一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法与流程

本发明属于隧道勘测技术领域，尤其涉及一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法。

背景技术：

隧道工程作为一种地质工程，隧道设计和施工前的工程地质勘察，虽然在一定程度上对隧道的地质状况进行了预测和预报，但由于岩体的复杂性，勘察资料与隧道开挖后的实际情况可能会有较大的出入。我国水利水电、交通领域中有大量隧道工程，地质灾害是制约隧道施工的关键因素，往往由于隧道前方地质情况不明、勘察资料无法完全准确反映施工掌子面前方的地质条件，导致施工带有很大盲目性，因而经常出现无法预料的地质灾害，如突水、突泥、坍塌、岩爆和有害气体等，这些由于开挖而诱发的各类地质灾害具有不可选择性、复杂性、特殊性及突发性，灾害一旦发生，轻则冲毁机具，淹没隧道，正常施工被迫中断；重则造成重大人员伤亡，产生巨大的经济损失，甚至有些地下工程会因此被迫停建或改线，常常成为制约隧道修建的最主要因素。因此，隧道前方不良地质体的勘察是隧道施工过程中必不可少的重要环节。

隧道开挖时，由于需要对前方的不良地质体进行探测和预报，需要一系列探测设备和措施，但这也很大程度上减慢了施工的进度。对于双洞隧道而言，如果逐洞进行探测预报，势必对现场施工造成较大影响。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法，以在正常施工的基础上，实现对前方不良地质体的准确探测，以减少对施工进度的影响。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法，适用于具有进尺差值的双洞隧道，所述方法包括：

s1：在第一隧道靠近第二隧道的侧墙上布置多个传感器，所述第一隧道的挖掘长度大于所述第二隧道的挖掘长度；

s2：在所述第二隧道的掌子面上从下至上布置多个炮眼；

s3：所述第二隧道的掌子面上的炮眼按组引爆，形成激发信号，并依次记录起爆时间，每组所有炮眼引爆后，形成初始激发时间矩阵t1；所述第一隧道上的传感器同时接收每组所述炮眼引爆时的激发信号，并记录检测到每组炮眼的激发时间，形成到时时间矩阵t2，要求所述到时时间矩阵t2和所述激发时间矩阵t1的维度一致；将到时时间矩阵t2和激发时间矩阵t1作差，形成到时差矩阵t；确定出各个传感器和炮眼之间的距离，形成距离矩阵d；利用矩阵d点除矩阵t，得到每一个炮眼对应传感器的速度矩阵v；

s4：将炮眼与传感器之间的空间区域网格离散化，并按照速度矩阵v对空间网格进行赋值，使每个空间网格具有一个平均速度值；

s5：依据上述每个空间网格的平均速度值，做出速度场云图，根据所述速度场云图获取所述第二隧道前方不良地质体的探测结果。

进一步地，所述在第一隧道靠近第二隧道的侧墙上布置多个传感器包括：

在距离所述第一隧道底部d1米处布置一排第一传感器，在距离所述第一隧道底部d2米的位置处布置一排第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器的布置一一对应，且所述第二传感器位于对应的所述第一传感器的正上方。

进一步地，所述第一传感器和所述第二传感器的数量均为8-12个。

更进一步地，d2＝2d1，d2＝(0.7-0.9)l，所述l为隧道地表到起拱处的竖直距离。

进一步地，所述在所述第二隧道的掌子面上从下至上布置多个炮眼包括：

在所述第二隧道的掌子面上布置掏槽眼、辅助眼和周边眼，所述掏槽眼、所述辅助眼和所述周边眼按照直眼掏槽的方式布置，且所述掏槽数目与空眼的数目遵守如下规定：在炮眼的深度小于3.0米时，采用一个空眼；炮眼深度介于3.0-3.5米之间时，采用两个空眼；炮眼深度介于3.0-5.15米时，采用三个空眼。

优选地，所述掏槽眼和所述辅助眼的直径在50-100mm之间，所述掏槽眼和所述辅助眼的间距是其直径的2-4倍，所述掏槽眼和所述辅助眼的装药长度为全眼深度的70％-90％，所述掏槽眼和所述辅助眼内药距与眼壁最大间隙为炮眼直径的10％-15％；

所述周边眼的直径在40-50mm之间，所述周边眼的炮眼间距是其直径的10-18倍，所述周边眼的深度为1.0-3.5m之间，所述周边眼的药卷直径为20-25m之间，所述周边眼的装药长度为全眼长的70％-90％，所述周边眼内的药距与眼壁间隙为炮眼直径的10％-15％。

进一步地，所述炮眼的数量按如下公式确定：

n＝qs/αγ

其中：n为炮眼的数量；q为单位体积的炸药消耗量，s为开挖断面的面积；α为装药系数，γ:为每米药卷的炸药重量。

进一步地，所述按照速度矩阵v对空间网格进行赋值，使每个空间网格具有一个平均速度值包括：

将各个炮点与全部传感器分别进行连线，将连线所经过的空间网格赋值为该炮点对应平均速度，所述平均速度是由传感器到炮眼的距离除以对应的到时时间求得，所述连线所经过的空间网格赋值遵循以下原则：

1)对于重复赋值达到4次以上的空间网格，且该空间网格的赋值的差值相对于赋值最大值的误差小于5％，则该空间网格的赋值取最大值，称为已知网格；

2)对于重复赋值未达到4次以上的空间网格，称为未知网格，所述未知网格的赋值按如下公式确定：

v？＝p1v1+p2v2+p3v3+…；

其中：

上述式中：v？为未知网格的平均速度值；pi为由网格之间的概率相关性确定的权重；未知网格到已知网格之间距离的q次方，q≥2。

进一步地，所述根据所述速度场云图获取所述第二隧道前方不良地质体的探测结果包括：

所述速度场云图中波速较快的空间区域，表明该区域的岩石完整性较好，所述速度场云图中波速较慢的空间区域，提示进尺前方可能存在软弱夹层，根据速度场云图中波速较慢的空间区域即可判断不良地质体的位置和分布的大体范围。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法，一方面由于是利用第一隧道先期进尺，以及第二隧道的掌子面上的炮眼引爆时形成的激发信号，对第二隧道前方不良地质体进行探测的，因此，不会耽误施工进度；另一方面，由于是根据激发的炮眼到传感器的直线距离，以及初始和到达时间，这样可以在第二隧道的前方探测区域形成速度场，根据速度场可以反映出前方地质体物理力学特性的变化，据此来快速判别不良地质体的分布的空间位置和几何形态，提供准确的掌子面超前地质预报结果，方法快捷，并方便利于施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中两隧道相对位置以及传感器的布置示意图；

图3为本发明实施例中第一隧道侧墙传感器布置示意图；

图4为激发炮点与全部传感器之间的所有连线的示意图；

图5为通过本发明实施例所示的一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法制得的探测效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法，适用于具有进尺差值的双洞隧道，以准确定出不良地质体分布的空间位置和范围大小，对掌子面前方的不良地质体进行预警以指导施工。

图1为本发明实施例中的一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法的流程示意图，结合图1，该方法包括：

s1：在第一隧道靠近第二隧道的侧墙上布置多个传感器，第一隧道的挖掘进尺大于第二隧道的挖掘进尺；

s2：在第二隧道的掌子面上从下至上布置多个炮眼；

s3：第二隧道的掌子面上的炮眼按组引爆，形成激发信号，并依次记录起爆时间，每组所有炮眼引爆后，形成初始激发时间矩阵t1；第一隧道上的传感器同时接收每组炮眼引爆时的激发信号，并记录检测到每组炮眼的激发时间，形成到时时间矩阵t2，到时时间矩阵t2和激发时间矩阵t1的维度一致；将到时时间矩阵t2和激发时间矩阵t1作差，形成到时差矩阵t；确定出各个传感器和炮眼之间的距离，形成距离矩阵d；利用矩阵d点除矩阵t，得到每一个炮眼对应传感器的速度矩阵v；

s4：将炮眼与传感器之间的空间区域网格离散化，并按照速度矩阵v对空间网格进行赋值，使每个空间网格具有一个平均速度值；

s5：依据上述每个空间网格的平均速度值，做出速度场云图，根据速度场云图获取第二隧道前方不良地质体的探测结果。

本发明实施例所提供的一种双洞隧道施工前方不良地质体的主动探测方法，一方面由于是利用第一隧道先期进尺，以及第二隧道的掌子面上的炮眼引爆时形成的激发信号，对第二隧道前方不良地质体进行探测的，因此，不会耽误施工进度；另一方面，由于是根据激发的炮眼到传感器的直线距离，以及初始和到达时间，这样可以在第二隧道的前方探测区域形成速度场，根据速度场可以反映出前方地质体物理力学特性的变化，据此来快速判别不良地质体的分布的空间位置和几何形态，提供准确的掌子面超前地质预报结果，方法快捷，并方便利于施工。

本发明实施例的s1具体包括：

图2为本发明实施例中隧道洞口的相对位置以及传感器的布置示意图，图3为本发明实施例中传感器布置的侧面示意图，结合图2及图3，本发明实施例在距离第一隧道底部d1米处布置一排第一传感器1，在距离第一隧道底部d2米的位置处布置一排第二传感器2，第一传感器1和第二传感器2的布置一一对应，且第二传感器2位于对应的第一传感器1的正上方。这样，第一隧道内布置的传感器就能接收来自第二隧道的掌子面上不同位置炮点的透射波信号，第二隧道的炮点激发后，第一隧道侧壁上的所有传感器同时接收，直到所有的炮点全部激发完毕。

本发明实施例中，每一排的传感器的数量可以为8-12个，而每一排传感器中，相邻的两个传感器之间的距离在0.5m左右，如图3，最靠近第二隧道的掌子面的传感器与第二隧道掌子面间隔0.6米，而d2＝2d1，d2＝(0.7-0.9)l(优选为0.8l)，l为隧道地表到起拱处的竖直距离，这样能较大程度提供掌子面前方的不良地质体获取的准确性。

本发明实施例的s2具体包括：

本发明实施例中，炮眼的布置包括掏槽眼、辅助眼和周边眼，掏槽眼、辅助眼和周边眼按照直眼掏槽的方式布置，且掏槽数目与空眼的数目遵守如下规定：在炮眼的深度小于3.0米时，采用一个空眼；炮眼深度介于3.0-3.5米之间时，采用两个空眼；炮眼深度介于3.0-5.15米时，采用三个空眼。

进一步地，本发明实施例中，掏槽眼和辅助眼的直径可以在50-100mm之间，掏槽眼和辅助眼的间距可以是其直径的2-4倍，掏槽眼和辅助眼的装药长度可以为全眼深度的70％-90％，掏槽眼和辅助眼内药距与眼壁最大间隙可以为炮眼直径的10％-15％；而周边眼的直径可以在40-50mm之间，周边眼的炮眼间距可以是其直径的10-18倍，周边眼的深度可以为1.0-3.5m之间，周边眼的药卷直径可以为20-25m之间，周边眼的装药长度可以为全眼长的70％-90％，周边眼内的药距与眼壁间隙为炮眼直径的10％-15％。

本发明实施例中，炮眼的数量按如下公式确定：

n＝qs/αγ

其中：n为炮眼的数量；q为单位体积的炸药消耗量，s为开挖断面的面积；α为装药系数，γ:为每米药卷的炸药重量。

本发明实施例的s3具体包括：

本发明实施例中，第二隧道的掌子面上的炮眼可以按照从里向外的环状依次引爆，也可以按照从下至上的排装依次引爆，本发明实施例对此不作限制。

本发明实施例的s4具体包括：

得到的离散化空间区域会具有多个网格，网格大小以波传播区域的进尺长度的1/1000；掌子面宽度和高度的1/500，并将每一个空间网格构成的平行六面体全部初始赋值为0，随后做出激发炮点与全部传感器之间的所有连线(如图4所示)，将连线经过的每个网格赋值为该激发炮点到全部传感器的平均速度值，平均速度是由传感器到炮眼的距离除以对应的到时时间求得，连线所经过的空间网格赋值按照空间统计学距离幂次反比法遵循以下原则：

1)对于重复赋值达到4次以上的空间网格，且该空间网格的赋值的差值相对于赋值最大值的误差小于5％，则该空间网格的赋值取最大值，称为已知网格；

2)对于重复赋值未达到4次以上的空间网格，称为未知网格，或由概率相关性确定的网格，此网格的赋值按如下公式确定：

v？＝p1v1+p2v2+p3v3+…；

其中：

上述式中：v？为未知网格的速度值；pi为由网格之间的概率相关性确定的权重；

未知网格到已知网格之间距离的q次方，q≥2。

所述的网格之间的概率相关性确定的权重指的是：由距离幂次的反比确定出的权系数。例如，某平面上有三个已知网格速度值，要估算1个未知网格速度值，如取q＝2,则由此确定的三个权重为p1,p2,p3，计算方法为：同理可得另外两个权重。

所述的q为距离的幂次，作为一个常数参数出现在公式中。

本发明实施例的s5具体包括：

速度场云图中波速较快的空间区域，表明该区域的岩石完整性较好，速度场云图中波速较慢的空间区域，提示进尺前方可能存在软弱夹层，根据速度场云图中波速较慢的空间区域即可判断不良地质体的位置和分布的大体范围，如图5所示的速度场云图中阴影处提示可能存在相应空区或其他不良地质体。

以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。