CN101950030B - 一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法。是在掌子面上设一条水平测线AB和一条与其交叉的铅垂测线CD，在测线上每隔20～40cm设一测点，采用20～40cm的震—检距激发弹性波并测出每个测点的时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。在知道波速的情况下，计算出反射面的产状并确定他在在隧道掌子面前方的空间位置。计算辅助角α′＝sin^-1〔(BB′-AA′)/AB〕；α′比反射面的走向角α略大，反射面倾角γ在70°～90°和∠α在0°～30°的情况下，∠α≈∠α′。反射面倾角γ＝90°-β，计算辅助角β＝sin^-1〔(DD′-CC′)/CD)〕。线段AA_l≈AA′/cosβcosα′，线段BB_l≈BB′/cosβcosα′。

Description

一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法

技术领域

一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法。本发明涉及在隧道或其他地下工程掌子面上用弹性波反射类方法探查前方岩体中断层等反射面的测量和计算方法，属隧道或地下工程施工地质预报技术领域。

背景技术

在隧道或其他地下工程中探查掌子面前方地质体时确定其产状和空间位置是一个重要内容，目前所采用的多种弹性波反射类方法、探地雷达等，都为全面而准确地确定这些地质体的空间位置而努力，突破的一种途径是力图用三维空间布置采集测点来解决。但非三维空间布置的采集测点的数据采集方法则遇到了困难。TSP、HSP等方法在隧道边墙布置排列的弹性波反射类方法仅能粗略地给出反射体位置，无法作出空间定位和给出断层等的产状，因而无法准确确定地质体反射面的空间位置。

发明内容：

本发明的目的是提供一种隧道施工地质预报时确定地质体位置的方法，即采用弹性波反射类方法测量、计算出掌子面前方地质体的反射面的产状，并确定其空间位置的方法。对溶洞等物体确定其距掌子面最近点的距离和位置，没有产状问题，较为简单。而对于断层等面状反射面，需要确定其走向、倾向、倾角的产状，并根据他们确定其空间位置，比较复杂。其做法是：

在掌子面上设定一条水平测线AB和一条与其相交叉的铅垂向测线CD，在测线上以20～40cm的距离设置测点。以20～40cm的震—检距激发弹性波并测出每个测点反射波的时间曲线，然后将一条测线上各点的时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。在知道波速的情况下，计算出地质体反射面的产状(走向、倾向、倾角)并确定它在隧道掌子面前方的空间位置。

结合附图来说明计算方法。

附图说明：

图1为在隧道掌子面上布置一条水平测线和一条铅垂向的测线示意图。

图中M—隧道掌子面；AB—水平测线；CD—铅垂向测线；

1、2…14—水平向测线AB上的测点号；

Ⅰ、Ⅱ…Ⅶ—铅垂向测线CD上的测点号；

图2为测线、射线及计算辅助线示意图。

图中M—隧道掌子面；AB—水平测线；CD—铅垂向测线；

N—反射面(断层面)；

AA′⊥N、AA′为A点的入射波射线，A′为反射点；

BB′⊥N、BB′为B点的入射波射线，B′为反射点；

CC′⊥N、CC′为C点的入射波射线，C′为反射点；

DD′⊥N、DD′为D点的入射波射线，D′为反射点；

AA_lB_lB面为通过测线AB的水平面，垂直掌子面M，与反射面N交于A_lB_l线；

A_l为通过测线AB的水平面上A点到反射面N并垂直掌子面的线AA_l与N面的交点；

B_l为通过测线AB的水平面上B点到反射面N并垂直掌子面的线BB_l与N面的交点；

CC′D′D面⊥M面并通过铅垂向测线CD，与面N交于线C′D′；

AA_l⊥M面；

BB_l⊥M面；

A_p点是通过A′点并与测线AB平行的线A′A_p与BB′线的交点；

B_p点是通过A_l点并与测线AB平行的线A_lB_p与BB_l线的交点；

D″是在DD′上、∠D′C′D″(∠β)的一边与线DD′的交点，C′D″⊥DD′；

面BB′B″⊥N面并与A_lB_l交于B″点；

BB″为面BB′B″和通过AB的水平面(AA_lB_lB面)与N面的交线；

A点的入射波射线AA′＝V×T_AA′/2，

B点的入射波射线BB′＝V×T_BB′/2，

C点的入射波射线CC′＝V×T_CC′/2，

D点的入射波射线DD′＝V×T_DD′/2；

式中：V—波速，

T_AA′—测点A到反射面的反射时间，

T_BB′—测点B到反射面的反射时间，

T_CC′—测点C到反射面的反射时间，

T_DD′—测点D到反射面的反射时间。

$A_l{B}_p\underset{=}{//}\mathrm{AB}\underset{=}{//}{A}^{\′}{A}_p;$

∠B′A′A_p＝α′，为平面ABB′A′上的一个角，为计算辅助角；

∠B_lA_lB_p＝α，为反射面N的走向角；

C′D″⊥DD′；

∠D′C′D″＝β；β为C′D′与C′D″线的夹角；

γ＝90°-β，为反射面N的倾角；

由于

面，

sinβ＝(DD′-CC′)/C′D″；

β＝sin^-1[(DD′-CC′)/C′D″]；

由于

以及A′A∥BB′，

所以sinα′＝(BB′-AA′)/A′A_p＝(BB′-AA′)/AB，

α′＝sin^-1[(BB′-AA′)/AB]；

sinα＝B_lB_p/A_lB_l，

α＝sin^-1(B_lB_p/A_lB_l)；

由于面A′B′A_p与面AA_lB_lB不平行(相互夹角β)，

所以∠α′＞∠α，

在工程实践中，当∠β在0°～20°和∠α在0°～30°的情况下，在计算反射面产状时可以接受∠α≈∠α′；

由于面BB′B″⊥面N∥面CC′D′D，

B′B″为面BB′B″和N面的交线，

所以B′B″＝BB′/cosβ；

而面BB′B″与线BB_l夹角为α，

即∠B_lBB″＝α，

又由于BB_p⊥A_lB_p(∠α的一条边)，

所以BB″也要垂直∠α的另一条边，

即BB″⊥A_lB_l；

sinα′＝(BB′-AA′)/AB，

α′＝sin^-1[(BB′-AA′)/AB]，

所以BB_l＝BB″/cosα

       ≈BB″/cosα′；

结论：α′＝sin^-1[(BB′-AA′)/AB]，

①反射面走向角∠α≈∠α′；

②β＝sin^-1[(DD′-CC′)/CD]，

反射面倾角γ＝90°-β；

③BB″＝BB′/cosβ，

BB_l≈BB′/cosβcosα′；

④AA_l≈AA′/cosβcosα′；

⑤若DD′＞CC′，则β＞0，反射面倾向开挖方向，

若DD′＜CC′，则β＜0，反射面倾向反开挖方向。

计算完成。

这是通过在一定误差范围内的简化得出的。其条件是反射面倾角在70°～90°间，倾角小于70°则误差加大，此计算方法经过对超过100条断层的计算，在隧道开挖后实际丈量，误差在可容许范围内。

结合附图，本发明举例如下：

已知：波速V＝3900m/s

A点到N面的反射时间T_AA′＝21.2ms；

B点到N面的反射时间T_BB′＝22.1ms；

C点到N面的反射时间T_CC′＝22.6ms；

D点到N面的反射时间T_DD′＝22.8ms；

AB＝11.4m；

CD＝2.1m；

AA′＝V×T_AA′＝41.3m；

BB′＝V×T_BB′＝43.1m；

CC′＝V×T_CC′＝44.1m；

DD′＝V×T_DD′＝44.5m；

得到反射面走向角α′＝sin^-1[(BB′-AA′)/AB]

                    ＝sin^-1[(43.1m-41.3m)/11.4m]＝8°；

β＝sin^-1[(DD′-CC′)/CD]，

  ＝sin^-1[(44.5m-44.1m)/2.1m]＝11.2°；

反射面倾角γ＝90°-β＝78°；

AA_l≈AA′/cosβcosα′

   ＝43.1m/cos11.2°cos8°＝42.6m；

BB_l≈BB′/cosβcosα′

   ＝41.3m/cos11.2°cos8°＝44.5m；

在计算出地质体反射面的走向角和倾角、倾向就得到了地质体反射面的产状；计算出AA_l和BB_l后，即可得到地质体反射面与通过AB的水平面的交线的位置。从而确定反射面的空间位置。

若反射面不一定是平面，可计算AB测线上4～10个测点的AA_l和BB_l长度来确定地质体反射面与通过AB线的水平面的交线。

Claims (1)

1.一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法，是在掌子面上设定一条水平测线AB和一条与其交叉的铅垂向测线CD，在测线上每隔20～40cm设一测点，采用20～40cm的震-检距激震和接收弹性波测出每个测点的时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间T；在已知波速V的情况下，计算出反射面的走向、倾角和倾向，并确定它在隧道中的空间位置，其特征在于，计算掌子面前方地质体的产状按下列步骤进行：

第一步，在掌子面M上的水平测线AB和铅垂测线CD的基础上与反射面N之间建立计算模型图，标示出测线、射线、计算辅助线及反射面N的走向角α、倾角γ、辅助计算角α和β的相对位置，线AA′为A点的入射波射线，点A′为反射点；线BB′为B点的入射波射线，点B′为反射点；线CC′为C点的入射波射线，点C′为反射点；线DD′为D点的入射波射线，点D′为反射点；面

为通过测线AB的水平面，垂直于掌子面M，与反射面N交于

线；面CC′D′D为通过铅垂测线CD的垂直面，垂直于掌子面M，与反射面N交于C′D′线；点Ap是通过点A′并与测线AB平行的线A′Ap与线BB′的交点；点Bp是通过点

并与测线AB平行的线

与线BB′的交点；点D″是角D′C′D″的一边C′D″与线DD′的交点，C′D″垂直于DD″；点B″是面BB′B″垂直于反射面N的线BB″与线

的交点；线BB″是面BB′B″和面

在反射面N上的交线；

第二步，根据L＝V·T/2的数学公式分别计算出各测点至反射面的距离，式中：L-两点间距，V-波速，t-测点到反射面的反射时间；

A点的入射波射线长度AA′＝V·T_AA/2，

B点的入射波射线长度BB′＝V·T_BB′/2，

C点的入射波射线长度CC′＝V·T_CC′/2，

D点的入射波射线长度DD′＝V·T_DD′/2，

第三步，反射面的走向角α、倾角γ的计算：

①反射面的走向角α的计算

∠B′A′Ap＝α′是平面AA′B′B上的一个计算辅助角，

是反射面N的走向角，

由于

以及A′A//B′B，

所以sinα′＝(BB′-AA′)/A′Ap＝(BB′-AA′)/AB

α′＝sin^-1((BB′-AA′)/AB)

由于面A′B′Ap与面

不平行，有一相互夹角β，

所以∠α′＞∠α；

②反射面N的倾角γ的计算

γ＝90°-β

β＝∠D′D′D″，是C′C′线与C′D″线的夹角，

由于

面

所以sinβ＝((DD′-CC′)/C′D″；

又由于C′D″＝CD，

所以β＝sin^-1[(DD′-CC′)/CD]

在工程实践中，当∠β在0°～20°和∠α在0°～30°的情况下，计算反射面产状时，可以接受∠α≈∠α′

第四步，反射面N倾向的判断

由于β＝sin^-1[(DD′-CC′)/CD]

所以若DD′＞CC′，则β＞0，反射面倾向开挖方向，

若DD′＜CC′，则β＜0，反射面倾向反开挖方向；

根据与反射面的走向角α、倾角γ和倾向即可确定反射面的空间位置；

若反射面不一定是平面，可计算测线AB上4～10个测点的

和

长度来确定地质体反射面与通过测线AB的水平面的交线，按照上述方法和步骤进行计算，判定地质体反射面的产状和空间位置。

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