一种超前地质预报的方法

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域，具体地涉及一种超前地质预报的方法。

背景技术

超前地质预报或隧道超前地质预报(Tunnel Geological Prediction/Prospecting)是在隧道开挖时，对掌子面前方及其周边的围岩与地层情况做出超前预报。超前地质预报常用的物探方法有很多，从勘探大类划分，已知有电磁法勘探、地震波法勘探、红外热成像法勘探等手段。但受物探技术的限制，目前的上述勘探手段普遍存在预报长度较短，费用较高，且占用正常施工时间等问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种超前地质预报的方法，该方法通过地质雷达及地震波超前预报法进行综合超前地质预报，提高了探测准确性及精度，也提高了实施效率，降低勘察风险。

本发明主要应用于综合管廊及类似工程，例如北京冬奥会延庆赛区外围配套的综合管廊，其主要地质条件表现为岩体局部较破碎，围岩完整性和自稳能力差，局部存在节理裂隙密集带，基岩裂隙水发育。受季节降水影响较大，雨季存在渗水或涌水风险，围岩易坍塌，侧壁易失稳。因此，复杂地质条件下超前地质预报成为工程物探领域的一个难点，且目前的勘探手段普遍存在预报长度较短，费用较高，且占用正常施工时间等问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种超前地质预报的方法，用于山区地形的管廊工程，该方法包括：获取管廊围岩变形参数和背景场，所述背景场为工区内岩性的物性反馈背景；根据所述管廊围岩变形参数，确定探测位置；对所述探测位置进行综合探测，所述综合探测包括地质雷达探测和地震波探测；对比探测结果和所述背景场，所述背景场包括地质雷达探测背景场和地震波探测背景场，根据对比结果进行超前地质预报。

可选的，所述管廊围岩变形参数包括洞口仰坡坡顶竖向位移、基坑坡顶地表沉降、坡顶水平和垂直位移中的至少一种。

可选的，所述根据管廊围岩变形参数，确定探测位置包括：所述围岩变形参数不在阈值范围内，则该围岩为探测位置。

可选的，获取管廊围岩变形参数的设备优选全站仪和水准仪。

可选的，对探测位置设有不少于一个探测装置，和/或对该探测位置进行不少于一次的探测。

可选的，根据管廊的地质资料得到所述地质雷达探测背景场和所述地震波探测背景场。

可选的，所述地质雷达探测的结果为电磁波反射信号；所述地震波探测的结果为地震波反射信号；所述电磁波反射信号和所述弹性波反射信号均至少包括振幅、频率以及有效信号；不同岩性的电磁波反射信号和地震波反射信号不同。

可选的，对比地质雷达探测的结果和地质雷达探测背景场得到异常区域一；对比地震波探测的结果和地震波探测背景场得到异常区域二；根据所述异常区域一、异常区域二和地质资料，至少确定地质体性质、位置及规模，实现超前地质预报。

可选的，所述地质雷达探测包括利用雷达接收电磁波反射信号，根据上述电磁波反射信号得到地下介质的结构状态和分布；所述地震波探测包括利用地震信号传感器接收地震波反射信号，根据所述地震波反射信号得到地质情况的三维模型。

可选的，所述的超前地质预报的方法还用于指导地质素描。

通过上述技术方案，本发明针对山区综合管廊工程复杂地质条件，获取管廊围岩变形参数；根据所述管廊围岩变形参数，确定探测位置；对所述探测位置进行综合探测，所述综合探测包括地质雷达探测和地震波探测；对比探测结果和所述背景场，根据对比结果进行超前地质预报。通过对数据处理和分析，分别获得岩层地电学参数及弹性波力学参数并建立三维效果模型，进而推断掌子面前端地质结构等信息，实现在山区复杂地质条件下综合管廊工程的超前地质预报，具有探测准确性高、降低勘察风险等优点。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明的一种超前地质预报的方法的流程示意图；

图2是本发明管廊围岩变形参数监测示意图；

图3是本发明地质雷达探测的流程图；

图4是本发明地质雷达探测测线布置示意图；

图5是本发明地质雷达探测结果示意图；

图6是本发明地震波探测的流程图；

图7和图8是本发明地震波探测布置的示意图；

图9是本发明地震波探测结果示意图；

图10和图11是本发明的地质雷达探测背景场的示意图；

图12和图13是本发明的地震波探测背景场的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是本发明的一种超前地质预报的方法的流程示意图，如图1所示，步骤S101为获取管廊围岩变形参数和背景场。所述管廊围岩变形参数包括洞口仰坡坡顶竖向位移、基坑坡顶地表沉降、坡顶水平和垂直位移中的至少一种。所述背景场为工区内岩性的物性反馈背景，所述背景场包括地质雷达探测背景场和地震波探测背景场。获取管廊围岩变形参数的设备优选全站仪和水准仪。水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器，原理为根据水准测量原理测量地面点间高差。全站仪即全站型电子测距仪(Electronic TotalStation)，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

步骤S102为根据所述管廊围岩变形参数，确定探测位置，包括：所述围岩变形参数不在阈值范围内，则该围岩为探测位置。所述阈值范围可根据《建筑基坑工程监测技术规范》等相关规范及设计技术要求确定。综合分析围岩变形监控数据的累计值和变形速率在可控范围后，确定探测方式方法，包括对探测位置设有不少于一个探测装置，和/或对该探测位置进行不少于一次的探测。探测装置包括地震信号传感器、电磁波发射器。对探测位置进行不少于1次的探测可以包括：地质雷达探测时对该探测位置进行高密度电磁波发射或多频次电磁波发射以及地震波探测时对该探测位置多频次发射地震波信号。其中变形速率为相邻两次监测变形增量除以时间，比如昨天拱顶监测点标高是453.215m，今天测得是453.208m，则变形速率为(453.208-453.215)/1＝-7mm/d。

步骤S103为对所述探测位置进行综合探测，所述综合探测包括地质雷达探测和地震波探测。所述地质雷达探测的结果为电磁波反射信号；所述地震波探测的结果为地震波反射信号；所述电磁波反射信号和所述弹性波反射信号均至少包括振幅、频率以及有效信号；不同岩性的电磁波反射信号和地震波反射信号不同。所述地质雷达探测包括利用雷达接收电磁波反射信号，根据上述电磁波反射信号得到地下介质的结构状态和分布。地质雷达是采用电磁波探测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。地质雷达在工作时，电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收。电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间和信号强弱就可以推测地下介质的分布及变化情况。图5是本发明地质雷达探测结果示意图，如图5所示，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随所通过介质的电性差异及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。

所述地震波探测包括利用地震信号传感器接收地震波反射信号，根据所述地震波反射信号得到地质情况的三维模型，优选采用TRT6000地质超前预报系统。TRT6000无线震动波三维成像地质超前预报系统采用震动层析成像及全息岩土成像技术，经复杂介质传播记录的震动波信号是由折射、反射、散射、弥射等多类波形所组成，层析成像和全息成像是常用的利用信号波形及相位变化来估计介质性质变化的位置和范围的反演技术。TRT6000系统的演示三维图像(Rock Vision3DTM)技术的基本原理是基于震动能量在不同种类介质中以不同的衰减率和速度传播。通常，与破碎或裂隙发育的岩土体或空洞条件相比，震动波在完整坚硬的介质中传播时，具有更高的传播速度和更低的衰减。另外，震动波在岩土传播过程中遇到具有不同震动特性的岩石土区的界面时，震动波会产生反射，绝大多数地质结构异常及岩性变化，在震动信号可及的距离范围内，均可形成可探测的震动发射。图9是本发明地震波探测结果示意图，如图9所示，TRT6000系统通过对收集到的各类震动波信号的综合分析处理，绘制三维全息岩土地质结构图像。

步骤S104为对比探测结果和背景场，根据对比结果进行超前地质预报。所述背景场为工区内岩性的物性反馈背景，所述背景场包括地质雷达探测背景场和地震波探测背景场，生产试验根据管廊的地质资料得到所述地质雷达探测背景场和所述地震波探测背景场，图10和图11是本发明的地质雷达探测背景场的示意图，其中图10为地质雷达探测的完整岩性波形的背景场，图11为地质雷达探测的破碎岩性波形的背景场；图12和图13是本发明的地震波探测背景场的示意图，图12为地震波探测的完整岩性波形的背景场，图13为地震波探测的破碎岩性波形的背景场。分别对比图10和图11，以及图12和图13，可得岩性较差的位置，振幅强、频率低。对比地质雷达探测的结果和地质雷达探测背景场得到异常区域一；对比地震波探测的结果和地震波探测背景场得到异常区域二；根据所述异常区域一、异常区域二和地质资料，至少确定地质体性质、位置及规模，实现超前地质预报。

图2是本发明管廊围岩变形参数监测示意图。所述管廊围岩变形参数包括洞口仰坡坡顶竖向位移、基坑坡顶地表沉降、坡顶水平和垂直位移中的至少一种。所述管廊围岩变形参数还包括根据洞口仰坡坡顶竖向位移、基坑坡顶地表沉降、坡顶水平和垂直位移中的任意一种或几种数值计算得到的变形量、变形率等。如图2所示，纵坐标为变形量，围岩变形量数值越大，则所述围岩变形越大，其岩性稳定性越差，横坐标为监测的时间段，可对同一测点进行自相关对比，也可对不同测点进行变形比对。不同颜色的监测线反应不同测点的监测数据，图示共有9个监测点。其中，线条ZQS-2指示变形量大，特别是5月26、5月27这两天。综合考虑，ZQS-2区域岩性失稳可能性大，为物探重点探测位置。

地质雷达是采用电磁波探测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。地质雷达在工作时，电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收。电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间和信号强弱就可以推测地下介质的分布及变化情况。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性差异及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态，具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。

图3是本发明地质雷达探测的流程图。所述地质雷达探测包括利用雷达接收电磁波反射信号，根据上述电磁波反射信号得到地下介质的结构状态和分布。如图3所示，步骤S301为布置测线，图4是本发明地质雷达探测测线布置示意图。探测时在隧道工作面布置测线进行探测，采用100MHz低频屏蔽天线进行，从而预报隧道工作面前面一定距离范围内围岩的变化情况。可根据掌子面现场条件或实际工作需要，增加布设测线。

步骤S302为获取电磁波反射信号。探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录。地下介质相当于一个复杂滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。

步骤S303为图像处理，图5是本发明地质雷达探测结果示意图。图像处理包括消除随机噪声压制干扰，进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理。最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判释。预处理包括标记和桩号校正，添加标题、标识等。地质探测数据处理主要在于压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息(包括电磁波速度、振幅和波形等)来帮助解释。

TRT6000地震波超前预报法的原理是当地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质，声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)，位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

假设R为反射系数，ρ1、ρ2为岩层的密度，V等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。反射信号的强度主要取决于上下层介质的电性差异，电性差异越大，发射信号越强，雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率，导电率越高，穿透深度越小，中心频率越高，穿透深度越小。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。

图6是本发明地震波探测的流程图。所述地震波探测包括利用地震信号传感器接收地震波反射信号，根据所述地震波反射信号得到地质情况的三维模型。

如图6所示，步骤S601为传感器、震源和接收器的布置。图7和图8是本发明地震波探测布置的示意图。由于TRT6000系统得到的是地质情况的三维图，需要在安装的传感器较多，在不同的部位共安装10个传感器，如图7所示。在距离最后一个震源点10米处开始布置传感器，左右边墙各四个，每隔5米(里程方向)布置一个，隧道中心线拱顶处布置2个。在掌子面两侧布置震源，两侧各布置两组，每组沿竖向(高程方向)布置三个震源点，每个震源点相差大约1米，两组间隔2米(里程方向)。击震点布置，如图8所示，在掌子面后的裸露的岩体(或已到强度的初期支护)上，采用锤击即可。接收器与孔壁的耦合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。

步骤S602为获取地震波反射信号。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。

步骤S603为数据处理与判读。采集的数据采用TRT6000专用软件进行处理。成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少结合地质资料解释隧道前方的地质情况。TRT6000采用层析扫描成像技术，形成立体、直观的三维立体图，立体图中的反射边界每一点离散图像是由空间叠加所有地震波形计算得来。

本发明实施例提供一种超前地质预报的方法，还用于指导地质素描。地质素描是用素描技法描绘出地质客观实体的空间形态及相互关系，如地貌景观、地质构造、岩石矿物等内容。在监测数据的指导下，经优化的综合物探成果，用以指导地质素描，这对提高工效和工作质量起着重要作用。

本发明实施例提供一种超前地质预报的方法是在隧道开挖时，对掌子面前方及其周边(主要是铁路隧道)的围岩与地层情况做出超前预报，为设计及施工人员分析掌子面前方地质情况提供了有力支持。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。