隧道施工地质地震波法超前探测技术研究

技术与市场　技术研发　第加卷第１期２０１３年　

隧道施工地质地震波法超前探测技术研究　张光波　（西藏云天工程建筑有限公司，西藏８５００００）　摘要：随着隧道里程的快速增长，隧道施工的安全越来越重要。地质地震波法作为一种主要的超前探测技术，在国内　隧道工程中取得了诸多成功应用的探测实例。同时在应用中，不同探测方法也存在不少问题。文章主要对超前探测中　应用较为广泛的地震波探测技术加以阐明，指出隧道超前探测中地震波的种类，并进一步提出地震波法超前探测的工　作方法。　关键词：隧道施工地质；地震波法；超前探测　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１３．０１．０１３　

０引言　随着我国公路、铁路、水利、矿山及其他工程建设的飞速　发展，隧道工程也大量出现。影响隧道及井巷工程掘进安全　的地质因素较多，其中断层构造、破碎带、软弱层及含水体是　最主要的异常体，因此必须对此进行超前探测与预报，为工程　掘进提供可靠的技术保障。地震波法超前探测的目标是要建　立和完善一套实时的巷道前方地质体的动态监测与预报系　统，并可以指导隧道地质施工过程中的相关问题，保证工程施　工安全，提高经济效益。　１隧道地质超前探测　隧道地质超前探测指根据隧道洞内外地质调查、掌子面　素描及隧道开挖揭示的洞身围岩条件变化趋势的结果，运用　数学、概率论、逻辑学、物理学、地质学、计算机科学等各学科　知识，结合探测人员经验，对隧道施工可能遇到的各种不良地　质体及可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模进行　判断和探测，并根据判断和探测结果提出应采取地质灾害预　防和处理的措施。因此，隧道地质超前探测包括隧道工程可　行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的探测。　２地震波探测原理　不同岩层物理性质的差异，导致地震波在不同岩层中的　传播速度也不同。　２．１地震波探测的基本原理　震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时，　遇到不同的波阻抗界面时，在界面处发生反射、透射（折射）等　现象，这些在不同波阻抗界面发生的反射、透射（折射）地震波　可被排列于震源附近的检波器所接收，从而形成可用于地震　解释的原始数据。　２．２弹性介质和理论基础　某物体在外力作用下产生形变，当外力去掉之后，物体能　迅速恢复到受力前的形态和大小，物体这种特性称为弹性，该　介质称之为弹性介质。自然界大部分物质都可以在一定的外　力作用下呈现出弹性的性质。　在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分为各向　同性和各向异性两类。所有弹性性质和空间方向无关的称之　为各向同性介质；反之则为各向异性介质。在矿井地震波勘　探中，人工地震震源是在很短的时间内激发的脉冲式地震波，　激发的能量对于探测前方的岩层和接收点处介质所产生的作　用力较小，因此，可以将它们看作弹性介质，并可以用弹性理　

论来研究地震波的传播问题。研究表明，大部分岩、煤的机制　在地震勘探中都可以看作各向同性介质，从而可以利用一些　基本弹性理论来进行地震波研究。　在隧道地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在　岩、煤介质中的传播规律，以探测前方地质构造和岩层的分布　等。研究的理论中，通常把岩、煤介质看作各向同性的弹性介　质，把地震波看作弹性波。　２．３波的分类　地震波分为面波和体波两大类。面波又可分为瑞利波和　勒夫波两种，体波又可分为纵波和横波两种。现将各种波的　特征分别进行阐述。　２．３．１面波　根据弹性力学理论，面波又分为勒夫波和瑞利波。瑞利　波是沿介质与大气层接触的自由表面传播的面波，具有频率　低、速度接近于横波波速且衰减慢等特点，在一般地震勘探中　是一种干扰波。勒夫波使岩石质点运动类似ＳＨ波，运动没有　垂向位移，岩石运动在垂直于传播方向上，在水平面内从一边　到另一边。由于勒夫波常具有很大振幅，能在建筑物地基之　下造成水平剪切，是破坏性最强大的波。　２．３．２纵波　弹性介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的　波称为纵波。纵波中介质点受到交变拉压应力作用并产生伸　缩变形，故纵波亦称压缩波（或Ｐ波）。而且，由于纵波中的质　点疏密相间，故又称为疏密波。　２．３．３横波　质点的振动方向与波的传播方向垂直，这样的波称为“横　波”。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂　直。在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距　离。横波中介质点受到剪切应力的作用而产生切变形变，故　横波又称为切变波。　３地震波法超前探测工作方法　隧道地震波法超前探测工作方法是建立在经典弹性波理　论基础上，形成的反射波法超前探测技术。图１为波反射法　地质探测程序。开展隧道地质探测工作，首先要对所处的地　质环境有一个整体的把握，其具体内容主要包括：地质资料的　收集、整理及分析；地质调查；隧道洞内地质调查和掌子面地　质素描；隧道地质探测工作方法的选择，以及后期的探测实施　等。下面分别对各个阶段的工作内容作简单介绍。　技术研发　图１　波反射法地质探测程序　１）地质资料的收集、整理及分析阶段的工作主要是收集　所在地区的区域地质、工程地质和水文地质的资料，了解隧道　通过的地区地层、地质构造的分布情况、工程地质及水文地质　的条件，时隧道施丁过程中可能遇到的各种地质条件及可能　发生的地质灾害做出预判，为隧道工程地质勘探提供科学的　依据。通过这个阶段的工作，达到明确隧道施工地质超前探　测的晕点　Ｅ　作区段的目的。　２）结合地质调查的工作，确定隧道施工地质超前探测上　作的重点区段包括：断层及其破碎带的地理佗置；岩溶可能发　育的部位；煤层分布位置；隧道可能穿过的采、废弃矿巷的部　位；浅埋隧道穿越强风化岩脉的部位；节理密集发育岩体分布　位置；含水体分布位置。　３）隧道洞内地质调查和掌子面的地质描述工作由于是沿　着隧道的边墙进行的，其主要内容有：地层及岩性描述；地层　分界面产状及位置确定；地质构造的位置、产状规模的测定及　其性质描述；节理裂隙统计；确定临空面滴水位置；特殊地质　现象的描述等。　

Ｖ０１．２０Ｎｏ．１。２０１３　４）隧道地质探测工作方法的选择应当遵守这样几个原　则：有牢固的理论基础；很少占用掌子面的施工时间；适用性　强；操作简单；能适应隧道施工的需要；对隧道施工所面临的　地质问题具有很强的针对性。　５）在选定探测方法之后可以开始进行掌子面的探测工　作。在掌子面的探测过程中，应重点注意以下几个问题：①探　测要在掌子面通风一段时间，降低其附近温度后进行；②洞内　管线，特别是动力管线对探测信号的反射和接受均有一定程　度的影响，为此应尽量避免信号传输线与洞内管线的交叉接　触，减小这种原因造成的信号干扰；③洞内施工与探测工作不　要同时进行；④掌子面施工台架对探测也有一定的影响，因　此，探测过程应该尽量将施工的台架移动到探测的场地之外。　４结语　综上所述，在隧道的施工过程中，通过采用地震波法超前　探测技术对前方的地质构造异常进行有效的预测预报。地震　波法超前探测技术在我国隧道工程中发挥着巨大的指导作　用，为巷道掘进及安全生产提供了重要的技术保障。隧道施　工在日常生产过程中，存在较多安全隐患，完全依靠地质技术　人员的经验，防范地质灾害的发生，其工作量和责任都十分重　大。利用地震波法超前探测技术，既可减轻技术人员的工作　压力，又可增加地质预测的准确率，具有较好的应用效果。　参考文献：　［１］齐传生．隧道地震波超前地质预报系统的应用［Ｊ］．世界　隧道，１９９９（１）：３６—４０．　［２］赵存明，沈斐敏．公路施工隧道地质灾害超前预报技术　分析［Ｊ］．中国安全生产科学技术，２００６（４）：１３—１５．　［３］杜立志．隧道施工地质地震波法超前探测技术研究［Ｊ］．　吉林大学，２００８．　［４］鲁光银．隧道地质灾害反射渡法探测数值模拟及围岩Ｆ　—ＡＨＰ分级研究【Ｄ１．中南大学，２００９（９）．　

（上接第２２页）　高、有功损耗大等不足之处，除了在枢纽变电站中常会使用之　外，其他应用很少。　３．３利用变压器分接头调压　通过改边变压器的变比可以实现财次级绕组电压的调　节，一股有有载５调压和无载调压两种方法。　３。３　】有载调压　柯载　压器可在带负荷运行的情况下财其分接头进行切　换，它和普通的变压器相比其调节范围也比较大，调节范围可　以达到额定电压的加％～３０％，在１ｌ０　ｋＶ变电站中应用较为广泛。　３．３．２无载调压　无载调压必须在变压器断开电压之后停电操作，通过对　变压器分接头的改变实现对二次电压的调节。该种调压方式　埘季节性停电的变电站比较适用。由于无法根据负荷变化埘　电压进行灵活的调节，因此很多城市电网对１１０　ｋＶ及其以Ｊ－的　变『玉器都采用了该种调压方式。　３－４改变线路参数Ｒ以及ｘ来实现调压　输送功率一定时，可以通过对参数Ｒ以及ｘ大小进行　调节来改变电压的损耗，进而实现对电压的调节　第一，可以　通过并联或者是串联电容线路参数来实现调压；第二，依据允　许电压损耗来合理选择导线的截面实现调　；第三，通过串联　电感线圈，使得线路的电压损耗和无功功率得到有效增加来　２４　实现调压；第四，通过对电网的接线方式进行改变来实现调　。以上方法在选用的时候要结合实际情况。　４结语　综上所述，电力系统的安全稳定运行会直接受到电压的　影响，电压和整个电网的运行有着直接的关系，要想保证其处　于安全、稳定、可靠以及经济的运行状态，就要做好对电压的　调节，保证电压的质量。文中分析了几种主要电压调节方法，　在实际选用中要根据现场的实际情况，综合考虑之后选择合　理的调压方法。　参考文献：　［１］　韩太旭，韦德友，刘大鹏．电力系统的电压质量与电压调　整［Ｊ］．黑龙江科技信息，２０ｏ７（１）．　［２］　刘沛清，阳江华．现代电力系统电压调节措施分析综述　［Ｊ］．技术与市场，２０１ｌ（６）．　［３］　王庆宝．电力系统的电压质量与电压调整［Ｊ］．黑龙江科　技信息，２００７（１９）．　【４］　来美英，来运梅．电力系统的调压措施［Ｊ］．科技信息（学　术版），２００６（９）．　［５］邓忠梅，王建波．电力系统的电压质量与电压调整［Ｊ］．黑　龙江科技信息，２００８（２１）：４８—４９．　［６］冯鹤彬．电压质量对电网的影响及调整措施［Ｊ］．河南科　技，２０１１（２４）：７６．