CN108104822B - 一种隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，包括以下步骤：S1在隧道开挖之前，利用激光扫描仪对大型岩溶空洞进行三维扫描，利用罗盘量测围岩岩层与构造面产状，得到围岩裂隙、构造发育和分布情况；S2在隧道开挖过程中，采集大型岩溶空洞周围的震源信息；S3根据岩石破裂震源信息，确定对应的微震事件信息以及地震波传输速度；S4修正、校准微震事件信息；S5判断围岩损伤情况，实时预测隧道穿越大型岩溶空洞施工引发的地质灾害。本发明结合地质测绘分析与微震监测技术，对爆破等施工因素产生的大型岩溶空洞围岩损伤情况进行实时监测，对可能危及施工安全的掉块、坍塌等地质灾害实时预测，保证施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害预报技术领域，具体地，涉及一种隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法。
背景技术
近些年，随着我国基础设施的大规模兴建，出现了大量设计在岩溶区的公路、铁路工程。由于综合选线因素的限制，使得许多线路无法绕避岩溶发育的高大山区，致使出现了许多隧道工程不得不穿越大型岩溶空洞(含溶洞和暗河等大型岩溶空洞)的工况。
根据岩溶发育理论，溶洞、暗河等大型岩溶构造，均是在地质历史上，以先期大型断裂构造为基础，经亿万年溶蚀而成。换言之，溶洞或暗河多是在大型构造交切部位，其洞壁岩石均是经历挤压、拉伸或剪切等多种构造破坏，并经流水溶蚀，在地壳内外应力的综合作用下，达成相对的平衡稳定状态。而隧道施工穿越大型岩溶空洞，一方面打破了溶洞围岩的力学平衡，另一方面改变了溶洞内部的小气候，加速了溶洞围岩的劣化。而爆破等施工会活化既有节理或裂隙带，产生掉块或坍塌灾害，对施工人员的生命安全造成严重威胁。因此，隧道穿越大型岩溶空洞施工易引起裂隙活化、围岩损伤等缺陷，现有地质预报方法，通常以物探仪器进行超前预测，且未考虑施工因素可能引起的掉块、坍塌等地质灾害。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，基于地质测绘分析与微震监测技术，对因爆破等施工行为产生的溶洞洞壁围岩损伤情况进行实时监测，对可能危及施工安全的掉块、坍塌等地质灾害实施预测预警。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，包括以下步骤：
S1在隧道开挖之前，利用激光扫描仪对隧道穿越的大型岩溶空洞进行三维扫描，建立三维空间模型，明确大型岩溶空洞与隧道的相对位置，利用罗盘量测大型岩溶空洞的围岩岩层与构造面产状，分析所述大型岩溶空洞的地质构造信息，得到所述大型岩溶空洞的围岩裂隙、构造发育与分布情况；
S2在隧道开挖过程中，在所述大型岩溶空洞的地表周围和隧道洞内分别设置多个传感器，采集所述大型岩溶空洞周围的岩石破裂震源信息和隧道洞内的辅助震源信息；
S3根据所述岩石破裂震源信息，确定对应的微震事件信息以及所述微震事件信息对应的地震波传输速度；
S4根据不同方位、不同强度的所述辅助震源信息，结合所述大型岩溶空洞的围岩裂隙和构造发育情况，得到地层优化的速度模型，用于修正、校准所述步骤S3中的地震波传输速度，进而修正、校准所述微震事件信息；
S5对所述微震事件信息进行聚类分析，将岩石裂隙随时间和空间的开展趋势在三维坐标系中显示，并与隧道施工行为进行关联分析，判断所述大型岩溶空洞的岩体裂隙活化和围岩损伤情况，从而实时预测隧道穿越大型岩溶空洞施工引发的地质灾害。
优选地，所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法还包括步骤S6：根据所述步骤S3中得到的所述地震波传输速度，对所述大型岩溶空洞围岩的波速场进行双差成像处理，通过双差成像的结果间接反映岩体内部应力分布状态和围岩损伤情况，结合所述大型岩溶空洞的构造发育情况，验证所述步骤S5对地质灾害的预测结果。
优选地，步骤S2中，以所述大型岩溶空洞的中心为圆心，在半径为200米的范围之内的地表均匀设置多个传感器。
优选地，步骤S2中，在隧道洞内，根据大型岩溶空洞与隧道的相对空间位置，将所述多个传感器设置在隧道洞壁或仰拱位置。
优选地，所述传感器的间距为20米。
优选地，所述步骤S3中，以接收到岩体破裂震源信息的传感器为球心，以相应传感器定位的微震事件的位置为半径作球体，多个球体的交接处即是实际对应的微震事件的位置。
优选地，所述辅助震源信息包括：爆破震源产生的地震波信息、运输车辆震源产生的地震波信息以及隧道钻孔震源产生的地震波信息中的一种或多种。
优选地，步骤S1中，所述大型岩溶空洞的地质构造信息包括所述大型岩溶空洞的空间分布特点、地层、构造条件、成因和构造背景中的一种或多种。
优选地，所述步骤S2中，所述传感器采集震源信息并根据震源信息的时频特征，分离出所述岩石破裂震源信息和所述辅助震源信息。
优选地，所述微震事件信息包括微震事件的位置、时间和能量中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过联合使用地质测绘分析和微震监测技术，在隧道开挖之前，通过获取大型岩溶空洞的地质构造信息得到大型岩溶空洞的围岩裂隙、构造发育与分布情况，在隧道开挖过程中，利用微震监测技术对大型岩溶空洞周围的围岩损伤进行实时监测。通过采集隧道施工引发的辅助震源信息，对岩体破裂震源信息进行修正和校准，以准确定位岩体破裂的位置，对因爆破等施工因素产生的围岩损伤进行准确评价，为可能危及施工安全的坍塌、掉块等地质灾害进行实时预警，从而对地质灾害超前预报以保证施工安全。
附图说明
图1是本发明所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法流程示意图；
图2为本发明中所述传感器布置俯视示意图；
图3为本发明中所述传感器布置侧视示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1-图3来详细说明本实施例。
图1是本发明所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法流程示意图，如图1所示，本发明所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法包括以下步骤：
S1在隧道开挖之前，利用激光扫描仪对隧道穿越的大型岩溶空洞进行三维扫描，建立三维空间模型，明确大型岩溶空洞与隧道的相对空间位置，利用罗盘量测大型岩溶空洞的围岩岩层与构造面产状，分析大型岩溶空洞的地质构造信息，得到大型岩溶空洞的围岩裂隙、构造发育与分布情况，其中，大型岩溶空洞包括岩溶空洞和暗河等；
S2在隧道开挖过程中，在大型岩溶空洞的地表周围和隧道洞内分别设置多个传感器，采集大型岩溶空洞周围的岩石破裂震源信息和隧道洞内的辅助震源信息；
S3根据岩石破裂震源信息，确定对应的微震事件信息以及所述微震事件信息对应的地震波传输速度；
S4根据不同方位、不同强度的辅助震源信息，结合大型岩溶空洞的围岩裂隙和构造发育情况，得到地层优化的速度模型，用于修正、校准上述步骤S3中的地震波传输速度，进而修正、校准微震事件信息；
S5对所述微震事件信息进行聚类分析，将岩石裂隙随时间和空间的开展趋势在三维坐标系中显示，并与隧道施工行为进行关联分析，判断大型岩溶空洞的岩体裂隙活化和围岩损伤情况，从而实时预测隧道穿越大型岩溶空洞施工引发的地质灾害。
本发明通过对大型岩溶空洞的地质分析和微震监测技术对隧道穿越大型岩溶空洞施工引发的地质灾害进行实时预测，将爆破等施工行为的因素考虑在内，对大型岩溶空洞的围岩损伤进行实时监测，利用辅助震源信息修正、校准微震事件信息，进而准确推断岩体裂隙活化和围岩破裂等情况，为可能危及施工安全的掉块、坍塌等地质灾害进行实时预测预警，保证施工安全。
优选地，步骤S1中，大型岩溶空洞的地质构造信息包括大型岩溶空洞的空间分布特点、地层、构造条件、成因和构造背景中的一种或多种。以溶洞为例，具体地，分析大型岩溶空洞的地质构造信息，主要包括：调查溶洞的空间分布特点、地层与构造条件，分析溶洞的成因与构造背景，从而了解溶洞的围岩裂隙、构造发育与分布情况等。
优选地，本发明所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，还包括步骤S6：对步骤S5的地质灾害预报结果进行验证。
具体地，根据上述步骤S3中得到的地震波传输速度，对大型岩溶空洞围岩的波速场进行双差成像处理，通过双差成像的结果间接反映岩体内部应力分布状态和围岩损伤情况，结合大型岩溶空洞的构造发育情况，从而验证上述步骤S5对地质灾害的预测结果。
根据波的传导特性，岩体内部破碎区域、应力较低区域的地震波的传输速度较低，反之，岩体完整性好、应力较集中区域的地震波的传输速度较高，因此，隧道岩体的波速场可以间接反映岩体内部应力分布状态和地质构造发育或围岩损伤情况，从而可以通过波速场双差成像结果，结合大型岩溶空洞的构造发育情况，验证地质灾害预报结果。
图2为本发明中所述传感器布置俯视示意图，图3为本发明中所述传感器布置侧视示意图，如图2和图3所示，以隧道穿越溶洞施工为例，在溶洞的地表周围和隧道洞内均设置多个传感器，图2和图3中的黑色方框均表示传感器。优选地，在溶洞的地表周围，以溶洞的中心为圆心，在半径为200米左右的范围之内均匀设置多个传感器。在隧道洞内，根据溶洞与隧道的相对空间位置，将传感器设置在隧道洞壁或仰拱位置。优选地，隧道洞内的传感器的间距为20米左右。图2和图3以隧道穿越溶洞为例，而实际上不限于此。
传感器采集隧道开挖过程中的震源信息，包括岩石破裂震源信息和辅助震源信息。优选地，传感器采集震源信息进行实时数据处理，并根据各种震源信息的时频特征，分离出岩石破裂震源信息和辅助震源信息。其中，辅助震源信息是隧道穿越大型岩溶空洞施工过程中，施工这一因素引发的地震波信息，包括爆破震源产生的地震波信息、运输车辆震源产生的地震波信息以及隧道钻孔震源产生的地震波信息中的一种或多种。
地震波在不同岩石中的传输速度不同，不同位置的传感器接收到同一震源引发的地震波信息的时间不同，所定位的震源位置不同。在大型岩溶空洞的地表周围和隧道洞内均设置有传感器，通过对传感器接收到的岩体破裂震源信息的处理，确定对应的微震事件的信息，其中岩体破裂事件称为微震事件，微震事件信息包括微震事件的位置、时间和能量中的一种或多种。具体地，多个传感器均接收到岩体破裂震源信息，通过GPS定位得到与传感器位置相应的微震事件的位置，以接收到岩体破裂震源信息的传感器为球心，以相应传感器定位的微震事件的位置为半径作球体，则多个球体的交接处即是实际对应的微震事件的位置。
步骤S4中，设置在不同位置的传感器均接收隧道洞内各种辅助震源信息，基于大型岩溶空洞围岩地层与构造发育等情况，对不同方位、不同强度的辅助震源信息进行处理，得到地层优化的速度模型。具体地，通过GPS定位可得到与传感器位置相应的震源位置，从而得到传感器与相应震源之间的距离，根据传感器接收到反射的地震波信息的时间，由距离除以时间得到地震波传输速度。对多个传感器接收到的辅助震源信息以相同方法处理，进而得到地层优化的速度模型。
对隧道穿越大型岩溶空洞施工进行地质灾害预报时，将爆破等施工因素考虑在内，通过上述速度模型对步骤S3中得到的微震事件对应的地震波传输速度进行修正、校准，由于已知传感器接收到地震波信息的时间，因此可通过修正后的地震波传输速度进一步修正、校准微震事件的位置，准确定位岩石裂隙活化或围岩破裂的位置。对微震事件群进行聚类分析，采用三维可视化的方法，显示岩石裂隙围绕大型岩溶空洞随时间与空间的开展趋势，并结合隧道施工行为，通过关联分析，推断断层活化和围岩破裂情况，进而预报隧道穿越大型岩溶空洞开挖可能导致的坍塌、掉块等地质灾害。
本发明所述隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，适用于隧道开挖穿越大型的岩溶空洞时的地质灾害预测，而不限于此。
以上所述仅为本发明优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1在隧道开挖之前，利用激光扫描仪对隧道穿越的大型岩溶空洞进行三维扫描，建立三维空间模型，明确大型岩溶空洞与隧道的相对空间位置，利用罗盘量测大型岩溶空洞的围岩岩层与构造面产状，分析所述大型岩溶空洞的地质构造信息，得到所述大型岩溶空洞围岩的裂隙、构造发育与分布情况；
S2在隧道开挖过程中，在所述大型岩溶空洞的地表周围和隧道洞内分别设置多个传感器，采集所述大型岩溶空洞周围的岩石破裂震源信息和隧道洞内的辅助震源信息；
S3根据所述岩石破裂震源信息，确定对应的微震事件信息以及所述微震事件信息对应的地震波传输速度；
S4根据不同方位、不同强度的所述辅助震源信息，结合所述大型岩溶空洞的围岩裂隙和构造发育情况，得到地层优化的速度模型，用于修正、校准所述步骤S3中的地震波传输速度，进而修正、校准所述微震事件信息；
S5对所述微震事件信息进行聚类分析，将岩石裂隙随时间和空间的开展趋势在三维坐标系中显示，并与隧道施工行为进行关联分析，判断所述大型岩溶空洞的岩体裂隙活化和围岩损伤情况，从而实时预测隧道穿越大型岩溶空洞施工引发的地质灾害。
2.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，还包括步骤S6：
根据所述步骤S3中得到的所述地震波传输速度，对所述大型岩溶空洞围岩的波速场进行双差成像处理，通过双差成像的结果间接反映岩体内部应力分布状态和围岩损伤情况，结合所述大型岩溶空洞的构造发育情况，验证所述步骤S5对地质灾害的预测结果。
3.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
步骤S2中，以所述大型岩溶空洞的中心为圆心，在半径为200米的范围之内的地表均匀设置多个传感器。
4.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
步骤S2中，在隧道洞内，根据大型岩溶空洞与隧道的相对空间位置，将所述多个传感器设置在隧道洞壁或仰拱位置。
5.根据权利要求4所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
所述传感器的间距为20米。
6.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
所述步骤S3中，以接收到岩体破裂震源信息的传感器为球心，以相应传感器定位的微震事件的位置为半径作球体，多个球体的交接处即是实际对应的微震事件的位置。
7.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
所述辅助震源信息包括：爆破震源产生的地震波信息、运输车辆震源产生的地震波信息以及隧道钻孔震源产生的地震波信息中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
步骤S1中，所述大型岩溶空洞的地质构造信息包括所述大型岩溶空洞的空间分布特点、地层、构造条件、成因和构造背景中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
所述步骤S2中，所述传感器采集震源信息并根据震源信息的时频特征，分离出所述岩石破裂震源信息和所述辅助震源信息。
10.根据权利要求1所述的隧道穿越大型岩溶空洞施工地质灾害实时预测方法，其特征在于，
所述微震事件信息包括微震事件的位置、时间和能量中的一种或多种。
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