CN116030207A - 一种岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质建模方法，包括对施工地段进行地表钻孔，获取水文地质信息；采用激光雷达扫描地表地貌三维点云数据，采用高密度电阻率法探测取隧道不良地质构造的三维位置；采用地质雷达三维成像等方法获取掌子面前方及周围不良地质、岩性变化带数据；采用超前水平钻孔孔内成像，获取岩层产状、节理面分布三维地质结构面信息；以及对探测数据进行融合，建立描述地质体的点模型、面模型、体模型以及参数模型，得到超前三维地质模型。本发明可显著地降低隧道施工安全风险，同时节约了经济建设成本。
Description
技术领域
本发明涉及施工地质预报技术领域，具体涉及一种岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质建模方法。
背景技术
公路隧道施工中，常常遇见突泥涌水、断层破碎带等不良地质体，实践表明许多重大事故往往是由于对岩体内部存在的离层、裂隙、破裂构造、软弱结构面等薄弱区域的分布位置和发育情况没有得到准确勘察而造成的。如果对地质结构了解不足，工程设计不能准确的提供设计方案，施工的安全风险剧增，尤其是在喀斯特地貌中施工时常常发生突泥涌水、塌方等灾害，对生命和财产造成巨大损失。因此，如何准确的掌握和描述隧道掌子面前方三维岩体内部结构，精准预报前方是否存在溶洞溶腔、断层破碎带和富水区等不良地质是隧道施工中亟需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质建模方法，能够快速有效地进行超前三维地质建模及不良地质预报，从而掌握施工掌子面前方三维地质信息，大大地降低施工的安全风险。
本发明的技术方案如下：
一种岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质建模方法，包括以下步骤：
隧道洞外数据的获取
对施工地段进行地表钻孔，获取水文地质信息；采用激光雷达扫描地表地貌三维点云数据，建立隧道地表三维地形图；采用高密度电阻率法探测取隧道不良地质构造的三维位置；
隧道洞内数据的获取
采用地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测对隧道洞内地质构造进行综合物探，获取掌子面前方及周围不良地质、岩性变化带数据；采用超前水平钻孔孔内成像，获取岩层产状、节理面分布三维地质结构面信息；
数据融合
将步骤【1】和【2】的探测数据进行融合，并依次建立施工地段地质体的点模型、面模型和体模型，进而构建出超前三维地质模型。
上述岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法中，步骤【3】的数据融合，包括以下步骤：
【3.1】将激光雷达、高密度电阻率法、地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测获取的数据以掌子面中心点的三维坐标为参照点，形成统一坐标下的地质点模型，并对地质点模型中的不同类别的点数据在不同图层下分别进行曲面拟合，最后得到一个整体的三维地质面模型；
【3.2】对三维地质面模型进行离散光滑插值，根据岩层露出线及岩层产状，获取包括地形面、全风化、强风化分界面在内的岩性分界面；
【3.3】以超前水平钻孔孔内成像获取的岩层产状、节理面分布三维地质结构面离散数据信息，对步骤【3.2】获取的三维地质面模型及地形面、全风化、强风化分界面参数进行校验修正，获取校验后的断层及岩性分界面信息，最终建立超前三维地质体模型。
上述岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法中，步骤【3.2】中岩性分界面的获取步骤为；根据平面图中岩层露出线，确定岩层露出线在空间中的坐标，以点集数据的形式存储到文本文件中，然后作为曲线对象导入GOCAD软件中，通过岩层产状获得岩性露出线的延伸向量，对岩性露出线进行空间中的延伸得到岩性分界面。
上述岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法中，校验修正的步骤是根据钻探孔内成像的节理裂缝识别模型的细部形态，并进行模型精度的调整。
上述岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法中，步骤【1】中地表钻孔获取水文地质信息的步骤包括：沿隧道选线进行地表钻孔取芯，获取钻孔孔内的地层地质参数和力学参数；测量出隧道所在地层的岩溶、岩层产状、岩性和节理分布围岩信息。
上述岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法中，超前水平钻孔距离为150m-200m，孔内成像角度为360°。
上述岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法中，超前水平钻孔成像获取的岩层产状、节理面分布三维地质结构面信息包括围岩岩层产状、节理发育面、节理厚度、溶腔发育区三维空间坐标信息。
本发明提供了一种洞外洞内数据结合、多源地质数据融合、智能岩层产状图像识别和基于卷积神经网络算法的岩溶隧道超前三维地质反演建模及预报方法，利用点集数据和坐标信息对多源地质探测数据进行了融合，建立了描述地质体的点模型、面模型、体模型以及参数模型，得到了一种内嵌多参数、多属性的超前三维地质模型，并基于超前水平钻孔并进行孔内成像的离散数据进行校验，最终获取了与实际相符的三维地质全方位数据，从而实现了地址参数的准确预报。
附图说明
图1是本发明的综合三维地质建模及预报流程示意图；
图2是本发明基于点集三维坐标的超前三维地质数据融合图；
图3是本发明模型中超前三维地质雷达探测获取三维成像数据示意图；
图4是本发明模型中数字化多要素隧道超前地质CT成像数据示意图；
图5是本发明模型中三维地质预报系统TGS和瞬变电磁数据示意图；
图6是本发明模型中超前水平钻孔孔内360°成像示意图。
图7是本发明模型构建中多个分界面示意图；
图8是本发明模型构建中岩性分界面和断层示意图；
图9是本发明模型构建中不同风化地层分界面示意图；
图10是本发明模型构建中不同岩性分界面示意图。
图11是本发明模型构建中钻孔图像识别修正示意图。
附图标记为：1-第一分界面；2-第二分界面；3-岩性分界面；4-断层；5-不同风化地层分界面；6-不同断层面；7-图像数据。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
综合三维地质预报方法的流程图如图1所示，具体步骤如下：
一、隧道洞外数据的获取
对施工地段进行地表钻孔，获取水文地质信息；采用激光雷达扫描地表地貌三维点云数据，建立隧道地表三维地形图；采用高密度电阻率法探测取隧道不良地质构造的三维位置。
(1)利用地勘的地表垂直钻孔数据、隧道沿线基本地质情况、超前水平钻孔分析、高密度电阻率三维数据和常规二维超前地质雷达探测等进行超前地质预报初探。具体实施步骤包括在岩溶地质条件下进行公路隧道开挖，首先是地表钻孔，通过钻孔数据对地层水文地质进行分析；其次采用无人机载激光雷达对隧道上方地表进行扫描，获取地表地貌三维点云数据，进而建立精确的隧道地表三维地形图；接着采用高密度电阻率法对隧道沿线山体进行探测，获取隧道大型断裂构造破碎带、软弱夹层、溶洞等不良地质构造三维位置；最后对隧道开挖后掌子面进行地质素描和观察记录，对涌水等与地表水共同进行试验水质分析。
其中地表垂直钻孔数据对地层水文地质进行分析包括：沿隧道选线进行地表钻孔取芯，获取钻孔孔内的地层地质参数和力学参数；测量出隧道所在地层的岩溶、岩层产状、岩性和节理分布等围岩信息；通过多个钻孔数据并结合高密度电阻率法进行地层正演和贝叶斯反演初期建模，将整个隧道沿线山体模型建立，主要有山体地表地形图，基于钻孔地层数据反演和高密度电阻率法探出的地层大型断裂构造破碎带、软弱夹层、溶洞等不良地质构造三维坐标位置。
(2)对超前地质预报初探结果中存在的不良地质区域，当隧道或斜井掌子面开挖至距离不良地址带200m时，提前进行隧道地表无人机载激光雷达扫描获取隧道上方三维地形点云数据，并建立不良地质区段地表地形三维坐标信息，寻找隧道地表植被、沟壑、汇水处和水坑等。
(3)对掌子面处超前钻孔出水、已出现的突泥涌水或者洞内常规的二维超前地质雷达初步探测到突泥涌水风险高的区段，通过开挖后掌子面进行地质素描和观察记录；对涌水或孔内涌水等洞内水与地表周边湖泊、河流、溪水等共同进行试验水质分析，对比水质成分初步判断地表水和洞内涌水的连通路径，如总氮、总磷、氟化物、氨氮、高锰酸盐指数等含量；并且对水库水位的统计分析水库水的变化量与洞内涌水量差值。
二、隧道洞内数据的获取
采用地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测对隧道洞内地质构造进行综合物探，获取掌子面前方0-200m及周围不良地质、岩性变化带数据；采用超前水平钻孔孔内成像，获取岩层产状、节理面分布三维地质结构面信息。
(1)利用地质雷达天线发射电磁波所具有的方向性，采取定向辐射方法，在有限空间内对隧道前方呈放射性采集雷达回波信号，通过对射线所覆盖的空间区域内不同位置的质点目标介质进行定性分析，反演目标介质的空间位置及规模形态，建模重构隧道前方及周边的水文地质情况。
(2)采用数字化多要素隧道超前地质CT技术进行三维地震波超前预报探测。
(3)采用三维地质预报系统TGS技术和瞬变电磁法进行超前三维地质超长距离探测。
(4)依据获取的掌子面前方不良地质体具体位置，采用超前水平钻孔孔内360°成像技术进行超前钻探，利用钻孔成像数据验证物探结果，同时为三维地质体建模提供具体精确的地质图像。定位识别出围岩岩层产状、节理发育面、节理厚度、溶腔发育区等，并转换为岩性分界面、溶腔发育曲面、节理空间位置等三维空间坐标信息，同时结合现场钻孔出水记录，对溶腔含水体积进行预测分析，为三维地质体建模提供具体精确的地质信息。
通过对钻孔成像所得图像进行岩体识别，识别出围岩岩层产状、节理发育面、节理厚度、溶腔发育区等，并转换为岩性分界面、溶腔发育曲面、节理空间位置等三维空间坐标信息，对构建的面模型进行验证并修正。
三、数据融合
如图2所示，将前述的洞外和洞内探测数据进行融合，并依次建立施工地段地质体的点模型、面模型和体模型，进而构建出超前三维地质模型。构建时采用Python语言对地质探测数据进行处理，以点集和坐标信息数据为统一格式，实现多源地质数据的融合，建立以描述地质体的点、面、体和参数化模型为基础的岩溶隧道超前三维地质模型。将地质雷达三维成像技术、数字化多要素隧道超前地质CT技术和三维地质预报系统TGS技术等综合物探方法获取不良地质三维数据体，再以点集形式在统一坐标系下对三维水文地质情况进行坐标重构，获取围岩断层破碎带、夹泥含水带的三维地质剖面及溶腔发育区的三维区域面，通过处理得到的图像获取围岩断层破碎带、夹泥含水带可以判别涌水、冒顶和含水区域及破碎带等隧道前方危险情况。
(1)将激光雷达、高密度电阻率法、地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测获取的数据以掌子面中心点的三维坐标为参照点，形成统一坐标下的地质点模型，并对地质点模型中的数据进行曲面拟合得到一个整体的三维地质面模型。
实施时，以掌子面中心点的三维坐标为参照点，定义为三维空间的坐标原点(0，0，0)，其余点都是以此点为基准点的相对坐标。例如，通过高密度电阻率法得出的二维等值线图中提取的点集数据，包括空间坐标以及对应的电阻率，掌子面中心点的坐标为(x1，y1，z1)，则转换到新坐标下，高密度电阻法反演得出的三维坐标数据点在统一坐标系下的新坐标为
(x′i，y′i，z′i)＝(xz,yi，zi)-(x1,y1，z1)
同时，伴随着坐标变化下的电阻率值不变，从λi(xi，yi，zi)改为λi(x′i，y′i，z′i)。
在统一坐标系下，下一步便是将点模型拟合形成面模型。针对约束条件进行曲面的拟合前首先是进行曲面的三角网格生成，然后利用多次函数曲面进行曲线拟合，当拟合的是单个曲面时，采用以下曲面拟合公式：
其中，ai、bi、ci、d为常系数。
根据实际需要选取多次函数的次数n，n越高拟合的曲面精度一般越高。
(2)对三维地质面模型进行离散光滑插值，根据岩层露出线及岩层产状，获取包括地形面、全风化、强风化分界面在内的岩性分界面。
当拟合多个不同的曲面时，对划分网格之后的曲面使用离散光滑插值(DSI插值)功能进行插值拟合。
多个不同曲面是由于不同的地质或地层存在明显的分界面，而根据每种探测手段得出的三维地质模型主要探测原理是根据不同地质体或地层具有不同属性特性，从而分辨出交界面，得出的数据也是分界面的离散坐标点。所以拟合出不同的曲面就是要找寻的分界面。而探测得到的多个曲面的离散点，在DSI插值方法下结合网格结点的拓扑关系先进行三角网格连接，优势是不以空间坐标为参数，所以不受维数限制。欲在一个离散化数据点间建立相互联络的网络，如果网络上的已知节点值满足某种约束条件，则未知节点上的值可以通过解线性方程而得到。
DSI方法建立了计算网格结点上最优解的目标函数，其中为全局粗糙度函数，为线性约束违反度函数。通过使用目标函数达到最小，实现两方面的目标：
①使全局粗糙度函数达到最小，从而尽可能使在任意结点上的函数值逼近该点邻域内结点值的均值，也就是使每个结点的值尽可能平滑：
②将原始采样数据转化成定义在一些结点上的线性约束，使线性约束的违反度函数达到最小，也就是说线性约束的符合程度达到最大，从而使相关结点的值竟可能逼近采样数据。
DSI插值算法的数学描述：在有节点连接构成的网格Ω内部，已知网络节点集成为L，未知网络节点集为I(I+L＝Ω)；f(*)为Ω内的一个分段连续函数，函数f(*)在节点集合L上假设一直，插值算法的目的通过f(*)推测出在集合I上的内插值函数Φ(*)表达式。
显然，插值函数只能无穷逼近未知网格节点，为了选择一个“最优”表达式，利用二次检验函数(全局平滑度函数)R(ψ)来检验一个可能的插值函数，二次检验函数如下式所示：
R(ψ)＝ψ*[W]*ψ
其中[W]是给定的正定对称矩阵，R(ψ)由多个局部平滑度函数在线性约束下确定，通过检验函数的约束，可以得到最优的插值函数表达式，进而求得内插值函数Φ(*)集。
根据平面图中岩层露出线，确定岩层露出线在空间中的坐标，以点集数据的形式存储到文本文件中，然后作为曲线对象导入GOCAD软件中。通过岩层产状获得岩性露出线的延伸向量，对岩性露出线进行空间中的延伸得到岩性分界面。
(3)以超前水平钻孔孔内成像获取的岩层产状、节理面分布三维地质结构面离散数据信息，对步骤【3.2】获取的三维地质面模型及地形面、全风化、强风化分界面参数进行校验修正，获取校验后的断层及岩性分界面信息，建立精细的超前三维地质体模型。
下面给出具体实施例：
本实施案例以某岩溶地质公路隧道及斜井的开挖为例进行说明，该隧道为双向六车道双洞公路隧道，隧道全长为7978m。隧道设有长度为867m，坡度12％的施工斜井1处。隧道主洞断面面积163㎡，主洞与斜井开挖主要有几方面难点：①地层以白云质灰岩夹粉砂岩及页岩为主，裂隙发育，岩体破碎，稳定性差，施工时易出现坍塌、掉块；②隧道与斜井穿越多段岩溶发育区、断层破碎带、富水区等地质灾害风险高区域，易发生突水涌泥灾害；③隧道主洞为高速公路三车道大断面，遇见软弱破碎围岩时容易发生大变形、坍塌等灾害；④斜井坡度12％，突泥涌水量大时将影响施工进度，严重时威胁人身安全，同时排水将大大地增加施工成本。
综合三维地质预报方法如下：
一、隧道洞外数据的获取
(1)岩溶地质条件下进行公路隧道开挖，首先是地表钻孔，通过钻孔数据对地层水文地质进行分析；其次采用无人机载激光雷达对隧道上方地表进行扫描，获取地表地貌三维点云数据，进而建立精确的隧道地表三维地形图；接着采用高密度电阻率法对隧道沿线山体进行探测，获取隧道大型断裂构造破碎带、软弱夹层、溶洞等不良地质构造三维位置；最后对隧道开挖后掌子面进行地质素描和观察记录，对涌水等与地表水共同进行试验水质分析。初探结果表明该隧道与斜井穿越多段岩溶发育区、断层破碎带、富水区等地质灾害风险高区域，易发生突水涌泥灾害，并发现隧道沿线地表附近有多个水库。
地表垂直钻孔数据对地层水文地质进行分析包括：沿隧道选线进行地表钻孔取芯，获取钻孔孔内的地层地质参数和力学参数；测量出隧道所在地层的岩溶、岩层产状、岩性和节理分布等围岩信息；通过多个钻孔数据并结合高密度电阻率法进行地层正演和贝叶斯反演初期建模，将整个隧道沿线山体模型建立。开挖后掌子面进行地质素描和观察记录，对涌水等与地表水共同进行试验水质分析包括：及时对洞内涌水、地表周边湖泊、河流、溪水等进行水质分析和试验，对比水质成分初步判断地表水和洞内涌水是否有连通路径。
(2)对超前地质预报初探结果中存在的不良地质区域，当隧道或斜井掌子面开挖至距离不良地址带200m时，无人机载激光雷达扫描获取隧道上方三维地形点云数据，发现隧道地表植被茂密，存在多个沟壑、汇水处和水坑等。
(3)对掌子面处超前钻孔出水、已出现的突泥涌水或者洞内常规的二维超前地质雷达初步探测到突泥涌水风险高的区段，通过开挖后掌子面进行地质素描和观察记录，对涌水或孔内涌水等洞内水与地表周边湖泊、河流、溪水等共同进行试验水质分析，对比水质成分，如总氮、总磷、氟化物、氨氮、高锰酸盐指数等含量判断，水库水与隧道涌水化学成分差异较大，并且通过对水库水位的统计分析发现水库水的变化量与洞内涌水量差值较大。推测目前两者水力联系不密切，初步判断地表水和洞内涌水不存在连通路径。
二、隧道洞内数据的获取
(1)利用地质雷达天线发射电磁波所具有的方向性，采取定向辐射方法，在有限空间内对隧道前方呈放射性采集雷达回波信号，通过对射线所覆盖的空间区域内不同位置的质点目标介质进行定性分析，反演目标介质的空间位置及规模形态，建模重构隧道前方及周边的水文地质情况。
由洞内超前三维地质雷达探测获取三维成像数据，如图3所示，可知：测控区域大部分处于断层破碎带控制范围，洞身周边围岩含水丰富，节理裂隙发育，裂隙水径流方向主要是由上而下；本次掌子面突泥涌水造成洞身周边围岩形成的裂隙水径流通道，径流通道主要沿洞身左侧由上至下延伸，通道影响规模大于3000m3，是突泥涌水的主要通道；洞身XK0+040～XK0+020段周边围岩含水丰富，是突涌水的主要补给源；XK0+036里程左侧是突泥涌水的主要出水点。
(2)采用数字化多要素隧道超前地质CT技术进行三维地震波超前预报探测结果，如图4所示，可知：本次探测范围内，岩体纵波波速在1500～3500m/s之间，以白云岩为主，节理裂隙发育，岩体较破碎，地下水发育，富水。其中XK0+038～XK0+008段岩溶发育，掌子面中线左侧存在明显贯通式溶腔，少量充水，局部充泥，施工极易造成塌方或突泥，风险等级属于高级；主体推测探测范围内围岩等级为V级，岩体强度较低，自稳能力差，属于岩溶地段复杂地质条件。
(3)采用三维地质预报系统TGS技术和瞬变电磁法进行超前三维地质超长距离探测数据结果，如图5所示，得出：隧洞里程XK0+031.9～XK0+028.0段，Vp、密度和静态杨氏模量低，推测该段围岩极不稳定，围岩破碎，毛洞易掉块、坍塌。隧洞里程XK0+012.5～XK0-008.4段，Vp/Vs和泊松比较高，推测该段围岩极不稳定，涌水可能性大。
(4)依据获取的掌子面前方不良地质体具体位置，采用超前水平钻孔孔内360°成像技术进行超前钻探，水平钻距离达150m，利用钻孔成像数据验证物探结果，同时为三维地质体建模提供具体精确的地质图像，如图6所示。通过对钻孔成像数据进行岩体图像识别，识别出围岩岩层产状、节理发育面、节理厚度、溶腔发育区等，并转换为岩性分界面、溶腔发育曲面、节理空间位置等三维空间坐标信息，对前述构建的面模型进行验证并修正。
超前水平钻孔并进行孔内成像得出：既有掌子面前方0-15米存在空腔，该空腔由突泥涌水形成。15-35米围岩松散，突水涌泥风险较高。35-60米白云岩岩芯破碎，呈碎裂状结构，胶结效果差，泥钙质充填，局部强富水，突泥涌水风险高。其中，在超前水平钻孔过程中遇见了孔内承压水涌出、塌孔、虚碴多、堵孔等诸多问题，针对承压水问题，采用在钻孔摄像机的柔性推杆上绑定直径6mm、长度2m的细钢筋方法，逐步将钻孔摄像机顶着承压水压力送入钻孔中进行探测；针对塌孔时把钻孔摄像机损坏的问题，制作简易钢筋护壳套在钻孔摄像机外面进行保护，同时也不影响成像质量；针对虚碴多、堵孔问题，在钻孔后采用风机吹风入孔进行清理虚碴和堵塞孔的淤泥、细沙等障碍物，最终成功实现了在孔内承压水涌出、塌孔、虚碴多、堵孔等诸多问题下钻孔摄像的成像难题。
三、数据融合
(1)将激光雷达、高密度电阻率法、地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测获取的数据以掌子面中心点的三维坐标为参照点，形成统一坐标下的地质点模型，并对地质点模型中的数据进行曲面拟合得到一个整体的三维地质面模型
(2)如图7至图10所示，对三维地质面模型进行离散光滑插值，根据岩层露出线及岩层产状，获取包括地形面、全风化、强风化分界面在内的岩性分界面，并对划分网格之后的曲面使用离散光滑插值(DSI插值)功能进行插值拟合。
其中图7给出了包含第一分界面1和第二第二分界面2在内的多个分界面的模型示意图；图8给出了包含岩性分界面3和断层4的模型示意图；图9给出了包含不同风化地层分界面5的模型示意图；图10给出了不同断层面6的岩性分界面模型示意图。
(3)如图11所示，以超前水平钻孔孔内成像获取的岩层产状、节理面分布等离散三维地质结构面图像数据7，对获取的三维地质面模型及地形面、全风化、强风化分界面参数进行校验修正，获取校验后的断层及岩性分界面信息，建立精细的超前三维地质体模型。
将岩性露出线沿计算得到的方向向量延伸，再根据建模区域进行曲面修剪，得到岩性分界面的宏观形态。进一步对延伸得到的曲面添加约束(此处的约束是通过钻孔获得的离散数据)，进行DSI拟合插值，得到的断层面在宏观形态上与岩性露出线以及岩层产状一致，在局部上与钻孔确定的离散数据一致，最后形成多个断层面。
再将地形面以及各个风化分界面、岩性分界面等全部编辑完毕后，通过面模型进行体模型的构建。结合地质勘察报告输入地层信息，根据实际情况确定地层之间的整合关系。通过剖面随时查看体模型的形态，并根据钻探孔内成像的节理裂缝识别进行模型的形态以及精度的调整，最终建立内嵌多参数、多属性的超前三维地质体模型，能直观反映出岩溶地质公路隧道施工时的超前三维地质情况。
具体实施时，综合上述所有的超前地质探测数据，如地勘的地表垂直钻孔数据、洞内长距离超前水平钻孔孔内成像数据、无人机载激光雷达扫描隧道上方三维地形点云数据、高密度电阻率三维数据、地质雷达三维成像数据、数字化多要素超前三维地质CT数据、三维地质预报系统TGS数据等，将之转换为统一坐标系下的点集三维坐标信息进行超前三维地质建模，从而在实现了多源地质数据融合的基础上对隧道掌子面前方100m-200m的三维地质进行了精准建模和预报，得出斜井段属构造剥蚀溶蚀中低山地貌区，工程地质和水文地质条件复杂；根据地质调查、钻探及原斜井施工过程围岩综合分析，洞身岩溶发育程度为中等发育，但不排除断层破碎带发育岩溶的可能；原斜井进入左线方案难度大，再次发生突水涌泥风险高，建议优化进洞方案。
利用结合超前三维地质模型，对突泥涌水灾害进行精准指导施工及采取最有利的防治措施，对探测结果得出应当避让高风险不良地质段，对斜井选线进行优化，通过超前探测得知斜井优化平面位置左线ZK35+265附近存在一处宽大裂隙出水点，线位应注意避让；ZK35+265至小里程方向岩芯完整性逐渐转好呈碎块状夹短柱状，洞壁较光滑，未见明显裂隙出水点；既有斜井掌子面右侧优于左侧，根据物探和超前水平钻探成果，建议优化平面起点设置于斜井既有掌子面右侧XK0+065～XK0+080之间，终点设置于隧道左线ZK35+240～ZK35+255之间；斜井优化平面洞身围岩为龙王庙组白云岩、白云质灰岩夹泥灰岩，岩体较破碎-破碎，围岩等级均为V级。斜井施工过程中采用TSP、TGS、TCT、瞬变电磁、三维地质雷达及超前水平钻孔孔内成像等综合超前预报手段。
根据超前地质预报结果及时优化调整设计，避免坍塌、冒顶。最终斜井安全顺利地进隧道正洞，降低了施工安全风险，同时大大地节约了经济建设成本。
Claims (7)
1.一种岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质建模方法，其特征在于,包括以下步骤：
【1】隧道洞外数据的获取
对施工地段进行地表钻孔，获取水文地质信息；采用激光雷达扫描地表地貌三维点云数据，建立隧道地表三维地形图；采用高密度电阻率法探测取隧道不良地质构造的三维位置；
【2】隧道洞内数据的获取
采用地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测对隧道洞内地质构造进行综合物探，获取掌子面前方及周围不良地质、岩性变化带数据；采用超前水平钻孔孔内成像，获取岩层产状、节理面分布三维地质结构面信息；
【3】数据融合
将步骤【1】和【2】的探测数据进行融合，并依次建立施工地段地质体的点模型、面模型和体模型，进而构建出超前三维地质模型。
2.根据权利要求1所述的岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法，其特征在于：步骤【3】的数据融合，包括以下步骤：
【3.1】将激光雷达、高密度电阻率法、地质雷达三维成像、超前地质CT反射成像、三维地质TGS探测获取的数据以掌子面中心点的三维坐标为参照点，形成统一坐标下的地质点模型，并对地质点模型中的不同类别的点数据在不同图层下分别进行曲面拟合，最后得到一个整体的三维地质面模型；
【3.2】对三维地质面模型进行离散光滑插值，根据岩层露出线及岩层产状，获取包括地形面、全风化、强风化分界面在内的岩性分界面；
【3.3】以超前水平钻孔孔内成像获取的岩层产状、节理面分布三维地质结构面离散数据信息，对步骤【3.2】获取的三维地质面模型及地形面、全风化、强风化分界面参数进行校验修正，获取校验后的断层及岩性分界面信息，最终建立超前三维地质体模型。
3.根据权利要求1所述的岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法，其特征在于：步骤【3.2】中岩性分界面的获取步骤为；根据平面图中岩层露出线，确定岩层露出线在空间中的坐标，以点集数据的形式存储到文本文件中，然后作为曲线对象导入GOCAD软件中，通过岩层产状获得岩性露出线的延伸向量，对岩性露出线进行空间中的延伸得到岩性分界面。
4.根据权利要求1所述的岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法，其特征在于：步骤【3.3】中校验修正是根据钻探孔内成像的节理裂缝识别模型的细部形态，并进行模型精度的调整。
5.根据权利要求1所述的岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法，其特征在于：步骤【1】中地表钻孔获取水文地质信息的步骤包括：沿隧道选线进行地表钻孔取芯，获取钻孔孔内的地层地质参数和力学参数；测量出隧道所在地层的岩溶、岩层产状、岩性和节理分布围岩信息。
6.根据权利要求1所述的岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法，其特征在于：超前水平钻孔距离为150m-200m，孔内成像角度为360°。
7.根据权利要求1所述的岩溶地质公路隧道施工综合超前三维地质预报方法，其特征在于：超前水平钻孔成像获取的岩层产状、节理面分布三维地质结构面信息包括围岩岩层产状、节理发育面、节理厚度、溶腔发育区三维空间坐标信息。
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