CN102495434A - 地下工程超前地质预报的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程超前地质预报的方法，它以地质为中枢，包括长期超前地质预报、中期超前地质预报、短期超前地质预报和临兆超前地质预报四个阶段，它包括以下步骤：（1）明确地下工程超前地质预报的任务；（2）收集资料；（3）现场地质复查；（4）完善地下工程纵断图面的修改；（5）采用地质法、物探法、水平钻探法三种方法相结合，得到超前地质预报。本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，以地质为中枢，将地质综合分析贯穿于地下工程超前地质预报的全过程，把长期、中期、短期、临兆超前地质预报紧密结合起来，实行地质-物探-水平钻探三结合，优化物探手段综合应用，具有提高预报准确率，降低预报成本，适用范围广等优点。

Description

地下工程超前地质预报的方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程超前地质预报的方法。

背景技术

隧道、隧道工程是不同于一般土木建筑工程的特殊工程-地质工程，它是以地质体做建筑材料，又是工程结构的一部分或全部，并以地质环境为建筑环境的一类特殊建筑工程，其理论基础是地质控制论-地质构造控制论、岩（土）体结构控制论、岩溶控制论、地质环境控制论，地质工程的设计和施工的基本方法是地质监控施工法，超前地质预报是地质监控施工法的重要组成部分，是隧道、隧洞动态设计、施工的客观要求。

随着我国西部大开发的开展，大规模的基础设施建设，铁路、公路、水电水利工程的上马，我国铁路、公路隧道、引水隧洞，特别是长大埋深的隧道（隧洞）与日俱增，上述地区的岩土工程勘察因自然地理条件，多处于中、高山地区，地形、地貌复杂，河流深切，地质环境条件（地层岩性复杂、碳酸盐地层广布、褶皱、断裂构造复杂）；水文地质条件（岩溶水、断层水等普遍），生态环境脆弱，对于地形、地貌、地质条件复杂，尤其是岩溶复杂的隧道（隧洞）的工程勘察成为一个尚待解决的难题。

目前，常用的地下工程超前地质预报的划分还没有统一的标准，多数均按物探的探测距离划分为长期、短期预报两个阶段，有的虽然提出了宏观超前地质预报概念，但对其理论、步骤和方法的研究较少，实际应用的实例较少，在超前地质预报技术综合应用中，仅以两种或两种先进物探手段进行超前探测后就做出超前地质预报的现象较为常见，即使使用先进的物探仪器也难以取得理想的效果，在物探方法的选择上，未能根据隧道（隧洞）实际的地质条件进行优化组合，预报成本较高，预报准确度较低。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种以地质为中枢，将地质综合分析贯穿于地下工程超前地质预报的全过程，把长期、中期、短期、临兆超前地质预报紧密结合起来，实行地质-物探-水平钻探三结合，优化物探手段综合应用，提高预报准确率，降低预报成本，适用范围广的一种地下工程超前地质预报的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：地下工程超前地质预报的方法，它以地质为中枢，包括长期超前地质预报、中期超前地质预报、短期超前地质预报和临兆超前地质预报四个阶段，它包括以下步骤：

（1）明确地下工程超前地质预报的任务；

（2）收集资料：至少收集整座地下工程的以下资料：岩土工程勘察报告、专题研究报告、线路工程地质、水文地质、线路纵断面图、地层柱状图、钻孔柱状图、探洞平面图、地面地质物探成果资料、地下工程设计文件，必要时还应收集地下工程所在地的1/20万的区域地质量测报告，1/20万的综合区域水文地质量测报告，对收集到的资料进行分析、研究，基本掌握地下工程全线的地质构造轮廓和主要不良地质的种类、分布和规模，找出与超前地质预报有关的资料不足之处，或需要解决的问题，作为超前地质预报的重点研究；

（3）现场地质复查：在分析研究已有资料的基础上，进行现场地质复查，初步核查有关资料；

（4）完善地下工程纵断图面的修改：在现场地质复查的基础上对地下工程纵断图面进行修改补充；

（5）采用地质法、物探法、水平钻探法三种方法相结合，将已有地下工程发生的地质条件与现有地下工程进行研究、分析、对比，得到该地下工程的超前地质预报。

所述的地质法包括对地下工程纵剖面进行编制的地质投射法；

即是确定地质历史的根据、构造地质的基础，又是地下水的介质条件的地层层序预报法；

应用矿山地质学原始编录的原理和方法，对新开挖的掌子面进行地质素描，从地下工程开挖的起点按一定比例尺绘制三壁展开图，绘制平导，绘制正洞联合断面图，通过上述三个方面地质资料的全面收集和基础图件的绘制进行掌子面前方和横向进行短距离超前地质预报的地质编录预报法，它包括掌子面素描、洞身三维展开图的绘制与应用、平导、正洞联合断面平面图的编制与应用；

对断层过程进行预报的断层参数法；

获取掌子面围岩的地质结构面分布的参数的TV成像技术，所述的TV成像技术包括对输入的图像信息进行预备性处理的图像预处理；对数字图像进行编码，实现不失真压缩的图像压缩编码；根据图像中存在的图像特征，把图像分割成一系列目标区的图像的分割；用专用数学语言来表示已分离区域或物体的结构与统计性质或区域间关系的图像的描述；

依据工程经验和工程地质学分析方法，按照不良地质作用，地质灾害形成的工程地质条件，水文地质条件和其它条件进行类比的工程地质类比法。

所述的物探法包括地震波反射法、LDS陆地声纳法、TRT地震反射层析法、负视速度法、HSP水平声波法、BEAM电法探测技术、TEM瞬变电磁法、GPR地质雷达法、声发射法、红外线探水法。

所述的地震波反射法采用回声测量原理，地震波在指定的震源点用少量***激发，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向掌子面前方传播，当地震波遇到岩石物性界面时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被两个高灵敏的地震检波器接收，通过对接收信号的运动学和力学特征进行分析，推断不良地质体的位置、规模、产状及岩石的力学性质；

所述的LDS陆地声纳法包括在地下工程沿掌子面上设一测线，测线上每30cm左右设一测点，然后用锤击产生震动弹性波，弹性波沿掌子面在岩体中传播，遇到波速和密度不同的界面产生反射，在锤击点近旁设置的检波器接收这一系列反射波，沿一测线上许多测点逐一测取后，将各测点的记录绘成一张图一时间剖面，以图中可连成一条线的同一反射面的反射波，就可判释出各反射界面；

所述的TRT地震反射层析法采用空间多点激发和接收，基于隧道围岩中存在声阻抗差异，声阻抗差异发生在岩层边界或不连续带，这些不连续带相当于镜子，将反射给声波探测仪，经分析后确定反射界面的位置和性状，利用地震反射波进行三维地质条件成像的原理，对于已知位置的每个震源和接收器，反射面可能反射到的区域为一个椭圆，为设置足够的震源和接收点以形成一个三维阵列，每个边界或反射面被认为是多个椭圆交叉的区域；

所述的负视速度法采用小点激发，多点接收，利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特性来预报地下工程掌子面前方及周围区域的地质情况，在地下工程侧壁的一定范围内布置激振点，进行激发、产生的地震波信号在地下工程周围岩体内传播，当岩石强度发生变化时，地震波信号的一部分将返回，返回信号被仪器接收；

所述的HSP水平声波法利用声波在岩体中的传播、反射，通过信号采集***接收反射波信号，判断地下工程掌子面前方反射界面的性质；

所述的TEM瞬变电磁法是一种时间域电磁法，利用介跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化；

所述的GPR地质雷达法利用一个天线以款脉冲形式向掌子面前方发射高频电磁波，另一个天线接收掌子面前方介质界面的反射电磁波；

所述的声发射法在地下工程开挖过程中引起应力重分布，将导致岩体内部出现破裂或是原有裂隙的进一步扩展，当岩体内积累的变形能释放时，应力波同时向外传播，形成一系列声发射信号，声发射的强弱多寡与岩体特征性和受力状况有关，而且在岩体破坏前有一系列增加的过程，主要预报岩爆和岩体的稳定性；

所述的红外线探水法是非接触探测，在隧道壁上定探点，用仪器的激光器在壁上打出一个红色斑点，定好探点扣动仪器的扳机，就可以在仪器屏幕上读取探测值。

所述的水平钻探法通过钻探对掌子面前方获取的地层岩性进行鉴别确定其埋藏距离与厚度、溶洞及充填物的性质，所述的水平钻探法包括短钻孔水平钻探法和长钻孔水平钻探法。

所述的掌子面素描是在地下工程内，对新开挖的掌子面进行全面***的观察记录，并绘制掌子面素描图，所述的掌子面素描图主要包括地层岩性特征、地质时代、地层产状，围岩的类型、软硬岩分布情况及性质风化程度，节理裂隙发育程度、间距、组数分布及产状，断层的性质，规模分布情况及产状，岩体结构类型及自稳能力，涌水、突泥位置、涌水量及其状态，软弱岩层的分布及厚度以及对地下工程施工的影响等；

所述的洞身三维展开图的绘制与应用借助地下工程的施工，及时将地下工程揭露的地层岩性、构造地质、地下水、不良地质作用等，反映在1：1000的隧道三维展开平面图上，并与地下工程纵剖面图进行对照，用以近距离预报掌子面前方可能出现的地层岩性和不良地质情况，与此同时，对重点地段结合掌子面素描，可从四维空间对掌子面前方做出预报；

所述的平导、正洞联合断面平面图的编制与应用在编绘平导正洞三壁展开图的基础上，绘制平导、正洞或正洞左右幅联合水平断面图，将平导或正洞之一超前揭露的地质分界线、断层破碎带等的产状向一侧（正洞）或两侧（当为三洞平行施工时）外延，从而做出施工地段地层分层界线和断层等不良地质的超前地质预报。

所述的短钻孔水平钻探法的探钻距离为30m以内，所述的长钻孔水平钻探法探钻距离大于50～100m。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，以地质为中枢，将地质综合分析研究贯穿于超前地质预报的全过程，把长期、中期、短期、临兆超前地质预报紧密的结合起来，实行地质-物探-水平钻探三结合，优化物探手段综合应用，符合隧道（隧洞）工程典型的地质工程的特点，从宏观到微观、由远而近，逐步锁定不良地质地段，符合人们对地质工程的客观认识规律，亦有利于物探手段选择的优化组合；

（2）本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，具有不断提高超前地质预报的准确率，降低超前地质预报成本，有利于地下工程施工单位提高经济效益，节约国家建设投资等优点；

（3）本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，采用长期超前地质预报，在全面***研究隧址区勘察资料、设计文件的基础上经地表地质复查，找准整座地下工程的重点、难点、疑点地段和不良地作用类型和分布里程，以地质控制论和地质类比法，做出整座地下工程的全程超前地质预报，有效地直到中、短期超前地质预报顺利进行，并为选择物探及物探手段的优化组合方案提供依据，它是勘察设计的深化，弥补了当前地勘成果综合分析不足的缺陷，有助于施工单位编制的组织设计方案更有针对性，使防灾减灾的措施更加具体，亦是地下工程监控量测布置的依据；

（4）本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，采用距离在掌子面前方80～120米的中期超前地质预报，将地质综合分析和物探相结合，在长期超前地质预报的基础上对其重点、难点、疑点地段进行检验确认、完善，进一步锁定短期超前地质预报的重点地段；

（5）本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，采用距离在掌子面前方30～50米的短期超前地质预报，是超前地质综合预报技术中的攻坚阶段；

（6）本发明提供一种地下工程超前地质预报的方法，采用临兆超前地质预报，尽可能避免重大地质灾害的发生，确保地下工程安全、快捷施工。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明现场地质编录流程图；

图3为本发明地震波反射数据采集流程图；

图4为本发明地震波反射数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，地下工程超前地质预报的方法，它以地质为中枢，包括长期超前地质预报、中期超前地质预报、短期超前地质预报和临兆超前地质预报四个阶段，它包括以下步骤：

（1）明确地下工程超前地质预报的任务，以委托单位下达的任务书为准；

（2）收集资料：至少收集整座地下工程的以下资料：岩土工程勘察报告、专题研究报告、线路工程地质、水文地质、线路纵断面图、地层柱状图、钻孔柱状图、探洞平面图、地面地质物探成果资料、地下工程设计文件，必要时还应收集地下工程所在地的1/20万的区域地质量测报告，1/20万的综合区域水文地质量测报告，通过对上述资料的分析、研究，基本掌握地下工程全线的地质构造轮廓和主要不良地质的种类、分布和规模，做到心中有数，同时找出与超前地质预报有关的资料不足之处，或需要解决的问题，并作为超前地质预报的重点来研究；

（3）现场地质复查：在分析研究已有资料的基础上，进行现场地质复查，初步核查有关资料；

（4）完善地下工程纵断图面的修改：地下工程纵断面图对地下工程超前地质预报来讲是一张基础性的图纸，采用地质制图的投射法，在现场地质复查的基础上对地下工程纵断图面进行修改补充，当已有沿地下工程轴线的地质纵剖面时，主要是进行复核工作，重点是地质构造、断层性质、褶曲的特点决定褶曲投影点的位置，岩溶及不良地质作用等；

（5）采用地质法、物探法、水平钻探法三种方法相结合，将已有地下工程发生的地质条件与现有地下工程进行研究、分析、对比，得到该地下工程的超前地质预报。

所述的地质法包括地质投射法、地层层序预报法、地质编录预报法、断层参数法、TV成像技术、工程地质类比法。

所述的地质投射法是对地下工程纵剖面的编制方法，所述的地质投射法包括以下步骤：在对地下工程线路地质图、剖面图全面检查无误后，依据设计将地下工程轴线走向表示在地形地质图上，可以是直线，也可以是曲线或部分曲线，部分是直线，也可以是大角度相交的折线，投射作图时，应先确定地下工程纵剖面的比例尺，一般来讲，纵剖面的比例应较线路地质图的比例尺放大一倍，如前者比例尺为1：10000，则纵剖面图则采用1：5000，考虑到长大深埋地下工程多位越岭地下工程，高差在700～800米，甚至更大，当纵剖面的垂直比例放大后，水平与垂直比例不协调，其水平、垂直比例尺应一致，依据地下工程进口和出口的高程，先沿线路确定各地质分界点的高程和洞口至终点的水平距离，当为曲线时，应将曲线分成若干很近似的切线，用每段切线长度代替曲线的长度，该段切线的总长度需与地下工程轴线的设计里程一致，同时需要依据线路地质图量出每段切线的方向，当地质界面点少，而地形变化较复杂时，可按等间距和地形转折处的高程点确定其高程，按确定的比例展绘纵剖面的地形线并将地质界面点以特殊的符号标注在地形线上，连接进出洞口的两高程点即为设计地下工程在纵剖面上的位置；

地下工程的设计均有一定的坡度，当线路纵剖面与地质界面走向夹角为90°时，地质图上表示的地质界面的倾角为真倾角，由地形线上的界线点直接向地下工程设计轴线上投射，当纵剖面的方向与地质图上地层走向夹角小于90°时，应将地质界面的直倾角换算成视（假）倾角，向地下工程设计线上投射；

地质体的投射：宜先断层，后地层界面点，断层及断层碎带按平行等厚的原则投射，投射时应***研究区域地质构造特点，断层的性质、断层倾角的变化，而对岩浆岩侵入体，要考虑地表地质调查初步确定的产状，作必要的推断；

褶曲投射时要对地质图上表示的褶曲构造进行详细的研究，特别是褶曲轴面，褶曲转折端形态的联接，投射时应反复推断，使之基本符合实际；

当有平行探洞和其它深部工程（如探钻）时，地质界面从地表向设计地下工程的投射时，必须予以充分利用；

地表物探异常（地震、磁法、电法等）亦应投射在纵剖面相应的位置上。

所述的地层层序预报法是确定地质历史的根据和构造地质的基础，也是地下水的介质条件，当地勘单位实测有隧址工程区的地层剖面，经复查核实基本属实时，可不另行测制地层剖面，建立地层层序，当隧址工程区地层、构造复杂原有地勘成果不满足要求时，应补测全部或一段的地层剖面重新建立地层层序，为地层层序预报法（含水层、构造地质）的修改补充提供地质依据。

所述的地质编录预报法是应用矿山地质学原始编录的原理和方法，对新开挖的掌子面进行地质素描，从地下工程开挖的起点按一定的比例尺绘制三壁展开图，并绘制平导，正洞联合断面图，通过上述三个方面地质资料的全面收集和基础图件的绘制进行掌子面前方和横向进行短距离超前地质预报的一种预报方法，它包括掌子面素描、洞身三维展开图的绘制与应用、平导、正洞联合断面平面图的编制与应用；

掌子面素描在地下工程内，对新开挖的掌子面进行全面***的观察记录绘制掌子面素描图，其主要内容有地层岩性特征、地质时代、地层产状，围岩的类型、软硬岩分布情况及性质风化程度，节理裂隙发育程度、间距、组数分布及产状，断层的性质，规模分布情况及产状，岩体结构类型及自稳能力，涌水、突泥位置、涌水量及其状态，软弱岩层的分布及厚度以及对地下工程施工的影响等；

洞身三维展开图的绘制与应用借助地下工程的施工，及时将地下工程揭露的地层岩性、构造地质、地下水、不良地质作用等，反映在1：1000的隧道三维展开平面图上，并与地下工程纵剖面图进行对照，用以近距离预报掌子面前方可能出现的地层岩性和不良地质情况，与此同时，对重点地段结合掌子面素描，可从四维空间对掌子面前方做出预报；

平导、正洞联合断面平面图的编制与应用在编绘平导正洞三壁展开图的基础上，绘制平导、正洞或正洞左右幅联合水平断面图，将平导或正洞之一超前揭露的地质分界线、断层破碎带等的产状向一侧（正洞）或两侧（当为三洞平行施工时）外延，从而做出施工地段地层分层界线和断层等不良地质的超前地质预报。

所述的断层参数法基本理论是基于前苏联著名矿井地质学家N.E.葛尔比目在《煤层断层》一书中首次***阐述了断层影响带理论，葛尔把断层影响带的边界确定为与断层形成密切相关、由断层派生和伴生的褶皱或节理的始点，断层影响带的内容包括断层相关构造带、煤岩强度降低带和煤化学性质、工艺性质变化带共三种异常带，所述的断层影响带按地质力学的观点，断层相关的构造带主要包括断层相关褶曲、褶皱和断层相关节理；在断层影响带内都存在一个向着断层方向，岩石强度降低的物理力学性质带，断层参数法包括现场地质编录和室内计算，如图2所示，现场地质编录包括以下步骤：

（1）依据背景节理特点，首先把地下工程中的背景节理鉴别出来；

（2）在岩层产状近水平，缓倾或倾斜的地下工程中，测量岩层产状，注意有无曲率半径小于100米的前兆褶皱，如果有就预示工作面前方一定距离内会出现断层，而且是走向逆断层；

（3）注意观测已揭露断层的Ⅰ节理的产状和分布特性，同时仔细观测和编录哪些与已揭露断层Ⅰ节理产状不同的斜交层理，长大明显的另一组，Ⅰ节理出现的可能，当发现了这条节理后，在工作面的后方，再仔细搜寻类似的节理，直到发现第一条为止，并记录第一条节理的里程；

（4）从第一条Ⅰ节理开始，仔细编录地下工程前方两壁出现的所有节理，特别注意编录与第一条Ⅰ节理产状相似的节理，记录出现的条数和里程；

（5）通过绘图，划分Ⅰ节理的密集带，确定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ带，当第Ⅰ带确定以后，特别注意第Ⅲ带开始的位置，并记录里程；

（6）依据Ⅰ节理产状，确定观测区段位于预报断层上盘还是下盘；

（7）测量Ⅰ节理，Ⅲ带始见点的距离。

所述的TV成像技术是通过摄像机将地下工程掌子面以图像的形式记录下来，然后再用数字计算机进行图像处理，获取掌子面围岩的地质结构面分布的参数，部分代替人工掌子面素描，克服因人而异的不足，包括图像预处理、图像压缩编码、图像的分割和图像的描述，所述的图像预处理即是对由输入设备得到的图像信息进行预备性处理，主要包括灰度校正、噪声过滤和畸变校正，如此对图像的各种增强，直方图变换，平滑滤波等，图像压缩编码是根据不失真理论对数字图像进行一定方式的编码，删除其中的相关信息，实现不失真压缩，图像分割主要根据图像中存在的边缘、纹理、形状、目标表面主方向、传感器与目标表面诸点距离等图像特征，把图像分割成一系列的目标区，最终形成基元，图像的描述用专用的数学语言（如图论、角法、形态等）来表示已分离区域或物体的结构与统计性质或区域间的关系，描述的常见方法包括一阶灰度统计量，局部特性统计量分析，纹理分析的有相关函数法及灰度共生矩阵技术，所述的TV成像技术包括以下步骤：将现场复制的TV图像转换为数字图像，并对得到的数字图像进行初始化，得到原始图；滤镜处理，包括锐化处理和查找边缘处理，进一步做USM锐化和锐化边缘，在锐化处理基础上进行强化边缘处理；灰度处理，修改亮度和对比度数值；亮度对比：保留主要信息，忽略次要信息；裁减，清除无效部分。

所述的工程地质类比法依据工程经验和工程地质学分析方法，按照不良地质作用，地质灾害形成的工程地质条件，水文地质条件和其它条件进行类比，进行塌方、突水、突泥等类型的地质灾害的超前预测。

所述的物探法包括地震波反射法、LDS陆地声纳法、TRT地震反射层析法、负视速度法、HSP水平声波法、BEAM电法探测技术、TEM瞬变电磁法、GPR地质雷达法、声发射法、红外线探水法。

所述的地震波反射法是多波多分量高分辨率地震反射波探测技术，采用回声测量原理，地震波在指定的震源点用少量***激发，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向掌子面前方传播，当地震波遇到岩石物性界面时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被两个高灵敏的地震检波器接收，通过对接收信号的运动学和力学特征进行分析，推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石的力学性质；

如图3所示，地震波反射数据采集包括以下步骤：

（1）根据地层产状与隧道轴线的关系，在隧道边墙布置接收器安装孔和炮点装药孔；

（2）对传感器安装孔参数进行复制，然后将接收器套管放入探测孔中；

（3）对炮点炮孔参数进行复制，用木质炮棍将***包安防到位；

（4）将接收器放入测试套管内，放置时对好方向，连接信号数据传输线，接收信号线一端连接传感器，另一端连接数据记录单元；

（5）启动记录单元，设置采集参数等；

（6）连接炮点起爆***和信号记录触发***，起爆线一端接电***脚线，另一端接记录触发盒；

（7）在噪音检查模式下测试记录单元功能，做好噪音监视；

（8）依次单个激发震源炮点，进行地震波信号数据采集；

如图4所示，地震波反射数据处理包括以下步骤：

（1）设置数据长度，根据地质情况和探测目的，合理设置数据最大记录长度以节约计算时间、内存和存储空间；

（2）设置带通滤波器参数，对地震波频谱分析，根据以往测试得到的不同岩层的地震波频谱特性，选择合理的滤波参数，将干扰波滤除，保留能够反映地层特性的地震波；

（3）首先到达信号波的舍取，数据采集过程中接收器采集的信号包括***地震波的直达波、反射波和干扰波，干扰波信号可以通过滤波的方式进行处理；

（4）初至处理，由纵波初至确定横波初至，根据横波初至计算横波速度；

（5）药炮能量平衡，对每一炮由于弹性能量释放变化进行补偿；

（6）估计质量因子，由初至波确定衰减参数Q；

（7）反射波的提取，提取Radon变换和Q滤波，Radon变化是用倾角滤波提取反射波，Q滤波是通过滤波部分地逆换波的衰减；

（8）P-S波分离，将X、Y、Z分量记录转换为P、SH、SV分量记录；

（9）地震波速度分析，首先创建一个速度模型，由此模型计算旅行时间，偏移地震数据到一个同激发距离道集上，以及由这些偏移得出一个新模型；

（10）反射界面的深度偏移，主要通过纵、横波偏移将地震振幅由时间域映射到物理空间；

（11）地震波反射界面的提取，由最终的偏移结果使用影响处理和结果列表提取主要的纵波和横波反射界面，包括P波反射界面的提取、SH波反射界面的提取和SV波反射界面的提取。

所述的LDS陆地声纳法是陆上极小偏移距离高频宽带高保真全信息弹性波超短余振接收单点连续剖面法，在地下工程沿掌子面上设一测线，测线上每30cm左右设一测点，然后用锤击产生震动弹性波，弹性波沿掌子面在岩体中传播，遇到波速和密度不同的界面可产生反射，用在锤击点近旁设置的检波器接收这一系列反射波，沿一测线上许多测点逐一测取后，将各测点的记录绘成一张图一时间剖面，以图中可连成一条线的同一反射面的反射波，就可判释出各反射界面。

所述的TRT法隧道地震反射层析法采用空间多点激发和接收，其检波器和激发炮点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使掌子面前方不良地质体的定位精度大大提高，基于隧道围岩中存在声阻抗差异，声阻抗差异发生在岩层边界或不连续带，这些不连续带相当于镜子，将反射给声波探测仪，经分析后确定反射界面的位置和性状，利用地震反射波进行三维地质条件成像的原理，对于已知位置的每个震源和接收器，反射面可能反射到的区域为一个椭圆，为设置足够的震源和接收点以形成一个三维阵列，每个边界或反射面被认为是多个椭圆交叉的区域。

所述的负视速度法利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特性来预报地下工程掌子面前方及周围区域的地质情况，在地下工程侧壁的一定范围内布置激振点，进行激发、产生的地震波信号在地下工程周围岩体内传播，当岩石强度发生变化时，地震波信号的一部分将返回，返回信号被仪器接收，反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直线由震源发生的信号在记录图纸上呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，对纵横波进行综合分析可以了解反射界面两侧的岩性，密实度的变化，反射界面的距离可由下式得来：                                                ，当所得记录中没有反射波时，可预测掌子面前方岩质是均匀的。

所述的HSP水平声波反射法：利用声波在岩体中的传播、反射，通过信号采集***接收反射波信号，判断地下工程掌子面前方反射界面的性质，探测时不占用掌子面，反射和接收换能器布置在隧道两侧的浅孔内，发射、接收位置均在平行于隧道底面的同一水平面上，探测距离可长可断，主要探测断层、构造破碎带、软夹层、地层界面、岩溶洞穴界面等不良地质体，并确定它们的性质。

所述的瞬变电磁法是一种时间域电磁法，利用介跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法，利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地中传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强，在一次场消失后，涡流并不立即消失，它将有一个过度过程，该过度过程又产生一个衰减的二次场。

所述的GPR地质雷达法利用一个天线以款脉冲形式向掌子面前方发射高频电磁波，另一个天线接收掌子面前方介质界面的反射电磁波，地质雷达法的探测方式包括：一是点测，二是连续探测，通过点测可以对单个测点波形进行参数实时调节细化分析，对环境的适应性强，不受地形高低、空间范围的限制，通过连续探测，能实时形成连续探测剖面，比较直观，但要求探测区域较为平坦，以便仪器能够平稳运动，进行扫描。

所述的声发射法是在地下工程开挖过程中引起应力重分布，将导致岩体内部出现破裂或是原有裂隙的进一步扩展，当岩体内积累的变形能释放时，应力波同时向外传播，形成一系列声发射信号，声发射的强弱多寡与岩体特征性和受力状况有关，而且在岩体破坏前有一系列增加的过程，主要预报岩爆和岩体的稳定性。

所述的红外线探水法是非接触探测，在隧道壁上定探点，用仪器的激光器在壁上打出一个红色斑点，定好探点扣动仪器的扳机，就可以在仪器屏幕上读取探测值，其具体工作方法如下：

（1）进入探测地段时，首先沿隧道一侧壁，以5米点距用粉笔或油漆标好探测序号，一直到终点；

（2）在掘进断面处，首选对断面前进行探测，在返回的路径上，每遇到一个顺序号，就站到隧道中央，分别用仪器的激光器打出的红色斑点使之分别落在左壁、右壁、拱顶、底板的中线位置、并扳动仪器的扳机，分别读取探测值，并做记录，红外探水在石灰岩地段平均每30米探测一次，然后，转入下一序号点，直至全部探测完；

（3）探测数据输入计算机后，绘成顶、底及两壁探测曲线。

所述的水平钻探法是超前地质预报最直接的一种方法，通过钻探对掌子面前方获取的地层岩性进行鉴别确定其埋藏距离与厚度、溶洞及充填物的性质，能查明钻探深度内的地下水的赋存条件，可以进行水量、水压的测定，当为煤系地层时，可确定煤层厚度和进行瓦斯含量测定，对超前地质预报成果进行验证，同时利用所取岩芯可进行室内试验，测试岩石的物理力学性质，分为距离30米以内的短钻孔水平钻探法和距离大于50～100米的长钻孔水平钻探法。 

Claims (8)

1.地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：它以地质为中枢，包括长期超前地质预报、中期超前地质预报、短期超前地质预报和临兆超前地质预报四个阶段，它包括以下步骤：

（1）明确地下工程超前地质预报的任务；

（2）收集资料：收集地下工程的资料，并对收集到的资料进行分析、研究，掌握地下工程全线的地质构造轮廓和主要不良地质的种类、分布和规模，找出与超前地质预报有关资料的不足之处，或需要解决的问题，作为超前地质预报的重点来研究；

（3）现场地质复查：在分析研究已有资料的基础上，进行现场地质复查，初步核查有关资料；

（4）完善地下工程纵断图面的修改：在现场地质复查的基础上对地下工程纵断图面进行复核、修改、补充；

（5）采用地质法、物探法、水平钻探法三种方法相结合，将已有地下工程发生的地质条件与当前任务进行研究、分析、对比，得到当前任务的超前地质预报。

2.根据权利要求1所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的地质法包括对地下工程纵剖面进行编制的地质投射法；

即是确定地质历史的根据、构造地质的基础，又是地下水的介质条件的地层层序预报法；

对新开挖的掌子面进行地质素描，从地下工程开挖的起点按一定比例尺绘制三壁展开图，绘制平导，绘制正洞联合断面图，通过上述三个方面地质资料的全面收集和基础图件的绘制对掌子面前方和横向进行短距离超前地质预报的地质编录预报法；

对断层过程进行预报的断层参数法；

获取掌子面围岩地质结构面分布参数的TV成像技术；

按照不良地质作用，地质灾害形成的工程地质条件，水文地质条件和其它条件进行类比的工程地质类比法。

3.根据权利要求1所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的物探法包括地震波反射法、LDS陆地声纳法、TRT地震反射层析法、负视速度法、HSP水平声波法、BEAM电法探测技术、TEM瞬变电磁法、GPR地质雷达法、声发射法、红外线探水法；

所述的地震波反射法对接收的地震信号的运动学和力学特征进行分析，推断不良地质体的位置、规模、产状及岩石的力学性质；

所述的LDS陆地声纳法将各测点的记录绘成图，以图中可连成一条线的同一反射面的反射波，判释各反射界面，得到反射面深度；

所述的TRT地震反射层析法采用空间多点激发和接收，基于隧道围岩中存在声阻抗差异，分析确定反射界面的位置和性状；

所述的负视速度法采用小点激发，多点接收，利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特性来预报地下工程掌子面前方及周围区域的地质情况；

所述的HSP水平声波法利用声波在岩体中的传播、反射，通过信号采集***接收反射波信号，判断地下工程掌子面前方反射界面的性质；

所述的TEM瞬变电磁法利用介跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化；

所述的GPR地质雷达法利用一个天线以款脉冲形式向掌子面前方发射高频电磁波，另一个天线接收掌子面前方介质界面的反射电磁波，得出地下工程掌子面前方地质体空间位置和地质结构；

所述的声发射法在地下工程开挖过程中引起应力重分布，将导致岩体内部出现破裂或是原有裂隙的进一步扩展，得到岩爆和岩体的稳定性；

所述的红外线探水法在隧道壁上定探点，用仪器的激光器在壁上打出一个红色斑点，定好探点扣动仪器的扳机，在仪器屏幕上读取探测值。

4.根据权利要求1所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的水平钻探法通过钻探对掌子面前方获取的地层岩性进行鉴别确定其埋藏距离与厚度、溶洞及充填物性质，所述的水平钻探法包括短钻孔水平钻探法和长钻孔水平钻探法。

5.根据权利要求2所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的地质编录预报法包括掌子面素描，洞身三维展开图的绘制与应用，平导、正洞联合断面平面图的编制与应用。

6.根据权利要求2所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的TV成像技术包括对输入的图像信息进行预备性处理的图像预处理；

对数字图像进行编码，实现不失真压缩的图像压缩编码；

根据图像中存在的图像特征，把图像分割成一系列目标区的图像的分割；

用专用数学语言来表示已分离区域或物体的结构与统计性质或区域间关系的图像的描述。

7.根据权利要求5所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的掌子面素描是在地下工程内对新开挖的掌子面进行全面***的观察记录，绘制掌子面素描图；

所述的洞身三维展开图的绘制与应用借助地下工程的施工，及时将地下工程揭露的地层岩性、构造地质、地下水、不良地质作用反映在三维展开平面图上，并与地下工程纵剖面图进行对照，近距离预报掌子面前方可能出现的地层岩性和不良地质情况，对重点地段结合掌子面素描，从四维空间对掌子面前方做出预报；

所述的平导、正洞联合断面平面图的编制与应用在编绘平导正洞三壁展开图的基础上，绘制平导、正洞或正洞左右幅联合水平断面图，将平导或正洞之一超前揭露的地质分界线、断层破碎带等的产状向一侧或两侧外延，做出施工地段地层分层界线和断层等不良地质的超前地质预报。

8.根据权利要求4所述的地下工程超前地质预报的方法，其特征在于：所述的短钻孔水平钻探法的探钻距离为30m以内，所述的长钻孔水平钻探法探钻距离大于50～100m。

Images