一种富水岩溶隧道的多手段超前探测方法

技术领域

本发明涉及隧道探测技术领域，尤其涉及一种富水岩溶隧道的多手段超前探测方法。

背景技术

现阶段我国取得了显著的建设结果，各地区的物质需求量也不断增加，而公路运输能力的不足以及运输成本问题都会阻碍区域经济的发展。我国西南区域，地形复杂，在保护环境的同时为减少成本，遂采用隧道进行山区施工，因而，隧道工程成为工程建设中不可或缺的关键项目。

在隧道工程的施工过程中，存在遇到多种复杂地质的情况，伴随着越来越多突水涌泥地质构造的出现，隧道的施工安全受到严格钳制。隧道完工时间对于公路的通车时间具有至关重要的控制作用，一味的寻求施工进度，将会违背施工规范，严重时将会导致隧道的塌方或突泥涌水等地质灾害发生，影响施工进度，严重时威胁人身安全。因此，在隧道施工前，将会对隧道进行勘测，水文调查等前提工作，但是，由于地质构造的多变性以及复杂性，勘察结构与实际结构往往会存在明显差别，反映不出真实情况，导致对施工工程实际存在地质问题难以通过勘察得出有效的结论。而不确定性的地质条件往往是施工中的隐形“炸弹”，很有可能会对工程造成重大损害。不但会影响工期，提高工程投资；更有可能破坏设备，给施工人员安全带来威胁。因此对于隧道施工，应控制好隧道的地质预报，通过有效的探测手段获取隧道前方地质情况。

具体来说，在山区复杂围岩地质构造区域，在自然地质条件下，由于地壳运动、围岩风化、地下水等的作用下，围岩本身的结构特征，容易发生突泥涌水地质灾害。现有技术中，公路隧道普遍是先进行大规模扫盲式或结合地质进行结构地质分析，但由于地壳运动，地下水的流动，导致地质结构错综复杂，致使单一的探测方式往往就是无法获得较为准确的地质信息，伴随着施工的推进，外加上人工在施工过程中对于围岩结构的扰动，致使原本就不稳定的围岩结构失稳，从而出现突泥涌水地质灾害，致使施工现场人、材、机等出现损失或损伤，从而导致工程工期的推延，不仅使得隧道工程被动加固的工程量增加，且有引起围岩结构出现失稳的风险。因此，建立一种快捷、简便、准确的隧道超前不良地质构造探测的方法显得尤为迫切。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种富水岩溶隧道的多手段超前探测方法，用以解决如何实现快捷、简便、准确的隧道超前不良地质构造探测的问题。

本发明提供一种富水岩溶隧道的多手段超前探测方法，包括：

获取隧道区域内的结构地形、预测不良地质构造以及工程隧道条件；

根据所述结构地形、所述预测不良地质构造以及所述工程隧道条件进行几何建模，确定三维隧道地质概化模型；

确定所述三维隧道地质概化模型对应的布局参数，并根据所述布局参数对隧道掌子面进行超前钻孔布设，确定布设完备的隧道掌子面；

在所述布设完备的隧道掌子面进行跨孔CT扫描、孔内地质雷达探测和激发极化法探测，分别确定两个超前钻孔之间的波速分布图像、超前钻孔内波速图和地质电学数据；

根据所述波速分布图像、所述钻孔内波速图和所述地质电学数据多个方向的数据一致性，确定所述预测不良地质构造的位置区间范围；

根据所述位置区间范围进行探测，确定实际不良地质构造，并通过所述实际不良地质构造规划施工方案。

进一步地，所述布局参数包括隧道掌子面的尺寸、钻孔位置、钻孔数量、钻孔孔深、钻孔角度以及孔间距中的至少一种。

进一步地，所述确定所述三维隧道地质概化模型对应的布局参数包括：根据所述三维隧道地质概化模型的边界数据和探测要求，设置所述布局参数，以布设多个超前钻孔。

进一步地，所述边界数据包括所述三维隧道地质概化模型的三维空间尺寸，布置空间结构测试布局、以及各测试仪器相互之间的空间关系。

进一步地，所述在所述布设完备的隧道掌子面进行跨孔CT扫描、孔内地质雷达探测和激发极化法探测，分别确定两个超前钻孔之间的波速分布图像、超前钻孔内波速图和地质电学数据包括：

激发地震波对所述隧道掌子面的每两个超前钻孔之间进行跨孔CT；

根据地震波的初至走时信息，确定所述每两个超前钻孔之间的波速分布图像。

进一步地，所述在所述布设完备的隧道掌子面进行跨孔CT扫描、孔内地质雷达探测和激发极化法探测，分别确定两个超前钻孔之间的波速分布图像、超前钻孔内波速图和地质电学数据包括：

对所述隧道掌子面前方发射脉冲电磁波讯号，其中，当所述脉冲电磁波讯号遇到探测目标时产生相应的反射讯号；

根据所述反射讯号，确定所述超前钻孔对应的所述超前钻孔内波速图。

进一步地，所述在所述布设完备的隧道掌子面进行跨孔CT扫描、孔内地质雷达探测和激发极化法探测，分别确定两个超前钻孔之间的波速分布图像、超前钻孔内波速图和地质电学数据包括：依次对所述隧道掌子面的超前钻孔进行激发极化法探测，确定对应的所述地质电学数据。

进一步地，所述根据所述波速分布图像、所述钻孔内波速图和所述地质电学数据多个方向的数据一致性，确定所述预测不良地质构造的位置区间范围包括：

根据所述波速分布图像和所述地质电学数据，形成对应的定位信息；

结合所述定位信息，通过数值反算的方式进行所述隧道掌子面前方地质反推理，确定所述位置区间范围。

进一步地，所述根据所述波速分布图像、所述钻孔内波速图和所述地质电学数据多个方向的数据一致性，确定所述预测不良地质构造的位置区间范围还包括：

结合所述波速分布图像和所述钻孔内波速图，进行垂直面与水平面两个方向的验证分析。

进一步地，所述根据所述波速分布图像、所述钻孔内波速图和所述地质电学数据多个方向的数据一致性，确定所述预测不良地质构造的位置区间范围还包括：

根据所述地质电学数据，对所述波速分布图像和所述钻孔内波速图进行验证分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，对结构地形、预测不良地质构造以及工程隧道条件进行有效的获取；然后，结合多方面因素，建立三维隧道地质概化模型，以此反映隧道的基本特征；进而，基于三维隧道地质概化模型，设置布局参数，初步确定隧道掌子面的超前钻孔布设；接着，在布设了钻孔的隧道掌子面上，开展多手段超前地质探测，利用多种探测方法，结合地震波信息、雷达信息、电磁信息，实现数据的相互验证，得到更为准确的地质特征，从而实现对不良地质构造的位置区间范围的精确预测；最后，根据位置区间范围进行探测，确定实际不良地质构造，以此对整个施工方案进行规划，从而使得隧道开挖稳定性满足工程要求。综上，本发明考虑了工程开挖前后的岩土物理力学参数变化，开挖前对隧道施工区域进行地质勘探，充分分析区域岩土初始状态的构造，避免开挖后隧道围岩变形软化导致岩土强度大幅下降，采用多手段超前地质探测，结合地震波、电磁波以及电法三方面信息，有效地降低隧道施工风险，多角度对围岩地质条进行分析，避免隧道的开挖中突发地质灾害，危及安全，降低施工风险与损失。

附图说明

图1为本发明提供的富水岩溶隧道的多手段超前探测方法的流程示意图；

图2为本发明提供的地震波探测方法的流程示意图；

图3为本发明提供的垂直面的CT单元侧线图；

图4为本发明提供的雷达探测方法的流程示意图；

图5为本发明提供的隧道掌子面的布设示意图；

图6为本发明提供孔内地址雷达的原理示意图；

图7为本发明提供的电磁探测方法的流程示意图；

图8为本发明提供的激发极化现象示意图；

图9为本发明提供的确定位置区间范围的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种富水岩溶隧道的多手段超前探测方法，结合图1来看，图1为本发明提供的富水岩溶隧道的多手段超前探测方法的流程示意图，上述富水岩溶隧道的多手段超前探测方法包括步骤S1至步骤S6：

在步骤S1中，获取隧道区域内的结构地形、预测不良地质构造以及工程隧道条件；

在步骤S2中，根据结构地形、预测不良地质构造以及工程隧道条件进行几何建模，确定三维隧道地质概化模型；

在步骤S3中，确定三维隧道地质概化模型对应的布局参数，并根据布局参数对隧道掌子面进行超前钻孔布设，确定布设完备的隧道掌子面；

在步骤S4中，在布设完备的隧道掌子面进行跨孔CT扫描、孔内地质雷达探测和激发极化法探测，分别确定两个超前钻孔之间的波速分布图像、超前钻孔内波速图和地质电学数据；

在步骤S5中，根据波速分布图像、钻孔内波速图和地质电学数据多个方向的数据一致性，确定预测不良地质构造的位置区间范围；

在步骤S6中，根据位置区间范围进行探测，确定实际不良地质构造，并通过实际不良地质构造规划施工方案。

在本发明实施例中，首先，对结构地形、预测不良地质构造以及工程隧道条件进行有效的获取；然后，结合多方面因素，建立三维隧道地质概化模型，以此反映隧道的基本特征；进而，基于三维隧道地质概化模型，设置布局参数，初步确定隧道掌子面的超前钻孔布设；接着，在布设了钻孔的隧道掌子面上，开展多手段超前地质探测，利用多种探测方法，结合地震波信息、雷达信息、电磁信息，实现数据的相互验证，得到更为准确的地质特征，从而实现对不良地质构造的位置区间范围的精确预测；最后，根据位置区间范围进行探测，确定实际不良地质构造，以此对整个施工方案进行规划，从而使得隧道开挖稳定性满足工程要求。

需要说明的是，以九顶山隧道进口突泥涌水段掌子面前方超前探测为例，对结构地形的判断如下：进行隧道施工区域地质调查，总结九顶山隧道突水段(ZK281+850～ZK281+975、KK281+860～KK282+160)岩性分析：该区域围岩等级为Ⅴ1级。且主要是由灰白色灰岩组成的侵入岩，以及呈现碎石状侵蚀多风化灰岩，并穿杂有全风化花岗岩，且岩体多呈现为破碎松散构造；因此隧道在开挖时其结构围岩稳定性极差，伴随施工时常发生坍塌或是结构接触带软化，因此在雨季时，地下水急剧上涨时，可能会导致隧道出现较大的涌水以及崩塌，且由于围岩裂隙发育，致使围岩结构富水性较好，因此雨季施工风险极大。(地下水)隧道区地下水为第四系孔隙水类型及基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水类型，第四系孔隙水多赋存于第四系松散土体中，多以潜水形式出现，水量甚微；碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水赋存于岩层节理裂隙极岩溶裂隙中，水量不大。地下水主要由大气降水及周围地表水入渗补给，以地下径流的方式汇集、排泄于沟谷低洼地段。(地表水)在九顶山隧道最高山顶以下的小里程一侧的2800m海拔高度及大里程一侧的2600m海拔高度的沟内有地下水以泉点型式出露。

优选地，在步骤S1之前，在隧道开挖前对隧道选址区域内围岩结构进行地质调查，并对区域内岩性进行总结分析，获取隧道区域围岩结构相关物理性能参数，包括：岩土初始状态的物理力学参数、岩土变形软化后的物理力学参数，物理力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量和泊松比。若区域内围岩结构存在隐患较大的地质构造，如出现围岩结构破碎带、结构富水区域、软弱围岩等不良地质构造，则采用本发明提供的富水岩溶隧道的多手段超前探测方法继续探测，若不存在，则采用常规的方法进行探测。

优选地，在步骤S1中，所述的预测不良地质构造通过对潜在不良地质构造隧道的岩土样本进行实验来进行预测，获得岩土物理力学参数，其中，所述的实验包括环刀实验、三轴实验、直剪实验、巴西劈裂实验、单轴压缩实验中的至少一种。作为具体实施例，本发明实施例首先对整个隧道区域进行预判，初步得到预测不良地质构造。

优选地，布局参数包括隧道掌子面的尺寸、钻孔位置、钻孔数量、钻孔孔深、钻孔角度以及孔间距中的至少一种。作为具体实施例，本发明实施例通过设置布局参数，以便后续的钻孔布设。可以理解的是，布局参数还包括不限于三维隧道地质概化模型的尺寸，隧道掌子面尺寸，隧道模型掌子面上钻孔位置，以此结合隧道掌子面进行有效的钻孔布设。

优选地，步骤S3具体包括：根据三维隧道地质概化模型的边界数据和探测要求，设置布局参数，以布设多个超前钻孔。作为具体实施例，本发明实施例根据三维隧道地质概化模型的边界条件及探测需要，对超前钻孔进行有效的布设。

优选地，边界数据包括三维隧道地质概化模型的三维空间尺寸，布置空间结构测试布局、以及各测试仪器相互之间的空间关系。作为具体实施例，本发明实施例结合三维隧道地质概化模型的边界数据，确定隧道掌子面布设位置的范围。

优选地，结合图2来看，图2为本发明提供的地震波探测方法的流程示意图，步骤S4包括步骤S41至步骤S42，其中：

在步骤S41中，激发地震波对隧道掌子面的每两个超前钻孔之间进行跨孔CT；

在步骤S42中，根据地震波的初至走时信息，确定每两个超前钻孔之间的波速分布图像。

作为具体实施例，本发明实施例通过激发地震波的形式，结合地震波的特性，获取掌子面上两测孔间的地质信息，开展多手段超前地质探测。

需要说明的是，现场拟采用地震波探测系统含硬件与软件两部分。系统硬件包括ZDF-3型电火花震源、集成高灵敏度检波器、24位机及8个独立通道便携计算机等。软件包括CT层析成像和地质专家两部分。结合图3来看，图3为本发明提供的垂直面的CT单元侧线图，在掌子面测孔中进行跨孔CT，在掌子面上两侧中进行跨孔CT测试，通过激发地震波的形式，根据地震波所能携带地质信息的特征，从而获取掌子面上两测孔间的地质信息，地震波CT通过地震波数据反演物质，通过激发地震波的形式，根据地震波所能携带地质信息的特征，从而获取掌子面上两测孔间的地质信息，并分层分析以绘制地层地质分布图像，根据得出的分布图进一步推测地层结构。探测过程中，先通过HSP探测获取地震波在两测孔之间结构中的时间文件，通过软件解译读取地震波初至走时t

优选地，结合图4来看，图4为本发明提供的雷达探测方法的流程示意图，步骤S4包括步骤S43至步骤S44，其中：

在步骤S43中，对隧道掌子面前方发射脉冲电磁波讯号，其中，当脉冲电磁波讯号遇到探测目标时产生相应的反射讯号；

在步骤S44中，根据反射讯号，确定超前钻孔对应的超前钻孔内波速图。

作为具体实施例，本发明实施例通过雷达探测方法，结合雷达信号的特性，获取掌子面上孔内的地质信息，以便开展多手段超前地质探测。

需要说明的是，结合图5、图6来看，图5为本发明提供的隧道掌子面的布设示意图，图6为本发明提供孔内地址雷达的原理示意图，其中，1号至4号表示不同的超前钻孔，在掌子面上布设的钻孔内依次进行孔内地质雷达探测，地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布,它的基本原理是:发射机通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0.1ns的脉冲电磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时,会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速，根据测试产生的波速图推测测孔周边围岩结构；孔内地质雷达探测过程中，根据探测范围应调整具体的探测参数，其中包括检测测程20m、检测速率采用点测、增益35、滤波器上下限参数100-1000MHz；掌子面上测孔的孔径尺寸可为预定值，预定值可为300mm；掌子面上钻孔深度根据不良地质构造与掌子面之间的空间位置进行确定，钻孔方向可根据需探测的地质区域进行适当调整，孔间距综合考虑孔内地质雷达探测范围，实现水平面上地质雷达探测数据与垂直方向上跨孔CT两者探测数据统和分析，想互印证，相互补充延伸。

优选地，结合图7来看，图7为本发明提供的电磁探测方法的流程示意图，步骤S4包括步骤S45，其中：

在步骤S45中，依次对隧道掌子面的超前钻孔进行激发极化法探测，确定对应的地质电学数据。

作为具体实施例，本发明实施例通过激发极化法探测，结合电磁信号的特性，获取掌子面上前方的地质信息，以便开展多手段超前地质探测。

需要说明的是，结合图8来看，图8为本发明提供的激发极化现象示意图，在掌子面测孔中分别进行激发极化探测，一是探测掌子面前方围岩岩性、围岩构造带等分布；二是可以结合直观观测的地质资料，与孔内跨孔CT形成掌子面前方水平方向上的相互印证与延伸；三与孔内地质雷达、跨孔CT、生成波速图从而分别从电磁波、地震波、电法三个方面分别对地质进行分析。

优选地，结合图9来看，图9为本发明提供的确定位置区间范围的流程示意图，步骤S5包括步骤S51至步骤S52，其中：

在步骤S51中，根据波速分布图像和地质电学数据，形成对应的定位信息；

在步骤S52中，结合定位信息，通过数值反算的方式进行隧道掌子面前方地质反推理，确定位置区间范围。

作为具体实施例，本发明实施例结合波速分布图像和地质电学数据相互补充印证，以此确定准确的定位信息，对位置区间范围进行定位。

优选地，步骤S5还包括：结合波速分布图像和钻孔内波速图，进行垂直面与水平面两个方向的验证分析。作为具体实施例，本发明实施例结合跨孔CT、孔内地质雷达两者进行掌子面前方垂直方向和水平方向进行不良地质构造进行探测，如果探测不良地质构造相应资料符合隧道施工的相关要求，则施工可安全进行；如果探测过程中发现危及隧道施工的不良地质构造，则需根据探测数据进行编制相应的应急处理方案，以确保隧道安全的通过该段。

优选地，步骤S5还包括：根据地质电学数据，对波速分布图像和钻孔内波速图进行验证分析。作为具体实施例，本发明实施例集成了跨孔CT、孔内地质雷达、激发极化法三种涵盖地震波、电磁波、电法三种类型的探测手段，考虑了工程开挖前后岩土物理力学参数的变化，保证了探测数据的准确性。

实施例2

本发明实施例提供了一种富水岩溶隧道的多手段超前探测装置，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的富水岩溶隧道的多手段超前探测方法。

本发明公开了一种富水岩溶隧道的多手段超前探测方法，首先，对结构地形、预测不良地质构造以及工程隧道条件进行有效的获取；然后，结合多方面因素，建立三维隧道地质概化模型，以此反映隧道的基本特征；进而，基于三维隧道地质概化模型，设置布局参数，初步确定隧道掌子面的超前钻孔布设；接着，在布设了钻孔的隧道掌子面上，开展多手段超前地质探测，利用多种探测方法，结合地震波信息、雷达信息、电磁信息，实现数据的相互验证，得到更为准确的地质特征，从而实现对不良地质构造的位置区间范围的精确预测；最后，根据位置区间范围进行探测，确定实际不良地质构造，以此对整个施工方案进行规划，从而使得隧道开挖稳定性满足工程要求。

本发明技术方案，考虑了工程开挖前后的岩土物理力学参数变化，开挖前对隧道施工区域进行地质勘探，充分分析区域岩土初始状态的构造，避免开挖后隧道围岩变形软化导致岩土强度大幅下降，采用多手段超前地质探测，结合地震波、电磁波以及电法三方面信息，有效地降低隧道施工风险，多角度对围岩地质条进行分析，避免隧道的开挖中突发地质灾害，危及安全，降低施工风险与损失。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。