CN115758686A - 一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，属于地质技术方法领域，包括如下步骤：收集活动断裂区域资料；采用多源卫星遥感确定需调绘区域；采用无人机倾斜摄影形成调绘地质图件；采用航空物体制备物理场图件；确定工程水文条件；确定地震事件的地震动时程记录；构建隧道与所述活动断裂区域交汇模型，采用非连续变形方法模拟分析隧道围岩状态，以评估围岩状态。本发明提供了一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，能够适应大范围的活动断裂地区的准确监测，受到地形影响较小，现场作业危险系数低，并且能够尽可能的减少人工勘探，显著调高工工作效率，实现对活动断裂对隧道围岩稳定性影响的准确评估。

Description

一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法

技术领域

本发明属于地质技术方法领域，具体涉及一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法。

背景技术

活动断裂是指全新世纪以来一直在活动，现在正在活动，未来一定时期内仍会发生活动的断裂。活动断裂与现代构造活动是相连一体的，它是现代构造活动的一部分，与现代地球动力作用、地震活动和地质灾害紧密相关。

随着国家交通建设的深入发展，在地质条件复杂、活动断裂发育地区开展铁路工程建设的需求逐渐增多，按现行的相关标准、规范及规程的有关要求，当铁路工程线路难以绕避活动断裂带时，通常以大角度、短距离相交，并基于传统地面勘察手段对受活动断裂影响的隧道围岩进行稳定性评价。但在新构造运动活跃的地区，地震频发，场区地形地质条件、活动断裂的空间展布及活动特性相对复杂。当选线区间受限，只能同活动断裂长距离平行、小角度相交时，目前人工调绘、地面物探、钻探为主的传统地面勘察技术受场地地形限制大，效率低，现场作业危险系数高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，能够适应大范围的活动断裂地区的准确监测，受到地形影响较小，现场作业危险系数低，并且能够尽可能的减少人工勘探，显著调高工工作效率，实现对活动断裂对隧道围岩稳定性影响的准确评估。

为实现上述目的，本发明提供一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，

S1、收集活动断裂区域资料，所述活动断裂区域资料包括区域历史地震动记录资料；

S2、采用多源卫星遥感解译所述活动断裂区域以获得遥感信息，并根据所述遥感信息核实所述活动断裂区域资料，以确定需调绘区域。

S3、采用无人机倾斜摄影采集需调绘区域内的图像信息，根据所述图像信息解译调绘以形成调绘地质图件；

S4、采用航空物体和/或地面物探采集所述活动断裂区域的地球物理场数据，并根据该地球物理场数据制备物理场图件；

S5、根据步骤S1～S4得到的所述活动断裂区域资料、所述调绘地质图件和所述物理图件确定所述活动断裂区域的工程与水文地质条件和重大地质特征点，并对所述重大地质特征点进行钻探验证作业，以补充所述工程与水文条件；

S6、分析步骤S1～S5所得到的所述活动断裂区域资料、所述调绘地质图件、所述物理图件和所述工程与水文地质条件分析确定所述活动断裂区域的区域地质条件、空间展布、活动性；

S7、根据所述区域地质条件、空间展布、活动性和区域历史地震动记录资料通过地震动模拟技术合成所述活动断裂区域中各个地震事件的地震动时程记录；

S8、构建隧道与所述活动断裂区域交汇模型，采用非连续变形方法模拟分析隧道围岩在不同作用工况下所述隧道围岩的地震响应及其损伤演化规律，评估所述活动断裂区域对所述隧道围岩的影响。

作为本发明的进一步优选，所述活动断裂区域资料还包括区域地质资料。

作为本发明的进一步优选，在步骤S2中，所述多源卫星遥感为采用卫星搭载的光学传感器、热红外传感器、微波传感器观测所述活动断裂区域，获取所述活动断裂区域的多源遥感影像数据。

作为本发明的进一步优选，步骤S3包括如下步骤：

S31、采用无人机倾斜摄影采集所述调绘区域内的图像信息；

S32、根据所述图像信息建立实景三维模型；

S33、将所述实景三维模型与遥感信息相结合，在实景三维模型上进行虚拟描绘，并确定需人工调绘核实的特征点；

S34、人工现场调绘核实特征点，形成调绘地质图件。

作为本发明的进一步优选，所述航空物探为采用航空瞬变电磁法和/或航空大地电磁法获取所述活动断裂区域的三维反演成果，确定所述活动断裂区域的物理场数据。

作为本发明的进一步优选，所述钻探验证作业包括如下步骤：

S51、在所述重大地质特征点位置布孔；

S52、实际钻探，获取岩芯及其相关参数；

S53、开展孔内测试，获取孔内地质数据；

S54、对所述岩芯进行试验，获取岩芯参数。

作为本发明的进一步优选，所述地震动模拟技术为采用直接法，包括如下步骤：

S711、当频率相同，假定一点等于规定的速度反应谱，并通过计算其加速度反应谱与目标谱进行比较；

S712、通过对拟合精度不满足要求的其他点进行校正并进行迭代计算；

S713、当计算反应谱和目标反应谱拟合的精度满足要求时完成对加速度的合成。

作为本发明的进一步优选，所述地震动模拟技术为采用间接法，包括如下步骤：

S721、反应谱计算得到相应的功率谱密度函数；

S722、由傅里叶幅值谱与功率谱间的近似关系得到幅值谱与对应频率的分布情况计算得到加速度；

S722、通过计算该加速度的反应谱与目标谱之间的差异，按两者之间的差异对幅值谱进行迭代校正，使计算反应谱能够拟合目标反应谱并且达到精度要求。

作为本发明的进一步优选，步骤S8中，所述非连续变形方法模拟分析包括如下步骤：

S81、根据所述活动断裂区域空间展布与隧道交汇关系建立模型；

S82、计算单元网格划分；

S83、模型物理参数输入；

S84、边界条件与地震动频谱输入；

S85、加载计算；

S81、对计算结果进行后处理。

作为本发明的进一步优选，所述加载计算包括如下步骤：

S851、在所述模型周围添加加载块，并在所述加载块上施加相应大小的荷载形成挤压应力；

S852、在部分所述加载块上施加的载荷对称分布；

S853、在上下载荷加载块上施加对称的强制位移点，以实现加载块的单向位移；

S854、将上下载荷加载块粘聚力设为极大，带动该上下载荷加载块周围的块体同步运动；

S855、将所述活动断裂的预测错断距离加至位移点上，进行模拟计算。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

(1)本发明的一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，通过采用多源卫星遥感解译活动断裂区域，以确定需测绘区域；并通过无人机倾斜摄影、航空物体和/或地面物探、钻探验证作业进一步确定活动断裂区域中的地质勘测，受到地形影响较小，现场作业危险系数低，并且能够尽可能的减少人工勘探，显著调高工工作效率，并通过构建隧道与活动断裂区域交汇模型，采用非连续变形方法模拟分析隧道围岩在不同作用工况下所述隧道围岩的地震响应及其损伤演化规律，实现对活动断裂对隧道围岩稳定性影响的准确评估。

(2)本发明的一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，通过现代综合勘察手段获得的地震动模拟基础数据更加精确而多样，模拟结果更加接近实际；并通过建立多种工况高精度数值模型，在精确地震动时程记录的条件下模拟隧道围岩的地震动响应及其损伤演化规律，评估活动断裂对隧道围岩稳定性影响。

(3)本发明的一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，勘测准确，适用范围广，通过采用将传统地面勘察手段、多源卫星遥感、航空物探、无人机测绘等新技术的综合结合，按照由面到点逐步深入的勘察流程，更有针对性的查清活动断裂的区域地质条件、空间展布、活动性特征，相比于传统勘察手段，提高了工作效率，受地形限制小，降低了现场作业危险系数，加强了勘察针对性，具有优良的经济效益和推广价值。

附图说明

图1是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法的流程图；

图2是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法步骤S3的流程图；

图3是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法步骤S5中的钻探验证作业流程图；

图4是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法步骤S7中地震动模拟直接法的流程图；

图5是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法中变量为加速度和时间的地震动时程记录；

图6是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法中变量为加速度和频率的地震动时程记录；

图7是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法步骤S7中地震动模拟直接法的流程图；

图8是本发明中一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法步骤S8中非连续变形方法模拟分析的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

如图1～8中所示，本申请优选实施例中的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，能够适应大范围的活动断裂地区的准确监测，受到地形影响较小，现场作业危险系数低，并且能够尽可能的减少人工勘探，显著调高工工作效率，实现对活动断裂对隧道围岩稳定性影响的准确评估。

具体而言，如图1中所示，近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法包括如下步骤：

S1、收集活动断裂区域资料，活动断裂区域资料包括区域历史地震动记录资料；

S2、采用多源卫星遥感解译活动断裂区域以获得遥感信息，并根据遥感信息核实活动断裂区域资料，以确定需调绘区域。

S3、采用无人机倾斜摄影采集需调绘区域内的图像信息，根据图像信息解译调绘以形成调绘地质图件；

S4、采用航空物体和/或地面物探采集活动断裂区域的地球物理场数据，并根据该地球物理场数据制备物理场图件；

S5、根据步骤S1～S4得到的活动断裂区域资料、调绘地质图件和物理图件确定活动断裂区域的工程与水文地质条件和重大地质特征点，并对重大地质特征点进行钻探验证作业，以补充工程与水文条件。

S6、分析步骤S1～S5所得到的活动断裂区域资料、调绘地质图件、物理图件和工程与水文地质条件分析确定活动断裂区域的区域地质条件、空间展布、活动性；

S7、根据区域地质条件、空间展布、活动性和区域历史地震动记录资料通过地震动模拟技术合成活动断裂区域中各个地震事件的地震动时程记录；

S8、构建隧道与活动断裂区域交汇模型，采用非连续变形方法模拟分析隧道围岩在不同作用工况下隧道围岩的地震响应及其损伤演化规律，评估活动断裂区域对隧道围岩的影响。

进一步地，在本申请优选实施例中，该活动断裂区域质量包括区域历史地震动记录资料和区域地质资料；其中，区域地质资料包括区域地质图、区域地质报告(说明)；区域历史地动记录资料包括区域历史地震震源地理位置、震级、地震动加速度等。优选地，通过对区域地质资料和区域历史地震动记录资料的初步梳理分析得到活动断裂区域的基本工程地质概况。

进一步地，在本申请优选实施例中，在步骤S2中的多源卫星遥感为采用采用卫星搭载的光学传感器、热红外传感器、微波传感器观测活动断裂区域，获取活动断裂区域的多源遥感影像数据。优选地，多源遥感影像数据所提供的信息更加多样、充分，不同源的遥感数据可以相互互补、验证，宏观地质判识和解译更加精确，高精度影像可以较为精确解译地表不良地质发育，高光谱、多光谱可以实现岩性定量识别，热红外可以解译地表温度分布，DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)及InSAR数据解译出地壳运动趋势及位移量。多源遥感与区域资料对比验证，并指导后续的调绘工作。

进一步优选地，如图2中所示，在本申请优选实施例中，步骤S3包括如下步骤：

S31、采用无人机倾斜摄影采集调绘区域内的图像信息；

S32、根据图像信息建立实景三维模型；

优选地，根据影像记录的景深、飞行高度、地理坐标信息利用PHOTOSCAN软件进行实景三维建模。

S33、将实景三维模型与遥感信息相结合，在实景三维模型上进行虚拟描绘，并确定需人工调绘核实的特征点；

S34、人工现场调绘核实特征点，形成调绘地质图件。

更细节地，在本申请一个优选实施例中，步骤S4中的航空物探采用航空瞬变电磁法和/或航空大地电磁法获取活动断裂区域的三维反演成果，确定活动断裂区域的物理场数据。以通过不同物性参数、空间分布关系等角度分析区域活动断裂的地层、岩性、展布及接触关系。

进一步地，如图3中所示，在本申请一个优选实施例中，步骤S5中的钻探验证作业包括如下步骤：

S51、在重大地质特征点位置布孔；

S52、实际钻探，获取岩芯及其相关参数；

S53、开展孔内测试，获取孔内地质数据；

优选地，该孔内地质数据包括电阻率、地应力、渗透系数、剪切波速；

S54、对岩芯进行试验，获取岩芯参数。

优选地，该岩芯参数包括粘聚力(c)、内摩擦角(ψ)、密度、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、压缩模量。

进一步优选地，如图4、5和6中所示，在本申请优选实施例中，在步骤S7中，地震动模拟技术为采用直接法，该直接法包括如下步骤：

S711、当频率相同，假定一点等于规定的速度反应谱，并通过计算其加速度反应谱与目标谱进行比较；

S712、通过对拟合精度不满足要求的其他点进行校正并进行迭代计算；

S713、当计算反应谱和目标反应谱拟合的精度满足要求时完成对加速度的合成。

当然，如图7中所示，在本申请优选实施例中，在步骤S7中，地震动模拟技术为采用间接法，该间接法包括如下步骤：

S721、采用反应谱计算得到相应的功率谱密度函数；

S722、由傅里叶幅值谱与功率谱间的近似关系得到幅值谱与对应频率的分布情况计算得到加速度；

S722、通过计算该加速度的反应谱与目标谱之间的差异，按两者之间的差异对幅值谱进行迭代校正，直至计算反应谱能够拟合目标反应谱并且达到精度要求。

进一步地，如图8中所示，在本申请一个优选实施例中，在步骤S8中，非连续变形方法模拟分析包括如下步骤：

S81、根据活动断裂区域空间展布与隧道交汇关系建立模型；

S82、计算单元网格划分；

S83、模型物理参数输入；优选地，模型物理参数包括粘聚力、内摩擦角、密度、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、压缩模量。

S84、边界条件与地震动频谱输入；

S85、加载计算；

S86、对计算结果进行后处理。

进一步优选地，步骤S85还包括如下步骤：

S851、在模型周围添加加载块，并在加载块上施加相应大小的荷载形成挤压应力；优选地，荷载大小为水平应力与对应模型边长的乘积。

S852、在部分加载块上施加的载荷对称分布；优选地，为保证荷载加载块平衡，在较大荷载加载块上施加的荷载分布在两个对称点上，因此施加荷载为上述乘积值的一半。

S853、在上下载荷加载块上施加对称的强制位移点，以实现加载块的单向位移；优选地，下部荷载加载块保持不动，因此两个位移点在两个方向的位移距离都设置为0，成为固定点。上部荷载加载块施加x方向上的位移，y向位移为0，达到单向位移的效果。

S854、将上下载荷加载块粘聚力设为极大，带动该上下载荷加载块周围的块体同步运动；在该步骤中，为模拟活动断裂带蠕滑，达到断裂带两侧块体错动的效果，上部荷载加载块将带动所接触的块体一起向x向移动。因此，将上下荷载加载块的粘聚力设为极大，带动所接触的块体一起移动。

S855、将活动断裂的预测错断距离加至位移点上，进行模拟计算。

本发明中的一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，勘测准确，适用范围广，通过采用将传统地面勘察手段、多源卫星遥感、航空物探、无人机测绘等新技术的综合结合，按照由面到点逐步深入的勘察流程，更有针对性的查清活动断裂的区域地质条件、空间展布、活动性特征，相比于传统勘察手段，提高了工作效率，受地形限制小，降低了现场作业危险系数，加强了勘察针对性，具有优良的经济效益和推广价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其特征在于，

S1、收集活动断裂区域资料，所述活动断裂区域资料包括区域历史地震动记录资料；

S2、采用多源卫星遥感解译所述活动断裂区域以获得遥感信息，并根据所述遥感信息核实所述活动断裂区域资料，以确定需调绘区域。

S3、采用无人机倾斜摄影采集需调绘区域内的图像信息，根据所述图像信息解译调绘以形成调绘地质图件；

S4、采用航空物体和/或地面物探采集所述活动断裂区域的地球物理场数据，并根据该地球物理场数据制备物理场图件；

S5、根据步骤S1～S4得到的所述活动断裂区域资料、所述调绘地质图件和所述物理图件确定所述活动断裂区域的工程与水文地质条件和重大地质特征点，并对所述重大地质特征点进行钻探验证作业，以补充所述工程与水文条件；

S6、分析步骤S1～S5所得到的所述活动断裂区域资料、所述调绘地质图件、所述物理图件和所述工程与水文地质条件分析确定所述活动断裂区域的区域地质条件、空间展布、活动性；

S7、根据所述区域地质条件、空间展布、活动性和区域历史地震动记录资料通过地震动模拟技术合成所述活动断裂区域中各个地震事件的地震动时程记录；

S8、构建隧道与所述活动断裂区域交汇模型，采用非连续变形方法模拟分析隧道围岩在不同作用工况下所述隧道围岩的地震响应及其损伤演化规律，评估所述活动断裂区域对所述隧道围岩的影响。

2.根据权利要求1所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，所述活动断裂区域资料还包括区域地质资料。

3.根据权利要求1所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，在步骤S2中，所述多源卫星遥感为采用卫星搭载的光学传感器、热红外传感器、微波传感器观测所述活动断裂区域，获取所述活动断裂区域的多源遥感影像数据。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，步骤S3包括如下步骤：

S31、采用无人机倾斜摄影采集所述调绘区域内的图像信息；

S32、根据所述图像信息建立实景三维模型；

S33、将所述实景三维模型与遥感信息相结合，在实景三维模型上进行虚拟描绘，并确定需人工调绘核实的特征点；

S34、人工现场调绘核实特征点，形成调绘地质图件。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，所述航空物探为采用航空瞬变电磁法和/或航空大地电磁法获取所述活动断裂区域的三维反演成果，确定所述活动断裂区域的物理场数据。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，所述钻探验证作业包括如下步骤：

S51、在所述重大地质特征点位置布孔；

S52、实际钻探，获取岩芯及其相关参数；

S53、开展孔内测试，获取孔内地质数据；

S54、对所述岩芯进行试验，获取岩芯参数。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，所述地震动模拟技术为采用直接法，包括如下步骤：

S711、当频率相同，假定一点等于规定的速度反应谱，并通过计算其加速度反应谱与目标谱进行比较；

S712、通过对拟合精度不满足要求的其他点进行校正并进行迭代计算；

S713、当计算反应谱和目标反应谱拟合的精度满足要求时完成对加速度的合成。

8.根据权利要求1～3中任一项所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，所述地震动模拟技术为采用间接法，包括如下步骤：

S721、反应谱计算得到相应的功率谱密度函数；

S722、由傅里叶幅值谱与功率谱间的近似关系得到幅值谱与对应频率的分布情况计算得到加速度；

S722、通过计算该加速度的反应谱与目标谱之间的差异，按两者之间的差异对幅值谱进行迭代校正，使计算反应谱能够拟合目标反应谱并且达到精度要求。

9.根据权利要求1～3中任一项所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，步骤S8中，所述非连续变形方法模拟分析包括如下步骤：

S81、根据所述活动断裂区域空间展布与隧道交汇关系建立模型；

S82、计算单元网格划分；

S83、模型物理参数输入；

S84、边界条件与地震动频谱输入；

S85、加载计算；

S81、对计算结果进行后处理。

10.根据权利要求9所述的近场活动断裂对隧道围岩影响评估方法，其中，所述加载计算包括如下步骤：

S851、在所述模型周围添加加载块，并在所述加载块上施加相应大小的荷载形成挤压应力；

S852、在部分所述加载块上施加的载荷对称分布；

S853、在上下载荷加载块上施加对称的强制位移点，以实现加载块的单向位移；

S854、将上下载荷加载块粘聚力设为极大，带动该上下载荷加载块周围的块体同步运动；

S855、将所述活动断裂的预测错断距离加至位移点上，进行模拟计算。

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