中国隧道及井巷地震波法超前探测技术研究分析

自20世纪90年代以来,反射地震波法作为一种主要的超前探测技术在我国国内隧道及井巷工程中取得了诸多成功应用的探测实例,同时在应用中不同探测方法也存在不少问题。文章结合国内外超前探测中应用较为广泛的TSP法、负视速度法、HSP法、TRT法、ISIS系统等反射波探测技术加以阐明,分析了国内超前探测技术应用与研究的现状,指出隧道及井巷超前探测数据采集与处理过程中存在的不足,并进一步提出超前探测研究在正反演理论、数据采集、偏移成像技术等方面应该注意的问题,超前探测的目标是要建立和完善一套实时的巷道前方地质体的动态监测与预报系统。     

超前地质预报系统的提出及其发展方向

总结了超前地质预报的作用和发展现状,分析了超前地质预报认识上的误区和各种探测设备存在的问题。提出了超前地质预报系统的概念,阐述了隧道所在地区地质分析技术、隧道不良地质体超前预报技术、重大施工地质灾害临近警报技术包含的内容。系统的工作步骤为,利用地质分析技术结论以及地质复杂程度分级标准对探测区段的围岩进行地质复杂程度分级,针对不同级别的地质复杂程度,制定与其对应的超前地质预报系统方案,并注意现场工作中动态控制的应用。以厦门海底隧道F3风化深槽为例,对超前地质预报系统的内容及工作步骤进行了应用。提出了超前地质预报系统的发展方向。研究旨在完善超前地质预报工作,使超前地质预报结果在现场施工过程中能真正起到指导性的作用,最大程度地减少地质灾害造成的人员伤亡和财产损失     

隧道综合参数超前地质预报技术研究

本文介绍一种新型的隧道施工综合超前地质预报系统USEP,该系统采用综合参数法进行超前地质预报,综合参数为"波速+电阻率".其中波速探测采用角度偏移和位置偏移的联合体系,电阻率探测采用瞬变脉冲电磁法重叠回线装置在掌子面进行扫描,最终实现综合参数及空间超前地质预报.文章利用课题组研发的USEP系统,结合108国道北京南村隧道的探测预报实例详细说明隧道综合参数及空间超前地质预报工作的原理与效果,并总结在复杂地质条件下采用"波速+电阻率"综合预报的必要性,它对隧道及地下工程施工超前地质预报工作有广泛的指导作用.     

综合超前地质预报技术在西南某隧道的应用研究

在隧道地质条件复杂地段,及时开展综合超前地质预报,对提高隧道超前地质预报准确性及预防突发性地质灾害的发生具有十分重要的意义。这里总结了各种预报方法的原理及适用范围,提出在复杂地质地段采用以地质分析为基础,地震波探测法为主,地质雷达法为辅,必要时使用超前地质钻探法的综合超前地质预报技术指导隧道安全施工,并以西南某隧道为例,对其他地质复杂隧道的超前地质预报技术有借鉴意义。     

沪昆高速铁路朱砂堡1~#隧道超前地质预报方法研究

沪昆高速铁路朱砂堡1~#隧道不良地质问题及特殊岩土分布较多,特别是岩溶问题较为突出。为保证隧道施工安全,结合掌子面地质素描分析结果,分别采用地质雷达探测法、地震波预报技术(TSP)及红外探测法对朱砂堡1~#隧道开展超前地质预报工作。对比分析结果表明,三种预报方法对砂堡1~#隧道超前预报中准确性高低依次为:红外探测地质雷达TSP,但TSP的适用范围更为广泛;通过结合两种或两种以上预报方法进行预测,朱砂堡1~#隧道预报的成功率基本达到100%,开挖过程中没有发生一起围岩坍塌或突水突泥事件,取得了良好的预报效果,保障了隧道施工和工作人员的安全。     

关于三峡永久船闸高边坡快速施工地质超前预报的几个问题

文中就三峡永久船闸高边坡快速施工地质超前预报的几个问题进行了讨论。分别研究了三峡永久船闸高边坡施工地质超前预报的必要性，提出了超前预报技术思路，最后就高边坡岩体反分析及反馈设计问题、施工地质超前预报问题以及与监测相适应的超前处理及防护进行了分析。     

超前地质预报在歌乐山隧道施工中的应用

隧道在施工中不可避免地会遇到诸如溶洞、突水、坍塌等常见的地质灾害,为了将地质灾害影响程度降到最低,施工前进行超前地质预报是十分必要的.详细介绍了TSP超前预测预报方法的原理,并以歌乐山隧道为例子,针对该隧道复杂的地质条件,施工过程中采用超前预测预报和红外线探测技术相结合,成功地预报了掌子面前方的地质信息以及隧道涌水情况,有效地指导了该隧道的安全施工.     

瑞利波探测技术用于矿井地质超前探测

鹤岗矿区煤系曾遭受多次构造运动的改造,地质情况复杂。为满足采区和生产布置的需要,采用瑞利波探测技术对地质情况进行精细探查和预报。在井下用瑞利波方法探测下部煤层、超前探测煤巷、岩巷前方的构造,取得了满意的效果。该技术方法提高了地质预报的准确性,在煤矿有良好的应用前景。      

千岛湖配水工程隧洞超前预报中的综合物探技术

将TSP、探地雷达及红外探测技术用于千岛湖配水工程隧洞超前预报中,结果如下:TSP对溶洞的探测分辨率低,对岩体破碎区探测效果较好,其异常特征表现为杨氏模量、密度及纵波波速偏低;探地雷达很适合于灰岩区隧洞超前预报,雷达反射剖面呈现强振幅及双曲线状同相轴的区域预示溶洞发育;红外探测受隧洞喷混凝土水化热干扰影响巨大,无法单独用于隧洞地质预报,当围岩质量级别较差时此缺陷尤为明显。     

如何提高TSP203系统在应用中的准确性

为了减少地质灾害对隧道施工的影响,采用TSP203超前地质预报系统对隧道掌子面前方进行探测,提供超前地质预报,为后续施工提供指导。但是,在实际应用中出现了很多误报、漏报或者准确性太低的情况,这些问题往往是由于数据采集和数据处理中的不足带来的。通过规范的数据采集和合理的数据处理,可以减少这些不足的不良影响,从而提高TSP203系统在超前地质预报应用中的准确性。     

Determination of ground thermal properties for energy piles by thermal response tests

Thermal properties of ground heat exchanger (GHE) such as effective thermal conductivity and borehole thermal resistance are commonly measured in the field by thermal response tests (TRTs). TRT has been proved to be a consolidated method to determine thermal properties of traditional borehole heat exchangers (BHEs). However, there is still lack of data for adopting TRT on energy piles with often a large diameter and deficiency in validation of TRT results with geological materials. In this study, ground thermal properties for typical configured GHEs of energy piles are investigated. Three TRTs are conducted and the obtained results are analyzed. Effective thermal conductivity, λ_eff, of the ground derived by following the traditional linear source model shows large deviation as compared to the thermal conductivity of the geological materials. In order to determine λ_eff properly, the linear source model is modified and an equivalent radius, r_eq, of energy piles is considered. The λ_eff estimated by the modified model shows a good agreement with thermal conductivity of the in situ geological materials. In addition, there has been no obvious correlation between borehole thermal resistances and thermal efficiency due to heat transport of energy piles that depends not only by borehole thermal resistance but also by the pile’s diameter and ground conditions. The findings drawn from this study indicate that the modified model is reasonable and useful in determining thermal properties of energy piles.     

Estimation of groundwater flow from temperature monitoring in a borehole heat exchanger during a thermal response test

To estimate the groundwater flow around a borehole heat exchanger (BHE), thermal properties of geological core samples were measured and a thermal response test (TRT) was performed in the Tsukuba upland, Japan. The thermal properties were measured at 57 points along a 50-m-long geological core, consisting predominantly of sand, silt, and clay, drilled near the BHE. In this TRT, the vertical temperature in the BHE was also monitored during and after the test. Results for the thermal properties of the core samples and from the monitoring indicated that groundwater flow enhanced thermal transfers, especially at shallow depths. The groundwater velocities around the BHE were estimated using a two-dimensional numerical model with monitoring data on temperature changes. According to the results, the estimated groundwater velocity was generally consistent with hydrogeological data from previous studies, except for the data collected at shallow depths consisting of a clay layer. The reasons for this discrepancy at shallow depths were predicted to be preferential flow and the occurrence of vertical flow through the BHE grout, induced by the hydrogeological conditions.     

路面下水平地埋管热响应试验与数值模拟研究

近年来,水平式地埋管换热器尤其是路面下水平式地埋管换热器逐步受到国内外学者关注。路面下水平式地埋管换热器利用道路路基施工便利进行安装,可有效节约地埋管换热器前期安装中的钻孔或开挖沟槽费用,且公路作为城镇基础设施,仅中国每年新增公路里程就达100 000 km以上,因此该方案应用潜力较大。为了探究路面下水平地埋管换热器的热扩散半径以及气温对其换热能力的影响,本文采用GeoCube热响应试验测试仪,对路面下埋深0.5 m的水平串联式地埋管换热器进行了两次加热功率分别为4 kW和6 kW的现场常规热响应试验,并基于4 kW热响应试验参数利用COMSOL软件建立了路面下水平串联式地埋管换热器3D数值模型。研究结果表明:气温波动对路面下地埋管换热器换热能力有显著不利影响。在热响应试验中,该影响会随着加热功率的增大而减小。路面下水平串联式地埋管换热器热扩散半径确定为小于0.75 m,建议地埋管安装间距大于1.5 m以防止热干扰。所建数值模型模拟精度良好,可用于路面下水平串联式地埋管换热器换热过程模拟。     

Study of thermal migration and induced mechanical effects in double U-tube energy piles

This paper investigates two geothermal energy piles using thermal response tests (TRTs). A set of parameters including pile wall temperature, ground temperature and strain are monitored at four different depths. The thermally induced mechanical behavior of the energy piles are then analyzed based on the monitoring data.The results show the following: (1) The temperature at the pile wall clearly varies throughout the heating and cooling cycle, and the ground temperature distribution shows a delay compared to the TRT stages. (2) The thermally induced mechanical effects are influenced by both the temperature and restraint conditions.     

Comparison of two different models for pile thermal response test interpretation

Thermal response tests (TRTs) are regularly used to characterise the thermal resistance of borehole heat exchangers and to assess the thermal conductivity of the surrounding ground. It is becoming common to apply the same in situ testing technique to pile heat exchangers, despite international guidance suggesting that TRTs should be limited to hole diameters of 152 mm (6 in.). This size restriction arises from the increased thermal inertia of larger diameter heat exchangers, which invalidates the assumption of a steady state within the concrete needed to interpret the test data by traditional line source analysis techniques. However, new methods of analysis for pile heat exchangers have recently been developed that take account of the transient behaviour of the pile concrete. This paper applies these new methods to data from a multi-stage TRT conducted on a small diameter test pile. The thermal conductivity and thermal resistance determined using this method are then compared with those from traditional analytical approaches based on a line source analysis. Differences between the approaches are discussed, along with the observation that the thermal resistance may not be constant over the different test stages.     

初论工程地质量化预测结论的可靠性

本文首次提出一个新的研究领域-工程地质量化预测(评价)结论的可靠性分析。文中论述了不确定性的来源、种类和可发现性,初步建立了单种方法预测结论的显著性,多种方法预测的综合结论及其可靠性的一套判别方法。在膨胀土边坡坍塌规模预测中的应用表明使用这套方法能明显地提高预测的准确性。     

论动力相似预报的物理基础问题

为了更好地发展动力相似预报的策略和方法,基于非线性动力学成果,综合探讨了动力相似预报的物理基础问题。分析表明,“相似预报—低频流型—可预报性”在物理上存在密切联系,这在统计相似预报和动力相似预报问题中均适用。通过类比集合预报,并对实际大气不同尺度模式预报的个例分析,初步证实了相似初值对应的动力预报结果及其预报误差行为具有相似性。在此基础上,进一步提出三类相似性问题,并归纳了动力相似预报的物理基础：在初始状态相似性持续的情况下,动力预报结果以及预报误差行为具有相似性。     

滑坡灾害预测预报分类

有人主张滑坡灾害的空间和时间预测预报应是并存的,即脱离时间预测预报的空间预测是不可取的。但也有人认为两者可以相互独立而又互为补充。事实上,空间预测是时间预测预报的先决条件,只有在明确了预测的对象之后,方可有目的地开展滑坡灾害的时间预测预报。因而,一般地讲,滑坡灾害空间和时间预测具有先后序次关系。但从减灾的角度考虑,二者又具有相对的独立性。即可以在时间预测之外进行空间预测。目前对滑坡灾害预测预报分类的系统研究不多,所开展的预测预报事例报导基本上属于个例研究。论文将滑坡灾害预测预报分为空间和时间2大类,并进一步将空间预测划分成区域空间预测、地段空间预测和场地空间预测;将时间预测预报划分成长期时间预测、短期时间预测和临滑时间预测预报。文章针对滑坡灾害时间预测预报的特点,对预测预报的信息源进行了分析和分类。并对不同的工程阶段所要预测的滑坡灾害问题进行了分类归纳。