一种隧道三维地质可视化综合预报方法

技术领域

本发明涉及一种地质预报方法，特别涉及一种隧道三维地质可视化综合预报方法。

背景技术

隧道施工过程中，有时会遇到不良地质体，如果对不良地质体的了解不够，盲目开挖，容易导致隧道出现塌方、突泥突水等灾害，从而造成人民生命财产安全。

在隧道施工过程中，目前一般进行洞内超前地质预报来预测不良地质体，物探法适用范围广、方法多、设备轻便、效率高，但各种物探方法都有一定的应用条件，互相参考性较小，甚至有时探测结果会存在冲突，同时物探解译具有多解性、不确定性；而超前钻探方法虽具有直观性和客观性，但具有“一孔之见”的不足，不能全面反映掌子面前方的地质条件，从而影响地质预报的准确性，对不良地质体的大小及其与隧道的位置关系较难判定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的地质预报准确性和直观性的不足，提供一种隧道三维地质可视化综合预报方法，以提高对隧道前方地质情况进行预报的准确性和直观性。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种隧道三维地质可视化综合预报方法，包括以下步骤：

S1：自隧道掌子面、隧道侧壁、掌子面的探孔内获取前方地质物探数据，调出岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率的结果图，结合掌子面的围岩情况，初步判断异常的岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率及其分布范围、位置；

S2：根据岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率的三维数据采用软件生成三维模型，对异常的参数进行筛选、融合，采用淡化无异常区域，突出异常区域，建立隧道异常三维地质可视化模型；

S3：进行超前钻探，并获取超前钻探数据；

S4：将步骤S3的超前钻探数据与步骤S2的隧道异常三维地质可视化模型相互验证，综合分析形成隧道三维地质可视化综合预报模型；

S5：将步骤S4中的隧道三维地质可视化综合预报模型与掌子面的围岩情况结合分析，对隧道三维地质可视化综合预报模型进行围岩分级和危险等级划分。

通过将物探信息和钻探信息结合分析，能够更精准地定位出异常参数的三维空间分布范围、位置，同时剔除假异常区域，得到隧道三维地质可视化综合预报模型；再通过结合围岩情况分析判断，实现更准确的围岩分级、危险等级划分。

具体的，岩石物性参数包括纵波波速、横波波速、杨氏模量、纵横波速比和泊松比。物探数据可通过隧道掌子面或侧壁地震波法、声波法、电磁波法、高分辨直流电法、瞬变电磁法、掌子面的探孔内测井法、声呐探测法、弹性波CT法、雷达法、多频声波探测法、管波测试法、地震波法、电法、瞬变方法提取三维数据获取，记录接收物探数据的传感器相对于掌子面的位置参数。

物探数据采集时间短、效率高，数据处理快，有助于快速初步判断异常参数及其分布范围、位置。能最大的节省工作时间，提高三维可视化模型的构建效率。

可选的，步骤S2包括以下步骤：

S21：转换三维数据的数据格式，确定隧道模型段的中心线、三维数据体在坐标系中的位置参数和隧道建立模型段的开挖断面参数，并建立三维模型；

S22：采用软件筛选功能对异常的参数的三维数据进行单独筛选，并与S1中的异常参数及其分布范围、位置进行比对，调整筛选条件，以使异常参数的三维空间分布范围、位置与S1中的初步判断一致；

S23：建立隧道异常三维地质可视化模型，判断异常区域的地质状况类型。

利用软件构建三维可视化模型后，直接进行筛选，大大简化工作量；将异常参数的三维空间分布范围、位置结合初步判断的结果对比调整，降低了误判的可能性，同时进一步减少工作量，提高计算、判断的效率。

进一步的，步骤S3包括以下步骤：

S31：根据隧道异常三维地质可视化模型，进行超前钻探孔位布设，其中，超前钻探钻孔穿过异常区域；

S32：按预设的超前钻探孔位超前钻探，解译超前钻探数据图，获取钻探数据。

超前钻探能够比较直观地探明钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、岩溶及地下水发育情况等，与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。

可选的，步骤S4包括以下步骤：

S41：将超前钻探孔位图导入隧道异常三维地质可视化模型，检测隧道异常三维地质可视化模型中异常区域是否存在异常，确定异常区域的三维空间分布范围、位置和地质状况类型，同时查看超前钻探是否出现地质建模异常段外的不良地质体；

S42：调整筛选条件，修正异常区域的三维空间分布范围、位置，添加超前钻探发现的异常模型除外的不良地质体，剔除假异常区域，修正隧道异常三维地质可视化模型，建立最终隧道三维地质可视化模型。

集合钻探数据与三维可视化模型，进一步筛选、修正异常参数，使异常区域的三维空间分布范围、位置更加精确，避免假异常现象造成的资源浪费情况，提高本发明所提供的精确度和直观性。

具体的，步骤S5中的围岩分级技术包括考虑含水概率的影响，含水概率较大处围岩级别降低一级，形成预报段的围岩分级。

由于隧道的地质特点，围岩分级技术将含水概率这一参数纳入参考与判断的范围，进一步提高围岩分级的准确性。

具体的，步骤S5中的围岩分级包括考虑含水概率的影响，含水概率较大处围岩级别降低一级，形成预报段的围岩分级；步骤S5中的危险等级划分根据包括当前掌子面围岩地质情况、围岩等级、预报段的围岩分级和地质复杂情况。

一种钻探与物探结合的隧道三维地质可视化综合预报设备，包括传感器和计算机处理器，传感器设置于隧道掌子面或隧道侧壁，传感器用于采集数据并传输于计算机处理器；计算机处理器执行计算机程序时实现一种隧道三维地质可视化综合预报方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过运用物探、钻探两种方式采集的数据进行建模，得到的三维地质模型可靠度、可信度高，反馈的信息较精确；

采用三维地质精细化建模技术对不良地质体进行建模，实现不良地质体的可视化，能够更直观地认识不良地质体的三维空间分布范围、位置；

采用钻探验证物探数据异常的方式来确定异常不良地质体的岩土性质，能够帮助工作人员更全面地了解不良地质体的类型及区域施工的风险程度；

本发明所提供的方法简单，且容易实施，极大地节省了人力物力。

附图说明：

图1为本发明的系统框架示意图；

图2为本发明的K63+820～K63+870区段的高度为8m的应力梯度云图切片示意图；

图3为本发明的K63+820～K63+870区段的高度为0m的含水概率云图切片示意图；

图4为本发明的K63+820～K63+870区段的高度为0m的纵波波速云图切片示意图；

图5为本发明的K63+820～K63+870区段的高度为4m的杨氏模量云图切片示意图；

图6为本发明的K63+820～K63+870区段的高度为4m的横波波速云图切片示意图；

图7为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的高度为8m的应力梯度云图切片示意图；

图8为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的高度为8m的含水概率云图切片示意图；

图9为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的高度为8m的纵波波速云图切片示意图；

图10为本发明的K63+820～K63+870区段的隧道异常三维地质可视化模型的示意图；

图11为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的隧道异常三维地质可视化模型的示意图；

图12为本发明的K63+820～K63+870区段的超前钻探孔位示意图；

图13为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的超前钻探孔位示意图；

图14为本发明的K63+820～K63+870区段的隧道三维地质可视化综合预报模型示意图；

图15为本发明的K63+820～K63+870区段的1号钻孔的钻探数据示意图；

图16为本发明的K63+820～K63+870区段的1号钻孔的钻探数据示意图；

图17为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的隧道三维地质可视化综合预报模型示意图；

图18为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的3号钻孔的钻探数据示意图；

图19为本发明的ZK20+385～ZK20+435区段的1号钻孔的钻探数据示意图；

图20为本发明的传感器安装在掌子面时三维数据体原点和掌子面中心相互位置关系示意图；

图21为本发明的传感器安装在侧壁时三维数据体原点和掌子面中心相互位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

如图1所示，本实施例所提供的一种隧道三维地质可视化综合预报方法，包括以下步骤：

S1：自隧道掌子面、隧道侧壁、掌子面的探孔内获取物探数据，调出岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率的结果图，结合掌子面的围岩情况，初步判断异常的岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率及其分布范围、位置；

S2：根据岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级的三维数据采用软件生成三维模型，对异常的参数进行筛选、融合，采用淡化无异常区域，突出异常区域，建立隧道异常三维地质可视化模型；

S3：进行超前钻探，并获取超前钻探数据；

S4：将步骤S3的超前钻探数据与步骤S2的隧道异常三维地质可视化模型相互验证，综合分析形成隧道三维地质可视化综合预报模型；

S5：将步骤S4中的隧道三维地质可视化综合预报模型与掌子面的围岩情况结合分析，对隧道三维地质可视化综合预报模型进行围岩分级和危险等级划分。

需要说明的是，岩石物性参数包括但不限于纵波波速、横波波速、杨氏模量、纵横波速比和泊松比。通过将物探信息和钻探信息结合分析，能够更精准地定位出异常参数的三维空间分布范围、位置，同时剔除假异常区域，得到隧道三维地质可视化综合预报模型；再通过结合围岩情况分析判断，实现更准确的围岩分级。

具体的，步骤S1包括：

在超前钻探前，采用物探方法进行物探数据采集；安装传感器于隧道掌子面或隧道侧壁，通过隧道掌子面或侧壁地震波法、声波法、电磁波法、高分辨直流电法、瞬变电磁法、掌子面的探孔内测井法、声呐探测法、弹性波CT法、雷达法、多频声波探测法、管波测试法、地震波法、电法和瞬变方法提取三维数据获取物探数据，并记录传感器相对于掌子面的位置参数；处理物探数据，调出岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率的结果图；分析岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率的结果图，结合掌子面的围岩情况，初步判断异常的岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级、波速、波幅、频率、反射系数、视电阻率及其分布范围和位置。

可选的，采用地震波反射原理的地质预报系统，其传感器为三分量数字式速度传感器，采集的数据格式为SGY文件，采集的SGY文件经地质预报系统数据处理软件数据处理后，可得到纵波波速、横波波速、杨氏模量、纵横波速比和泊松比、含水概率、应力梯度、围岩危险等级的不同高度云图切片和三维数据；分析物探各参数的不同高度云图切片，结合掌子面的围岩情况，可快速初步判断异常的参数及其分布范围、位置，为三维地质建模提供数据支撑。

需要说明的是，三分量数字式速度传感器为其中一类传感器，不限于此。

如图2～6所示，横坐标表示掘进里程，纵坐标表示与传感器中心的距离，云图切片左侧为各参数云图切片图例，H表示云图切片位置与三维数据体中心的距离，云图切片上方为各参数数值大小刻度，横、纵坐标及H的单位均为米。K63+820～K63+870区段：局部应力梯度增大，判断疑似较破碎～破碎；局部纵波波速较低，判断疑似裂隙发育；纵波波速高低交替，判断疑似裂隙较发育或夹较软层；K63+845～K63+826横波、杨氏模量较周围突变，含水概率高，结合掌子面围岩较完整，硬度较高，判断疑似溶洞，夹泥或渗水。

如图7～9所示，ZK20+385～ZK20+435区段：局部应力梯度增大，判断疑似岩体破碎；局部含水概率较高，判断疑似渗水或夹泥；局部纵波波速呈高低交替，判断疑似裂隙较发育或夹较软层；局部纵波波速相对较低，判断疑似裂隙较发育～发育。

物探数据采集时间短、效率高，数据处理快，有助于快速初步判断异常参数及其分布范围、位置。能最大的节省工作时间，提高三维可视化模型的构建效率。

具体的，步骤S2包括以下步骤：

S21：转换三维数据的数据格式，确定隧道模型段的中心线、三维数据体在坐标系中的位置参数和隧道建立模型段的开挖断面参数，并建立三维模型；

S22：采用软件筛选功能对异常的参数的三维数据进行单独筛选，并与S1中的异常参数及其分布范围、位置进行比对，调整筛选条件，以使异常参数的三维空间分布范围、位置与S1中的初步判断一致；

S23：建立隧道异常三维地质可视化模型，判断异常区域的地质状况类型。

利用软件构建三维可视化模型后，直接进行筛选，大大简化工作量；将异常参数的三维空间分布范围、位置结合初步判断的结果对比调整，降低了误判的可能性，同时进一步减少工作量，提高计算、判断的效率。

具体的，利用软件将岩石物性参数、含水概率、应力梯度、围岩危险等级的三维数据文件转换为可供三维建模的数据格式；以上述参数的三维数据体原点为坐标原点，X＝0，Y＝0，Z＝0，根据传感器相对于试验掌子面的位置和设计图纸中试验掌子面衬砌类型图确定试验掌子面中心位置参数X′，Y′，Z′；再根据拟建隧道模型段纵断面图、平面曲线图，计算拟建隧道模型段的起始掌子面的中心位置参数，自拟建隧道模型的起始掌子面中心起在CAD中画出拟建隧道模型段中心线；另外在CAD中画出拟建隧道模型的起始掌子面隧道轮廓图及外扩图、里程桩号；以上线、图需各自单独建立CAD文件；

图20、图21中试验掌子面中心位置参数计算如下：传感器安装在掌子面时，X′＝(L2-L1)/2，Y′＝0，Z′＝H1-H2；传感器安装在侧壁时，X′＝0，Y′＝0，Z′＝H1-H2。

将转换后的三维数据文件及中心线、轮廓图、外扩图、里程桩号CAD文件导入软件建立三维模型，使用软件筛选功能，对各异常参数的三维数据进行单独筛选，并与S1中初步判断的异常参数及其分布范围、位置比对，调整筛选条件，使其与S1中的初步判断一致；

研究异常参数之间的相互关系，必要时互相融合筛选；建立隧道异常三维地质可视化模型，初步判断异常区域为哪一类地质状况。

如图10所示，K63+820～K63+870区段的异常三维地质可视化模型中，沿隧道开挖方向为Y轴，沿隧道宽度方向为X轴，沿隧道高度方向为Z轴。各类异常的分布情况如图中的色块分布情况。

如图11所示，ZK20+385～ZK20+435区段的异常三维地质可视化模型中，沿隧道开挖方向为Y轴，沿隧道宽度方向为X轴，沿隧道高度方向为Z轴。各类异常的分布情况如图中的色块分布情况。

进一步的，如图所示，步骤S3包括以下步骤：

S31：根据隧道异常三维地质可视化模型，进行超前钻探孔位布设，其中，超前钻探钻孔穿过异常区域；

S32：按预设的超前钻探孔位超前钻探，解译超前钻探数据图，获取钻探数据。

超前钻探能够比较直观地探明钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、岩溶及地下水发育情况等。与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。

如图12～13所示，K63+820～K63+870区段布设5个钻孔，ZK20+385～ZK20+435区段布设3个钻孔。

可选的，步骤S4包括以下步骤：

S41：根据S2中的隧道异常三维地质可视化模型，采用软件CAD建立超前钻探孔位图导入隧道异常三维地质可视化模型，将步骤S3的超前钻探结果与步骤S2的隧道异常三维地质可视化模型相互验证，综合分析，确定隧道异常三维地质可视化模型中异常区域是否存在异常，确定异常区域的空间特征，确定异常区域的岩土特征，同时查看超前钻探是否出现异常模型除外的不良地质体。

S42：通过调整筛选条件，修正异常区域的分布范围、位置，添加超前钻探发现的异常模型除外的不良地质体，剔除假异常区域，修正隧道异常三维地质可视化模型，建立最终隧道三维地质可视化模型，使得隧道掌子面前方不良地质体的预报更加直观、可视和准确。

如图14～16所示，K63+845～K63+827区段为泥石充填型溶洞，包含局部夹硬层和块石，地下水较发育；K63+860～K63+845区段为裂隙发育，地下水稍发育。

如图17～19所示，0-25m中风化砂岩、黏土，呈软硬层混杂状，且部分软层较厚；硬度与掌子面接近。岩体破碎～极破碎，节理裂隙发育，裂隙及岩层内部结构面间泥质填充，裂隙最大开度约为0.4m，地下水不发育。25～42m中风化砂岩、黏土，局部夹较软层；硬度与掌子面接近。岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙及岩层内部结构面间泥质充填，但结构面开度相对较小，地下水不发育。42～50m中风化砂岩、黏土，硬度与掌子面接近。岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙及岩层内部结构面间泥质充填，但结构面开度相对较小，地下水不发育。

其中，修正的内容包括S2中的隧道异常三维地质可视化模型中已有异常的不良地质体的分布范围和其所处位置，以及不良地质体的岩土性质，还包括超前钻探发现的不良地质体之外的异常参数。

需要说明的是，步骤S4中，隧道三维地质可视化综合预报模型还应以隧道现场开挖地质情况为参考，验证其准确性、异常区域边界位置的偏离情况和异常区域实际边界位置的异常参数的数值大小范围，并将验证后的结果作为软件筛选修正的数据支撑。

超前钻探的直观性、客观性、准确性，能够解决物探的多解性、不确定性，同时物探的异常三维体能够弥补钻探的“一孔之见”的不足；集合钻探数据与三维可视化模型，进一步筛选、修正探测出的异常参数，使异常区域的三维空间分布范围、位置更加精确，避免假异常现象造成的资源浪费情况，提高本发明所提供的精确度和直观性。

具体的，步骤S5中的围岩分级技术是将各异常区域的岩土特征与当前掌子面围岩地质情况比较，同时考虑含水概率数值的影响，含水概率数值较大处围岩级别降低一级，按照《工程岩体分级标准》GB/T 50218-2014进行掌子面围岩分级，形成预报段的围岩分级。

由于隧道的地质特点，围岩分级技术将含水概率这一参数纳入参考与判断的范围，进一步提高围岩分级的准确性。

ZK10+385～ZK10+435区段设计围岩等级为V级，结合掌子面围岩情况、该区段三维综合预报结果，按照《工程岩体分级标准》GB/T 50218-2014推荐该区段围岩等级为V级，推荐该区段危险等级为V级。

K63+820～K63+870区段设计围岩等级为V级，其中K63+826～K63+845为泥质充填型溶洞，地下水较发育，按照《工程岩体分级标准》GB/T 50218-2014推荐该区段围岩等级为V级，雨季时，K63+826～K63+845可能会发生涌水突泥，推荐该区域危险等级为Ⅵ级。

本实施例的总体实施过程为：在隧道内，采用地震波反射原理的地质预报系统获取三维数据，并进行异常地质三维建模，其中，纵波波速、横波波速、应力梯度、含水概率、杨氏模量、围岩危险等级、纵横波波速比、泊松比作为三维地质模型的主要数据来源，基于此形成的三维地质初始模型，根据该三维地质初始模型的异常区段，进行超前钻探钻孔设计，以此验证异常区段的真伪、空间特征及地质情况，通过相互验证、修正，形成准确性较高的三维地质可视化模型，后续根据隧道现场开挖的地质情况来进一步修正已有的三维地质可视化模型，对三维地质可视化模型进行精细化建模修正。

本实施例所提供的方法能够便于施工人员了解不良地质体的三维空间分布范围、位置及不良地质体区施工的风险，而且方便各参与方时时了解隧道不良地质体的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。