Research Progress of Advanced Geological Prediction in Tunnel Construction

SHAO Zhu-shan; ZHANG Peng-ju; ZHANG Zhe; WEI Wei; QIAO Ru-jia

doi:10.11988/ckyyb.20200874

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Journal of Changjiang River Scientific Research Institute ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (1) : 70-77. DOI: 10.11988/ckyyb.20200874

ENGINEERING SAFETY AND DISASTER PREVENTION

Research Progress of Advanced Geological Prediction in Tunnel Construction

SHAO Zhu-shan^1,2,3, ZHANG Peng-ju^1,2, ZHANG Zhe^1,2, WEI Wei^1,2, QIAO Ru-jia^2,3

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Abstract

With the development of tunneling engineering, the number of tunnel projects gradually increase with long distances, deep burial depths, and complicated geological conditions, therefore safety problems of the construction also increase. Advanced geological prediction is a key guarantee for the safety of tunnel construction. Researchers all over the world have carried out theoretical analysis, model simulation and experimental research to improve the accuracy of geological prediction. In this paper we summarize the research progresses of advanced geological forecasting techniques, such as geological analysis methods, seismic wave methods, electromagnetic methods, and electrical methods. We analyze the principles as well as advantages and shortcomings of these methods, and discuss the advanced geological prediction technology within TBM construction process. We propose a comprehensive geological prediction system based on five principles: combining geological survey and geophysical prospecting; combining long, medium and short distances; considering both inside and outside of the tunnel; integrating qualitative and quantitative analysis; incorporating empirical method and expert system analysis. Moreover, we discuss the research focus and future directions with seismic interference method in the purpose of offering reference for promoting the application and development of advanced geological prediction technology in tunnel engineering.

Key words

tunnel engineering / advanced geological forecast / integrated geological forecast method / seismic interferometry / TBM construction

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SHAO Zhu-shan, ZHANG Peng-ju, ZHANG Zhe, WEI Wei, QIAO Ru-jia. Research Progress of Advanced Geological Prediction in Tunnel Construction[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute. 2022, 39(1): 70-77 https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200874

References

[1] 田四明, 巩江峰. 截至2019年底中国铁路隧道情况统计[J]. 隧道建设(中英文):2020,40(2):292-297.
[2] 赵勇, 田四明, 孙毅. 中国高速铁路隧道的发展及规划[J]. 隧道建设, 2017, 37(1): 11-17.
[3] 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策[J].岩石力学与工程学报,2012,31(10):1945-1956.
[4] 李术才, 刘斌, 孙怀凤, 等. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(6): 1090-1113.
[5] 张志龙, 王兰生, 王跃飞. 公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述[J]. 公路交通科技, 2005(增刊2):130-132,140.
[6] 李天斌, 孟陆波, 朱劲, 等. 隧道超前地质预报综合分析方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(12): 2429-2436.
[7] 舒森, 王树栋. 隧道综合超前地质预报方法及应用[J]. 铁道勘察, 2010, 36(4): 80-83.
[8] 肖书安, 吴世林. 复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J]. 工程地球物理学报, 2004(2): 159-165.
[9] 李永志, 田洪义. 综合超前地质预报技术在高黎贡山隧道中的应用[J]. 铁道建筑, 2018, 58(3): 46-49.
[10] 程怀舟. 基于钻机的TBM隧洞施工超前地质预报系统开发研究[D]. 武汉:武汉大学, 2005.
[11] 王利伟, 徐永明. 综合超前地质预报在隧道施工中的应用探讨[J]. 铁道标准设计, 2014, 58(增刊1): 164-167.
[12] ALIMORADI A, MORADZADEH A, NADERI R, et al. Prediction of Geological Hazardous Zones in front of a Tunnel Face Using TSP-203 and Artificial Neural Networks[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(6): 711-717.
[13] 付代光,周黎明,肖国强,等.滤波频带对TSP预报结果影响分析[J].岩土力学,2018,39(增刊2):315-325.
[14] 王树栋.TSP系统在隧道超前地质预报中的问题及其改善处理[J].现代隧道技术,2013,50(3):129-135.
[15] 周黎明, 邱东明, 付代光, 等. TSP 隧道超前地质预报技术及其3D 成果研究与应用[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(10): 72-78.
[16] LIU B, CHEN L, LI S C, et al. A New 3D Observation System Designed for a Seismic Ahead Prospecting Method in Tunneling[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2018, 77(4): 1547-1565.
[17] OTTO R, BUTTON E A, BRETTEREBNER H, et al. The Application of TRT (True Reflection Tomography) at the Unterwald Tunnel[J]. Felsbau, 2002, 20(2): 51-56.
[18] LI S, LIU B, XU X, et al. An Overview of Ahead Geological Prospecting in Tunneling[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2017, 63: 69-94.
[19] 蒋辉,贾超,赵永贵.TST隧道超前预报技术及应用[J].公路隧道,2013(3):59-62.
[20] 周振广, 张美多, 赵吉祥. TST技术在TBM掘进隧洞超前地质预报中的应用[J]. 水利水电工程设计, 2017, 36(4): 38-41.
[21] 白明洲, 田岗, 王成亮, 等. 基于TRT系统的地质构造三维成像技术及其改进方法[J]. 地球物理学报, 2016, 59(7): 2684-2693.
[22] 肖启航, 谢朝娟. TST技术在岩溶地区隧道超前预报中的应用[J]. 岩土力学, 2012, 33(5): 1416-1420.
[23] 钟世航. 陆地声纳法的原理及其在铁路地质勘测和隧道施工中的应用[J]. 中国铁道科学,1995(4):48-55.
[24] 钟世航. 陆地声纳法及其应用效果[J].物探与化探,1997(3):172-179.
[25] 钟世航,孙宏志,李术才,等. 隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(增刊1):3298-3327.
[26] 刘新荣, 刘永权, 杨忠平, 等. 基于地质雷达的隧道综合超前预报技术[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(增刊2): 51-56.
[27] 白冰,周健.探地雷达测试技术发展概况及其应用现状[J].岩石力学与工程学报,2001,20(4):527-531.
[28] 周黎明,付代光,肖国强,等.隧道超前地质预报中的地质雷达波场特征分析与应用[J].长江科学院院报,2018,35(3):92-96.
[29] LI S C, ZHOU Z Q, YE Z H, et al. Comprehensive Geophysical Prediction and Treatment Measures of Karst Caves in Deep Buried Tunnel[J]. Journal of Applied Geophysics, 2015, 116: 247-257.
[30] 岳全贵,张阳,肖国强,等.探地雷达在隧道工程不良地质体超前预报的共同干扰[J].长江科学院院报,2017,34(8):36-40.
[31] 陈松,周黎明,罗士新. 基于隧道超前预报的GPR正演模拟及应用分析[J].长江科学院院报, 2015, 32(9): 128-133,139.
[32] 李貅. 瞬变电磁测深的理论与应用[M]. 西安:陕西科学技术出版社, 2002.
[33] 张乐文,宿传玺,孙怀凤,等.隧道瞬变电磁超前探测去噪方法试验研究与应用[J].岩石力学与工程学报,2018,37(增刊1):3353-3361.
[34] ARAFFA S A S, SABET H S, GAWEISH W R. Integrated Geophysical Interpretation for Delineating the Structural Elements and Groundwater Aquifers at Central Part of Sinai Peninsula, Egypt[J]. Journal of African Earth Sciences, 2015, 105:93-106.
[35] 薛国强, 李貅, 底青云. 瞬变电磁法正反演问题研究进展[J]. 地球物理学进展, 2008(4): 1165-1172.
[36] 孙怀凤, 李貅, 李术才, 等. 考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演[J]. 地球物理学报, 2013, 56(3): 1049-1064.
[37] 李术才, 李树忱, 张庆松, 等. 岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007,26(2): 217-225.
[38] 符嘉望, 陈安, 余绍帆. 隧道超前地质预报技术现状分析及发展趋势[J]. 中国水运(下半月), 2019, 19(1): 210-211.
[39] 李术才, 刘斌, 李树忱, 等. 基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(7): 1297-1309.
[40] 朱劲,李天斌,李永林,等.Beam超前地质预报技术在铜锣山隧道中的应用[J].工程地质学报,2007(2):258-262.
[41] 刘斌.基于电阻率法与激电法的隧道含水地质构造超前探测与突水灾害实时监测研究[D].济南:山东大学,2010.
[42] PARK S K, VAN G P. Inversion of Pole-Pole Data for 3D Resistivity Structure Beneath Arrays of Electrodes[J]. Geophysics,1991,56(7):951-960.
[43] SASAKI Y.3-D Resistivity Inversion Using the Finite-Element Method[J]. Geophysics,1994,59(11):1839-1848.
[44] 刘斌, 李术才, 李树忱, 等. 基于不等式约束的最小二乘法三维电阻率反演及其算法优化[J]. 地球物理学报, 2012, 55(1):260-268.
[45] 刘斌, 李术才, 聂利超, 等. 隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(10): 1866-1876.
[46] CLAERBOUT J F. Synthesis of a Layered Medium from Its Acoustic Transmission Response[J]. Geophysics, 1968, 33(2): 264-269.
[47] RICKETT J, CLAERBOUT J F. Acoustic Daylight Imaging via Spectral Factorization: Helioseismology and Reservoir Monitoring[J]. The Leading Edge, 1999, 18: 957-960.
[48] WAPENAAR C P A,DRAGANOV D,THORBECKE J,et al. Theory of Acoustic Daylight Imaging Revisited[C]//Proceedings of the 72^nd SEG Annual Meeting. Salt Lake City. Salt Lake, USA.October 6-11, 2002: 2269-2272.
[49] SCHUSTER G T. Seismic Interferometric Imaging with Waveforms[R]. Salt Lake City: Utah Tomography and Modeling/Migration Consortium, 1999.
[50] SCHUSTER G T. Theory of Daylight Interferometric Imaging Tutorial[C]//Proceedings of the 63rd Annual International Conference and Exhibition. Amsterdam, The Netherlands. June 11-15, 2001: A32.
[51] 陶毅,符力耘,孙伟家,等.地震波干涉法研究进展综述[J].地球物理学进展,2010,25(5):1775-1784.
[52] 王璐琛, 常旭, 王一博. 干涉走时微地震震源定位方法[J]. 地球物理学报, 2016, 59(8): 3037-3045.
[53] 王德利, 程浩, 朱恒, 等. 基于反褶积算法的地震干涉技术被动源成像[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(6): 1920-1926.
[54] 李博文,王德利,周进举,等.地震干涉技术的三维震源定位方法[J].地球物理学进展,2017,32(6):2460-2465.
[55] 鲁明文. 基于地震波干涉法的时间偏移成像[C]//中国地球物理2013-第二十二专题论文集. 北京:中国地球物理学会, 2013: 62.
[56] 吴丰收, 李静, 花晓鸣, 等. 基于多源地震干涉法的隧道超前地质预报技术数值模拟研究[J]. 现代隧道技术, 2018, 55(3): 92-97.
[57] 吴丰收, 李静, 卢松. 一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法:中国,CN107132571A[P].2017-09-05.
[58] 汪旭, 孟露, 杨刚, 等.隧道超前地质预报多源地震干涉法成像结果影响因素研究[J].现代隧道技术,2019,56(5):58-66.
[59] 钱七虎, 李朝甫, 傅德明. 隧道掘进机在中国地下工程中应用现状及前景展望[J]. 地下空间, 2002(1): 1-11,93.
[60] 苏华友, 张继春, 史丽华. TBM通过不良地质地段的施工技术[J].岩石力学与工程学报,2005(9):1635-1638.
[61] 杨继华, 闫长斌, 苗栋, 等. 双护盾TBM施工隧洞综合超前地质预报方法研究[J]. 工程地质学报, 2019, 27(2): 250-259.
[62] 刘绍宝,张应恩,周如成.超前地质预报在TBM施工中的应用[J].现代隧道技术,2007,44(3):35-41,49.
[63] 钱七虎. 隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向[J]. 隧道建设, 2017, 37(3): 251-263.
[64] 李苍松, 谷婷, 丁建芳, 等. 适合于 TBM 施工的 HSP 声波反射法地质超前预报[J]. 工程地质学报, 2008, 16(增刊1): 111-115.
[65] 李玉波. 三维地震波法超前地质预报在引汉济渭工程TBM施工中的应用[J].水利水电技术, 2017, 48(8): 131-136.
[66] DKHAILI N, BEY S, EL ABED M, et al. Integrated Geophysical and Geological Study and Petroleum Appraisal of Cretaceous Plays in the Western Gulf of Gabes, Tunisia[J]. Tectonophysics, 2015, 658: 1-13.