一种基于tsp探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法
阅读说明：本技术 一种基于tsp探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法 (TSP detection-based advanced geological prediction method for large-span underground tunnel ) 是由 贺维国 宋超业 李兆龙 洪开荣 费曼利 刘永胜 王星 吕书清 李勇 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法,包括如下步骤：S1,根据前期地质勘察报告、现场实际工况以及施工过程中的各导洞开挖面的地质素描情况,确定巨跨地下隧洞开挖前方主结构面的产状；S2,根据隧道主结构面产状,确定若干激发孔以及检波器在开挖导洞内的布设位置；S3,激发孔以及检波器布设完成后,进行隧道TSP探测,获取巨跨隧洞开挖前方各种地震参数,形成TSP长距离地质报告。本发明在地质勘察资料的基础上,根据隧道开挖前方主结构面的产状,选择合理的位置布设激发孔,并在巨跨隧洞横向上增加检波器,接收更大范围内的反射波,从而增加地震波的数据采集率及信噪比,控制数据采集质量,提高TSP探测的探测范围和精确度。(The invention relates to a TSP detection-based advanced geological prediction method for a giant-span underground tunnel, which comprises the following steps of: s1, determining the occurrence of the main structure surface in front of the excavation of the huge-span underground tunnel according to the early-stage geological survey report, the on-site actual working condition and the geological sketch condition of each guide tunnel excavation surface in the construction process; s2, determining the arrangement positions of the plurality of excitation holes and the detectors in the excavated pilot tunnel according to the appearance of the main structure surface of the tunnel; and S3, after the excitation holes and the detectors are arranged, detecting the TSP of the tunnel, acquiring various seismic parameters in front of the excavation of the giant span tunnel, and forming a TSP long-distance geological report. On the basis of geological survey data, the excitation holes are distributed at reasonable positions according to the appearance of a main structural surface in front of tunnel excavation, the geophone is added in the transverse direction of the large-span tunnel, reflected waves in a larger range are received, and therefore the data acquisition rate and the signal-to-noise ratio of seismic waves are increased, the data acquisition quality is controlled, and the detection range and the accuracy of TSP detection are improved.)
技术领域
本发明涉及超前地质预报技术领域，具体涉及一种基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法。
背景技术
近些年来，我国经济社会高速发展，大规模的交通、水利、储库等地下隧洞大量出现，而隧洞的建设也越来趋于深埋、超长、巨跨、地质条件复杂等特点，尤其是随着经济发展需求的增加，隧洞开挖断面面积不断增大，跨度在30m以上的巨跨隧洞也屡见不鲜，该巨跨隧洞与常规隧洞相比，设计及施工难度均较大。因此，在施工期进行更好的超前地质预报是对巨跨隧洞施工安全的强有力保障。
现有超前地质预报方法主要以超前物探为主，其中TSP(隧道地震预报系统)探测是其中使用最为广泛的一种，但对于巨跨地下隧洞而言，其横向范围的地质情况与常规导洞同样存在较大差异。目前，对于采用分步开挖施工的巨跨地下隧洞的TSP探测一般有两种方法：第一种是将每一个导洞视为跨度较小(<15m)的常规隧洞，分别对其进行TSP探测，但是这种做法不仅耗时费力，且往往存在多次探测结果互相叠加，影响最终解译的现象；第二种是根据现场实际勘察情况，选择其中一个先行开挖的导洞进行TSP探测，其余导洞地质情况参考该导洞。这种方法由于在其在横向上缺乏足够的地震波反射(如图1所示，方框标记的其它导洞范围内无反射波接收)。因此，隧道横向范围内的探测精度较差，无法准确查明其余导洞前方开挖范围内的地质情况，解译效果欠佳。
发明内容
基于现有针对巨跨地下隧洞实施超前地质预报技术所存在的上述缺陷和不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种通过在横向上增加检波器数量、合理调整检波器及激发孔的布设位置，在不增加成本的前提下，增加横向预报范围及探测精度的基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法，所述巨跨地下隧洞采用多导洞分布开挖的方式进行施工，施工过程中，采用如下方法进行超期地质预报，具体步骤为：
S1，根据前期地质勘察报告、现场实际工况以及施工过程中的各导洞开挖面的地质素描情况，分析确定巨跨地下隧洞开挖前方主结构面的产状；
S2，根据隧道主结构面产状，确定若干激发孔以及多个检波器在开挖导洞内的布设位置；
其中，所述检波器分别设置于各个导洞的边墙上，同一导洞两侧边墙上的检波器关于隧洞轴线对称；所述若干激发孔同时布设于激发孔发出的地震波经主结构面反射后，能够被所有检波器接收的导洞侧墙上；
S3，激发孔以及检波器布设完成后，进行隧道TSP探测，获取巨跨地下隧洞开挖前方各种地震参数，形成TSP长距离地质报告。
进一步地，还包括如下步骤：
S4，根据TSP长距离地质报告，对TSP探测异常段，采用超前物探手段进行对比分析，形成综合超前物探报告；
S5：根据步骤S4中的综合超前物探报告，针对物探异常段落，采用水平钻探的方式，进行验证分析，获得综合地质报告。
上述方案中，所述巨跨地下隧洞包括至少3个分步开挖的导洞，所述巨跨地下隧洞的跨度大于等于30m。
上述方案中，步骤S2中，所述若干激发孔布设于隧洞轴线与隧道主结构面之间夹角为锐角侧的导洞侧墙上。
上述方案中，步骤S2中，布设激发孔的导洞侧墙上，所述检波器与激发孔同侧设置，检波器与最左侧激发孔之间的间距为15-20m，各个激发孔之间的间距为1-1.5m，激发孔的总数量为24。
上述方案中，步骤S2中，所有导洞侧墙上的检波器与最左侧激发孔之间的距离相同。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
1、本发明所述的巨跨地下隧洞超前地质预报方法中，所述检波器分别设置于各个导洞的边墙上，且同一导洞两侧边墙上的检波器关于隧洞轴线对称，在进行TSP探测过程中，各个导洞内的一组检波器分别用于采集各组导洞开挖前方的地质探测结果，各组数据之间无重叠，无干扰，采集得到的整体数据，可以全面地反应巨跨隧洞开挖前方横向范围内全部地质情况。
2、本发明所述的巨跨地下隧洞超前地质预报方法中，以巨跨地下隧洞开挖前方地质构造(结构面或反射面)的产状为依据，将激发孔布设于激发孔发出的地震波能够被所有检波器接收的导洞侧墙上，避免了激发孔设置不合理时，反射波无法被检波器接收的情况，继而有效确保了TSP探测精度。
3、本发明所述的巨跨地下隧洞超前地质预报方法中，在TSP长距离地质预报的基础上，通过超前物探手段以及超前水平钻探方法对TSP探测异常段，进行对比验证分析，最终得到的综合地质报告，可以全面、准确地反应巨跨地下隧洞开挖过程中各导洞开挖前方的地质情况，为隧道施工、参数设计，提供了可靠的参考依据，有效保障隧道施工的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为常规巨跨隧洞超前地质预报激发孔与检波器的布设示意图。
图2为本发明所述基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法的流程图。
图3为本发明实施例所述基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法的应用示例图。
图4为本发明实施例中激发孔布设于对比示例图。
标号说明：1、主结构面；2、激发孔；3、第一检波器；4、第二检波器；5、第三检波器；6、第四检波器；7、第一导洞；8、第二导洞；9、第三导洞。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：如图2所示，一种基于TSP探测的巨跨地下隧洞超前地质预报方法，其中：所述巨跨地下隧洞采用多导洞分步开挖的方式进行施工，施工过程中，为了保障隧道施工安全，需要进行全范围、高精度的超前地质预报，具体步骤为：
S1，根据前期地质勘察报告、现场实际工况以及施工过程中各导洞开挖面的地质素描情况，研究分析巨跨地下隧洞开挖前方主结构面的产状(即：主结构面断面形状)；
S2，根据巨跨地下隧洞开挖前方主结构面的产状，确定若干激发孔以及多个检波器在开挖导洞内的布设位置；
其中，所述检波器分别设置于各个导洞的边墙上，同一导洞两侧边墙上的检波器关于隧洞轴线对称；所述若干激发孔同时布设于激发孔发出的地震波经主结构面反射后，能够被所有检波器接收的用于开挖巨跨地下隧洞的其中一个导洞侧墙上；
S3，激发孔以及检波器现场布设完成后，进行隧道TSP探测(包括数据采集、数据处理以及结果翻译)，获取巨跨地下隧洞开挖前方各种地震参数，形成TSP长距离地质报告，判断开挖前方50-200m范围内的地质情况；
S4，根据步骤S3中获得的探测报告，对TSP探测异常段，采用超前物探手段进行对比分析，形成综合超前物探报告；
其中，所述超前物探手段选用地震波反射法、LDS陆地声纳法、TRT地震反射层析法、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、声发射法或红外线探水法等。
S5，根据步骤S4中的综合超前物探报告，针对物探异常段落，如溶洞、断层、地下含水构造等进行超前水平钻探验证，适当时进行取芯，同时进行土工试验，获取岩土体参数、钻孔柱状图、地质剖面等，形成隧洞开挖前方综合地质报告。其中，水平钻探方法包括短钻孔水平钻探法和长钻孔水平钻探法。
由步骤S1至S5获得的综合地质报告，可以全面、准确地反映巨跨地下隧洞开挖过程中各导洞开挖前方的地质情况，为隧道施工以及参数设计，提供了可靠的参考依据，继而有效保障隧道的施工安全。
本实施例1中，所述的超前地质预报方法适用于跨度大于等于30m的巨跨地下隧洞，且所述巨跨地下隧洞采用至少三个分步开挖的导洞进行施工。
具体地，如图3所示，本实施例以三导洞分步开挖的方式，具体阐述步骤S2中，激发孔以及检波器的具体参数设置以及设置的合理性：
(1)所述检波器的数量为4，分别为第一检波器3、第二检波器4、第三检波器5以及第四检波器6，第一检波器3与第二检波器4布设于第一导洞7的左侧边墙与右侧边墙上；第三检波器5与第四检波器6分别布设与第三导洞9的左侧边墙与右侧边墙上；
(2)激发孔2的数量设置为24个，相邻激发孔之间的间距设置为1-1.5m；所述24个激发孔同时布设于第一导洞7的右侧边墙上或第三导洞9的右侧边墙上，设置于相应边墙上的检波器与激发孔同侧设置；设置原理如下：当激发孔设置于第一导洞7的右侧边墙或第三导洞9的右侧边墙上时，右侧边墙与主结构面1之间的夹角为锐角(即：所述若干激发孔布设于隧洞轴线与隧道主结构面之间夹角为锐角侧的导洞侧墙上)，主结构面1反射的反射波可以被所有检波器接收；反之，当激发孔2同时布设于第一导洞7左侧边墙或第三导洞9的左侧边墙上时，左侧边墙与主结构面之间的夹角为钝角，导致部分反射波无法被检波器接收，继而影响探测精度。(对比例如图4所示)
(3)最左侧激发孔与同侧导洞边墙上的第二检波器4之间的偏移距为15～20m；所有导洞侧墙上的检波器与最左侧激发孔之间的距离相同。
激发孔以及检波器布设完成后，激发孔进行放炮激发，对第一检波器3、第二检波器4、第三检波器5以及第四检波器6所采集到的数据两两组合，并分别进行数据处理、成果解译及报告编写，根据数据采集的质量确定探测距离，并分别形成3个导洞的探测报告，其中：第一检波器3、第二检波器4数据对应第一导洞7的探测结果，第二检波器4、第三检波器5数据对应第二导洞8的探测结果，第三检波器5以及第四检波器6对应第三导洞9的探测结果，各组数据采集互不干扰，且整体数据可以全面反应巨跨隧洞开挖前方横向范围内全部地质情况。
综上，本发明所述的巨跨地下隧洞超前地质预报方法中，在结合地质勘察资料以及现场实际工况的基础上，根据隧道开挖前方主结构面(地震波反射面)的产状，选择合理的位置布设激发孔，并在巨跨隧洞的横向上增加检波器的数量，以接收更大范围内的反射波，从而增加地震波的数据采集率及信噪比，控制数据采集质量，提高TSP探测的探测范围和精确度。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
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