Angewandte Forschung zur umfassenden geologischen Vorausvorhersage im Daluoshan-Wasserumleitungstunnel

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9162 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Um die Genauigkeit umfassender fortschrittlicher geologischer Vorhersagemethoden in Tunnelbauprojekten zu untersuchen, wird in diesem Artikel das Daluoshan-Wasserumleitungstunnelprojekt in Wenzhou, Provinz Zhejiang, als Grundlage des Projekts herangezogen, ein typischer Abschnitt des Wasserumleitungstunnels ausgewählt und verwendet Tunnelseismische Tomographie und Bodenradar zur Übertragung seismischer und elektromagnetischer Wellen auf die umgebende Felswand des Tunnels sowie zur Verarbeitung und Interpretation der gesammelten Signalinformationen. Zur Überprüfung werden fortschrittliche Bohrloch- und Bohrtechniken eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die geologischen Vorhersageergebnisse mit den tatsächlich festgestellten Bedingungen übereinstimmen und dass die Vorteile verschiedener Technologien durch fortgeschrittene geologische Vorhersagen genutzt und gegenseitig überprüft werden können, was die Genauigkeit fortgeschrittener geologischer Vorhersagen bei der Anwendung von Wasserumleitungstunneln erheblich verbessern kann Sie dienen als Referenz und Grundlage für spätere Konstruktionen und bieten Sicherheitsgarantien.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung der chinesischen Wirtschaft wurde der Bau von Autobahntunneln, Eisenbahntunneln, Wasserkraftprojekten und beckenübergreifenden Wasserumleitungstunnelprojekten beschleunigt, was zu engen Bauzeitplänen und verkürzten Explorations- und Entwurfszeiten in der Anfangsphase führte. Dies hat dazu geführt, dass für eine detaillierte geologische Erkundung des gesamten Tunnels mit den aktuellen Vermessungsmethoden nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, was es schwierig macht, die Ingenieurgeologie, Hydrogeologie und andere widrige geologische Bedingungen genau und umfassend zu ermitteln1,2. Wenn im eigentlichen Tunnelbauprozess auf Gebiete mit großen geologischen Veränderungen, komplexen Strukturen wie Karst, Spalten und Verwerfungen gestoßen wird, kann es leicht zu geologischen Katastrophen wie Tunnelblockaden kommen, wenn keine entsprechenden Maßnahmen zur Katastrophenvorbeugung und -kontrolle durchgeführt werden , Verformung, Wassereinbruch und Einsturz, die enorme Auswirkungen auf die Eigentumssicherheit der Menschen und den technischen Fortschritt haben können3,4,5,6,7,8,9,10.Um die Sicherheit des Tunnelbaus zu gewährleisten, sind geeignete Mittel erforderlich Erkennen Sie die geologischen Verhältnisse frühzeitig und führen Sie vorbeugende Maßnahmen durch. Als Früherkennungsmethode spielt die erweiterte geologische Vorhersage eine wichtige Rolle, mit der im Voraus Informationen über das umgebende Gestein vor der Ortsbrust gewonnen und die Auswirkungen ungünstiger geologischer Gebiete auf die Sicherheit des Tunnelbaus wirksam verringert werden können11,12,13.

Entsprechend den unterschiedlichen Erkennungsmethoden und -mitteln können die vorhandenen fortschrittlichen geologischen Vorhersagetechnologien für Tunnel in zwei Kategorien unterteilt werden: zerstörende und zerstörungsfreie Erkennung14,15,16,17. Bei der zerstörenden Erkennung wird meist die Methode des Vorbohrens verwendet, bei der Bohrarbeiten an der Tunnelwand durchgeführt werden, die Lithologie und Struktur des umgebenden Gesteins in einem bestimmten Bereich vor der Tunnelwand durch Kernbohrungen analysiert werden und die Vorteile einer hohen Erkennungsgenauigkeit bestehen und intuitive Ergebnisse. Die begrenzte Anzahl an Vorab-Bohrinformationen führt jedoch zu hohen Kosten, einem geringen Erkennungsbereich und einer geringen Repräsentativität der Ergebnisse. Da diese Methode außerdem an der Tunnelaushubfläche durchgeführt wird, wirkt sie sich auch auf den Fortschritt des Tunnelbaus aus18,19, was eine breite Verbreitung erschwert. Zerstörungsfreie Erkennungstechnologien sind vielfältiger, wie z. B. geologische Oberflächenuntersuchungen auf der Grundlage geologischer Aufschlüsse an der Oberfläche und geologischer Strukturen in Forschungsgebieten, geologische Vorhersagen von Tunnelbaumaschinen auf der Grundlage von Parametern wie der Geschwindigkeit des Bohrkopfs der Schildmaschine, dem Drehmoment des Bohrkopfs, dem Schub und der Vortriebsgeschwindigkeit20,21, 22 und geophysikalische Nachweismethoden basierend auf Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften und strukturellen Unterschieden des umgebenden Gesteins23,24,25. Unter ihnen ist die fortschrittliche geologische Vorhersagetechnologie für Tunnel, die auf geophysikalischen Erkennungsmethoden basiert, aufgrund ihrer Vorteile einer schnellen Erkennungsgeschwindigkeit und eines großen Erkennungsbereichs ein wirksames Mittel und eine Hauptmethode zur Führung von Tunnelbaumethoden, zur Reduzierung geologischer Tunnelkatastrophen und zur Gewährleistung eines normalen Tunnelbaus. und niedrige Erkennungskosten.

Es gibt viele geologische Tunnelvorhersagetechnologien, die auf geophysikalischen Methoden basieren, wie zum Beispiel die geologische Tunnelvorhersagetechnologie Transient Electromagnetic Method (TEM). Diese Methode basiert auf den Unterschieden in den elektrischen und magnetischen Eigenschaften anomaler Körper. Ein gepulstes Magnetfeld wird von einem nicht geerdeten Schleifengerät oder einer geerdeten Leitungsquelle an der Tunnelwand oder der Ortsbrust ausgesendet. Der leitfähige geologische Körper im Zielgebiet induziert unter dem Einfluss des gepulsten Magnetfelds ein Sekundärfeld. Die Erkennung wasserreicher Gebiete erfolgt durch die Analyse dieses Sekundärfelds26,27,28. Die geologische Radarmethode ist auch eine weit verbreitete fortschrittliche geologische Vorhersagetechnologie. Diese Methode wird in der Ortsbrust und der Tunnelwand angewendet und nutzt hochfrequente elektromagnetische Wellen, die von der Bodenradarantenne ausgesendet werden. Die Erkennung unerwünschter anomaler Körper wie Bruchzonen und wasserreicher Gebiete erfolgt auf Grundlage der unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten der anomalen Zielkörper. Aufgrund der Dämpfung elektromagnetischer Wellen ist der Erkennungsbereich dieser Technologie jedoch in praktischen Anwendungen relativ gering29,30,31. Die Infrarot-Erkennungsmethode, die auf dem Unterschied in den radioaktiven Emissionen anomaler Körper basiert, ist eine berührungslose Erkennungstechnologie. Es erkennt wasserhaltige geologische Körper in einem Umkreis von 30 m vor der Ortsbrust, indem es die Infrarotfeldveränderungen identifiziert und analysiert, die durch die Strahlung der umgebenden Gesteinsmasse entstehen. Im Bauprozess von Tunneln gibt es verschiedene Metallkomponenten wie Stahlrohrstützen und Gerüste, die die Anwendung der geophysikalischen Methoden, die auf elektrischer und elektromagnetischer Detektion basieren, beeinträchtigen32. Während die Infrarot-Detektionstechnologie weniger Auswirkungen auf den Tunnelbau hat, werden ihre Erkennungsgenauigkeit und Ergebnisse stark von der Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Erkennungsumgebung beeinflusst und sind außerdem empfindlich gegenüber externen Störungen.

Die seismische Erkennungstechnologie identifiziert Anomalien an der Vorderseite der Tunnelwand, indem sie Unterschiede in der Gesteinsdichte, -geschwindigkeit und -struktur erkennt. Es bietet die Vorteile einer hohen Erkennungsgenauigkeit, eines großen Erkennungsbereichs und einer geringen elektromagnetischen Störung durch Metallrohrleitungen. Es ist derzeit die wichtigste Technologie für hochpräzise geologische Vorausvorhersagen in Tunneln33,34,35,36. Allerdings ist die Energie der Quellwelle, die vom Schneidkopf erzeugt wird, der die Gesteinsmasse schneidet, schwach, und die effektive Signalenergie, die in dem an der Oberfläche empfangenen Einzelschuss enthalten ist, ist schwach, was die Identifizierung erschwert. Außerdem ist es schwierig, eine kontinuierliche Quellwellenanregung zu erreichen, die für die seismische Erkennung in Tunneln unerlässlich ist. Infolgedessen ist die Zuverlässigkeit der Verarbeitungsergebnisse einer kleinen Menge seismischer Signale schlecht. Um die Erkennungsauflösung zu verbessern, erfordern seismische Interferenzmethoden außerdem normalerweise eine Entfaltungsverarbeitung der an der Oberfläche empfangenen Signale unter Verwendung der Quellwellensignale. Die Bildgebungsergebnisse von Anomalien werden stark vom Signal-Rausch-Verhältnis und der Phasenverzögerung der Quellwellensignale beeinflusst.

Basierend auf den oben genannten Problemen führt dieser Artikel Untersuchungen zur fortschrittlichen geologischen Vorhersagetechnologie für Tunnel durch, die auf seismischer Erkundung basiert. Angesichts der geologischen Komplexität, der langen Route und der großen Versenkungstiefe des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels werden umfassende, fortgeschrittene geologische Vorhersagen verwendet, um die geologischen Bedingungen der umgebenden Felsen vor der Tunnelwand zu ermitteln. Beim Wasserumleitungstunnelprojekt werden hauptsächlich zwei geophysikalische Explorationstechnologien eingesetzt, TST und Ground Penetrating Radar (GPR), und zur Überprüfung werden fortgeschrittene Sprenglöcher und fortgeschrittene Bohrungen eingesetzt. Abschließend wird die Wirkung umfassender fortgeschrittener geologischer Vorhersagen analysiert und untersucht.

Der Daluoshan-Wasserumleitungstunnel ist eine wichtige Wasserversorgungsleitung für das westliche Wasserkraftwerk in Wenzhou und erstreckt sich über die Bezirke Ouhai und Longwan. Er verläuft durch das Daluo-Gebirge mit einer Tunnellänge von etwa 8,3 km und einer Nettohöhe von etwa 6,9 m und bildet eine torartige Form. Der Tunnel liegt etwa 400 m vom nahegelegenen Tianhe East Reservoir entfernt, mit einem Höhenunterschied von etwa 310 m zwischen dem Reservoirboden und der Tunneloberseite. Der Tunnel ist tief vergraben und enthält reichlich Wasser.

Geologischen Untersuchungen und technischen Bohrungen zufolge umfassen die Hauptschichten des Tunnelabschnitts quartäre Schichten: die Jiuliping-Formation aus dem Oberjura (J3j), die Xishantou-Formation aus dem Oberjura (J3x) und Intrusivgestein. Quartäre Schichten: Erosions- und Akkumulationsschichten aus Meeres-, Resthang- und Schwemmfächern.

Die geologischen Bedingungen des Tunnelprojekts sind relativ komplex. Der Tunnel verläuft durch Hügel und Berge und die umliegenden Felsformationen sind sehr unterschiedlich. Dazu gehören porphyrischer Granit, Rhyolith, Glastuff, Quarz-Feldspat-Porphyr, Andesit und Granit, die alle zu den Hartgesteinen gehören. Die Gesteinsmasse am Tunneleingang und -ausgang weist hauptsächlich die Güteklasse V bis IV auf, während die Gesteinsmasse im Inneren des Tunnels hauptsächlich der Güteklasse II bis III entspricht, wobei die gebrochenen und verbundenen Zonen der Güteklasse V bis IV angehören. Im Tunnelbereich gibt es regionale Brüche, darunter die nordöstlich verlaufende Wenzhou-Zhenhai-Verwerfung, die Taishun-Huangyan-Verwerfung und die nordwestlich verlaufende Chun'an-Wenzhou-Verwerfung. Im Tunnelbereich sind Strukturfugenrisse des Grades IV entstanden, die hauptsächlich in nordöstlicher und nordwestlicher Richtung verlaufen und Neigungswinkel von 75° bis 85° aufweisen. Die Klüfte sind leicht geöffnet und geschlossen, mit einem Abstand von 0,5 bis 1 m in der Nähe der intrudierten Gesteinsmasse und einem Abstand von 0,1 bis 0,2 m in der Nähe des lokalen dichten Bereichs. Die Rissoberflächen sind gerade und enthalten Eisen- und Manganmineralien. In dem Gebiet ist eine Verwerfung F1 entstanden, die den Tunnel in einem Winkel von etwa 26° kreuzt und eine Streichrichtung von 228°∠ 80° bis 85° aufweist. Die Verwerfung ist etwa 6,1 km lang und weist eine Bruchbreite von 5 bis 10 m auf. Das Gestein auf beiden Seiten der Verwerfung ist zerkleinert und weist Klüfte auf, und die Gesteinsmasse ist zerbrochen. Die regionale geologische Strukturkarte ist in Abb. 1 dargestellt.

Regionale geologische Struktur.

Derzeit sind die in China gebräuchlichsten Methoden für fortgeschrittene geologische Vorhersagen hauptsächlich in Vorhersagemethoden für technische geologische Analysen, geophysikalische Explorationsmethoden und fortgeschrittene Bohrmethoden basierend auf den verschiedenen verwendeten Instrumenten unterteilt. Die geophysikalische Explorationsmethode umfasst verschiedene Technologien wie Sonar, hochdichte elektrische Methode, transiente elektromagnetische Methode, seismische Reflexionswellenmethode und geologische Radarmethode, wie in Tabelle 1 gezeigt. In dieser Studie wird eine Kombination aus TST- und geologischen Radartechniken für verwendet Lange und kurze Distanzen wurden in Verbindung mit fortgeschrittenen Sprenglöchern und fortgeschrittenen Bohrungen zur Verifizierung und Validierung der Vorhersagemethode verwendet.

Prinzip

Die Tunnelseismische Tomographie ist eine fortschrittliche geologische Vorhersagetechnologie für Langstreckentunnel. Das Prinzip besteht darin, die künstliche seismische Quelle zu nutzen, die beim Tunnelaushub erzeugt wird. Die seismischen Wellen breiten sich über Streuung, Brechung, Reflexion und andere vielfältige Moden durch die Untergrundmedien aus. Schließlich werden die reflektierten Wellen von den Empfängern am Boden empfangen. Durch Bildgebung auf Basis der empfangenen reflektierten Wellen und des vorgegebenen geologischen Modells können geologische Strukturinformationen gewonnen werden. Es ist auch in Abb. 2 zu sehen.

Das Prinzipschaltbild des TST-Systems.

Erfassung und Verarbeitung

Das TST-Beobachtungssystem in dieser Studie verwendete einen Empfängerabstand von 4 m, um die Fläche des Abschnitts K2 + 022 zu testen, wie in Abb. 3 dargestellt. Die wichtigsten Details werden wie folgt beschrieben.

In den Innenwänden sind acht Empfänger angebracht, vier auf jeder Seite, mit einem Abstand von 4,0 m und einer Vergrabungstiefe von 1,8 m.

In den Innenwänden sind acht elektrische Funkenquellenlöcher angeordnet, vier auf jeder Seite. Das erste Quellloch auf jeder Seite befindet sich 4 m vom nächsten Empfänger entfernt, und die anderen drei sind 16 m voneinander entfernt, mit einer Versenkungstiefe von 1,8–2,0 m.

Sowohl die Empfängerlöcher als auch die Quelllöcher werden mit einer Handbohrmaschine mit einem Bohrerdurchmesser von ø60 gebohrt.

Die Schlammkupplung und -abdichtung von Wasserwerfern wird übernommen.

Aufbau des TST-Beobachtungssystems.

Die vom TST gesammelten Daten werden vorverarbeitet, um Einzelschussverarbeitungsergebnisse zu erhalten, wie in den Abbildungen dargestellt. 4 und 5. Anschließend werden die Abbildung der seismischen Wellenwanderung und die Geschwindigkeitsanalyse durch eine Reihe von Verarbeitungsschritten erhalten, einschließlich der Eingabe der geometrischen Standortparameter, der Wellenfeldtrennung, der Kürzung, der Mehrpunktverstärkung und der Spurnormalisierung. Abschließend erfolgt eine geologische Interpretation. Der spezifische Prozess von TST ist in Abb. 6 dargestellt.

Typische Single-Shot-Aufnahme nach der Bearbeitung.

Typische Aufzeichnung nach Wellenlängentrennung.

Datenverarbeitungsablauf des TST-Systems.

Bodenradar (GPR) ist eine fortschrittliche geologische Vorhersagetechnologie für Tunnel mit kurzer Reichweite. Sein Prinzip besteht darin, hochfrequente elektromagnetische Wellen auszusenden, die in den Boden eingeleitet werden. Wenn die elektromagnetischen Wellen auf Grenzflächen von Medien oder Substanzen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten treffen, treten Phänomene wie Reflexion, Transmission und Brechung auf. Durch den Empfang, die Aufzeichnung und die Verarbeitung dieser Signale können Rückschlüsse auf die Eigenschaften und die Struktur unterirdischer Medien gezogen werden, wie in Abb. 7 dargestellt.

Das Prinzip der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen durch Bodenradar.

In diesem Artikel wurde das Ground Penetrating Radar (GPR) verwendet, um Daten aus dem Abschnitt K2 + 062 zu sammeln, und es wurden lineare reziproke Punkterkennungsscans auf der Felsoberfläche durchgeführt. Die Daten werden durch Verfahren wie Datenbearbeitung, Nullpunktkorrektur, Hintergrundentfernung, Entfernung horizontaler Signale, Bandpassfilterung, gleitende Mittelwertbildung und Verstärkungsanpassung verarbeitet, um die Profilergebnisse der Position der GPR-Vermessungslinie zu erhalten.

Während des Punktmessvorgangs des geologischen Radars ist es erforderlich, dass die Antenne fest an der Oberfläche der Kopplungsfläche befestigt ist, um die Auswirkungen mehrerer Reflexionswellen zwischen Luft und Gesteinsmassen zu reduzieren. Die Messung nach der Sprengung ist aufgrund verschiedener Faktoren wie Unebenheiten der Handflächenoberfläche und der Anwesenheit von Aushubgeräten und Stromleitungen im Tunnel schwierig. Im Allgemeinen wird ein Punktmessmodus mit einem Abstand von 10–15 cm zwischen zwei Messpunkten gewählt, wobei mindestens 80 Punkte empfohlen werden, um die bildgebende Auswertbarkeit der Messdaten im späteren Stadium sicherzustellen. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Faktoren im Tunnel, wie z. B. Aushubausrüstung und Stromleitungen, wird eine Vergleichs- und Überprüfungsmessung mithilfe einer Zwei-Wege-Messung durchgeführt. Der Verarbeitungsablauf geologischer Radardaten ist in Abb. 8 dargestellt.

Datenverarbeitungsablauf von GPR.

Der Testabschnitt erstreckt sich von Station K2 + 22 bis K2 + 122 des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels. Nach den Ergebnissen der ingenieurgeologischen Untersuchung besteht die Hauptlithologie dieses Abschnitts aus Porphyrit, porphyritischem Andesit und kristallinem, tuffhaltigem, geschweißtem Tuffstein, bei denen es sich allesamt um hartes Gestein handelt. Einige Gebiete enthalten Kies und pulverförmigen Ton. Das umgebende Gestein des Tunnelabschnitts ist hauptsächlich vom Grad II–III, mit dichten Kluftzonen vom Grad V–IV und schwachen und fragmentierten Gesteinsmassen. Der Tunnelwandfelsen des Abschnitts K2 + 077 besteht hauptsächlich aus Tonstein und Schluffstein, wobei das verwitterte Grundgestein das Hauptfundament darstellt. Die Gesamtstabilität ist relativ gut, die Felsmasse ist schwach verwittert und die Klüfte sind entwickelt und eingebettet und wirken fragmentiert. Die Fugen sind leicht offen und geschlossen, mit einem Abstand von 0,3 bis 1 m und einer Ausdehnung von mehr als 2 m, und es kommt zu lokalen Versickerungsphänomenen, wie in Abb. 9 dargestellt. Entsprechend den Standortbedingungen führt TST die geologische Vorhersagemethode voran, geologisch In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die Radarmethode und die erweiterte geologische Sprenglochmethode zur geologischen Vorausvorhersage verwendet.

K2 + 077 Schnittfläche.

Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse der Offset-Bildgebung der erweiterten geologischen Vorhersage für die Abschnitte K2 + 022 bis K2 + 122 des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels. Das linke Ende der horizontalen Achse stellt den Startpunkt der Gesichtskilometerzahl dar. Die vertikale Achse der versetzten Abbildung stellt die Breitenrichtung des Tunnels dar. Die roten und blauen Streifen im vertikalen Wellenversatzbild stellen Zonen mit lithologischen Veränderungen dar. Rot zeigt an, dass die Gesteinsmasse härter geworden ist und die Wellengeschwindigkeit zugenommen hat, während blaue Streifen das Gegenteil anzeigen. Abwechselnde rote und blaue Streifen weisen darauf hin, dass die Integrität des umgebenden Gesteins in diesem Abschnitt relativ schlecht ist und es möglicherweise eine Bruchzone oder eine schwache Zwischenschicht gibt.

Bildgebung der seismischen Wellenwanderung.

Die Verteilung der gesteinsmechanischen Eigenschaften spiegelt sich in der Verteilung der Wellengeschwindigkeit der Gesteinsmasse wider. Eine hohe Wellengeschwindigkeit weist auf eine intakte Gesteinsmasse mit hohem Elastizitätsmodul hin, während eine niedrige Wellengeschwindigkeit auf gebrochene Gesteinsmasse mit niedrigem Elastizitätsmodul hinweist. Das Wellengeschwindigkeitsbild stimmt gut mit dem geologischen Strukturbild überein. Im Strukturversatzbild deuten die Bereiche mit dichten Reflexionsstreifen auf komplexe Strukturen und entwickelte Tektonik hin, die Zonen mit niedriger Wellengeschwindigkeit im Wellengeschwindigkeitsbild entsprechen. während Bereiche mit wenigen Strukturstreifen auf eine gleichmäßige und dichte Gesteinsmasse hinweisen, was Zonen mit hoher Wellengeschwindigkeit im Wellengeschwindigkeitsbild entspricht. Gemäß der Analyse der Wellengeschwindigkeit (wie in Abb. 11 dargestellt), der Variation umfassender physikalischer und mechanischer Parameter des umgebenden Gesteins (wie in Abb. 12 dargestellt), der Reflexionsoberflächen-Extraktionskarte (wie in Abb. 13 dargestellt), In Kombination mit den geologischen Daten kann der Schluss gezogen werden, dass die geologische Situation innerhalb von 100 m vor der Tunnelbrust grob in drei Abschnitte unterteilt werden kann, wie unten beschrieben.

Die Analyse der P-Wellengeschwindigkeit.

Der Trend der Variation der physikalischen und mechanischen Gesteinsparameter im Testabschnitt.

Reflexionsoberflächen-Extraktionskarte.

Abschnitt „Einführung“: 0 ~ 10 m (K2 + 022K2 + 032)

Die Länge des umgebenden Gesteins in diesem Abschnitt beträgt 10 m, mit einer Längswellengeschwindigkeit von 3800 m/s und geringer Festigkeit. Das versetzte Bild zeigt eine dichtere Kombination aus roten und blauen Streifen, die vermutlich von der Entlastungszone in der Nähe der Ortsbrust beeinflusst wird. Die Integrität des umgebenden Gesteins ist schlecht und seine Fähigkeit zur Selbststabilisierung ist schwach. Es wird empfohlen, das umgebende Gestein zu verstärken und auf herabfallende Blöcke oder Einstürze zu achten, die durch Gesteinssplitter während des Baus verursacht werden.

Abschnitt „Ingenieurwissenschaftlicher Hintergrund“: 10 ~ 30 m (K2 + 032 K2 + 052)

Die Länge des umgebenden Gesteins beträgt in diesem Abschnitt 20 m und die Geschwindigkeit der Längswellen steigt auf 4400 m/s, was eine höhere Festigkeit als im vorherigen Abschnitt aufweist. Das versetzte Bild zeigt in diesem Abschnitt etwas weniger rote und blaue Streifen, was darauf schließen lässt, dass die Verbindungsrisse im umgebenden Gestein weniger entwickelt sind und es sich bei dem Gesteinstyp um leicht verwittertes, fleckiges Gestein mit besserer Integrität handelt.

Abschnitt „Überprüfung und Einführung fortgeschrittener geologischer Vorhersagetechniken“: 30 ~ 100 m (K2 + 052 K2 + 122)

Die Länge des umgebenden Gesteins in diesem Abschnitt beträgt 70 m, mit einer Längswellengeschwindigkeit von 3900–4100 m/s und einer geringeren Festigkeit als im vorherigen Abschnitt. Das versetzte Bild zeigt eine Zunahme der Anzahl roter und blauer Streifen. In einer Tiefe von 50–70 m gibt es abwechselnd rote und blaue Streifen, was auf eine höhere Wahrscheinlichkeit der Existenz von Bruchzonen oder schwachen Zwischenschichten im umgebenden Gestein mit schlechter Integrität hinweist. Es wird empfohlen, das umgebende Gestein zu verstärken und auf herabfallende Blöcke oder Einstürze zu achten, die durch Gesteinssplitter während des Baus verursacht werden.

Die obigen Ergebnisse können in einer Tabelle dargestellt werden, wie in Tabelle 2 dargestellt.

Das Radarprofil ist die Grundlage für die Interpretation geologischer Radardaten. Solange es elektrische Unterschiede im Medium vor der Störungsoberfläche gibt, sind entsprechende Reflexionswellen im Radarprofil zu finden.

Die Erkennung des Radarprofils hängt hauptsächlich von der Identifizierung der gemeinsamen Phasenachse von Reflexionswellengruppen mit denselben Eigenschaften ab. Im Allgemeinen spiegelt die Wellenform der tektonischen Störungszone auf dem Radarprofil eine Kurve wider, die dem Trend der Störungszone ähnelt. Die Wellenform der Schwachschicht- und Karsthöhlen besteht im Allgemeinen aus vielen kleinen Parabeln, die eine größere Fläche bilden, und es gibt erhebliche Unterschiede zu den umgebenden Wellenformen. Die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass geologisches Radar abnormale Situationen wie Wasser, Karsthöhlen und Verwerfungszonen vor der Verwerfungsoberfläche gut widerspiegelt, der Vorhersagebereich jedoch relativ verkürzt ist. Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser 81 beträgt, wird die Energie elektromagnetischer Wellen in großen Mengen vom Wasser absorbiert und der Erfassungsabstand wird relativ verkürzt. Der Energieverbrauch der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Formation ist ebenfalls sehr hoch, was auch einen gewissen Einfluss auf die Erkennungsentfernung hat. Neben dem Auffinden offensichtlicher Signalanomalien auf dem Radarprofil erfordert die Interpretation des Radarbildes auch die Berücksichtigung der geologischen Bedingungen der Baustelle der Verwerfungsoberfläche und eine umfassende Beurteilung auf der Grundlage geologischer Kenntnisse.

Die Abbildungen 14 und 15 zeigen die Ergebnisse der geologischen Radaruntersuchung mit Farbprofil und Graustufenstapel. Basierend auf der Beobachtung von Signaleigenschaften wie der Variation der Wellenamplitude und der Homogenitätsachse ist ersichtlich, dass dieser Abschnitt eine hohe Amplitude, eine diskontinuierliche Homogenitätsachse und offensichtliche Eigenschaften mit hoher Amplitude aufweist, was darauf hinweist, dass es gut entwickeltes Grundwasser und gebrochenes umgebendes Gestein gibt im Messbereich vor der Ortsbrust. Basierend auf einer umfassenden Analyse der Gesteinsfreilegungssituation werden die geologischen Verhältnisse zwischen K2+062 und K2+087 ermittelt und die Analyseergebnisse in Tabelle 3 dargestellt.

Farbergebniskarte des Profils.

Profil-Graustufen-Stapelbild.

Während der Erkundung wurde die Messleitung 1 m über dem Boden angebracht. Die Oberfläche der Tunnelwand war uneben, was dazu führte, dass das Radar während des Ziehvorgangs einen Sprung machte und verhinderte, dass es eng am umgebenden Gestein anhaftete. Dadurch wurde die Aussendung und der Empfang der Radarsignale stark beeinträchtigt. Um die Qualität und Sicherheit des Baus zu gewährleisten, wird empfohlen, die Entstehung von Rissen im den Tunnel umgebenden Gestein auf der Grundlage relevanter geologischer Daten umfassend zu analysieren und zu bewerten.

Durch die Kombination zweier fortschrittlicher geologischer Vorhersagemethoden wird eine umfassende geologische Vorhersage für den Abschnitt K2 + 22 ~ K2 + 122 des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels erstellt. Die Vorhersageergebnisse sind in Tabelle 4 zu sehen.

Basierend auf der umfassenden geologischen Vorhersage ist der umgebende Gesteinszustand des Abschnitts K2 + 065 ~ K2 + 077 des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels schlecht, das Gestein ist relativ fragmentiert, es bilden sich Risse und Wasser im Grundgestein und die Selbststabilisierung Fähigkeit ist schwach. Es kann eine wasserreiche Bruchzone geben, daher sollten während des Baus Schutzmaßnahmen ergriffen werden, um Wassereinbrüche und andere Unfälle zu verhindern, und die Entwässerungsarbeiten sollten gut durchgeführt werden. Der nächste Schritt besteht darin, die Überlappungslänge der erweiterten Vorhersage streng zu kontrollieren, die Aufnahmen des Sprengzyklus während des Bohr- und Sprengbaus zu reduzieren und nach dem Aushub eine rechtzeitige Ankerunterstützung vorzunehmen, um Gesteinsinstabilität und -einsturz zu verhindern.

Der Tunnelaushub hat die Ortsbrust am Eingang des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels in der Entfernung K2 + 065 erreicht. Vorabbohrungen wurden durchgeführt, um die Genauigkeit der geophysikalischen Explorationsergebnisse zu überprüfen. Den Bohrungen vor der Ortsbrust und den tatsächlichen Aushubbedingungen zufolge erwies sich das umgebende Gestein des Tunnels von K2 + 065 bis K2 + 077 (wo Felsanker installiert wurden) als sehr gebrochen, wie in Abb. 16, und es fielen Felsblöcke vom Bogen. Darüber hinaus gab es im Tunnel viele wasserführende Kluftzonen und der Wasserzufluss war relativ groß. Auch nach der ersten Felsverankerung kam es immer noch zu Wassereinbrüchen im Tunnel. Die Ergebnisse der geologischen Vorabvorhersage stimmten mit der tatsächlichen Situation überein. Daher ist ersichtlich, dass der umfassende Einsatz von TST, Bodenradar, Vorfeldbohrungen und anderen geophysikalischen Methoden zur Vorfelderkundung des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels widrige geologische Bedingungen im Vorfeld effektiv erkennen kann die Tunnelrichtung.

Aushub der Bankfront bei K2 + 077 im Gelände.

Basierend auf dem Fall der fortgeschrittenen geologischen Vorhersage für den Daluoshan-Wasserumleitungstunnel wurde eine umfassende fortschrittliche geologische Vorhersagemethode für Tunnel entwickelt, die eine klare und vollständige geologische Analyse mit Langstrecken- und Kurzstreckenvorhersagen kombiniert und die Effizienz verbessern kann Zuverlässigkeit von Vorhersagen, Bereitstellung von Dienstleistungen für den Ingenieurbau.

Basierend auf geologischen Untersuchungen und Analysen sowie der Verarbeitung und Interpretation fortgeschrittener geologischer Vorhersagedaten über lange und kurze Entfernungen, der rechtzeitigen Überprüfung schädlicher geologischer Körper vor der Ortsbrust durch fortschrittliche Bohr- und Sprengmethoden und der Identifizierung potenzieller geologischer Gefahren. Die komplementären Vorteile dieser Erkennungsmethoden verbessern nicht nur die Genauigkeit fortgeschrittener geologischer Vorhersagen, sondern gewährleisten auch die Sicherheit des Tunnelbaus.

Der umfassende Arbeitsmodus für fortgeschrittene geologische Vorhersagen basiert auf „Analyse-Vorhersage-Methode 1, Vorhersage-Methode 2, Vorhersage-Methode 3 und Überprüfung-Vorhersage-Methode 4 und Prüfzusammenfassung“. Ziel ist es einerseits, die Genauigkeit der Vorhersageergebnisse zu verbessern, andererseits wird das Vorhersageniveau durch kontinuierliche Überarbeitung und Ergänzung der Vorhersagemethoden ständig verbessert.

Verschiedene Methoden der fortgeschrittenen geologischen Vorhersage haben unterschiedliche Interpretationsprinzipien. Durch den Einsatz verschiedener geologischer Vorhersagemethoden zur weiteren Interpretation und kontinuierlichen Verifizierung und Validierung kann die Interpretation ständig überarbeitet und verbessert werden. Mit zunehmender Ingenieurspraxis werden die Ergebnisse genauer.

Basierend auf geologischen Beobachtungen und Analysen sowie der Verarbeitung und Interpretation fortgeschrittener geologischer Vorhersagedaten über große und kurze Entfernungen wird eine zeitnahe Überprüfung durch fortschrittliche Bohr- und Sprengtechniken durchgeführt, um ungünstige geologische Bedingungen wie Gesteinsfragmentierung, Verwerfungen und Wasserführung zu identifizieren Bruchzonen vor der Tunnelbrust. Mögliche geologische Gefahren und Katastrophenarten werden ermittelt und Vorschläge für sichere Baumaßnahmen gemacht. Abbildung 17 zeigt eine Reihe fortschrittlicher Vorhersagetechniken und -verfahren, die auf den Wasserumleitungstunnel Wenzhou Daluoshan anwendbar sind und auf der oben genannten fortschrittlichen geologischen Vorhersagetechnologie basieren.

Prozessablauf fortschrittlicher Vorhersagetechnologie.

(1)Fortgeschrittene Bohrmethode

①Während des Bohrvorgangs sollte eine dynamische Steuerung und Verwaltung durchgeführt werden. Um den Vorhersagezweck zu erreichen, sollte das Prinzip der Echtzeitanpassung der Bohrtiefe entsprechend den Bohrlochbedingungen befolgt werden.

②Wenn kontinuierliches Bohren erforderlich ist, können in der Regel 30–50 m pro Zyklus gebohrt werden, bei Bedarf können auch tiefe Bohrlöcher von mehr als 100 m gebohrt werden.

③Für verschiedene Abschnitte und Zwecke werden unterschiedliche Bohrtiefen verwendet.

④Für eine kontinuierliche Vorhersage sollten sich die beiden vorderen und hinteren Bohrlochzyklen um 5–8 m überlappen.

(2)Fortgeschrittene Bohrlochsprengmethode.

Für jede Sprenglochreihe werden je nach Bedarf 3–10 tiefe Sprenglöcher mit einer Länge von 5 m angeordnet und in Sonderabschnitten entsprechend erhöht. Sie werden hauptsächlich um die Kontur herum angeordnet und mit einem Neigungswinkel von 30–40° nach außen eingesetzt, um die Schichten und das Grundwasser vor der Kontur vorherzusagen.

(3) TST Erweiterte geologische Vorhersagemethode.

①Die Anordnung der Schusspunkte und Geophone sollte den Anforderungen der Wellengeschwindigkeitsanalyse, der Richtungsfilterung und der Reduzierung der Interferenz von Oberflächenwellen genügen.

②Die Geophone sollten korrekt installiert werden, um die Qualität seismischer Wellen sicherzustellen.

③Die Schusspunkte sollten fest installiert und ordnungsgemäß abgedichtet sein, um die Effizienz der seismischen Wellenanregung sicherzustellen.

④Die Strahlmaschine und die Auslöseleitung sollten in gutem Kontakt sein, um eine korrekte Datenaufzeichnung zu gewährleisten.

⑤Die Messung und Aufzeichnung vor Ort sollte genau sein, um die Berechnungsgenauigkeit sicherzustellen.

(4) Bodenradarmethode

①Der Betriebsraum des GPR-Systems sollte gewährleistet sein und Störungen in der Nähe sollten vermieden werden.

②Die Verbindungsleitungen und Schaltkreise sollten in gutem Kontakt stehen und angemessen angeordnet sein, um einen normalen Datenempfang zu gewährleisten.

③Geeignete und hochwertige Materialien und Geräte sollten richtig ausgewählt und installiert werden.

④Der Empfänger sollte eng mit der Bohrlochwand verbunden sein, um einen korrekten Empfang zu gewährleisten.

Am Beispiel des fortgeschrittenen geologischen Vorhersageprojekts des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels wurde die Machbarkeit einer fortgeschrittenen geologischen Vorhersage durch Beobachtungen der inneren und äußeren Tunnelbedingungen auf der Grundlage einer umfassenden geologischen Untersuchung und Analyse sowie der Nutzung verifiziert und validiert zwei Arten geophysikalischer Explorationstechniken (TST und geologisches Radar), die auf große und kurze Entfernungen kombiniert wurden. Die fortgeschrittene geologische Vorhersage wurde auch durch den Einsatz fortgeschrittener Sprenglöcher und fortgeschrittener Bohrungen verifiziert und validiert. Die folgenden Schlussfolgerungen wurden gezogen.

Um die geologischen Bedingungen vor der Ortsbrust während des Baus des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels zu berücksichtigen, wurde eine Kombination aus der seismischen Wellenreflexionsmethode TST, der Bodenradarmethode und fortschrittlichen Bohrlochmethoden verwendet, um umfassende fortgeschrittene geologische Vorhersagen durchzuführen. Die typischeren Abschnitte wurden für die Analyse ausgewählt und die ungünstigen geologischen Körper vor der Ortsbrust des Daluoshan-Wasserumleitungstunnels wurden erfolgreich vorhergesagt.

Die Verwendung einer einzigen Methode zur erweiterten geologischen Erkennung im Feld kann aufgrund großer Entfernungen und Energiedämpfung zu einem teilweisen Signalverlust und einer ineffektiven Vorhersage führen. Daher ist eine Kombination von Vorhersagemethoden für große und kurze Entfernungen erforderlich, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern, mit gegenseitiger Verifizierung und Validierung durch den Einsatz fortschrittlicher Bohrlöcher oder Bohrtechniken. Dieser Ansatz bietet eine effektive Lösung für die erweiterte Tunnelvorhersage.

Die Zusammenfassung der Vorhersage geologischer Störkörper im Tunnel mithilfe von TST und geologischem Radar zeigt, dass TST bei der Fernvorhersage eine gute Vorhersagewirkung auf große Verwerfungen, Bruchzonen und weiche Gesteinsmassen hat, jedoch den spezifischen Standort und die Größe dieser Objekte nicht genau bestimmen kann Fehler. Geologisches Radar eignet sich zur Vorhersage unterirdischer geologischer Bedingungen wie gebrochener Gesteinsmassen, grundwasserreicher Zonen und Hohlräume in der Kurzstreckenvorhersage.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom Wenzhou Key Laboratory of Intelligent Lifeline Protection and Emergency Technology for Resilient City unterstützt. Schließlich wurden die aufschlussreichen Kommentare und Vorschläge der anonymen Gutachter und des Herausgebers aufrichtig geschätzt.

Hochschule für Architektur und Energietechnik, Technische Universität Wenzhou, Wenzhou, 325035, China

Mingqing Liu

Hochschule für Design und Kunst, Technische Universität Wenzhou, Wenzhou, 325035, China

Qinyu Gan

Wenzhou Key Laboratory of Intelligent Lifeline Protection and Emergency Technology for Resilient City, Wenzhou University of Technology, Wenzhou, 325035, China

Mingqing Liu

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ML schrieb den Haupttext des Manuskripts und QG lieferte eine Idee und überprüfte das Manuskript.

Korrespondenz mit Mingqing Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, M., Gan, Q. Angewandte Forschung zur umfassenden geologischen Vorausvorhersage im Daluoshan-Wasserumleitungstunnel. Sci Rep 13, 9162 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36090-8

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Eingegangen: 15. Januar 2023

Angenommen: 29. Mai 2023

Veröffentlicht: 06. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36090-8

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