阅读说明：本技术 一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置及方法 (Advanced geological forecast detection simulation device and method for tunnel poor geologic body ) 是由 卢松 肖洋 李春林 汪旭 杨玲洁 张优 王福亮 李苍松 丁建芳 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置及方法,涉及隧道工程、超前地质预报技术领域,该装置包括隧道模型、断层模型、岩溶模型和孤石模型,隧道模型侧壁方向分别挖掘有掌子面A导洞、掌子面B导洞和掌子面C导洞；断层模型正对掌子面A导洞设置；岩溶模型正对掌子面B导洞设置；孤石模型正对掌子面C导洞设置。该装置可分别模拟断层、岩溶、孤石的不良地质体,其设计巧妙、针对性强、方便易用、适应性强,对隧道超前地质预报有着巨大的推助作用。该方法利用上述装置先进行试验,获取各类不良地质体的优选探测参数；其后利用该探测参数实地探测,可一次性探测预报未开挖区域内的各类不良地质体,其方便快捷,准确性高。(The invention discloses a device and a method for simulating advanced geological forecast detection of poor geologic bodies of tunnels, which relate to the technical field of tunnel engineering and advanced geological forecast, and the device comprises a tunnel model, a fault model, a karst model and a boulder model, wherein a tunnel face A pilot tunnel, a tunnel face B pilot tunnel and a tunnel face C pilot tunnel are respectively excavated in the direction of the side wall of the tunnel model; the fault model is arranged right opposite to the tunnel face A pilot tunnel; the karst model is arranged right opposite to the tunnel face B pilot tunnel; the boulder model is arranged right opposite to the tunnel face C pilot tunnel. The device can simulate the unfavorable geologic bodies of faults, karsts and boulders respectively, is ingenious in design, strong in pertinence, convenient and easy to use, strong in adaptability, and has a huge boosting effect on advanced geological forecast of tunnels. The method comprises the steps of firstly carrying out tests by utilizing the device to obtain preferred detection parameters of various poor geologic bodies; and then, the detection parameters are utilized for on-site detection, so that various bad geologic bodies in an un-excavated area can be detected and forecasted at one time, and the method is convenient, quick and high in accuracy.)

一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程、超前地质预报技术领域领域，具体为一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置及方法。

背景技术

随着我国道路建设的技术水平不断提高，铁路、高速公路的建设不断深入各种复杂的地质环境，使得隧道工程施工中，地质问题越来越复杂，安全隐患也丰富多变，对于隧道设计勘察和施工期地质超前预报的要求越来越高。

现有技术中，各种地质超前预报技术存在预报繁琐、多种预报结果相矛盾、占用隧道施工时间长等问题，难以满足市场发展需要。且现有的探测方法大多仅是在基于相关理论研究基础上，利用数值模拟等手段开展；即使在实际隧道工程项目中开展实验，也因对实际的围岩地质异常没有清晰的了解，仅依据开挖后的围岩大体状况进行预报效果的粗略评价，其无法对预报技术的数据处理及反演算法提供更精确的反馈信息，难以对算法进行适应性调整；另外，现有的探测方法对于影响探测效果的因素考虑较少，也是当前隧道超前地质预报及地表探测效果较差的主要原因之一。

隧道长距离地质预报技术是隧道超前地质预报工作的重要研究内容，其探测结果直接关系到隧道建设安全、质量、稳定、可靠等多方面因素。隧道超前地质预报，特别是长距离预报技术一直是本领域难以解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置及方法，通过埋设已知不良地质体，开展关于地质预报的相关实验工作，并充分考虑其影响探测效果的各类因素，提高地质预报探测准确率，可为复杂地质环境下的隧道地质预报的研究提供基础研究条件，对行业技术发展奠定基础。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置，包括隧道模型、断层模型、岩溶模型和孤石模型，

所述隧道模型为向下挖掘的方形孔，所述隧道模型的三个侧壁的中心位置向远离所述隧道模型方向分别挖掘有掌子面A导洞、掌子面B导洞和掌子面C导洞；

所述断层模型为向下挖掘的矩形孔，所述断层模型正对所述掌子面A导洞设置；

所述岩溶模型为向下挖掘的圆形孔，所述岩溶模型正对所述掌子面B导洞设置；

所述孤石模型为埋设的混凝土块，所述孤石模型正对所述掌子面C导洞设置。

进一步的，所述隧道模型的方形孔的边长为2.5m，深度为3.5m；

所述掌子面A导洞和掌子面B导洞的下部为长宽均1m的正方形洞，其上部为直径1m的半圆形洞，所述半圆形洞弧顶距离地表2m；

所述掌子面C导洞为直径1m的圆洞，所述掌子面C导洞的圆形弧顶距离地表2m；

所述掌子面A导洞、掌子面B导洞和掌子面C导洞的洞深均为1m。

进一步的，所述断层模型长4m、宽2.5m、深3.5m，所述断层模型的长边中心正对所述掌子面A导洞的轴线设置，所述断层模型距掌子面A导洞的距离为3.5m。

进一步的，所述孤石模型的直径为1m，埋深为3m，所述孤石模型的中心正对所述掌子面C导洞的轴线设置，所述孤石模型与掌子面C导洞的距离为3m。

进一步的，所述岩溶模型为直径1m的竖井，所述岩溶模型的井深3m，所述岩溶模型的轴线与掌子面B导洞的轴线垂直共面设置，所述岩溶模型与掌子面B导洞的距离为3m。

一种隧道不良地质体超前地质预报探测方法，包括如下步骤：

S1、在实验室或实地搭建上述隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置；

S2、利用探测设备分别对断层、岩溶、孤石、地层分界面进行地质预报实验，获取不同地质环境所对应的最佳探测参数；其中对断层的地质预报实验是指在所述断层模型内填充用于模拟实际断层的不同介质后利用探测设备进行探测，对岩溶的地质预报实验是指在所述岩溶模型内填充用于模拟实际岩溶的不同介质后利用探测设备进行探测，对孤石的地质预报实验是指利用探测设备对埋设的孤石模型进行探测，对地层分界面的地质预报实验是指利用探测设备对隧道底部地层分界面直接进行探测；

S3、将探测设备的参数调节到步骤S2中获取的各地质环境所对应的最佳探测参数，用探测模型对实际地质环境进行探测，实现超前预报。

本发明的有益效果是：

本发明一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置通过设置隧道模型、断层模型、岩溶模型和孤石模型，可分别模拟断层、岩溶、孤石的不良地质体；同时，通过优化的尺寸设计，使该模拟装置在满足功能要求的前提下尺寸尽可能小，在实际需探测的隧道未开挖区域搭建时施工方便，同时亦可用于实验室内实施室内模拟探测实验，其设计巧妙、针对性强、方便易用、适应性强，对隧道超前地质预报行业的发展有着巨大的推助作用。

同时本发明提供一种隧道不良地质体超前地质预报探测方法，其先搭建上述模拟装置；其后开展探测试验，获取各种不良地质体的地质图谱特征，并据此获取探测设备对各类不良地质体的优选探测参数；其后利用获得的优选探测参数对实际未开挖区域进行探测，可一次性准确有效地预报未开挖区域内的各类不良地质体，同时结合比之前获取的地质图谱特征可以准确确定不良地质体的位置，并根据激发的物理场在介质中传播特征，判明不良地质体的岩性、结构等特征，其方便快捷，准确性高。

附图说明

图1为本发明一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置的结构示意图；

图2为本发明一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置的平面分布示意图及尺寸示意图；

图3为HSP法进行断层探测实验，采用38Hz频率地震检波器进行信息接收，获取的成果图；

图4为HSP法进行断层探测实验，采用2000Hz频率地震检波器进行信息接收，获取的成果图；

图5为HSP法进行岩溶探测实验，采用38Hz频率地震检波器进行信息接收，获取的成果图；

图6为HSP法进行岩溶探测实验，采用2000Hz频率地震检波器进行信息接收，获取的成果图；

图7为HSP法进行孤石探测实验，采用38Hz频率地震检波器进行信息接收，获取的成果图；

图8为HSP法进行孤石探测实验，采用2000Hz频率地震检波器进行信息接收，获取的成果图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2所示，一种隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置，包括隧道模型1、断层模型2、岩溶模型3和孤石模型4，

所述隧道模型1为向下挖掘的方形孔，所述隧道模型1的三个侧壁的中心位置向远离所述隧道模型1方向分别挖掘有掌子面A导洞5、掌子面B导洞6和掌子面C导洞7；

所述断层模型2为向下挖掘的矩形孔，所述断层模型2正对所述掌子面A导洞5设置；

所述岩溶模型3为向下挖掘的圆形孔，所述岩溶模型3正对所述掌子面B导洞6设置；

所述孤石模型4为埋设的混凝土块，所述孤石模型4正对所述掌子面C导洞7设置。

在应用时，断层模型2和岩溶模型3内可填充水体、砂土、泥等不同介质模拟实际断层和岩溶的情况，使该探测模拟装置可开展地层分界面的地质预报实验，并可开展诸如断层、岩溶和孤石的隧道不良地质体地层预报实验。

基于上述探测模拟装置的隧道不良地质体超前地质预报探测方法，包括如下步骤：

S1、在实验室搭建上述隧道不良地质体超前地质预报探测模拟装置，可将复杂的地质预报前期工作移入室内完成；或者在实地直接搭建该不良地质体超前地质预报探测模拟装置，模拟实地地质环境，提高预报的准确性。

S2、利用探测设备分别对断层、岩溶、孤石、地层分界面进行地质预报实验，获取不同地质环境所对应的最佳探测参数。

上述对断层的地质预报实验是指在所述断层模型2内填充用于模拟实际断层的不同介质后利用探测设备进行探测，通过隧道模型1内掌子面A位置对前方断层模型2进行探测，断层模型2内可充填水体、砂土、泥等不同介质，分析空间波场特征、图谱特征、探测分辨率等信息，可为地质预报提供基础信息。如图3、图4所示，是采用水平地震波剖面法(HSP法)对断层进行实验，分别采用38Hz和2000Hz频率的地震检波器进行信息接收，并进行数据处理与反演，获取成果图。由该模拟实验可知，利用HSP法能有效的探测断层，但在断层进行探测时，不同频率的检波器所接收信号，经处理所获成果图谱特征存在差异，其中低频检波器所获成果能更直观的反应真实的实体模型,受边界影响小。

上述对岩溶的地质预报实验是指在所述岩溶模型3内填充用于模拟实际岩溶的不同介质后利用探测设备进行探测，通过隧道模型1内掌子面B位置对前方岩溶模型3进行探测，模型内可充填水体、砂土、泥等不同介质，分析空间波场特征、图谱特征、探测分辨率等信息，可为地质预报提供基础信息。如图5、图6所示，是采用水平地震波剖面法(HSP法)对岩溶进行实验，分别采用38Hz和2000Hz频率的地震检波器进行信息接收，并进行数据处理与反演，获取的成果图。由该模拟实验可知，HSP法能有效探测岩溶，但不同频率的检波器所接收信号，经处理所获成果图谱特征存在微小的差异，两种频率的检波器所获成果均直观的反应真实的实体模型，受边界影响较小，但存在多次反射现象，图谱中体现异常交替现象。

上述对孤石的地质预报实验是指利用探测设备对埋设的孤石模型4进行探测，通过隧道模型1内左侧位置对前方孤石模型4进行探测，分析空间波场特征、图谱特征、探测分辨率等信息，为地质预报提供基础信息。如图7、图8所示，是采用水平地震波剖面法(HSP法)对孤石进行实验，分别采用38Hz和2000Hz频率的地震检波器进行信息接收，并进行数据处理与反演，获取的成果图。由该模拟实验可知HSP法能有效的对孤石进行探测，不同频率的检波器所接收信号，经处理所获成果图谱特征存在差异，其中高频检波器所获成果能更直观的反应真实的实体模型,且受边界影响小。

上述对地层分界面的地质预报实验是指利用探测设备对隧道底部地层分界面直接进行探测，直接通过隧道模型1内底部(模拟掌子面)对底部地层分界面进行探测，分析空间波场特征、图谱特征、探测分辨率等信息，可为地质预报提供基础信息。

据上述，利用探测设备开展上述步骤S2的模拟探测实验，可判别探测设备是否能探测出不良地质条件，同时可对各种不良地质条件所需的探测参数和数据处理方式进行模拟匹配。

S3、将探测设备的参数调节到步骤S2中获取的各地质环境所对应的最佳探测参数，用探测模型对实际地质环境进行探测，分析实际探测的空间波场特征、图谱特征、探测分辨率等信息，实现地质不良体的超前预报。

具体实施时，如图2所示，隧道模型1的方形孔的边长为2.5m，深度为3.5m；掌子面A导洞5和掌子面B导洞6的下部为长宽均1m的正方形洞，其上部为直径1m的半圆形洞，半圆形洞弧顶距离地表2m；掌子面C导洞7为直径1m的圆洞，掌子面C导洞7的圆形弧顶距离地表2m；掌子面A导洞5、掌子面B导洞6和掌子面C导洞7的洞深均为1m。

断层模型2长4m、宽2.5m、深3.5m，断层模型2的长边中心正对掌子面A导洞5的轴线设置，断层模型2距掌子面A导洞5的距离为3.5m。孤石模型4的直径为1m，埋深为3m，孤石模型4的中心正对掌子面C导洞7的轴线设置，孤石模型4与掌子面C导洞7的距离为3m。岩溶模型3为直径1m的竖井，岩溶模型3的井深3m，岩溶模型3的轴线与掌子面B导洞6的轴线垂直共面设置，岩溶模型3与掌子面B导洞6的距离为3m。

当岩土盘为矩形时，最小岩土盘厚度公式为：

式中：X-板厚(mm)、β-变量系数、Y-横向尺寸(mm)、Z-纵向尺寸(mm)、γ-抗拉强度(KN/mm2)、ρ-地下水密度、g-重力加速度、H-岩土盘受力中心位置的水头高差、a、b、c、d为幂指数。

通过最小岩土盘厚度公式进行计算，可确定断层模型2距掌子面A导洞5的距离为3.5m。

当岩土盘为圆形时，最小岩土盘厚度公式为：

式中：X-板厚(mm)、β-变量系数、r-界面尺寸半径(mm)、γ-抗拉强度(KN/mm2)、ρ-地下水密度、g-重力加速度、H-岩土盘受力中心位置的水头高差、a、b、c为幂指数、π-圆周率。

通过最小岩土盘厚度公式进行计算，可确定所述孤石模型4与掌子面C导洞7的距离为3m，所述岩溶模型3与掌子面B导洞6的距离为3m。

为避免地面边界反射对模型探测效果的影响，隧道的埋深需大于等于不良地质体距隧道掌子面的距离(由上述可知最大3.5m)，因此隧道模型1埋深设定为3.5m。考虑进行模型试验所需的操作空间，隧道模型1的长、宽均设定为2.5m。

在实际应用时，本模拟装置主要用于对HSP地质预报进行探测模拟，由于HSP地质预报方法在掌子面左右侧最少均需布设3个检波器及2个震源激发点，其布设间距最小需0.25m，因此掌子面长度设定为1m；掌子面宽度需大于HSP采集主机宽度(0.6m),因此设定为1m。

在断层、溶洞及孤石模型4尺寸方面，

地震波勘探垂直分辨率的极限计算公式为：

h＝λ/4

式中：

h-勘探目标体厚度、

λ-子波波长,计算公式如下：

λ＝v/f

v-介质速度

f-子波主频

由于所浇筑填充物为素填土，最低速度约为1000m/s，所敲击的地震子波主频最大约为550Hz，因此可计算得到探测的最小垂直分辨率为0.45m，所以设置断层模型2的宽度略大于所能探测的最小厚度，为0.5m，岩溶模型3及孤石模型4的半径也为0.5m。

为保障模型试验效果，断层模型2、岩溶模型3及孤石模型4均需在隧道掌子面正前方，因此确定其埋深至少需大于3m。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。