科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)表

1、2011年 科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)表編號(hào)：?jiǎn)挝幻Q項(xiàng)目名稱紅外超前探水在隧道突泥、涌水段的判定技術(shù)申請(qǐng)人姓名性別年齡職稱電話申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)（萬元）萬起始年度2011結(jié)束年度2012項(xiàng)目專業(yè)類別：選擇畫地卜，程 橋梁路基（含支擋）軌道 路面工民建“四電”研究?jī)?nèi)容提要超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是應(yīng)用地球物理方法的重要分支，是地球物理學(xué)服務(wù)于工程建設(shè)的重要 窗口。近年來超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究得到了飛速發(fā)展，一方面得益于整個(gè)地球物理勘測(cè)技術(shù)的 進(jìn)步，同時(shí)也得益于工程建設(shè)需要的有力推動(dòng)，目前應(yīng)用已越來越廣泛，隧道及地下工程 界對(duì)此非常關(guān)注，越來越得到建設(shè)單位和施工單位的重視，形成了獨(dú)特的技術(shù)方法系統(tǒng)和 研究領(lǐng)域。利用超前地質(zhì)預(yù)

2、報(bào)方法可以探測(cè)以下問題不良地質(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)學(xué)子面前方f 范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提 出施工措施或建議；水文地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)洞內(nèi)突涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)其 對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響；斷層及其破碎帶的預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、 性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水?dāng)鄬?，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對(duì)策；圍巖類別 及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)學(xué)子而前方的圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時(shí)提 供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌時(shí)間的建議等；預(yù)測(cè)隧洞內(nèi)有害氣體含量、 成分及動(dòng)態(tài)父化。盡管隧洞施工超前預(yù)報(bào)已引起國(guó)內(nèi)外隧洞工程界的重視，也

3、做了許多卓有成效的工 作，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道開挖而前方的地質(zhì)條件是隧洞建設(shè)者們的迫切要求，二”紀(jì)八十年代 以來世界各國(guó)都把這類問題列為重點(diǎn)研究課題。另外，隧洞施工超前預(yù)報(bào)又是一項(xiàng)復(fù)雜而 艱巨的任務(wù)，尚需在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結(jié)、完善和提高，要真正搞好隧洞施 工超前預(yù)報(bào)任重道遠(yuǎn)。中報(bào)單位審查意見：蓋章2011年1月5日國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鐵路和公路建設(shè)正緊鑼密鼓地進(jìn)行，隧道 作為運(yùn)輸通道的重要一環(huán)愈來愈引起關(guān)注。因?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)是一項(xiàng)隱蔽工程，地質(zhì)情況千 變?nèi)f化，不易控制，稍有不慎便會(huì)發(fā)生重大傷亡事故，造成的損失不可估量。當(dāng)今社會(huì) 倡導(dǎo)以人為本，安全問題自然被提到首位。如

4、何杜絕隱患，確保安全生產(chǎn)，是施工單位 迫切需要解決的問題。形勢(shì)的發(fā)展推動(dòng)各種地質(zhì)與物探新手段相續(xù)涌現(xiàn)。作為應(yīng)用地球 物理學(xué)的一個(gè)分支的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)飛速發(fā)展，一方面得益于整個(gè)地球物理勘測(cè)技術(shù)的進(jìn) 步，另一方面也得益于工程建設(shè)的需求。隨著這項(xiàng)技術(shù)的趨于成熟，應(yīng)用越來越廣泛， 形成了獨(dú)特的技術(shù)方法系統(tǒng)和研究領(lǐng)域。早在二十世紀(jì)四、五十年代國(guó)外就開展了隧道 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。典型的有美國(guó)的NSA工程公司生產(chǎn)的 TRT（True ReflectionTomography）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和瑞士 Amberg公司生產(chǎn)的TSP（Tunnel Seismic Predition） 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。我國(guó)從六

5、、七十年代修建成昆鐵路時(shí)此項(xiàng)技術(shù)的研究就已起步，但 受限于技術(shù)力量薄弱、儀器設(shè)備落后以及處理軟件的滯后，該項(xiàng)技術(shù)一直徘徊不前。隨 著眾多公路、鐵路、水利、礦山、地下工程的破土動(dòng)工，隧道、隧洞、巷道的建造成為 必須攻克的難關(guān)。我國(guó)地球物理工作者積極借鑒國(guó)外先進(jìn)方法技術(shù)，利用簡(jiǎn)陋的儀器設(shè) 備和處理落后的軟件，探索出具有我國(guó)家自己鮮明特色的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法技術(shù)。 鐵路部門在上世紀(jì)八十年代末開始嘗試使用綜合物探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)術(shù)時(shí)，廊坊市鐵路物 探中心以及鐵路設(shè)計(jì)院一些有識(shí)之士也開始著手進(jìn)行初步探索。在國(guó)內(nèi)外隧道和地質(zhì)工 作者的高度重視和共同呼吁下，鐵道部科技司和鐵路工程總公司根據(jù)隧道施工的需要， 于

6、1990年8月1日簽發(fā)“八五”重大科研項(xiàng)目“隧道施工學(xué)子面前方不良地質(zhì)預(yù)報(bào)”（部 頒科研項(xiàng)目合同90G13號(hào)）。鐵路工程總公司指定當(dāng)時(shí)在儀器設(shè)備上保持國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和科技 實(shí)力較為雄厚的鐵路物探試驗(yàn)研究中心為牽頭單位，負(fù)責(zé)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)科研項(xiàng)目的日常 研究工作。該項(xiàng)目是利用物探技術(shù)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的科研課題，包括彈性波、電磁波二大 類四種方法。其中彈性波法包括地震反射法 （也稱負(fù)視速度法卜高頻地震反射法（又稱極 小偏移距單點(diǎn)連續(xù)剖面法卜巷道側(cè)壁相錯(cuò)斜交聲波法（孔間聲波反射法），電磁波法包括 探地雷達(dá)法以及CT技術(shù)應(yīng)用。當(dāng)時(shí)該科研項(xiàng)目歷時(shí) 5年，在多個(gè)鐵路隧道中進(jìn)行試驗(yàn) 研究，如南昆線米花嶺隧道F3斷層預(yù)報(bào)

7、、侯月線云臺(tái)山一號(hào)揭煤點(diǎn)預(yù)報(bào)、南昆線呂廠隧 道預(yù)報(bào)等，經(jīng)過5年的試驗(yàn)研究，課題組提出了彈性波、電磁波法兩大類四種預(yù)報(bào)技術(shù) 方法、處理軟件、探測(cè)設(shè)備配套系統(tǒng)等成果，無疑是對(duì)隧道施工學(xué)子面前方不良地質(zhì)預(yù) 報(bào)技術(shù)應(yīng)用的一大突破，使我國(guó)的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)水平前進(jìn)了一大步?，F(xiàn)已逐漸發(fā)展成為一套具有國(guó)際水平的技術(shù)方法，它具有設(shè)備輕便、操作靈活、成本低、測(cè)試時(shí)間短、 探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測(cè)水平，伴隨著隧道施工對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要求的 提高，上世紀(jì)90年代中期，有些單位引進(jìn)了瑞士安伯格（Amberg）技術(shù)公司生產(chǎn)的TSP202, 從采集數(shù)據(jù)的嚴(yán)密性和合理性進(jìn)行了改進(jìn)，信噪比得到了提高，

8、該儀器的探測(cè)距離可達(dá) 到100150米，應(yīng)該算是一種比較理想的超前預(yù)報(bào)方法。再后來到本世紀(jì)初，瑞士安伯 格公司對(duì)TSP202預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和提升，即后來的 TSP203,由原來的DOS界面 升級(jí)為可視化較高的WINDOWS界面，并且處理結(jié)果緊密結(jié)合巖土力學(xué)特征，受到國(guó)內(nèi) 專家人士的推崇。目前這套技術(shù)還正處于引進(jìn)和消化階段，TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)在探測(cè)分辨 率上有了很大提高，但在現(xiàn)場(chǎng)傳感器要選擇好最佳安裝位置、合適的采樣參數(shù)以及探測(cè) 炸藥種類和用量要符合要求，則探測(cè)距離可有效提高。隨著超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的不斷開展和市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)地球物理專家和各 大廠商也積極借鑒國(guó)外技術(shù)，推出了自已的新

9、產(chǎn)品，應(yīng)用較多且效果較好的有北京水電 物探研究所生產(chǎn)的 TGP12型隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)儀和青島國(guó)科海洋環(huán)境工程技術(shù)有限公司生 產(chǎn)的TST24隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。主要研究?jī)?nèi)容及研究方法本次課題主要研究綜合物探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，主要 選擇常用的幾種方法，有負(fù)視速度法、探地雷達(dá)法以及紅外探水法三種，這三種方法目 前在全國(guó)鐵路、公路隧道施工中幾乎被列為必須使用的方法。本次研究目的主要是從這 三種方法的基本原理出發(fā)，研究其實(shí)用性，在基本理論的指導(dǎo)下探求其應(yīng)用范圍，包括 探測(cè)深度、垂向分辨率、水平分辨率等，這此因素與所探測(cè)介質(zhì)的關(guān)系，應(yīng)用過

10、程存在 的問題，如何去克服這些問題，在外業(yè)操作的基本方法上如何去改進(jìn)，從三種方法各自 的應(yīng)用條件來選擇探測(cè)學(xué)子面，以及如何將這三種方法有機(jī)地組合在一起，發(fā)揮每一種 方法的長(zhǎng)處，而且針對(duì)學(xué)子面的不理想狀態(tài)和隧道側(cè)壁的干擾如何開展工作。當(dāng)數(shù)據(jù)采 集回來以后，如何分析數(shù)據(jù)，如何識(shí)別干擾波以及去除干擾波等，如何提高分辨率，對(duì) 于不同的地質(zhì)環(huán)境那種方法具有優(yōu)勢(shì)。要達(dá)到的目標(biāo)、成果形式及主要技術(shù)指標(biāo)通過研究，利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法解決以下問題不良地質(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)： 預(yù)報(bào)學(xué)子面前方一定范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、 性質(zhì)，提出施工措施或建議；水文地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)洞內(nèi)突涌水量的

11、大小及其變化規(guī)律， 并評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響；斷層及其破碎帶的預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)斷層的位置、 寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水?dāng)鄬?，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對(duì) 策；圍巖類別及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)學(xué)子面前方的圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷 其穩(wěn)定性，隨時(shí)提供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌時(shí)間的建議等；預(yù)測(cè)隧 洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動(dòng)態(tài)變化； 預(yù)報(bào)學(xué)子面前方巖性接觸帶、地質(zhì)構(gòu)造造成的破 碎、斷裂帶和巖溶發(fā)育帶、突泥、突水及有毒或易燃?xì)怏w、高地溫、巖爆等不良地質(zhì)現(xiàn) 象的位置、性質(zhì)和規(guī)模，并根據(jù)探測(cè)所得的物理參數(shù)（縱波速度、橫波速度、彈性模量 及巖石密度等）確定巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，

12、間接判斷圍巖工程類別等，并且借助于水平 鉆、超前導(dǎo)坑、地質(zhì)分析等各種其它方法，來提高其分析判斷的準(zhǔn)確性。能及時(shí)掌握可 能造成災(zāi)害性事故的誘因，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全，同時(shí)還可節(jié) 約大量資金。所以隧洞超前預(yù)報(bào)對(duì)于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避 免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?；菊擖c(diǎn)：從地震負(fù)視速度法的基本原理來闡明其在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的可行性及其適用條 件；從探地雷達(dá)法的基本原理來闡明其在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的可行性及其適用條件；從紅外探水法的基本原理來闡明其在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的可行性及其適用條件；將地震負(fù)視速度法、探地雷達(dá)法、紅外探水法三種方法

13、有機(jī)地組合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相補(bǔ)充，達(dá)到綜合勘探的目的。研究方法：將地震負(fù)視速度法、探地雷達(dá)法、紅外探水法三種方法應(yīng)用于隧道建設(shè)的工地中， 從實(shí)踐中摸索、研究、總結(jié)每種方法的可行性及局限性，通過數(shù)據(jù)加以分析最后進(jìn)行匯 總，研究出一種有效的組合方式來進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。通過研究綜合物探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，從基礎(chǔ)理論上基本掌握TSPS前地質(zhì)預(yù)報(bào)法、 探地雷達(dá)法、紅外探水法等預(yù)報(bào)方法，并在理論的指導(dǎo)下，將每一種方法都應(yīng)用于隧道 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的施工生產(chǎn)實(shí)踐中，解決和研究在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)施工生產(chǎn)中所遇到的 難題，并加以研究，改進(jìn)方法，使這三種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法形成一種有機(jī)的組合檢測(cè)手 段，為隧道施工安

14、全保障做出一定的貢獻(xiàn)。前期工作基礎(chǔ)隧道地震波超前預(yù)報(bào)屬于物探技術(shù)，但比地面的地震波物探技術(shù)復(fù)雜，我國(guó)的地質(zhì) 物探工作者一直沒有放松該技術(shù)的研究工作。我們國(guó)家研究地震波勘察檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)有 幾十年的歷史。但也存在一些實(shí)際問題。隧道地震波方法的預(yù)報(bào)原理：隧道地震預(yù)報(bào)工作利用地震反射波原理，在隧道內(nèi)以 排列方式激發(fā)的地震波，向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生反射波。聲 阻抗是介質(zhì)傳播彈性波的速度與介質(zhì)密度的函數(shù)，介質(zhì)的聲阻抗數(shù)值為速度與密度的乘 積。因此地層中的巖性變化界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等界面會(huì)產(chǎn)生地震反 射波，這種反射波被布置在隧道內(nèi)的檢波器接收，輸入到儀器中進(jìn)行信號(hào)的放大

15、、數(shù)字 采集和處理，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的。由此可以看出，隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)是通過直接探 查聲阻抗變化的界面，經(jīng)過人工分析實(shí)現(xiàn)間接推斷地質(zhì)病害的方法。不同夾角構(gòu)造面的 地震波路徑與反射波記錄形態(tài)，與隧道夾角不同的構(gòu)造面具反射點(diǎn)位置不同，地震波傳 播路徑偏離隧道軸線也不同。構(gòu)造面與隧道正交時(shí)地震波傳播路徑與隧道軸線平行，從 隧道正交構(gòu)造面產(chǎn)生的地震反射波記錄，根據(jù)反射波同相軸計(jì)算得到界面與檢波點(diǎn)之間 巖體的地震波速度，該速度代表隧道圍巖的性質(zhì)。由非正交條件下地震反射波記錄獲得 的速度為地震波傳播路徑巖體的“視速度”，“視速度”值的大小不僅與路徑上巖體的 性質(zhì)有關(guān)，而且與界面和隧道的夾角有關(guān)。應(yīng)用地震

16、波預(yù)報(bào)構(gòu)造面位置的計(jì)算是利用地 震波在炮孔段的傳播速度，各構(gòu)造面之間巖體的速度是綜合界面反射獲得的“估算速 度”，不是隧道圍巖的真速度，應(yīng)用中結(jié)合反射點(diǎn)偏離隧道軸線距離的遠(yuǎn)近和巖體的各 項(xiàng)異性分布綜合考慮使用。實(shí)際工作中采集的地震波是錯(cuò)綜復(fù)雜的，理想模式的地震波 是不常存在的，記錄上普遍存在有來自三維空間中多個(gè)方向的反射波，和各種形式的干 擾波，這是應(yīng)用技術(shù)中首先考慮的問題。針對(duì)隧道地震波傳播的復(fù)雜性，地震預(yù)報(bào)系統(tǒng) 不僅利用地震反射波走時(shí)關(guān)系，同時(shí)采集空間地震波三分量記錄，進(jìn)行地震波的極化分 析與計(jì)算，該技術(shù)的突破有利于地質(zhì)構(gòu)造面產(chǎn)狀、規(guī)模和地質(zhì)體性質(zhì)的預(yù)報(bào)。隧道地震波預(yù)報(bào)的早期研究，是由研究

17、和利用地震波在時(shí)間空間域中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征 開始的，工作中認(rèn)識(shí)到僅僅利用地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征是不夠的。隧道工程的地震 波在全三維環(huán)境條件下傳播，這種條件比地面上的平面半無限空間條件復(fù)雜得多，而且 隧道內(nèi)地震波的接收與激發(fā)測(cè)線與探測(cè)目的是近于垂直或者大角度相交的條件，因此影 響在地質(zhì)構(gòu)造面上獲得大長(zhǎng)度大面積的地震波信息量。針對(duì)這種狀況，預(yù)報(bào)工作僅僅利 用單一模態(tài)的地震波難以勝任。因此，要強(qiáng)化采集地震波的多波列信息，綜合利用地震 波的多波列震相信息，使系統(tǒng)的功能得到明顯的增強(qiáng)。其處理軟件由地震波數(shù)據(jù)輸入與 編排、空間坐標(biāo)建立、能量均衡、干擾波分析與去除、觸發(fā)時(shí)差校正、譜分析、縱橫波 分離、巖體速度

18、參數(shù)計(jì)算、回波提取與偏移圖、有效波分析與衰減參數(shù)計(jì)算、極化波處 理與構(gòu)造產(chǎn)狀圖、綜合分析與繪制成果圖等模塊組成。實(shí)際工作中考慮預(yù)報(bào)距離和分辨 精度兩方面要求，預(yù)報(bào)距離一般采用 150米至200米。隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有登記全部 測(cè)長(zhǎng)距離內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造信息的功能，利用逐次遞進(jìn)的位置相關(guān)分析，和原生成果對(duì)比等處 理功能，有利于去偽存真和排除異常，提高預(yù)報(bào)成果的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)產(chǎn)的TGPS前預(yù)報(bào)儀經(jīng)過了一定的改進(jìn)，采用孔中接收檢波器采用黃油耦合， 方便、經(jīng)濟(jì)、快捷。優(yōu)于在鉆孔中需要錨固異型鋼導(dǎo)管的方式。2米長(zhǎng)的鋼導(dǎo)管難于攜帶、運(yùn)輸，價(jià)格昂貴，一次性使用，費(fèi)事費(fèi)工費(fèi)財(cái)。地震波采集觸發(fā)是開路觸發(fā)方式， 即信號(hào)線在雷管引爆炸藥的同時(shí)被炸斷，信號(hào)線同時(shí)開路觸發(fā)儀器采集，儀器采集無延 時(shí)差，保證定位的準(zhǔn)確性。超前預(yù)報(bào)儀器若采用起爆器電脈沖同時(shí)觸發(fā)電雷管和觸發(fā)主 機(jī)采集的方案，由于電雷管起爆的延時(shí)時(shí)間難于做到一致，因此會(huì)造成儀器采集的走時(shí) 誤差，這種觸發(fā)方式在我國(guó)的地震波勘探規(guī)程中明確規(guī)定不宜使用，更何況隧道巖體的 速度比覆蓋層介質(zhì)的速度高出幾倍以上，以巖體波速 4500m/s5500m/s為例計(jì)算，每 一毫秒誤差會(huì)造成23m的預(yù)報(bào)距離誤差，一般瞬發(fā)電雷管的延時(shí)誤差不止一毫秒，因 此由20多次激發(fā)的平均線計(jì)算隧道巖體速度， 和利用存在誤差