黔张常某隧道TSP技术应用研究及BIM模型建立初探

摘要

铁路在修建过程中，为满足规划设计等要求，经常要穿越地质条件复杂的地区。特别是近些年来，随着施工工艺水平的提高及国家整体规划的需要，隧道工程的施工难度越来越大。在多数情况下，由于地质条件复杂多变，仅依靠地质勘查资料无法满足隧道施工要求，导致隧道在修建的过程中经常发生安全事故，诸如坍塌、突水、突泥等。TSP(Tunnel Seismic Prediction)技术就是专门针对隧道工程可能遇到的多种地质灾害问题设计的预报系统。TSP技术采集方便快捷，不影响施工，可有效探测隧道掌子面前方至少100m的范围，多与其他短距离探测方法配合使用。由于其在中长距离探测上的诸多优势，在工程上得到广泛应用。但在实际探测时，现场情况复杂多变及从业人员技术水平有限，导致探测数据的解译结果有时不能满足施工要求。
　　本研究主要内容包括：⑴通过阐述地震波的分类、传播特性、波动方程、运动学和动力学特性、反射波时距曲线等内容，介绍了TSP技术的工作原理及地震波在岩石介质中的传播特征。⑵以隧道工程中常见的地质病害为基础，建立了断层破碎带、含水溶洞、含水薄层三大类共九个模型，利用有限差分软件Tesseral-2D对模型进行正演模拟，分析每种模型的波场响应特征，横向对比了每类模型的探测效果，分析可能出现误判的情况，为TSP系统的数据解译工作提供理论参考。⑶梳理了TSP系统数据采集、处理和解释整个流程。从原理角度对TSP数据处理的每个步骤进行了详细解释，避免因处理过程不当导致数据解释出现偏差。利用BIM系列软件CATIA初步建立TSP数据的三维地质模型，可视化TSP数据解译结果，可为今后相关工程提供参考。⑷以黔张常铁路某隧道为例，针对病害的实测数据结果进行研究，结合数值模拟中相对应的模型，分析TSP在实际探测的效果。最后总结归纳了TSP超前地质预报的实用性和有效性，并对今后的工作提出建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 隧道超前地质预报研究现状及评述

1．2．1 超前地质预报常用方法概述

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 主要研究内容及思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 TSP技术的基本理论

2．1 地震波的分类

2．2 弹性介质的波动方程

2．2．1 地震波的传播介质

2．2．2 介质的弹性参数

2．2．3 波动方程

2．2．4 纵、横波速比

2．3 地震波的运动学特征

2．3．1 地震波的反射与透射

2．4 地震波动力学特征

2．4．1 地震波的频谱

2．4．2 地震波的振幅

2．5 反射波的时距曲线

2．5．1 水平界面反射波时距曲线

2．5．2 倾斜界面反射波时距曲线

2．6 本章小结

第3章 TSP技术在超前地质预报中的正演研究与分析

3．1 Tessseral-2D模拟软件介绍

3．2 正演模拟分析流程

3．3 计算模型的建立及参数选取

3．4 正演模拟计算结果分析

3．4．1 完整围岩

3．4．2 距掌子面前方50米垂直断层破碎带宽20米

3．4．3 距掌子面前方50米垂直断层破碎带宽5米

3．4．4 距掌子面前方50米倾斜断层破碎带宽20米

3．4．5 距掌子面前方100米垂直断层破碎带宽20米

3．4．6 距掌子面前方50米一直径约5m的含水溶洞

3．4．7 距掌子面前方50米处上方存在一直径约5m的含水溶洞

3．4．8 距掌子面前方50米处存在两直径约5m的重叠含水溶洞

3．4．9 距掌子面前方50米存在宽2米的垂直含水薄层

3．5 本章小结

第4章 TSP系统实测技术及BIM实现

4．1 TSP技术野外采集设计

4．1．1 TSP系统组成

4．1．2 TSP观测系统布置

4．2 TSP技术数据处理

4．3 TSP技术数据解释

4．3．1 地震波波速

4．3．2 不良地质体辨识特征

4．4 TSP技术数据成果在BIM中的实现

4．4．1 BIM应用在铁路地质勘察中的定义

4．4．2 三维地质模型的BIM软件方案

4．4．3 基于BIM应用的隧道三维地质模型的建立

4．4．4 基于BIM应用的TSP数据三维可视化

4．5 本章小结

第5章 黔张常铁路TSP技术应用分析

5．1 Ⅰ号隧道预报应用分析

5．1．1 Ⅰ号隧道概况

5．1．2 预报方案选取

5．1．3 溶洞探测成果分析

5．1．4 巨型溶洞揭示

5．1．5 溶洞处理方案

5．2 Ⅱ号隧道预报应用分析

5．2．1 Ⅱ号隧道概况

5．2．2 预报方案选取

5．2．3 溶洞探测成果分析

5．2．4 溶洞揭示及预报误差分析

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献