隧道不良地质识别:方法、现状及智能化发展方向

随着隧道施工对于不良地质识别精度要求的不断提高以及人工智能技术的发展,融合多源信息的不良地质智能化识别已成为发展趋势。本文首先阐述了常见的6种隧道不良地质类型及其地质成因,回顾分析了隧道主要的不良地质识别方法及现状,详细介绍了笔者在不良地质智能化识别方面的探索性研究:基于机器学习利用图像识别技术对隧道围岩岩性与裂隙特征进行智能识别;融合图像和光谱特征进行不良地质识别;将地化分析融入到传统的超前钻探中,融合随钻参数和地化信息进行不良地质随钻识别,既可以发挥超前钻探在感知岩体质量和地层信息变化方面的优势,又可以发挥地化分析在岩性和不良地质异常识别方面的优势;基于地质与物探联合反演进行不良地质识别,旨在实现掌子面前方不良地质体“形”(位置、形态、规模)和“性”(性质和类型)的精确识别。最后,对隧道不良地质智能化识别的发展趋势进行了展望。

钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术研究

为适应我国隧道建设机械化、智能化、无人化发展趋势,围绕钻爆法机械化施工隧道,提出以凿岩台车破岩振动为震源的钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术。针对凿岩台车多震源连续激发带来的地震数据波场混叠、有效信息难以识别问题开展相关研究,提出VMD-SVD-RobustICA三臂混合先导信号分离方法与脉冲反褶积-小波域互相关地震记录重构方法,可实现三臂混合先导信号的分离与有效反射信号的提取。工程实践证明,利用凿岩台车搭载式无线高精度探测装备,该技术可初步实现“边钻边探”,降低预报环节对钻爆法机械化施工隧道正常施工带来的影响。最后,明确该技术目前存在的问题及解决思路。

不同地质雷达设备在铁路工程隐伏岩溶探测中的应用与对比

隐伏岩溶因其隐蔽性强和发育无规律性等特点,给岩溶地区的铁路建设和运营带来极大的安全隐患,寻求高效精准的探测方法是隐伏岩溶勘察的重难点。利用岩溶与其周围岩体之间的物性差异,物探方法对隐伏岩溶有较好的探测效果。地质雷达法因其高效、无损、低成本等优点,近年来被广泛应用于铁路、公路和城市等地下隐伏岩溶的探测工作。本文以在建贵南高速铁路为背景,应用两种地质雷达设备对某岩质边坡隐伏岩溶进行探测,详细对比了两种不同地质雷达仪器的探测成果,并将探测成果进行了开挖验证。结果表明:两种地质雷达设备在隐伏岩溶地质体勘察中均能得到较好的探测效果。研究成果可为类似隐伏岩溶探测工作的设备选择提供参考。

成都平原浅层天然气高瓦斯隧道抽排性能评价

针对浅层天然气工区高瓦斯隧道盾构施工难的问题,借助工程实例,采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法,分析了成都平原浅层天然气抽排性能的影响因素,确定了研究区的有效抽排半径和抽排时间。结果表明,当裂隙渗透率为39 mD、瓦斯压力为0.31 MPa时,研究区浅层天然气高瓦斯工区的有效抽排半径为5 m、抽排时间为60 min,与煤层瓦斯的抽排参数差异巨大;抽排负压对抽排流量影响较大,对有效抽排半径影响较小;抽排流量和有效抽排半径与地层初始渗透率的变化呈现正相关关系。

基于倾角反演的隧道断面变形全方位监测方法

倾角传感器具有体积小、使用方便、测量连续等优点,在隧道变形监测领域有着巨大应用潜力,然而,现有基于倾角传感器的监测方法往往只能得到特定监测点的变形,在测量隧道断面整体变形方面还存在明显不足。为此,提出一种新的基于监测点倾角的隧道断面变形全方位监测方法。基于隧道断面曲线的形状特征,构造隧道分段变形插值函数,根据极坐标下隧道倾角与极径的关系,采用分段解析方法提出隧道倾角-变形数学模型,进一步通过协同变形假定,修正隧道测点极角,得到隧道倾角-变形算法;接着,建立隧道三维数值模型,通过均布荷载、对称非均布荷载和非对称荷载3种典型工况,采用误差分析方法分别研究算法的适用性;最后,通过室内试验进一步验证算法在实际应用中的准确性。研究结果表明:对于铁路隧道典型三心圆断面,推导的倾角-变形算法在均布荷载、对称非均布荷载和非对称荷载这3种典型工况下均具有良好的适应性,变形最大绝对误差均小于1 mm,平均相对误差均小于7%;在室内模型试验中,拱顶沉降监测误差小于8%,水平收敛监测误差小于5%,证明了监测方法的准确性。

基于Mask R-CNN的地质雷达岩溶预报图像识别研究

岩溶隧道开挖可能遭遇岩溶涌水、突泥等岩溶地质灾害,地质雷达能够有效预报岩溶等地质灾害。然而,传统地质雷达图像解译存在专家经验依赖性强、解译效率慢且易误判漏判等情况。本文采用可实现端到端识别的深度学习技术开展地质雷达图像目标检测与识别的研究,将基于Mask R-CNN的卷积神经网络算法应用于地质雷达岩溶预报图像异常的智能识别。在TensorFlow和Keras框架下,利用地质雷达设备采集获得的数据构建训练数据集和测试数据集,对Mask R-CNN深度学习模型进行训练,最终得到权重参数较好的地质雷达岩溶预报图像的双曲异常检测模型。试验结果及应用案例表明,Mask R-CNN目标检测方法在地质雷达岩溶预报图像的目标检测与识别上取得了良好的效果,有效提高了地质雷达图像的智能化识别效率。

复杂孕灾环境下隧道进口斜坡稳定性分析与评价

高地震烈度、高地应力、高陡、高寒等复杂孕灾环境下的隧道洞口斜坡,在降雨、强震或人类强烈工程活动影响下,极易发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害.为探究复杂孕灾环境下隧道进口斜坡在不同工况条件下的稳定性,以我国西南某加日山隧道为依托,通过无人机摄影、槽探、室内实验及洞探原位测试等“天空地”一体化勘察技术,实现斜坡工程地质信息精细获取,系统揭示斜坡典型破坏特征,讨论斜坡2种破坏成因与演化模式,在此基础上,利用极限平衡法与三维数值模拟方法,量化分析不同工况下的斜坡稳定性.研究结果表明:加日山隧道进口斜坡在自然工况、暴雨工况、地震工况3种工况下稳定性系数均大于1.15,斜坡整体处于稳定状态,仅后缘表部存在局部变形失稳的可能,成果可为类似隧道的选线规划以及建设运营安全提供理论指导和技术支撑.

强干扰环境下高铁隧底隐伏岩溶探测应用研究

为了探测在建高铁隧道强干扰环境影响下隐伏岩溶空间分布,采用地震映像时-频综合分析技术进行隧底隐伏岩溶探测。先利用地震映像法获取隧底地质体的时间域信号,基于魏格纳-威尔分布算法将其转化至频率域,再通过获取的时-频信息综合判定隐伏岩溶发育区,并确定其空间分布。将该研究成果应用于贵州某在建高铁中,多个隧道岩溶探测结果表明,在时间域中岩溶区地震反射波走时相比同相位高出5 ms,同时在频率域中岩溶区频率降低至240 Hz以下,由时间-频率域共同圈定物探异常区,在此异常区的验证钻孔均发现岩溶。研究结果表明,该方法在强干扰隧道隐伏岩溶中取得较好的探测效果,可为隧底隐伏岩溶精细、快速探测提供新的思路。

断层破碎带隧道结构破坏离散元数值试验

为研究次生断裂的形成原因、隧道结构破坏特征及其机理。以福宜高速公路梁王山隧道为依托,采用MatDEM离散元结合现场测试的方法,模拟断层运动和隧道破坏。结果表明:受主断层两侧地层相向运动影响,在离FW4断层出口远端软弱地层产生了次生断裂,隧道开挖后围岩次生裂隙扩展并发生不均匀破坏,表现为拱顶开裂,边墙强烈内挤和纵向裂缝等;低刚度裂缝能吸收变形产生明显变形阻断作用,但却容易引起对向侧部围岩的进一步应力集中,加剧隧道的不均匀破坏;为避免受次生断裂影响下穿越断层破碎带隧道发生破坏,应对次生裂缝或节理进行注浆加固,减少新生裂缝数量,削弱附近围岩的应力-变形集中,降低隧道施工风险。

隧道涌水量预测方法比较及算法选择优化

隧道涌水是隧道建设及后期运营中最为常见的地质灾害,准确预测涌水量大小将为隧道设计及施工提供关键参数,因此隧道涌水量预测尤为重要。通过采用地下水动力学方法中的解析法(包括裘布依公式、古德曼公式等),结合数值模拟方法,以隧道导水断层为研究重点,对地处莲花山断裂带鸿图特长隧道典型段落(K91+634~K93+512)的最大涌水量和正常涌水量进行了预测。同时,利用已开挖段实测涌水量数值,将多种方法进行对比,分析研究各计算方法的适配性,并优化计算算法。研究表明,裘布依承压含水层公式预测与实际涌水量最为接近,鸿图特长隧道典型段落(K91+634~K93+512)的预测最大涌水量为119000 m 3/d,是极限情况下的涌水量预测,为设计施工开挖提供了可靠地水文地质参数。

基于地质雷达的隧道超前地质预报技术应用研究

日益增多的山岭隧道多处于复杂工程地质条件的地区,以我国西南地区尤甚.在山岭隧道的勘查和施工过程中,常伴随着岩体破碎、岩溶、岩爆、煤层瓦斯和采空区等特殊工程地质问题单独或者交错出现,带来严重安全隐患,耽误工程进度.超前地质预报是山岭隧道施工过程中有效避免此类工程地质问题不可或缺的重要手段之一.本文在简要论述了华蓥山隧道地质条件的基础上,采用地质雷达探测掌子面与开挖掌子面验证相结合的方式,对比分析了山岭隧道施工中超前地质预报技术的应用成效,并进一步提出相应的施工建议.

EH4连续电导率仪在云南临清线小寨山隧道中的应用

近年来深埋隧道施工屡有发生突水、涌泥、坍塌,甚至发生人身安全事故,查明深埋隧道中存在的隐伏岩溶、断层、暗河等复杂工程地质问题尤为重要。文章以云南临清线小寨山隧道为例,介绍了EH4连续电导率仪在深埋隧道的工作原理及方法,并通过对左右幅探测结果与施工阶段开挖资料对比,得出EH4连续电导率仪探测结果与隧道开挖揭露地质情况十分吻合。EH4连续电导率仪的应用,不仅查清了该段隧道岩溶、断裂等发育情况,还查清了隧道的隐伏构造,为隧道的安全施工提供了技术支持。

某山区铁路隧道工程地质综合勘察与施工验证分析

近些年,高速铁路隧道修建积累了丰富的勘察设计与施工经验,而山区隧道的勘察一直是困扰业界的难题。通过对比分析后发现,隧道区物探的异常和区域地质资料的可溶岩分布,应引起项目负责人的高度警惕。施工前应进行更加详细的地质调查、加密布置勘探孔、采用不同方法的物探验证和深孔钻孔等手段进行验证,施工时更加重视超前水平钻和地质雷达等超前地质预报工作。通过总结提炼了勘察与施工配合的相关内容,提升了我院山区铁路勘察的方法和经验,更好地指导施工期隧道地质配合。

峡谷区特长深埋岩溶隧道成套勘察技术及工程应用

为解决深切峡谷区特长深埋岩溶隧道因险峻的地形地貌、复杂地质构造等地质条件带来的勘察难题,依托重庆巫溪至陕西镇坪高速公路工程,提出利用“空-天-地”勘察技术手段,从“点-线-面”维度逐步递进,构筑、完善岩溶地质体模型,并对其开展工程地质分析工作。工程实践发现:从空间地质体模型上进行分析,能有效解决隧道线路走廊选择、围岩分级、动态及静态岩溶涌突水、水环境影响等重大地质问题,更好地服务于工程设计,为施工及建设管理提供可靠的地质技术保障。

青藏高原构造混杂岩带的孕灾地质基因与重大工程地质问题研究

孕灾地质基因是指一定区域所具有的促进地质灾害孕生的内在关键因素。板块构造混杂岩带所处的特殊构造部位决定了其复杂的演化过程和特殊的地质基因。本文在梳理青藏高原构造混杂岩带地质特征的基础上,总结分析了其孕灾地质基因,包括活跃的地质构造、复杂的水热条件、混杂的岩性组合、特殊的蚀变软岩和构造岩溶导水通道等,是引发重大地质灾害和工程地质安全风险的根源。结合典型案例,剖析了构造混杂岩带大型滑坡的成因类型主要有三大类:构造控制型、泥质软岩控制型和蚀变蛇绿岩带控制型,其中蚀变蛇绿岩带是构造混杂岩带最具特色的易滑地质结构,具有典型的地质构造与特殊岩性联合控制特征。构造混杂岩带隧道工程变形破坏主要有塌方、水平收敛、环向收敛、底鼓和错断等五种模式,黏土化蚀变软岩的不良工程特性是制约构造混杂岩带隧道围岩稳定性的重要因素。针对传统的工程地质理论和灾害风险防控技术难以适应构造混杂岩带大规模工程建设面临的挑战,提出了有待深入研究的关键问题和防灾减灾策略。

高瓦斯隧道施工超前地质预报及爆破技术的应用

本文以某高瓦斯隧道工程为例,探究了超前地质预报技术和爆破技术的应用。在隧道施工超前地质预报中,使用TRT6000型超前预报系统,在隧道内布置震源和检波器,在震源点发射地震波并利用传感器收集反射的地震波,经过RV3D软件分析后,认为左洞掌子面K119+356~396段和右洞掌子面的K119+294~334段,岩体较为破碎,赋存裂隙水,要进行超前支护,爆破时按照短开挖、弱爆破作业方法减轻对松散围岩的破坏。在爆破作业时,除了计算炮眼数目、装药量等参数外,创新性的使用了“水泡泥+固体阻燃材料”炮孔封堵方式,保证了爆破作业安全。

半航空频率域电磁法针对铁路勘察的研究进展

随着我国铁路网的不断扩展,在高原及艰险山区构建铁路网已成必然。然而,因地势陡峭,部分线位人员无法抵达,常导致关键勘察数据缺失。为解决这一问题,从传统地面勘察转向空中,采用地球物理技术与无人机技术相结合的半航空频率域电磁法。针对高原艰险山区长大深埋隧道的勘察需求,团队自主设计研发了半航空电磁硬件系统,通过与地面方法的同精度对比验证,其结果一致性达到90%以上。该技术成功应用于某隧道测区的勘察任务,弥补了因地势陡峭导致的勘察数据空白,有效降低了勘察成本,显著提高了工作效率,为我国铁路勘察工作提供了新的技术路径与方法。

基于层次分析法(AHP)的岩溶隧道突水风险评估研究

我国西部岩溶发育广泛,常常会引发突水灾害,为此对西部岩溶隧道突水致灾构造原因进行了分析,通过层次分析法将隧道分解为地质结构、水文条件、围岩特征、隧道特征4个部分,然后依据指标间重要性构建判断矩阵,确定指标权重,建立了一套对岩溶隧道突水风险安全性进行科学有效的评估机制,最后以隧道DK361+257-DK366+500之间的隧道掌子面作为案例研究,结果表明根据层次分析法得到的评价结果与实际结果相符合,说明该方法具有一定的可靠性和准确性,为安全评估模型建立与灾害控制措施提供了支持。

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

超前地质预报在隧道施工中的应用研究

隧道工程地质条件具有复杂性和不可见性,隧道施工安全问题愈加引发关注。超前地质预报是保证隧道施工安全的重要环节和技术保障,可准确掌握隧道开挖前方地质状况,最大限度避免隧道地质灾害发生。文章以东沟隧道为研究案例,采用地质调查法、TSP法和地质雷达法,综合分析物探成果,预报隧道施工前方地质情况及围岩级别,为后期施工安全、设计变更提供物探依据,指导施工设计,保障施工安全。