預(yù)測方面，提出了根據(jù)洞壁位移-時(shí)間觀測曲線預(yù)測圍巖失穩(wěn)時(shí)間的方法。認(rèn)為洞壁位移-時(shí)間觀測曲線的拐點(diǎn)即為圍巖失穩(wěn)的時(shí)間，由此建立了多階非線性回歸預(yù)報(bào)模型，求解了圍巖失穩(wěn)時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并利用最小二乘法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，

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

7、證表明，隧道涌突水危險(xiǎn)性綜合系數(shù)a基本能反映掌子面前方涌突水危險(xiǎn)程度的高低。 （6）提出了“以地質(zhì)分析為核心，綜合物探分析，洞內(nèi)外結(jié)合、長短預(yù)測結(jié)合，物性參數(shù)互補(bǔ)”的綜合預(yù)報(bào)原則，建立了隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)的工作體系。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了隧道常見不良地質(zhì)的綜合預(yù)報(bào)方法和工作流程，并選取相關(guān)地質(zhì)參數(shù)和物探成果參數(shù)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了隧道常見不良地質(zhì)的綜合預(yù)報(bào)模型。該綜合預(yù)報(bào)體系在銅鑼山隧道得到較好應(yīng)用，為確保隧道施工安全提