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1、將隱患變成明示 將危險消滅在出現之前 隧道及地下工程的施工中地質災害隱患的 探查、預報新技術及集成系統,不僅要做搶險救險的英雄，更要做警示、避險的保障者,近幾年，每年完成的以鐵路、公路隧道達1000km以上，還有大量的水工隧洞、地鐵、大型地下工程，還有更大量的煤礦、固體礦產的巷道和采區，許多工程都在地質情況復雜的地區，目前的安全形勢嚴峻。對隧道施工地質預報提出越來越高的要求。物探工作者和地質工作者義不容辭地要迎著困難上，要做安全的“守護神”。,隧道施工中遇到可能造成地質災害的不良地質體，主要包括斷層、破碎帶及破碎巖體、某些強風化巖脈、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，還有巖爆等，作者這里只介紹與坍方、2、涌水、涌泥有關的預報。巖爆等或許明年會議涉及。,位于巫奉高速公路的桃樹埡隧道，在ZK38+249前后發生坍方，坍方落物為大塊的巖石。經調查和分析，這是原來未發現的斷層造成的。,一處坍方，坍深約3.5m 圖中G為鋼質拱架 W為地下水 K為坍體中未填實的空洞,隧道坍方至地面產生的塌陷洞,錦屏二級電站輔助洞涌水,園梁山隧道突泥,被3#溶洞爆噴突泥所掩埋的電瓶車,被3#溶洞爆噴突泥所掩埋的梭礦,2#溶洞突水洞口,2#溶洞突水洞內,2#溶洞充填物,錦屏二級電站輔助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水,歷史：上世紀70年代起，陸續有零星的試驗工作 上世紀80年代初，我國鐵道科學研究院圍繞大瑤山隧道提出3、科研課題未受重視，科研項目流產，大瑤山隧道突水淹沒隧道和豎井，80年代中期，大秦鐵路隧道“處處冒煙”告急，鐵道科學研究院于1986年在南嶺隧道開始試驗，1987年再次提出系統研究用物探技術作隧道施工時掌子面前方不良地質預報的可行性研究報告，1988年第1次討論性評審，1989年作為部列可行性研究項目，1990年可行性研究通過部組織的評審，“隧道施工時掌子面前方不良地質預報”列為不重點科研項目。1991年-1995年鐵道部組織了11個單位、設了6個子課題，經過5年的攻關，采取了近乎苛刻的管理方法設定了兩個階段，每階段定了“評考”的工程.經過3個階段，3次每次3天的專家評審，最終選定地震反射負視速4、度法（后又稱隧道VSP）和陸地聲納作為主要方法，探地雷達等作為輔助方法。第2階段由負視速度法和陸地聲納法各為龍頭，分成兩組。對南昆鐵路隧道作實測預報，前者以斷層預報為主，后者以斷層和溶洞預報為主，均取得了全部預報成功，項目獲南昆線一等獎。攻關成果1995年通過鐵道部鑒定。,90年代中，水利水電部門用探地雷達進行了掌子面前方地質預報。90年代中，瑞士Amberg公司推出TSP，其原理與負視速度法相同，但采用一點接收，多點放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一點或幾個炮點激震多點接收的方式，強調物探概念和地質。當時由于技術能力、經費、工程問題和試驗工程選擇困難的原因，未將水的探查預報作5、為主要研究內容。2000年后交通、能源基本建設大量投資，大量工程建在中、西部，地質復雜，巖溶、突水突泥問題嚴重。“隧道施工時掌子面前方不良地質預報”問題再次引起關注。我國一些有前瞻能力的物探工作者，在濃厚的盲目寵洋的氣氛中，以真正解決工程問題為目標在經費困難的情況下再次投入研究。鐘世航開始研究推廣用探地雷達在應急的探水手段，并將陸地聲納的方法和儀器研究、發展上一個臺階；2003年，李貅和鐘世航開始研究用瞬變電磁法作為主要的探水手段；2005年趙永貴引進和試驗美國TRT法,2005年12月國家自然科學基金重點項目“高壓大流量巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報和治理”課題開題。超前預報部分物探技術以6、重點研究開發陸地聲納法、瞬變電磁法和探地雷達為主；2007年6月，國家高技術研究發展計劃（863計劃）的重大交通基礎設施核心技術“隧道施工期大涌水等地質災害超前實時預報系統與裝備”完成招標審查，課題物探部分為陸地聲納法、瞬變電磁法和復合激發極化法；2007年8月，國家自然科學基金裝備專項的“復合激發極化法儀器和設備研究”通過立項評審。以下的介紹將圍繞上述課題的技術方法。,對物探預報手段的要求,（1）綜合物探要達到的目標：應當基本不遺漏掌子面前方及周邊至少1/2隧道跨度范圍內的重大隱患，包括斷層、破碎帶、強風化巖脈、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶溝、大中涌水體等；預報的地質體空間定位要有足夠的精度，誤7、差應 5%；要能對涌水量作出定量或半定量的估算。因為施工需對于小、中、大涌水分別制定引排或超前注漿堵水等方案，確定是否作水平鉆孔及其它措施;要能預報巖體的破碎或完好情況。若圍巖情況將有突變，施工方要作好施工措施變更預案，設計方也要作設計的變更，地質預報應從資料方面給于必要的支援；要適應TBM（全斷面掘進機）和鉆爆法的施工，TBM長達幾十米，機械占據了幾十米長的全部隧道空間，預報手段要適應其工作方式。要少占用開挖時間，少干擾施工。隧道施工講求施工速度，通常，單線鐵路隧道月開挖可達200250m，雙車道公路隧道月開挖可達100150m，過多地占用開挖時間，過多地干擾施工，將會影響施工方與預報方的配8、合。,對每一種物探方法的要求,要有特長，在綜合物探系統中要能獨擋一面，例如彈性波類方法主要要探查斷層、破碎帶、溶洞等，并能準確定位，能對巖體破碎和完整程度給于一定判定；電磁類方法主要探查含水層；激發極化類方法要能區分含水泥砂、淤泥或自由流動的水，并判定涌水量。要探查一定遠的距離，與開挖速度相適應。一般來講，主力方法應能探查200m左右,預報100m以上;預報特定目標的方法，也應當探查50m以遠。要能較準確地作被探查地質體的空間定位。現場采集時間短，停止掌子面施工工作不超過1小時，對邊墻施工干擾不超過2小時。,目前，彈性波反射系列的方法，已投入應用的如地震反射負視速度法（隧道VSP）、陸地聲納法9、（極小偏移距超寬頻帶彈性波反射單道連續剖面）、水平聲波法、TSP、日本HSP、美國提出的TRT等。它們都要在隧道中鉆孔設檢波器和用炸藥爆炸激振。探地雷達也是目前使用較多的方法。,隧道VSP、HSP等工作原理示意圖,鉆孔,裝藥,起爆,采集,TSP預報全過程,但是隧道和地鐵施工的進度和技術要求預報的精度要提高，要求探查溶洞、暗河，并要求對大涌水和涌泥要做出預報。各種反射法實測得的是反射波的走時和反射波的時間曲線.為確定反射面的距離,需知道彈性波的波速V，然后按公式 L=Vt/2 計算距離。其中 L為反射點的距離 t為測得的反射波的走時 設法測量各層波速，是要研究攻克的課題。同時，所測的反射面是與彈10、性波射線垂直的面，而不是掌子面正前方的面，需要通過作圖將所測面延伸到隧道掌子面前方。探測距離越遠，誤差越大，干擾越多，錯誤率越高。,3種方法的集成目標不漏掉一個重大的地質隱患,集成的方法：1.陸地聲納法：120-150m以遠的斷層、破碎帶、溶洞、暗河的探查、預報并對他們的空間位置作較準確的定位；判斷較大出水點；2.瞬變電磁法：80m左右遠含水體的探查預報；3.復合式激發極化法：約50m左右遠，區分自由水和束縛水，涌水量分級；,2012年國家科技進步二等獎,陸地聲納法，這是有我國完全自主知識產權的技術和儀器、設備 陸地聲納法工作示意圖,陸地聲納法是“陸上極小偏移距超寬帶彈性波反射超短余震接收系統11、單點連續剖面法”的簡稱。是彈性波反射法的新方法，吸收了水聲法、探地雷達、超聲波法的某些特點并采用了許多其他學科的技術，而形成了一個新品種。不需打孔、不需放炮，安全簡便。1 在隧道掌子面上設測量剖面，剖面上每30cm左右設一測點，用錘擊方式激發彈性波，在激震點旁設檢波器接收被測物體的反射波，檢波器用凡士林與巖面耦合。然后將各測點的時間曲線拼成時間剖面，根據同相軸和頻譜解釋圈定斷層、大節理、巖層分界面、巖脈、涌水層、溶洞等不良地質體，為確定反射體的空間位置，通常布置水平和鉛垂的兩條測線;2 用錘激震源以及檢波器和儀器結合，可激發和接收從10Hz4000Hz的波，然后可通過分窗口帶通濾波提取不同頻段12、的反射波，高頻段的反射波可反映薄層和大節理等和小溶洞，低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞，通過不同頻段反射的圖象對比，可以分辨不同的不良地質體；,3 作為極小震-檢距的方法，反射波是續至波，故可避開直達波、聲波、面波的干擾，而且不僅可探查斷層等近似平面型的物體，還可探查溶洞等有限大小地質體；由于全信息的采集，還可根據頻譜測出斷層影響破碎帶的范圍。,彈性波類方法有較高的定位定量精度，波速可以和巖體完整程度和密度相聯系，探測距離較長。但反射類方法波的反射點，通常都不在掌子面正前方，作時深轉化后得到的是測點到反射面的距離，要作偏移，才能準確確定反射體的空間位置。目前的問題是，如13、何提高定位精度。,陸地聲納法,將邊墻測波速的小折射波測點改成幾個零震-檢距的測點，即可和掌子面上原布置的水平和鉛垂向剖面上的測點結合,根據測得的反射時通過迭代求出各層波速，或通過3維建模計算解算出波速及各反射面空間參數。,陸地聲納法在掌子面上布置水平和鉛垂向測線各一條，作反射面的空間定位：水平向的剖面可反映反射面和水平測線的夾角，可計算其走向鉛垂向剖面可反映反射面的傾向、傾角,陸地聲納法的上述的這些特點，帶來以下優點：（1）近零震一檢距的方法，反射波是最后到達的波，用此可以避開直達波、聲波、面波的干擾。（2）入射波的反射角近于零，沒有轉換波，測得的反射波效率高。（3）采用分窗口帶通濾波技術提取14、不同頻段的波，因此可避免測線附近人行、車行及其他機械的干擾，可以在鬧市區作正常數據采集。（4）顯示方式更便于利用反射波的相位和振幅特征。（5）不必固著檢波器，現場采集工作效率高。,優點,在淺層勘探的時候，可避開直達波、面波、折射波的干擾,1920年，彈性波反射方法出現時的理論基礎是自激自收（左圖），但為勘探石油，采用爆炸震源，而發展成一點激發，多點接收的方法（右圖）。,更接近基本理論,自激自收得到垂直反射面反射波，轉換波能量最小，接收到的波最單純，干擾小,一點激發，多點接收采用疊前偏移、水平疊加等辦法，使結果盡量接近自激自收效果,優點,傳統的地震勘探使用的頻率均低于250 Hz,為提高分辨率，15、國內外均在努力擴展頻率范圍。本項目采用不同于傳統檢波器的思路，實現了超寬頻帶高靈敏度檢波器，儀器主機則實現了采樣率高，采樣長度長的專用儀器。,超寬頻帶高靈敏檢波器，而且在有效工作頻率內，均衡穩定的響應各頻率的振動信號。,檢波器,檢波器特性曲線,山東省電子產品監督檢驗所產品質量檢測實測資料振幅譜,本項目采用新的構思用錘擊型震源激發高寬頻,實測激震頻譜 檸條塔礦地面探查超過175-200m深反射波頻譜,陸地聲納專用儀器從1991年至2010年經過了四代更新，2006年選用A770軍用加固型筆記本計算機作為主工控機，接插名牌數據采集卡（工業級）加信號調理前置板組成，型號LDS-3、LDS-4。研制的16、系列儀器和專業設備均為輕巧的便攜式，具有超強防塵、防水、抗震的性能，提高野外工作效率。,二、主要科技創新,第三代,第四代,復雜介質中傳播規律正演數值模擬,模型,數值模擬圖像,模型,數值模擬圖像,模型,數值模擬圖像,模型,數值模擬圖像,模型,數值模擬圖像,應用實例,潭峪溝隧道斷層破碎帶的掌子面前方預報,德勝口隧道 ZK34+448掌子面陸地聲納時間剖面,隧道開挖出露的交叉裂隙和溶隙,德勝口隧道 ZK35+933掌子面陸地聲納時間剖面,2009年2月18日，德勝口隧道左洞ZK34+710+716，施工隊未做初噴，在架設鋼拱架時落石造成1死3傷。此處為交叉小斷層處，2008年12月29日預報100米17、外的ZK34+713前后有交叉斷層，并特別提醒+710前后應特別注意。工程處理討論會上，業主方負責人強調，預報已特別指明了此處是危險位置，今后施工方應認真對待預報報告。,德勝口隧道右洞2008年11月30日預報約160米外的YK34+797前后2條交叉的小斷層是注意重點。施工隊未按預報建議在此處特別加強初期支護，而安排5、6個工人架設鋼拱架。由于作者正要做掌子面前方地質預報，要求拱架架設工作暫停，并為了預報人員的安全，把全斷面施工鋼臺架推頂至掌子面。臺架剛就位，即發生落石，2處坍落面積均約2平方米，落石被鋼架上的鋼絲網阻擋，撤出了施工民工，幸未造成大事故。,北京六環線臥龍崗隧道,隧道穿過千枚巖18、，為雙洞平行淺埋公路隧道，穿過千枚巖，施工時幾百米兩個隧道竟坍方4次，3次坍頂通到地面；為此付出的工程治理費用約4000萬元。后采用陸地聲納法做地質預報，除準確確定較大斷層外，查出并確定許多與較大斷層相交的小斷層，他們和較大斷層的組合是造成坍方的地質因素。經6方會議（業主、設計、勘查、施工、監理、預報）會商，根據預報提出的施工措施修改了施工組織設計、施工辦法，此后的剩余一半長度施工未再出現坍方。,臥龍崗隧道東洞預報結果,坍方位置,探查預報發現，坍方是與較大的斷層和密集的相交小斷層的組合造成的。地質勘查發現了較大斷層，原做的隧道施工地質預報未能發現并確定這些密集的小斷層，致使施工處理不到位。新的19、預報后，采用了預報單位的地質結論和資料，并接受了預報單位提出的開挖、支護措施，以后施工安全順利進行。現已通車。,錦屏二級電站引水洞的預報,錦屏二級電站2#引水洞K13+186預報及開挖后實測反饋,陸地聲納法探查溶洞,陸地聲納使用的寬高頻帶，對溶洞的反映很突出，直徑 m 的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的優勢頻段為1000Hz000Hz，正是陸地聲納的最佳工作頻段。,南昆鐵路羊寨基巖出露測區巖溶探查（0-100m),南昆鐵路鋁廠隧道出口端斷層、溶洞等不良地質預報,滬蓉西高速公路齊岳山隧道左洞暗河和溶洞,預報暗河前壁 誤差2-3m 溶洞位置吻合,齊岳山隧道進口右洞ZK326+250前后右墻角20、爆破揭露的暗河一角,反映暗河的頻譜 反映暗河和溶洞時的頻譜,巖溶裂隙水的大涌水，許多與中小溶洞、溶隙、溶管有關，它們可以形成集水的小室，導引地下水經過它順某組張性裂隙或形成溶管涌出，錦屏即為一例。因此探查中小溶洞、溶隙、溶管是預報涌水的重要內容之一。,錦屏二級電站輔助洞出口A洞A13+585向進口方向探查（A、B洞已開挖出水點位置已知）,導水巖溶裂隙及導水的小溶洞、溶隙的探查,某 測 點 的 頻 譜 分 析 曲 線（溶洞和溶隙最佳反射頻率10003000Hz),LDS-3(2007年產),大峪子隧道用激震槍在掌子面激震,激震槍發明專利受理通知書,超磁致伸縮激振器，用蓄電池供電,發明和實用新型專21、利10項,計算機軟件著作權10項,已授權發明專利7項，計算機版權10項，實用新型專利6項。已進入實審的發明專利4項,已列入國家行業標準3部,儀器設備質檢報告,已列入3部國家行業標準，發表相關論文60余篇,科學技術成果鑒定意見：中國巖石力學與工程學會組織的技術成果鑒定，有包括5位院士的鑒定委員簽章的鑒定意見指出：解決了下列難題 單點自激自收類型方法現場實測各層波速的難題；在隧道施工地質預報中可分辨相互交叉的裂隙和斷層，給出其產狀并對它們作空間定位，實現了隧道工程施工中的中、小斷層、交叉斷層、中、小溶洞的地質隱患小尺度精細探查的要求；實現了淺層工程地質勘探中高分辨率探查和城市和隧道現場常規干擾情況22、下的有效探查；適應在山區地形起伏影響條件下的工作，地形影響小；在目前工程地質探測方法是重要的突破。突破了目前國內外在工程地質探測技術領域無法獲取250Hz以上的國際性、歷史性難題。,科學技術成果鑒定意見：形成了從基本理論、技術方法、儀器設備、數據采集、資料處理軟件以及工作方法及操作規程等全套技術。,獲得了多項革命性的技術創造，實現了精細探查、精細定位的理想要求；技術成果具有原創性 在隧道施工中探查斷層破碎帶、溶洞等方面以及在城市、地面淺層勘查方面達到國際領先水平。,科學技術成果鑒定意見,中國巖石力學與工程學會2012年發明獎一等獎,瞬變電磁法探水的主要方法，目標前方m,瞬變電磁法探查掌子面前方23、水層原理示意圖,瞬變電磁法是通過掌子面前的一個大線圈產生電磁波，含水層受此電磁波感應產生感應渦流，感應渦流產生感應電磁場，在掌子面上的探頭接收，在剖面圖上呈現低電阻反映。,工作：隧道中維空間的正演及反演研究儀器及發射系統改進現場試驗干擾因素的研究,1 理論研究1）等效導電平面成像方法研究2）數值模擬計算 3）適合隧道超前地質預報的瞬變電磁工作方法技術研究 4）隧道影響校正方法 5）現場實測試驗,1）等效導電平面成像方法研究 由于隧道內的全空間的環境不同于地面的半空間情況，因此隧道中的探測方法不能照搬地面方法，必須采用全空間條件下的理論和方法。目前在瞬變電磁法中，等效導電平面法是建立在全空間理論24、基礎上的。另外，視縱向電導對低阻導電薄層反應靈敏，有利于探測低阻充水斷層。因此，本文將等效導電平面法引入到隧道的超前預報探測中。等效導電平面解釋法是根據視縱向電導曲線的特征值直觀地劃分地層的一種近似解釋方法，因此又稱“視縱向電導解釋法”。由于該方法可以形象地理解為：隨著t的增減，等效導電平面以1/0速度上下“浮動”，故又稱為“浮動薄板解釋法”。,設在隧道掌子面上有圓形回線，其中通以階躍電流，并在t=0時刻斷開電源：則在t0 時，掌子面前方產生渦旋電流，在地表任一點便可觀測到由此渦流產生的電磁場。根據電磁理論，可用一導電平面來代替掌子面前方均勻介質，然后用鏡像法可發方便地求出空間任一點的感應電磁25、場。設A為一完全導電平面，面電導率為，其上方高處有一半徑為的圓形回線，其中電流強度為。當電源斷開時，由于電磁感應，導電板A上產生渦流，為求出渦流產生的電磁場，在A前方處，置一虛源代替導電平面板中的渦流，因此只需求出虛源在空間任一點產生的電磁場即可。,根據電磁場理論，引入矢勢，則導電板內任一點的電磁強度為,則在t0 時，掌子面前方產生渦旋電流，在地表任一點便可觀測到由此渦流產生的電磁場。根據電磁理論，可用一導電平面來代替掌子面前方均勻介質，然后用鏡像法可發方便地求出空間任一點的感應電磁場。設A為一完全導電平面，面電導率為，其上方高處有一半徑為的圓形回線，其中電流強度為。當電源斷開時，由于電磁感應26、，導電板A上產生渦流，為求出渦流產生的電磁場，在A前方處，置一虛源代替導電平面板中的渦流，因此只需求出虛源在空間任一點產生的電磁場即可。,得,在層狀介質情況下，推出視縱向電導和視深度，其中為實測值，為發射回線半徑，為發射電流。于是引入輔助函數（1）又有 可得（2）值提取可由(1)式和（2）式構成的目標函數取極小求得最優解來獲取。,綜上所示，求取視縱向電導曲線的具體步驟為：(1)首先求得 實測曲線和它的時間導數曲線；(2)把 和 代入(1)式，求得輔助函數；(3)再由 值計算對應的值；(4)由 求得，再代入視縱向電導的表達式，求得 的值。(5)對于一系列 值，再利用視深度的表達式便可得到 曲線。27、(6)進行微分成像，即求 曲線的二次導數曲線，畫出該曲線與視深度的變化規律。由于 曲線對視深度的高靈敏性，它可在較早的時間范圍內，以較高的靈敏度和信噪比將電性分界面分辨得很詳細，而且深層位電性特征也能在晚期部分得到反映。,長凼子隧道瞬變電磁法探水,錦屏二級電站輔助洞,表5.2瞬變電磁超前地質預報效果統計表 測線位置 TEM推斷結果 開挖結果A洞掌子面AK11+843 AK11+822，充水裂隙 AK11+820，充水裂隙 AK11+812，充水裂隙 AK11+810，充水裂隙 AK11+806，充水裂隙 AK11+805，充水裂隙 AK11+793，充水裂隙 AK11+790，充水裂隙A洞掌子28、面AK11+447 AK11+442，充水裂隙 AK11+445，充水裂隙,A洞掌子面（里程AK11+843）,視電阻率斷面等值線圖 視縱向電導微分成像圖,視電阻率異常三維體成像圖,探地雷達,探地雷達是目前隧道地質預報探水的最主要手段。1 探地雷達探水的優勢探地雷達是用發射天線向巖體發射有一定寬度的高頻電磁波，巖體中的介質因介電常數的不同而反射雷達波被接收天線接收。介電常數差是雷達工作的基礎。空氣的介電常數為1，巖石的介電常數為420，水的介電常數為81，水的電導率遠高于灰巖、砂巖等巖石，因而探地雷達對水有特別的敏感性。但是至今未有人從理論上作系統研究，在隧道地質預報實踐中大部分工作者未能成功29、應用。因此解決有關理論和實踐問題列為本課題的任務之一。經過理論推導得到以下結論：,判水原則,雷達波對水和含水率高的介質的反射強烈，反射波強度大；雷達波從其它介質到含水層界面的反射波相位與入射波相反;雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優勢頻率降低.,（1）雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優勢頻率降低。,電磁場由麥克斯韋方程來描述并包括電荷守衡方程以及場量與介質關系的本構方程 H=J D/t 和 J=-/t E=-B/t D=E B=0 B=H D=0 J=e E J 其中 為介質的介電常數 為介質的導磁率 e 為介質的電導率,若介質為均勻、線性、各向同性，則 H=（e+j）30、E=j(-je/)E=jE 電場和磁場滿足波動方程 2 E（r）+k2 E（r）=0因此，無界均勻有耗介質中的電磁波的電場表達式為 E（r）=E0 e-j K r 其中 K=-j 為衰減系數 為相位常數,若假設介質介電常數和電導率均為實數 則=()1/2 1+（e/）21/2-1/2 1/2=()1/2 1+（e/）21/2+1/2 1/2 當e/1，即電導率e很大時（e）1/2/2 衰減系數與e 及頻率 f 成正相關，頻率高的成分衰減系數大；可見，雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優勢頻率降低。,（2）雷達波對水和含水率高的介質的反射強烈，反射波強度大,有耗媒質中=-2+422+231、221/2 1/2/2=（0）1/2r2+（600）1/2/2 其中0為雷達波在空氣中的波長,0=c/f=2c/c為雷達波在空氣中的波速，等于光速。波阻抗 Zc=(/K)1/2=/0(r-j600）1/21/2,在弱耗媒質中（r 600）=（0）1/2(300/r）1/2 入射波的電場Ei=E0ie j(t k r)反射波的電場Er=E0re j(t k r)雷達波是橫波，垂直入射到反射面 ki r=kr r Ei ki=0 Er kr=0 ZC1/ZC2=n2/n1 其中n1=（1）1/2 n2=（2）1/2,入射波與反射波的電場之比 Ei/Er=(Zc2Zc1)/(Zc2 Zc1)=（n132、n2）/（n1n2）設功率反射系數R=(Ei/Er)2 對高電阻介質,在從介電常數為1的介質向介電常數為2的介質垂直入射情況下,因r 600，R=（11/2 21/2）/（11/221/2）即：介電常數差別越大,反射系數越大,反射波強度越大,水的介電常數遠大與巖石,因此雷達波的反射強烈。,對高電導率(低電阻率)介質,r1 R=（n1n2）2n22/（n1n2）2n22=1+(1-n1/n2)2/1+(1+n1/n2)2 若n1 n2則 R 2-2（n1/n2)/2+2(n1/n2)1-2（n1/n2)即電導率差別越大,反射系數越大,反射波強度越大，約接近1。水的電導率遠大與巖石,因此雷達波的反33、射強烈。,（3）雷達波從其它介質到含水層界面的反射波相位與入射波相反,實際上，從Ei/Er=（n1n2）/（n1n2）=(Zc2Zc1)/(Zc2 Zc1)即可看出，當波從高阻抗向低阻抗入射時，Zc2 Zc1，Ei與Er 正負符號相同;而反射波Ei與入射波Er方向相反，因此二者的相位必相反。所以反射波電場Er 與入射波電場Ei 間有1800的相位差。,這些是含水層反射雷達波的重要正演概念，是分析和解釋含水層反射信號的基本原則。,錦屏二級電站輔助洞已知條件下的實測實驗,頻譜分析曲線,錦屏二級電站輔助洞出口段A洞,選擇有裂隙水的邊墻作探查，巖溶裂隙水有明顯的反映，主要依據是強反射和反射波正半周在前34、，與雷達入射子波負半周在前相反。,AK12+900前后左邊墻雷達探水時間剖面,AK11+447掌子面雷達探水時間剖面（經開挖證實）,例北京地鐵鳥巢段掌子面前方含水砂層的探查。含水砂層易導致開挖時的坍垮。由于雷達發射子波是負半周在前，故含水砂層的強反射波反相以后為正半周在前。預報距離約15m。預報結果經開挖證實。,瞬變電磁法與陸地聲納綜合探查,陸地聲納與探地雷達組合探查預報小溶洞、溶隙及出水位置,區分束縛水和自由水的復合式激發極化法國家 863項目和自然科學基金裝備專項支持,這是用于隧道掌子面前方含水體水量預測的方法二電流激發極化半衰時差值法之中（簡稱半衰時差值法）。該方法以定電源三極法或二極法35、為測量裝置，向地下供入大小兩種電流，將大電流作用下的二次場半衰時減去小電流作用下的二次場半衰時得到的差值，即半衰時之差。繪制半衰時差隨AM的變化曲線。含束縛水或者不含水的地質體，半衰時之差應為負值或零；自由水含水體半衰時之差應為正值，且水量與半衰時之差與橫軸的包絡線面積呈正相關關系。,激發極化法應用于過探查地下水已有30年，但他只能根據極化率來判斷水，并且不能區分自由水（可以流動的水）還是束縛水（含在泥沙中的水），區分不了含水層還是淤泥。激發極化的理論是來自雙電層和薄膜極化的假說。,雙電層的形成,薄膜極化（窄孔隙）示意圖,(b)外電場中正離子流出窄孔隙,a)窄孔隙中正離子過剩,30年來，按此假36、說和物理模擬試驗讀的到結論：供給的激發電流大小不影響極化率和極化電流半衰期大小。但作者提出滲透電場在激發電流激發下受干擾的新理論。認為采用不同大小的激發電流，對流動的水的不同水量會有不同的極化半衰期。以前的物理模擬試驗未考慮流動水的情況。改用流動水作模擬試驗則出現了完全不同的結果。,模型整體實物圖,模型整體效果圖,試驗內容與目的通過模擬隧道含水體超前預報情況研究水量與半衰時之差的關系提出水量估算方法,試驗裝置模型架；含水構造。,含水構造實物圖,含水構造設計圖,含水構造水量預測物理模型試驗,含水量與半衰時之差的關系,二電流激發極化時差具有區分自由水和束縛水的能力：初始數據（未注水）均為負值，而加37、水之后，在曲線的前段出現了正值；,二電流激發極化時差超前探測數據,包絡面積與水量的關系,注入水量與半衰時之差包絡面積成線性正相關關系。,隧道含水構造含水量預測技術,隧道含水構造含水量預測技術二期模型試驗,(a)斷層超前探測示意圖,(b)斷層超前探測照片,斷層超前探測試驗,(a)溶洞超前探測示意圖,(b)溶洞超前探測照片,溶洞超前探測試驗,電極布置,兩個斷層超前探測試驗數據,斷層1未注水,斷層1注水量0.074m,斷層1注水量0.124m,斷層1注水量0.198m,斷層1注水量0.297m,斷層1注水量0.371m,在斷層2注入體積為0.371m的水的情況下，分步驟向斷層1注水；半衰時之差數據對38、兩個斷層有一定的分辨能力；,兩個溶洞超前探測試驗數據,向溶洞1和溶洞2同時分步驟注水，注入水量一致；半衰時之差數據對兩個溶洞有一定的分辨能力；半衰時之差包絡面積與水量呈線性正相關關系。,溶洞1包絡面積與水量的關系,注水量0.008m,注水量0.016m,注水量0.048m,注水量0.120m,視極化率正演數據,含導水斷層超前探測正演模擬,直立含水斷層超前探測正演視電阻率數據響應特征 極小值的存在是主要響應特征 曲線的尾支數值趨于圍巖的電阻率 視極化率數據響應特征 極大值的存在是主要響應特征 曲線的首支數值趨于圍巖的極化率曲線形態受到斷層電性、規模以及位置等多個因素的綜合影響。,錦屏二極電站輸水39、隧洞超前預報,二電流激發極化半衰時之差數據,反演成像,K13+643出水點,K13+672位置出水點,K13+672位置出水點,K13+643出水點,三峽翻壩公路雞公嶺隧道預報實踐,三峽翻壩公路雞公嶺隧道屬高風險巖溶隧道，隧道左洞施工至ZK19+500段落時具有較高突涌水災害發生風險。2009年12月6日,在左洞ZK19+509處開展了激發極化法超前地質預報。,實測資料,三維電阻率反演成像預報結果,激發極化法超前地質預報結果與開挖結果對比 預報結果 開挖結果 ZK19+509-ZK19+519該范圍 ZK19+512位置開始拱頂右上的偏右位置存在低阻體，充水溶 部出現兩條含導水裂隙，出水腔或導40、水裂隙，水量較大 較多，ZK19+515處出水量較大 ZK19+523-ZK19+530范圍不 ZK19+520-ZK19+530段落水量存在較大水體 明顯減小，沿裂隙股狀或線狀 滴水，不存在大的含水裂隙 ZK19+530-ZK19+539局部含 ZK19+530-ZK19+539圍巖 水 局部出現面狀滲水。,ZK19+512位置導水裂隙出水,有些情況下需要地面探查和隧道中預報相結合，廣西岑-水高速公路嶺腳隧道就是一例。嶺腳隧道是雙洞并行隧道。,嶺腳隧道突涌泥4萬方將施工機械推出200m外,嶺腳隧道清出隧道外的涌泥破壞的施工設備和支護,(1)隧道中地質預報,(2)地面探查,正常的巖體,反映斷層41、帶,地面探查和隧道中探查一致,由于涌泥、涌水在隧道邊留下的充滿泥水的空腔,地鐵遇到溶洞、大滾石可從地面探查,昌平模型試驗掌子面上探查25m遠60cm大小滾石的反射波頻譜,綜合物探、綜合地質及補充地質勘探,沒有一種物探方法可以解決所有的問題,各種方法的資料都有多解性。因此,幾種物探方法綜合應用是必要的。綜合物探也是地面復雜情況下物探應用的一個原則。但方法的選擇應當少而精，方法的選擇要互補，主要注意各方法使用的參數互補。隧道地質預報是隧道施工地質的一個環節。隧道施工還有許多地質工作，如掌子面地質素描、開挖暴露的不良地質體調查測繪、掌子面附近不穩定巖塊的判定等。物探工作是地質預報的一個重要內容,必須42、與地質工作緊密結合,特別要注意資料的地質解釋,也要注意開挖后的及時反饋，并據此作必要的校正,注意不斷的實踐認識再實踐再認識有時完全依靠隧道中的預報也是不合理的。例如在隧道上方幾十米或百米之上若有地下暗河，暗河的水可能通過巖溶裂隙與隧道穿過的巖溶裂隙連通。在這種情況下隧道中的預報探查只能探查到掌子面前方的巖溶裂隙。如果在勘測階段對暗河的探查結果未能滿足施工需要，則應當補充地面勘探工作,將補充的地面勘查和隧道中探查相結合，作綜合分析。,提高資料解釋水平,注意工作人員的培訓,物探資料給出的是各種物理信息,對資料的判釋,特別是資料的定性解釋是關鍵.資料的解釋對工作人員有一定的要求,要積累經驗。因此應十分注意對人員的培訓。2006年全國第二次物探工作座談會上,到會的各物探院負責人一致提出,就地面物探而言,應下大力加強對解釋人員的培訓,隧道地質預報更應當加強。不可能出現全智能型的解釋軟件,只能通過軟件更好地積累正演資料,幫助工作人員解釋資料,并使工作人員節省輔助工作時間,集中力量和時間在資料的解釋上。可以考慮精選出最佳方法搭配,這也利于培訓。隧道地質預報是否能達到應有的水平和要求,與工作體制和各方的配合密切相關。新的公路隧道施工規范中對隧道施工地質預報將給予必要的重視,對這項工作及技術的發展給予法定的條件。國家自然科學基金和科技部也給予了相當的重視和支持。,謝 謝！,