科技研究开发计划项目申请表

1、2011年 科技研究开发计划项目申请表编号：单位名称项目名称红外超前探水在隧道突泥、涌水段的判定技术申请人姓名性别年龄职称电话申请经费（万元）万起始年度2011结束年度2012项目专业类别：选择画地卜，程 桥梁路基（含支挡）轨道 路面工民建“四电”研究内容提要超前地质预报是应用地球物理方法的重要分支，是地球物理学服务于工程建设的重要 窗口。近年来超前地质预报研究得到了飞速发展，一方面得益于整个地球物理勘测技术的 进步，同时也得益于工程建设需要的有力推动，目前应用已越来越广泛，隧道及地下工程 界对此非常关注，越来越得到建设单位和施工单位的重视，形成了独特的技术方法系统和 研究领域。利用超前地质预

2、报方法可以探测以下问题不良地质预报及灾害地质预报：预报学子面前方f 范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提 出施工措施或建议；水文地质预报：预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其 对环境地质、水文地质的影响；断层及其破碎带的预报：预报断层的位置、宽度、产状、 性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策；围岩类别 及其稳定性预报：预报学子而前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提 供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等；预测隧洞内有害气体含量、 成分及动态父化。尽管隧洞施工超前预报已引起国内外隧洞工程界的重视，也

3、做了许多卓有成效的工 作，准确预报隧道开挖而前方的地质条件是隧洞建设者们的迫切要求，二”纪八十年代 以来世界各国都把这类问题列为重点研究课题。另外，隧洞施工超前预报又是一项复杂而 艰巨的任务，尚需在工程实践中不断创新、优化、总结、完善和提高，要真正搞好隧洞施 工超前预报任重道远。中报单位审查意见：盖章2011年1月5日国内外现状随着国家基础设施建设规模的不断扩大，铁路和公路建设正紧锣密鼓地进行，隧道 作为运输通道的重要一环愈来愈引起关注。因为隧道掘进是一项隐蔽工程，地质情况千 变万化，不易控制，稍有不慎便会发生重大伤亡事故，造成的损失不可估量。当今社会 倡导以人为本，安全问题自然被提到首位。如

4、何杜绝隐患，确保安全生产，是施工单位 迫切需要解决的问题。形势的发展推动各种地质与物探新手段相续涌现。作为应用地球 物理学的一个分支的超前地质预报飞速发展，一方面得益于整个地球物理勘测技术的进 步，另一方面也得益于工程建设的需求。随着这项技术的趋于成熟，应用越来越广泛， 形成了独特的技术方法系统和研究领域。早在二十世纪四、五十年代国外就开展了隧道 施工超前地质预报工作。典型的有美国的NSA工程公司生产的 TRT（True ReflectionTomography）超前地质预报系统和瑞士 Amberg公司生产的TSP（Tunnel Seismic Predition） 超前地质预报系统。我国从六

5、、七十年代修建成昆铁路时此项技术的研究就已起步，但 受限于技术力量薄弱、仪器设备落后以及处理软件的滞后，该项技术一直徘徊不前。随 着众多公路、铁路、水利、矿山、地下工程的破土动工，隧道、隧洞、巷道的建造成为 必须攻克的难关。我国地球物理工作者积极借鉴国外先进方法技术，利用简陋的仪器设 备和处理落后的软件，探索出具有我国家自己鲜明特色的隧道地质超前预报方法技术。 铁路部门在上世纪八十年代末开始尝试使用综合物探超前地质预报术时，廊坊市铁路物 探中心以及铁路设计院一些有识之士也开始着手进行初步探索。在国内外隧道和地质工 作者的高度重视和共同呼吁下，铁道部科技司和铁路工程总公司根据隧道施工的需要， 于

6、1990年8月1日签发“八五”重大科研项目“隧道施工学子面前方不良地质预报”（部 颁科研项目合同90G13号）。铁路工程总公司指定当时在仪器设备上保持国内领先和科技 实力较为雄厚的铁路物探试验研究中心为牵头单位，负责超前地质预报科研项目的日常 研究工作。该项目是利用物探技术进行超前预报的科研课题，包括弹性波、电磁波二大 类四种方法。其中弹性波法包括地震反射法 （也称负视速度法卜高频地震反射法（又称极 小偏移距单点连续剖面法卜巷道侧壁相错斜交声波法（孔间声波反射法），电磁波法包括 探地雷达法以及CT技术应用。当时该科研项目历时 5年，在多个铁路隧道中进行试验 研究，如南昆线米花岭隧道F3断层预报

7、、侯月线云台山一号揭煤点预报、南昆线吕厂隧 道预报等，经过5年的试验研究，课题组提出了弹性波、电磁波法两大类四种预报技术 方法、处理软件、探测设备配套系统等成果，无疑是对隧道施工学子面前方不良地质预 报技术应用的一大突破，使我国的隧道地质超前预报水平前进了一大步。现已逐渐发展成为一套具有国际水平的技术方法，它具有设备轻便、操作灵活、成本低、测试时间短、 探测距离远等优点。为了进一步提高超前地质预报的探测水平，伴随着隧道施工对超前地质预报要求的 提高，上世纪90年代中期，有些单位引进了瑞士安伯格（Amberg）技术公司生产的TSP202, 从采集数据的严密性和合理性进行了改进，信噪比得到了提高，

8、该仪器的探测距离可达 到100150米，应该算是一种比较理想的超前预报方法。再后来到本世纪初，瑞士安伯 格公司对TSP202预报系统进行了改进和提升，即后来的 TSP203,由原来的DOS界面 升级为可视化较高的WINDOWS界面，并且处理结果紧密结合岩土力学特征，受到国内 专家人士的推崇。目前这套技术还正处于引进和消化阶段，TSP203预报系统在探测分辨 率上有了很大提高，但在现场传感器要选择好最佳安装位置、合适的采样参数以及探测 炸药种类和用量要符合要求，则探测距离可有效提高。随着超前地质预报工作的不断开展和市场规模的不断扩大，国内地球物理专家和各 大厂商也积极借鉴国外技术，推出了自已的新

9、产品，应用较多且效果较好的有北京水电 物探研究所生产的 TGP12型隧道地质预报仪和青岛国科海洋环境工程技术有限公司生 产的TST24隧道地质超前预报系统，为国内超前地质预报技术的发展注入了新的活力。主要研究内容及研究方法本次课题主要研究综合物探超前地质预报方法在隧道超前地质预报中的应用，主要 选择常用的几种方法，有负视速度法、探地雷达法以及红外探水法三种，这三种方法目 前在全国铁路、公路隧道施工中几乎被列为必须使用的方法。本次研究目的主要是从这 三种方法的基本原理出发，研究其实用性，在基本理论的指导下探求其应用范围，包括 探测深度、垂向分辨率、水平分辨率等，这此因素与所探测介质的关系，应用过

10、程存在 的问题，如何去克服这些问题，在外业操作的基本方法上如何去改进，从三种方法各自 的应用条件来选择探测学子面，以及如何将这三种方法有机地组合在一起，发挥每一种 方法的长处，而且针对学子面的不理想状态和隧道侧壁的干扰如何开展工作。当数据采 集回来以后，如何分析数据，如何识别干扰波以及去除干扰波等，如何提高分辨率，对 于不同的地质环境那种方法具有优势。要达到的目标、成果形式及主要技术指标通过研究，利用超前地质预报方法解决以下问题不良地质预报及灾害地质预报： 预报学子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、 性质，提出施工措施或建议；水文地质预报：预报洞内突涌水量的

11、大小及其变化规律， 并评价其对环境地质、水文地质的影响；断层及其破碎带的预报：预报断层的位置、 宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对 策；围岩类别及其稳定性预报：预报学子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断 其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等；预测隧 洞内有害气体含量、成分及动态变化； 预报学子面前方岩性接触带、地质构造造成的破 碎、断裂带和岩溶发育带、突泥、突水及有毒或易燃气体、高地温、岩爆等不良地质现 象的位置、性质和规模，并根据探测所得的物理参数（纵波速度、横波速度、弹性模量 及岩石密度等）确定岩体的物理力学性质，

12、间接判断围岩工程类别等，并且借助于水平 钻、超前导坑、地质分析等各种其它方法，来提高其分析判断的准确性。能及时掌握可 能造成灾害性事故的诱因，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节 约大量资金。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避 免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。基本论点：从地震负视速度法的基本原理来阐明其在隧道超前地质预报的可行性及其适用条 件；从探地雷达法的基本原理来阐明其在隧道超前地质预报的可行性及其适用条件；从红外探水法的基本原理来阐明其在隧道超前地质预报的可行性及其适用条件；将地震负视速度法、探地雷达法、红外探水法三种方法

13、有机地组合在一起，取长补短，互相补充，达到综合勘探的目的。研究方法：将地震负视速度法、探地雷达法、红外探水法三种方法应用于隧道建设的工地中， 从实践中摸索、研究、总结每种方法的可行性及局限性，通过数据加以分析最后进行汇 总，研究出一种有效的组合方式来进行隧道地质超前预报。通过研究综合物探超前地质预报方法，从基础理论上基本掌握TSPS前地质预报法、 探地雷达法、红外探水法等预报方法，并在理论的指导下，将每一种方法都应用于隧道 地质超前预报的施工生产实践中，解决和研究在隧道超前地质预报施工生产中所遇到的 难题，并加以研究，改进方法，使这三种超前地质预报方法形成一种有机的组合检测手 段，为隧道施工安

14、全保障做出一定的贡献。前期工作基础隧道地震波超前预报属于物探技术，但比地面的地震波物探技术复杂，我国的地质 物探工作者一直没有放松该技术的研究工作。我们国家研究地震波勘察检测技术已经有 几十年的历史。但也存在一些实际问题。隧道地震波方法的预报原理：隧道地震预报工作利用地震反射波原理，在隧道内以 排列方式激发的地震波，向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面会产生反射波。声 阻抗是介质传播弹性波的速度与介质密度的函数，介质的声阻抗数值为速度与密度的乘 积。因此地层中的岩性变化界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等界面会产生地震反 射波，这种反射波被布置在隧道内的检波器接收，输入到仪器中进行信号的放大

15、、数字 采集和处理，实现地质预报的目的。由此可以看出，隧道地震波预报技术是通过直接探 查声阻抗变化的界面，经过人工分析实现间接推断地质病害的方法。不同夹角构造面的 地震波路径与反射波记录形态，与隧道夹角不同的构造面具反射点位置不同，地震波传 播路径偏离隧道轴线也不同。构造面与隧道正交时地震波传播路径与隧道轴线平行，从 隧道正交构造面产生的地震反射波记录，根据反射波同相轴计算得到界面与检波点之间 岩体的地震波速度，该速度代表隧道围岩的性质。由非正交条件下地震反射波记录获得 的速度为地震波传播路径岩体的“视速度”，“视速度”值的大小不仅与路径上岩体的 性质有关，而且与界面和隧道的夹角有关。应用地震

16、波预报构造面位置的计算是利用地 震波在炮孔段的传播速度，各构造面之间岩体的速度是综合界面反射获得的“估算速 度”，不是隧道围岩的真速度，应用中结合反射点偏离隧道轴线距离的远近和岩体的各 项异性分布综合考虑使用。实际工作中采集的地震波是错综复杂的，理想模式的地震波 是不常存在的，记录上普遍存在有来自三维空间中多个方向的反射波，和各种形式的干 扰波，这是应用技术中首先考虑的问题。针对隧道地震波传播的复杂性，地震预报系统 不仅利用地震反射波走时关系，同时采集空间地震波三分量记录，进行地震波的极化分 析与计算，该技术的突破有利于地质构造面产状、规模和地质体性质的预报。隧道地震波预报的早期研究，是由研究

17、和利用地震波在时间空间域中的运动学特征 开始的，工作中认识到仅仅利用地震波运动学和动力学特征是不够的。隧道工程的地震 波在全三维环境条件下传播，这种条件比地面上的平面半无限空间条件复杂得多，而且 隧道内地震波的接收与激发测线与探测目的是近于垂直或者大角度相交的条件，因此影 响在地质构造面上获得大长度大面积的地震波信息量。针对这种状况，预报工作仅仅利 用单一模态的地震波难以胜任。因此，要强化采集地震波的多波列信息，综合利用地震 波的多波列震相信息，使系统的功能得到明显的增强。其处理软件由地震波数据输入与 编排、空间坐标建立、能量均衡、干扰波分析与去除、触发时差校正、谱分析、纵横波 分离、岩体速度

18、参数计算、回波提取与偏移图、有效波分析与衰减参数计算、极化波处 理与构造产状图、综合分析与绘制成果图等模块组成。实际工作中考虑预报距离和分辨 精度两方面要求，预报距离一般采用 150米至200米。隧道地质预报系统具有登记全部 测长距离内地质构造信息的功能，利用逐次递进的位置相关分析，和原生成果对比等处 理功能，有利于去伪存真和排除异常，提高预报成果的质量。国内产的TGPS前预报仪经过了一定的改进，采用孔中接收检波器采用黄油耦合， 方便、经济、快捷。优于在钻孔中需要锚固异型钢导管的方式。2米长的钢导管难于携带、运输，价格昂贵，一次性使用，费事费工费财。地震波采集触发是开路触发方式， 即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断，信号线同时开路触发仪器采集，仪器采集无延 时差，保证定位的准确性。超前预报仪器若采用起爆器电脉冲同时触发电雷管和触发主 机采集的方案，由于电雷管起爆的延时时间难于做到一致，因此会造成仪器采集的走时 误差，这种触发方式在我国的地震波勘探规程中明确规定不宜使用，更何况隧道岩体的 速度比覆盖层介质的速度高出几倍以上，以岩体波速 4500m/s5500m/s为例计算，每 一毫秒误差会造成23m的预报距离误差，一般瞬发电雷管的延时误差不止一毫秒，因 此由20多次激发的平均线计算隧道岩体速度， 和利用存在误差