一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及隧道地质超前预报技术领域，具体是指一种基于机械能无损检测隧道 地质超前预报方法。利用本方法可在衬搁无破坏的前提下，利用稳定可控安全的机械能量 来激发地震波，并通过合理布置激发点和接收点位置使地震反射波在第一时间到达接收 孔，从而减少杂波干扰，提高预报准确性，最终达到隧道地质超前预报的无损效果。
【背景技术】
[0002] 随着基础设施投资建设的不断加强，我国将于几十年内在铁路公路交通、水利水 电、能源矿山、市政工程W及其他领域修建大量的隧道（洞）工程。据预测，2008~2020 年，仅铁路领域新建隧道将达到10000虹1，我国已成为世界上隧道修建规模和难度最大的 国家(参见李术才，刘斌，孙怀凤等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报，2014，33化）：1090-1113.)。随着隧道数量的大幅度增多，长度的明 显增加，规模的不断扩大，隧道安全事故有增无减，突泥涌水、巧塌、冒顶等隧道地质病害给 国家及施工单位造成了巨大的经济损失。因此，如何探明隧道掌子在前方的地质状况，有效 避免隧道地质病害，是隧道工程一项重要任务和需要解决的技术难题。在隧道工程的勘察 设计阶段，已经投入大量的地质勘察工作，但是由于工程地质条件的复杂性W及时间、经费 等条件的限制，勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段的精度要求。现行行业要求规 定巧日铁建设巧00引105号，铁路隧道超前地质预报技术指南[S].中华人民共和国行业标 准)，任何隧道掘进前都必须进行隧道地质超前预报，其重要性显而易见。因此，在隧道施工 中进行隧道地质超前预报是必需的，是隧道施工不可缺的重要工序，是隧道等洞室工程安 全施工的指导书。隧道地质超前预报是利用钻探、地质调查、物理探测等手段探明正在开挖 的隧道掌子面前方一定范围内的围岩地质状况。目的是探明隧道掌子面前方存在的地质构 造破碎带、软弱带、节理裂隙发育带、岩溶发育带、不同岩性接触带等地质病害的规模、位置 及状态。根据探测的结果，为隧道掘进及支护提前选择正确的开挖支护方案提供依据，W指 导施工，节约成本，杜绝事故的发生(参见叶英.隧道施工超前地质预报[M].北京；人民 交通出版社，2011)。
[0003] 当前，物理探测技术因其探测成本低、时间短、灵活方便、占用空间资源少等特点， 是隧道地质超前预报主要采用的检测技术。地质超前预报的物探技术主要有地震波、高密 度电、电磁波等多种技术。在众多隧道超前预报方法中，地震波法隧道超前探测技术精度 高，探测距离远，技术方法也相对比较成熟(参见杜立志.隧道施工地质地震波法超前探测 技术研究巧].吉林大学博±学位论文，2008)。地震波隧道地质超前预报法（TSP)是利 用地震波的体波、反射波等进行隧道地质超前预报的，其工作原理是；在隧道左边墙或右边 墙上W排列方式用等量炸药激发地震波，地震波在向=维空间传播的过程中，遇到声阻抗 界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现 象，该种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、 数字采集和处理，实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的。常规TSP技 术的应用仅有十余年的历史，是一个正在发展的技术，对技术的研究还不够深入，现场检测 与理论研究上还存在一定差距。随着该技术的应用，其自身的不足已经凸显，如；成本高、破 坏衬搁、工序繁锁、使用炸药不安全、占用的时间长、占用空间资源大、影响施工、"抗测"行 为严重、数据存在干扰等问题，该些都是迫切需要深入研究和创新的。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，为在隧道地质超前预报中实现既能节约成本又能提高安全系数、 简化操作规程、保护衬搁质量、最大程度提高预报结果的准确性。本发明的目的旨在提供一 种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现： 一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，在隧道掌子面6及其 四周2米深的未开挖围岩1范围内布置地震波接收点4,在其后已开挖段3的范围内一定距 离的隧道底板轴线或与其平行的隧道底板上依次布置地震波激发点5,每个激发点位置布 置垫板；在地震波接收点4钻孔后，孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波采 集仪器相连，在机械激发装置上安装触发装置，并用信号传输线将触发装置与采集仪器相 连。
[0006] 上述激发点数目为12~24个，激发点之间距离为0. 2-1. 5m; 上述激发点垫板尺寸为15cmX15cmX2cm; 上述激发装置为金属键，激发键重量为18磅； 上述掌子面及其四周接收点距最近激发点的距离为5-lOm，接收点数目为2-4个，接收 孔深度2m; 本发明与W往技术的主要区别在于： (1) 改变常规TSP技术中激发点与接收点排列位置，即接收点布置在激发点前方的掌 子面及其四周，该样使反射波旅行时间缩短，使反射波在第一时间到达检测波器，避免杂波 的干扰，保证数据的真实可靠。（反射波"第一时间进入检波器"是指从掌子面前方未开挖围 岩中传来的反射波在进入第二种介质前被接收的时间点）； (2) 彻底改变常规TSP检测技术在隧道左壁或右壁初衬及二衬上布置激发点及接收点 的破坏性布孔方式，使激发点及接收点的布置方便快捷，不钻孔、不破坏衬搁及防水层，使 检测所需的时间、人力、物力、场地资源大幅节约，且不影响施工。
[0007] (3)用机械方式替代炸药进行地震波的激发。消除使用炸药时的安全隐患；解决 在破碎易巧塌段不能使用炸药检测的问题；解决用炸药采集数据差异性大、不稳定、声波干 扰等问题；降低检测成本，大幅缩短检测时间，简化检测过程。
[0008] 本发明的主要优点和产生的有益效果是： (1) 本发明不在衬搁上打孔，不破坏衬搁和防水板，不影响隧道施工质量； (2) 本发明将测线布置在上导，尽量缩短测线，避免台阶干扰和占用空间； (3) 本发明不使用炸药，利用机械能量来激发地震波，有效压制声波或使声波微弱，不 干扰反射数据； (4) 本发明通过调整激发点和接收点位置使地震反射波"第一时间进入接收器"，缩短 反射波的旅行时间，避免杂波干扰，确保地震波反射波的有效性、真实性； (5) 本发明占用的人力、物力、空间资源低，不影响施工； (6) 本发明还具有工作原理明确、检测流程简单快捷、易于操作等优点。
[0009] 附图及附表说明 图1是本发明测点布置平面示意图； 图2是是利用本发明对甘肃省定西黄±隧道超前地质预报采集的原始波形图;其中：a)为左侧探头P、SH、SV波形图，（b)为右侧探头P、SH、SV波形图 图3是利用本发明对甘肃省定西黄±隧道超前地质预报综合偏移处理成果图。其中：a)为左侧偏移处理成果图，（b)为右侧偏移处理成果图。
[0010]
【具体实施方式】
[0011] 在实施本发明过程中，使用地震波激发系统，地震波接收系统，数据分析系统。
[0012] 所述地震波激发系统，包括机械激发装置、触发装置、信号传输线、垫板； 所述地震波接收系统，包括检波器、信号传输线和地震波采集仪器； 所述数据分析系统，主要为计算机。
[0013] 下面结合附图，对本发明技术方案再做进一步的说明： 如图1所示，一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，在隧道掌 子面6及其四周2米深的未开挖围岩1范围内布置地震波接收点4,在其后已开挖段3的范 围内一定距离的隧道轴线或与其平行的底板上依次布置地震波激发点5,每个激发点位置 布置垫板；在地震波接收点4钻孔后，孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波 采集仪器相连，在机械激发装置上安装触发装置，并用信号传输线将触发装置与采集仪器 相连。
[0014] 本发明具体实施方法为；在隧道掌子面6及其四周2米深的未开挖围岩1范围 内布置2-4地震波接收点4,接收孔深度2m;在其后已开挖段3范围内的一定距离的隧道 底板轴线或与其平行的隧道底