隧道施工超前地质预报的物探理论

超前地质预报的物探理论迄今为止，地下工程超前地质预报应用的主要手段是TSP（或TGP）、地质雷达和红外线探水仪和直流电法，涉及的主要物探理论有地震波探测理论、雷达与瞬变电磁探测理论，物理场探测理论和直流电法探测理论。第一节 地震波探测理论一、 地震波的传播规律（一）费马原理费马原理又称最小时间原理。根据费马原理，波总是沿射线传播以保证波到达时所用历时最少这个准则。在均匀介质中，地震波射线是从振源出发的直线，在其他介质中波射线性质便要复杂一些。（二） 地震波的反射和透射图3-2 入射波、反射波和透射波入射波反射波透射波介质1介质2当地震波在传播过程中遇到介质突然变化的界面（如岩体的节理、裂隙和断层等）时，地震波将会产生反射和透射，如图3-2所示。（三） 地震波的绕射图3-3 断层棱角点产生的绕射波ODABCR绕射波波前地震波传播过程中遇到地层的间断点和不整合接触点以及断层的棱角点等，这些不连续的间断点可以看作是新震源，就会产生一种新的扰动，向弹性空间四周传播，这种扰动称为绕射波。即地震波的绕射。（四） 地震波的散射地震波在传播过程中振幅和能量随着离震源点距离的增加而减少的现象称为球面扩散。即地震波的散射。二、 TSP探测原理图3-4 TSP预报原理图接收器起爆器反射面掌子面周围地质情况预报不良地质体TSP探测时，在掌子面后方一定距离的隧道一侧边墙上布置一定数量的钻孔，通过TSP系统的爆破装置在钻孔中施以微型爆破来产生射地震波信号，地震波沿隧道方向以球面波的形式传播，遇到反射界面反射回来由接收器接收，同时转换成电信号并放大(如图3-4)。由于反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，经过TSP系统的数据处理软件分析处理后，结合具体的地质情况，预测不良地质体的位置、宽度和产状等。瑞士按伯格公司开发的TSP数据处理软件能将地震波信息转化到隧道掌子面前方及周围区域的坐标系统上。由于地震波从起爆、经反射被接收的用时与反射界面到起爆点和接收器的距离之和成正比关系，所以知道了地震波的传播速度和反射用时就可以确定反射界面的位置和与隧道轴线的夹角。第二节 地质雷达与瞬变电磁探测原理地质雷达技术（Ground Penetrating Radar，简称GPR）利用主频为1MHz1GHz波段的高频电磁波，以宽频带短脉冲的形式，通过天线发射器发送至地下，经地下目标体或地层的界面发射后返回地面，被雷达天线接收器所接收，通过对接收的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测前方目标体的目的。在雷达探测中，地下介质相当于一个复杂的滤波器。介质对电磁波不同程度的吸收以及介质的不均匀，使得雷达发射出去的电磁脉冲在到达接收天线时，综合了地下不同介质的物理信息，主要表现为波幅减小、频率降低、相位和反射时间发生变化等。因此，根据接收到波的时频特征和振幅特征进行分析，可地层1发射天线发射电磁波接收天线地层2图5-1 雷达探测原理图以了解地下地质特征信息，建立地下介质的结构模型。图5-1是地质雷达工作原理示意图。第三节 红外探测基本原理基于目前各种隧道地质预报方法，对水的探测预报有效方法很少，近年来，红外探水技术开展隧道掌子面前方含水体进行探测预报，取得了一定的成果。红外探测仪是一种非接触式防爆红外探测仪，其灵敏度高，可应用于煤矿井下进行红外探测-探水、探火、探瓦斯等防灾工作。一、红外辐射场的形成。物质由分子组成，分子处于不停的运动状态。由于分子震动或转动，地下岩体、水体每时每刻都在向外界发射红外波段的电磁波，从而形成红外辐射场。物理场具有能量、方向、动量等信息特征。地质体由内向外发射红外电磁波时，必然会把各种地质信息以变化场的形式传播出来。有灾害必定有灾害源，有灾害源必定有灾害场。而“物理场”传播的距离永远大于“场源”。因此，在安全距离之外，根据灾害场的出现，可提前发现和预报灾害源的存在。二、正常场与异常场1、正常场：当隧道掌子面前后的围岩较好时，即围岩的介质相对正常时，在掌子面后方(已开挖部分)探测时所获得的红外探测曲线将近似为一条直线，该红外辐射场就为正常场。其物理意义是被探隧道掌子面前方2030 m范围内无灾害源。因此必须要掌握正常场，不知道正常场就无法确定异常场。初期工作应把正常场测长一些。2、异常场：当掌子面前方或隧道外围存在含水构造时，同样在掌子面后方(已开挖部分)探测时，红外探测曲线就会出现明显弯曲，曲线上的数据也将出现突变，即会出现含水构造产生的红外辐射场与围岩的正常辐射场的叠加，从而形成异常场；其物理意义是被探隧道掌子面前方2030 m范围内灾害源。4