基于地质雷达的岩溶地区公路隧道超前探测技术研究

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1、分类号:TU410710-2012021064博士学位论文基于地质雷达的岩溶地区公路隧道超前探测技术研究温世儒导师姓名职称杨晓华教授申请学位级别工学博士学科专业名称岩土工程论文提交日期2015年4月30日论文答辩日期2015年6月17日学位授予单位长安大学StudyonAdvancedDetectionTechnologyofHighwayTunnelBasedonGroundPenetratingRadarinKarstAreaADissertationSubmittedfortheDegreeof

2、DoctorCandidate：WenShi-ruSupervisor：Prof.YangXiao-huaChang’anUniversity,Xi’an,China摘要岩溶地区地形地貌变化多样，地质构造复杂多变。在岩溶地区修建公路隧道时，由于地质条件自身及其他各种因素的影响，容易遇到溶洞、断层、暗河、破碎带等不良地质体，并产生涌水、突泥、塌方等施工地质灾害，严重危及施工人员的人身安全，损毁施工机具，制约施工进度和影响施工质量。因此，如何更加有效地对这些不良地质体进行探测识别并采取相应的防控措施，从而

3、减少施工风险、保障施工安全是隧道施工过程中亟待解决的关键技术问题。本文以广西壮族自治区六寨~宜州高速公路28座在建隧道为实际依托，为了提高地质雷达超前探测在岩溶地区公路隧道中的实用性和准确性，采用理论分析、现场实测与数值模拟计算的方法，对不良地质体地质雷达超前探测技术进行了系统研究，主要研究内容与成果如下：1）基于现场地质调查和地质雷达超前探测的结果，划分出了依托工程中存在的三种不良地质体类型，即空腔型溶洞、填充型溶洞和破碎带。2）通过理论分析和现场实测，从电磁损耗和色散出发对地质雷达的探测适用性进行

4、分析研究，提出了适用于地质雷达探测时的围岩含水率取值分布范围。3）根据地质雷达的探测原理，对边墙位置不良地质体和掌子面范围内小目标等不良地质体的现场探测方法进行研究，制订了岩溶地区地质雷达探测原则，给出了具体的测线测点布置型式和探测参数取值。4）在围岩含水率实测数据对比的基础上，采用回归分析的方法，对利用地质雷达进行破碎带围岩含水率预测时TOPP公式中的参数进行了修正，并确定了其取值范围。5）基于实测数据反射振幅和回波频率分布区间的统计分析结果，对回波反射的强弱和回波频率的高低进行界定，给出了其分布区

5、间。6）根据实测数据和理论分析，对空腔型溶洞、填充型溶洞、富水破碎带和风化灰岩等不良地质体在不同含水率下的波形特征进行综合量化分析，提出了与不良地质体相对应的波形特征与判读标准。7）依据图像与信号处理相关理论，采用Contourlet变换和K-MEANS++算法，从电磁反射能量分布、反射振幅与频率特征对应的颜色特征向量出发，对地质雷达的原始剖面特征进行提取分析，给出了基于图像与信号特征的解译判读标准。3D8）采用FLAC软件，对不良地质体的施工安全距离进行了数值分析，得到了溶洞I和破碎带在不同支护条件

6、下的安全距离；基于现场地质调查和地质雷达超前探测，对溶洞和破碎带分布规模的判断方法进行研究，提出了基于地质调查和波形特征的分布规模预估方法；根据止水岩柱破坏理论和围岩松动圈探测，分别建立了涌水量和塌方规模的估算模型并推导了其估算公式，结合国内相关研究成果对灾害等级进行了静态划分。研究成果可为今后岩溶地区公路隧道及相关地下工程的地质雷达超前探测提供有益的参考和借鉴。关键词：岩溶，公路隧道，不良地质体，地质雷达，探测，判读标准IIAbstractThelandformisvariousandthegeol

7、ogicalstructureiscomplexinkarstarea.Duringtheconstruction,becauseofthegeologicalconditionsandotherelements,unfavorablegeologicalbodysuchaskarstcave,fault,undergroundriver,brokenzoneandgeologicalriskssuchaswater-inrush,mud-burst,collapsearehappenedfreque

8、ntly,andendangersthesafetyofstaffandconstructionequipment,alsorestrictstheconstructionprogressandaffectsthequality.Therefore,howtodetecttheunfavorablegeologicalbodyandtakerelatedcountermeasuremoreeffectivelyandreducetheconstructi