Recherche appliquée sur la prévision géologique avancée complète dans le tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9162 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

Afin d'étudier la précision des méthodes de prédiction géologique avancées complètes dans les projets de construction de tunnels, cet article prend le projet de tunnel de dérivation de l'eau de Daluoshan à Wenzhou, province du Zhejiang comme base du projet, sélectionne une section typique du tunnel de dérivation de l'eau et utilise la tomographie sismique du tunnel et le radar à pénétration de sol pour transmettre les ondes sismiques et électromagnétiques à la paroi rocheuse environnante du tunnel, et traiter et interpréter les informations de signal collectées. Des techniques avancées de forage et de forage sont utilisées pour la vérification. Les résultats montrent que les résultats de la prédiction géologique sont cohérents avec les conditions réelles révélées, et les avantages de diverses technologies peuvent être exercés et mutuellement vérifiés grâce à la prédiction géologique avancée, ce qui peut améliorer considérablement la précision de la prédiction géologique avancée dans l'application des tunnels de dérivation d'eau et fournir une référence et une base pour une construction ultérieure, et fournir une assurance de sécurité.

Avec le développement continu de l'économie chinoise, la construction de tunnels routiers, de tunnels ferroviaires, de projets hydroélectriques et de projets de tunnels de dérivation d'eau à travers les bassins a été accélérée, ce qui a entraîné des calendriers de construction serrés et des délais d'exploration et de conception raccourcis dans les premières étapes. Cela a conduit à un manque de temps pour l'exploration géologique détaillée de l'ensemble du tunnel à l'aide des méthodes d'enquête actuelles, ce qui rend difficile l'identification précise et complète de la géologie technique, de l'hydrogéologie et d'autres conditions géologiques défavorables1,2. Dans le processus de construction du tunnel, lorsque vous rencontrez des zones avec de grands changements géologiques, des structures complexes telles que le karst, des fissures et des failles, si les travaux de prévention et de contrôle des catastrophes ne sont pas effectués, il est facile de former des catastrophes géologiques telles que le blocage du tunnel, la déformation, l'afflux d'eau et l'effondrement, ce qui peut avoir un impact énorme sur la sécurité des biens des personnes et les progrès de l'ingénierie3,4,5,6,7,8,9,10. avance. En tant que méthode de détection précoce, la prévision géologique avancée joue un rôle important, car elle permet d'obtenir à l'avance des informations sur la roche environnante devant le front et de réduire efficacement l'impact des zones géologiques défavorables sur la sécurité de la construction des tunnels11,12,13.

Selon les différentes méthodes et moyens de détection, les technologies de prédiction géologique avancées de tunnel existantes peuvent être divisées en deux catégories, elles sont la détection destructive et non destructive14,15,16,17. La détection destructive utilise principalement la méthode de forage avancé, qui effectue des travaux de forage sur la face du tunnel, analyse la lithologie et la structure de la roche environnante dans une certaine plage devant la face du tunnel grâce au carottage, et présente les avantages d'une précision de détection élevée et des résultats intuitifs. Cependant, le nombre limité d'informations de forage préalables entraîne un coût élevé, une faible portée de détection et une faible représentativité des résultats. De plus, étant donné que cette méthode est réalisée sur le front de taille du tunnel, elle affecte également l'avancement de la construction du tunnel18,19, ce qui la rend difficile à vulgariser à grande échelle. Les technologies de détection non destructives sont plus variées, telles que les levés géologiques de surface basés sur les affleurements géologiques de surface et les structures géologiques de la zone de recherche, la prédiction géologique des tunneliers basée sur des paramètres tels que la vitesse de la tête de coupe de la machine bouclier, le couple de la tête de coupe, la poussée et la vitesse d'avance20,21,22, et les méthodes de détection géophysique basées sur les différences de propriétés physiques et les différences structurelles de la roche environnante23,24,25. Parmi eux, la technologie avancée de prévision géologique des tunnels basée sur des méthodes de détection géophysique est un moyen efficace et une méthode principale pour guider les méthodes de construction des tunnels, réduire les catastrophes géologiques des tunnels et assurer la construction normale des tunnels en raison de ses avantages de vitesse de détection rapide, de large plage de détection et de faible coût de détection.

Il existe de nombreuses technologies de prévision géologique avancée en tunnel basées sur des méthodes géophysiques, telles que la technologie de prévision géologique avancée en tunnel de la méthode électromagnétique transitoire (TEM). Cette méthode est basée sur la différence des propriétés électriques et magnétiques des corps anormaux. Un champ magnétique pulsé est émis par un dispositif de boucle non mis à la terre ou une source de ligne mise à la terre sur la paroi du tunnel ou la face de cap. Le corps géologique conducteur dans la zone cible induit un champ secondaire sous l'influence du champ magnétique pulsé. La détection des zones riches en eau est obtenue en analysant ce champ secondaire26,27,28. La méthode du radar géologique est également une technologie avancée de prédiction géologique largement utilisée. Cette méthode est appliquée dans le front de taille et la paroi du tunnel, en utilisant des ondes électromagnétiques à haute fréquence émises par l'antenne radar pénétrant dans le sol. La détection de corps anormaux indésirables tels que des zones fracturées et des zones riches en eau est réalisée sur la base de la différence des constantes diélectriques des corps anormaux cibles. Cependant, en raison de l'atténuation des ondes électromagnétiques, la plage de détection de cette technologie est relativement faible dans les applications pratiques29,30,31. La méthode de détection infrarouge basée sur la différence des émissions radioactives des corps anormaux est une technologie de détection sans contact. Il détecte les corps géologiques contenant de l'eau dans un rayon de 30 m devant le front de cap en identifiant et en analysant les changements de champ infrarouge formés par le rayonnement de la masse rocheuse environnante. Dans le processus de construction des tunnels, il existe divers composants métalliques tels que les supports de tuyaux en acier et les échafaudages, qui interfèrent avec l'application des méthodes géophysiques basées sur la détection électrique et électromagnétique32. Alors que la technologie de détection infrarouge a moins d'impact sur la construction du tunnel, sa précision de détection et ses résultats sont fortement affectés par l'humidité et la température de l'environnement de détection, et sont également sensibles aux interférences externes.

La technologie de détection sismique identifie les anomalies à l'avant de la face du tunnel en détectant les différences de densité, de vitesse et de structure de la roche. Il présente les avantages d'une précision de détection élevée, d'une large plage de détection et d'une faible interférence électromagnétique des pipelines métalliques. C'est actuellement la principale technologie de prédiction géologique avancée de haute précision dans les tunnels33,34,35,36. Cependant, l'énergie de l'onde source générée par la tête de coupe coupant le massif rocheux est faible, et l'énergie effective du signal contenue dans le monocoup reçu en surface est faible, rendant l'identification difficile. De plus, il est difficile d'obtenir une excitation continue de l'onde source, qui est essentielle pour la détection sismique dans les tunnels. En conséquence, la fiabilité des résultats de traitement d'une petite quantité de signaux sismiques est médiocre. De plus, pour améliorer la résolution de détection, les procédés d'interférence sismique nécessitent généralement un traitement de déconvolution des signaux reçus en surface à l'aide des signaux d'onde source. Les résultats d'imagerie des anomalies sont grandement affectés par le rapport signal sur bruit et le retard de phase des signaux d'onde source.

Sur la base des problèmes ci-dessus, cet article mène des recherches sur la technologie avancée de prédiction géologique des tunnels basée sur l'exploration sismique. Compte tenu de la complexité géologique, du long parcours et de la grande profondeur d'enfouissement du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan, des prévisions géologiques avancées complètes sont utilisées pour détecter les conditions géologiques des roches environnantes devant la face du tunnel. Principalement, deux technologies d'exploration géophysique, TST et Ground Penetrating Radar (GPR), sont appliquées au projet de tunnel de dérivation de l'eau, et des trous de dynamitage avancés et des forages avancés sont utilisés pour la vérification. Enfin, l'effet d'une prévision géologique avancée complète est analysé et étudié.

Le tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan est une importante conduite d'approvisionnement en eau pour l'usine d'eau vers l'ouest de Wenzhou, qui s'étend sur les districts d'Ouhai et de Longwan. Il traverse la chaîne de montagnes Daluo, avec une longueur de tunnel d'environ 8,3 km et une hauteur nette d'environ 6,9 m, formant une forme de porte. Le tunnel est situé à environ 400 m du réservoir voisin de Tianhe Est, avec une différence de hauteur d'environ 310 m entre le fond du réservoir et le sommet du tunnel. Le tunnel est profondément enfoui et contient de l'eau en abondance.

Selon les investigations géologiques et les forages d'ingénierie, les strates principales de la section du tunnel comprennent des strates quaternaires : Formation de Jiuliping du Jurassique supérieur (J3j), Formation de Xishantou du Jurassique supérieur (J3x) et roche intrusive. Strates quaternaires : couches d'érosion et d'accumulation de pente marine, résiduelle et alluviale.

Les conditions géologiques du projet de tunnel sont relativement complexes. Le tunnel traverse des collines et des montagnes, et les formations rocheuses environnantes varient considérablement. Ils comprennent le granite porphyrique, la rhyolite, le tuf vitrique, le porphyre quartzo-feldspathique, l'andésite et le granite, qui appartiennent tous à des roches dures. Le massif rocheux à l'entrée et à la sortie du tunnel est majoritairement de grade V à IV, tandis que le massif rocheux à l'intérieur du tunnel est majoritairement de grade II à III, les zones fracturées et jointées étant de grade V à IV. Il existe des fractures régionales dans la zone du tunnel, notamment la faille Wenzhou-Zhenhai orientée nord-est, la faille Taishun-Huangyan et la faille Chun'an-Wenzhou orientée nord-ouest. La zone du tunnel a développé des fissures structurales de niveau IV, qui tendent principalement vers le nord-est et le nord-ouest avec des angles d'inclinaison de 75° à 85°. Les fissures de joint sont légèrement ouvertes et fermées, avec un espacement de 0,5 à 1 m près de la masse rocheuse intrudée, et un espacement de 0,1 à 0,2 m près de la zone dense locale. Les surfaces des fissures sont droites et contiennent des minéraux de fer et de manganèse. Il y a une faille F1 développée dans la zone, qui traverse le tunnel sous un angle d'environ 26° et a une direction de 228°∠ 80° à 85°. La faille mesure environ 6,1 km de long et a une largeur brisée de 5 à 10 m. Les roches des deux côtés de la faille sont écrasées et ont développé des joints, et la masse rocheuse est brisée. La carte de la structure géologique régionale est illustrée à la Fig. 1.

Structure géologique régionale.

Actuellement, les méthodes les plus courantes de prédiction géologique avancée en Chine sont principalement divisées en méthode de prédiction d'analyse géologique d'ingénierie, méthode d'exploration géophysique et méthode de forage avancée basée sur les différents instruments utilisés. La méthode d'exploration géophysique comprend diverses technologies telles que le sonar, la méthode électrique à haute densité, la méthode électromagnétique transitoire, la méthode des ondes de réflexion sismique et la méthode radar géologique, comme indiqué dans le tableau 1. Dans cette étude, une combinaison de techniques TST et radar géologique pour les longues et courtes distances a été utilisée en conjonction avec des trous de mine avancés et des forages avancés pour la vérification et la validation de la méthode de prédiction.

Principe

La tomographie sismique en tunnel est une technologie avancée de prédiction géologique pour les tunnels longue distance. Son principe est d'utiliser la source sismique artificielle générée lors du creusement du tunnel. Les ondes sismiques se propagent à travers les milieux souterrains via la diffusion, la réfraction, la réflexion et d'autres modes multiples. Finalement, les ondes réfléchies sont reçues par les récepteurs au sol. Par imagerie basée sur les ondes réfléchies reçues et le modèle géologique prédéterminé, des informations structurelles géologiques peuvent être obtenues. On peut également le voir sur la Fig. 2.

Le schéma de principe du système TST.

Acquisition et traitement

Le système d'observation TST dans cette étude a adopté une disposition d'espacement des récepteurs de 4 m pour tester la face de la section K2 + 022, comme illustré à la Fig. 3. Les principaux détails sont décrits ci-dessous.

Huit récepteurs sont placés dans les murs intérieurs, quatre de chaque côté, avec un espacement de 4,0 m et une profondeur d'enfouissement de 1,8 m.

Huit trous de source d'étincelles électriques sont disposés dans les parois intérieures, quatre de chaque côté. Le premier trou source de chaque côté est situé à 4 m du récepteur le plus proche, et les trois autres sont espacés de 16 m, avec une profondeur d'enfouissement de 1,8 à 2,0 m.

Les trous récepteurs et les trous source sont percés avec une perceuse à main avec un diamètre de foret de ø60.

Le couplage et l'étanchéité de la boue du canon à eau sont adoptés.

Disposition du système d'observation TST.

Les données collectées par le TST sont prétraitées pour obtenir des résultats de traitement à un seul coup, comme indiqué sur les Fig. 4 et 5. Ensuite, l'imagerie de la migration des ondes sismiques et l'analyse de la vitesse sont obtenues par une série d'étapes de traitement, y compris la saisie des paramètres de localisation géométrique, la séparation du champ d'onde, la troncature, le gain multipoint et la normalisation des traces. Enfin, une interprétation géologique est effectuée. Le processus spécifique du TST est illustré à la Fig. 6.

Enregistrement typique d'un seul coup après traitement.

Enregistrement typique après séparation des longueurs d'onde.

Flux de traitement des données du système TST.

Le radar à pénétration de sol (GPR) est une technologie avancée de prédiction géologique de tunnel à courte portée. Son principe est d'émettre des ondes électromagnétiques à haute fréquence, qui sont introduites dans le sol. Lorsque les ondes électromagnétiques rencontrent des interfaces de milieu ou des substances avec des constantes diélectriques différentes, des phénomènes tels que la réflexion, la transmission et la réfraction se produisent. En recevant, enregistrant et traitant ces signaux, les propriétés et la structure des médias souterrains peuvent être déduites, comme le montre la Fig. 7.

Le principe de la propagation des ondes électromagnétiques des radars à pénétration de sol.

Cet article a utilisé le radar à pénétration de sol (GPR) pour collecter les données de la section K2 + 062 et effectue un balayage linéaire de détection de points réciproques sur la surface rocheuse. Les données sont traitées par des procédures telles que l'édition des données, la correction du zéro, la suppression de l'arrière-plan, la suppression des signaux horizontaux, le filtrage passe-bande, la moyenne mobile et l'ajustement du gain, pour obtenir les résultats du profil de la position de la ligne de relevé GPR.

Pendant le processus de mesure ponctuelle du radar géologique, il est nécessaire que l'antenne soit étroitement attachée à la surface de la paume de couplage pour réduire l'impact des ondes de réflexion multiples entre l'air et les masses rocheuses. La mesure post-dynamitage est difficile en raison de divers facteurs tels que l'irrégularité de la surface de la paume et la présence d'équipements d'excavation et de lignes électriques dans le tunnel. Généralement, un mode de mesure ponctuelle est sélectionné avec une distance de 10 à 15 cm entre deux points de mesure, et au moins 80 points sont recommandés pour assurer l'analyse par imagerie des données de mesure à un stade ultérieur. Compte tenu des différents facteurs présents dans le tunnel, tels que les équipements d'excavation et les lignes électriques, une mesure de comparaison et de vérification est effectuée à l'aide d'une mesure bidirectionnelle. Le flux de traitement des données radar géologiques est illustré à la Fig. 8.

Flux de traitement des données de GPR.

La section d'essai va du chaînage K2 + 22 à K2 + 122 du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan. Selon les résultats de l'enquête géologique d'ingénierie, la lithologie principale de cette section est la porphyrite, l'andésite porphyrique et le tuf soudé cristallin, qui sont tous des roches dures. Certaines zones contiennent du gravier et de l'argile poudreuse. La roche environnante de la section du tunnel est principalement de grade II-III, avec des zones de joints denses de grade V-IV, et des masses rocheuses faibles et fragmentées existent. La roche frontale du tunnel de la section K2 + 077 est principalement composée de mudstone et de siltstone, avec le substrat rocheux altéré comme fondation principale. La stabilité d'ensemble est relativement bonne, le massif rocheux est faiblement altéré et les joints sont développés et enchâssés, apparaissant fragmentés. Les joints sont légèrement ouverts et fermés, avec un espacement de 0,3 à 1 m, s'étendant sur plus de 2 m, et il existe des phénomènes d'infiltration locaux, comme le montre la Fig. 9. Selon les conditions du site, la méthode de prévision géologique avancée TST, la méthode de radar géologique et la méthode de trou de mine géologique avancée sont principalement utilisées dans cette section pour la prévision géologique avancée.

Face profilée K2 + 077.

La figure 10 montre les résultats d'imagerie décalée de la prédiction géologique avancée pour les sections K2 + 022 à K2 + 122 du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan. L'extrémité gauche de l'axe horizontal représente le point de départ du kilométrage du visage. L'axe vertical de l'imagerie décalée représente la direction de la largeur du tunnel. Les bandes rouges et bleues dans l'image de décalage d'onde verticale représentent des zones avec des changements lithologiques. Le rouge indique que la masse rocheuse est devenue plus dure, avec une vitesse d'onde accrue, tandis que les bandes bleues indiquent le contraire. L'alternance de bandes rouges et bleues indique que l'intégrité de la roche environnante dans cette section est relativement mauvaise et qu'il peut y avoir une zone fracturée ou une couche intermédiaire faible.

Imagerie de la migration des ondes sismiques.

La distribution des propriétés mécaniques de la roche est reflétée par la distribution de la vitesse des ondes de la masse rocheuse. Une vitesse élevée des vagues indique une masse rocheuse intacte et à module élastique élevé, tandis qu'une faible vitesse des vagues indique une masse rocheuse fracturée avec un faible module élastique. L'image de la vitesse des ondes correspond bien à l'image structurale géologique. Dans l'image de décalage structurel, les zones avec des bandes de réflexion denses indiquent des structures complexes et une tectonique développée, qui correspondent à des zones à faible vitesse d'onde dans l'image de vitesse d'onde. tandis que les zones avec peu de bandes structurelles indiquent une masse rocheuse uniforme et dense, correspondant à des zones de vitesse d'onde élevée dans l'image de vitesse d'onde. Selon l'analyse de la vitesse des ondes (comme indiqué sur la Fig. 11), la variation des paramètres physiques et mécaniques complets de la roche environnante (comme indiqué sur la Fig. 12), la carte d'extraction de la surface de réflexion (comme indiqué sur la Fig. 13) et combinée avec des données géologiques, on peut conclure que la situation géologique à moins de 100 m devant la face du tunnel peut être grossièrement divisée en trois sections, comme décrit ci-dessous.

L'analyse de la vitesse de l'onde P.

La tendance de la variation des paramètres physiques et mécaniques de la roche dans la section d'essai.

Carte d'extraction de surface de réflexion.

Section "Introduction": 0 ~ 10 m (K2 + 022K2 + 032)

La longueur de la roche environnante dans cette section est de 10 m, avec une vitesse d'onde longitudinale de 3800 m/s et une faible résistance. L'image décalée montre une combinaison plus dense de rayures rouges et bleues, qui est supposée être affectée par la zone de déchargement près du visage. L'intégrité de la roche environnante est mauvaise et sa capacité d'auto-stabilisation est faible. Il est recommandé de renforcer la roche environnante et de faire attention aux chutes de blocs ou aux effondrements causés par la fragmentation de la roche lors de la construction.

Section "Formation d'ingénieur": 10 ~ 30 m (K2 + 032 K2 + 052)

La longueur de la roche environnante dans cette section est de 20 m, et la vitesse des ondes longitudinales augmente à 4400 m/s, avec une résistance plus élevée que la section précédente. L'image décalée montre un peu moins de rayures rouges et bleues dans cette section, et on en déduit que les fissures des joints dans la roche environnante sont moins développées et que le type de roche est une roche tachetée légèrement altérée avec une meilleure intégrité.

Section "Révision et introduction des techniques avancées de prédiction géologique": 30 ~ 100 m (K2 + 052 K2 + 122)

La longueur de la roche environnante dans cette section est de 70 m, avec une vitesse d'onde longitudinale de 3900 ~ 4100 m/s et une force inférieure à celle de la section précédente. L'image décalée montre une augmentation du nombre de bandes rouges et bleues. De 50 à 70 m, il y a des bandes alternées rouges et bleues, indiquant une plus grande possibilité d'existence de zones fracturées ou d'intercouches faibles dans la roche environnante, avec une mauvaise intégrité. Il est recommandé de renforcer la roche environnante et de faire attention aux chutes de blocs ou aux effondrements causés par la fragmentation de la roche lors de la construction.

Les résultats ci-dessus peuvent être présentés dans un tableau, comme indiqué dans le tableau 2.

Le profil radar est la base de l'interprétation des données radar géologiques. Tant qu'il existe des différences électriques dans le milieu devant la surface de faille, des ondes de réflexion correspondantes peuvent être trouvées dans le profil radar.

La reconnaissance du profil radar dépend principalement de l'identification de l'axe de phase commun des groupes d'ondes de réflexion ayant les mêmes caractéristiques. D'une manière générale, la forme d'onde de la zone de faille tectonique sur le profil radar reflète une courbe similaire à la tendance de la zone de faille. La forme d'onde de la couche faible et des grottes karstiques est généralement composée de nombreuses petites paraboles qui composent une zone plus grande, et il existe des différences significatives avec les formes d'onde environnantes. L'expérience pratique a prouvé que le radar géologique a une bonne réflexion sur les situations anormales telles que l'eau, les grottes karstiques et les zones de failles devant la surface de la faille, mais la plage de prédiction sera relativement raccourcie. Parce que la constante diélectrique de l'eau est de 81, l'énergie des ondes électromagnétiques sera absorbée par l'eau en grande quantité et la distance de détection sera relativement raccourcie. La consommation énergétique de propagation des ondes électromagnétiques dans la formation est également très importante, ce qui aura également un certain impact sur la distance de détection. En plus de trouver des anomalies de signal évidentes sur le profil radar, l'interprétation de l'image radar nécessite également une attention aux conditions géologiques du site de construction de la surface de la faille et un jugement complet basé sur des connaissances géologiques.

Les figures 14 et 15 sont les résultats du profil de couleur et de la pile de niveaux de gris obtenus par le levé radar géologique. Sur la base de l'observation des caractéristiques du signal telles que la variation de l'amplitude des vagues et l'axe d'homogénéité, on peut voir que cette section a une amplitude élevée, un axe d'homogénéité discontinu et des caractéristiques évidentes d'amplitude élevée, indiquant qu'il y a des eaux souterraines bien développées et des roches environnantes brisées dans la plage de mesure devant la face du tunnel. Sur la base d'une analyse complète de la situation d'exposition de la roche, les conditions géologiques entre K2 + 062 et K2 + 087 sont obtenues et les résultats de l'analyse sont présentés dans le tableau 3.

Carte des résultats de couleur de profil.

Profil Image empilée en niveaux de gris.

Lors de l'exploration, la ligne de mesure a été placée à 1 m du sol. La surface de la face du tunnel était inégale, ce qui faisait sauter le radar pendant le processus de dragage et l'empêchait d'adhérer étroitement à la roche environnante. Cela a grandement interféré avec l'émission et la réception des signaux radar. Il est recommandé d'analyser et d'évaluer de manière approfondie le développement de fissures dans la roche entourant le tunnel sur la base de données géologiques pertinentes pour garantir la qualité et la sécurité de la construction.

Combinant deux méthodes avancées de prédiction géologique, la prédiction géologique complète est faite pour la section K2 + 22 ~ K2 + 122 du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan. Les résultats de la prédiction peuvent être consultés dans le tableau 4.

Sur la base des prévisions géologiques complètes, l'état de la roche environnante de la section K2 + 065 ~ K2 + 077 du tunnel de dérivation de l'eau de Daluoshan est médiocre, la roche est relativement fragmentée, les fissures de la roche de fondation et l'eau sont développées et la capacité d'auto-stabilisation est faible. Il peut y avoir une zone brisée riche en eau, donc pendant la construction, des mesures de protection doivent être prises pour éviter les ruissellements d'eau et autres accidents, et les travaux de drainage doivent être bien faits. L'étape suivante consiste à contrôler strictement la longueur de chevauchement de la prévision avancée, à réduire le métrage du cycle de dynamitage pendant le forage et la construction à l'explosif, et à soutenir l'ancrage en temps opportun après l'excavation pour éviter l'instabilité et l'effondrement de la roche.

L'excavation du tunnel a atteint le front de taille à l'entrée du tunnel de déversion de l'eau de Daluoshan à la distance de K2 + 065. Un forage en amont a été effectué pour vérifier l'exactitude des résultats de l'exploration géophysique. Selon le forage en avant et les conditions réelles d'excavation, la roche environnante du tunnel de K2 + 065 à K2 + 077 (où le support de boulonnage a été installé) s'est avérée très cassée, comme le montre la Fig. 16, et il y avait des blocs de roche tombant de l'arche. De plus, il y avait de nombreuses zones fracturées aquifères dans le tunnel et l'apport d'eau était relativement important. Même après le boulonnage initial, le tunnel avait encore des infiltrations d'eau. Les résultats de la prévision géologique anticipée étaient cohérents avec la situation réelle. Par conséquent, on peut voir que l'utilisation complète du TST, du radar pénétrant dans le sol, du forage en avant et d'autres méthodes géophysiques pour l'exploration en avant du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan peut détecter efficacement les conditions géologiques défavorables avant le cap du tunnel.

Excavation de la face de banc au K2 + 077 sur le terrain.

Sur la base du cas de la prévision géologique avancée pour le tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan, une méthode de prévision géologique avancée complète pour les tunnels a été établie, qui combine une analyse géologique claire et complète avec une prévision à longue et courte distance, et peut améliorer l'efficacité et la fiabilité des prévisions, en fournissant des services pour la construction technique.

Sur la base d'une enquête et d'une analyse géologiques, ainsi que du traitement et de l'interprétation des données de prédiction géologique avancées à longue et courte distance, de la vérification en temps opportun des corps géologiques défavorables devant le visage grâce à des méthodes avancées de forage et de dynamitage, et de l'identification des risques géologiques potentiels. Les avantages complémentaires de ces méthodes de détection améliorent non seulement la précision des prévisions géologiques avancées, mais garantissent également la sécurité de la construction des tunnels.

Le mode de travail de prédiction géologique avancé complet est basé sur "méthode d'analyse-prédiction 1-méthode de prédiction 2-méthode de prédiction 3 et méthode de vérification-prédiction 4 et vérification-résumé". D'une part, il vise à améliorer la précision des résultats de prédiction, et d'autre part, il améliore constamment le niveau de prédiction en révisant et complétant en permanence les méthodes de prédiction.

Différentes méthodes de prédiction géologique avancée ont des principes d'interprétation différents. En utilisant différentes méthodes de prédiction géologique pour une interprétation plus approfondie et une vérification et une validation continues, l'interprétation peut être constamment révisée et améliorée. Avec l'augmentation de la pratique de l'ingénierie, les résultats deviendront plus précis.

Sur la base de l'observation et de l'analyse géologiques, ainsi que du traitement et de l'interprétation des données de prédiction géologique avancées à longue et courte distance, une vérification en temps opportun grâce à des techniques avancées de forage et de dynamitage est effectuée pour identifier les conditions géologiques défavorables telles que la fragmentation de la roche, les failles et les zones de fracture aquifères devant la face du tunnel. Les risques géologiques et les types de catastrophes possibles sont déterminés et des suggestions de mesures de construction sûres sont proposées. La figure 17 montre un ensemble de techniques et de procédures de prédiction avancées applicables au tunnel de dérivation des eaux de Wenzhou Daluoshan, basées sur la technologie de prédiction géologique avancée susmentionnée.

Flux de processus de la technologie de prédiction avancée.

(1)Méthode de forage avancée

①Pendant le processus de forage, un contrôle et une gestion dynamiques doivent être effectués. Le principe d'ajustement de la profondeur de forage en temps réel en fonction des conditions de forage doit être suivi pour atteindre l'objectif de prédiction.

②Lorsqu'un forage continu est requis, généralement 30 à 50 m peuvent être forés par cycle, et si nécessaire, des trous de forage profonds de plus de 100 m peuvent également être forés.

③Différentes profondeurs de forage sont adoptées pour différentes sections et fins.

④Pour une prédiction continue, les deux cycles avant et arrière de forages doivent se chevaucher de 5 à 8 m.

(2)Méthode avancée de dynamitage de forage.

3 à 10 trous de dynamitage profonds d'une longueur de 5 m sont disposés selon les exigences de chaque rangée de trous de dynamitage, et ils sont augmentés de manière appropriée dans des sections spéciales. Ils sont principalement disposés autour du contour et mis en œuvre avec un angle d'inclinaison vers l'extérieur de 30 à 40° pour prédire les strates et les eaux souterraines en amont du contour.

(3) TST Méthode de prévision géologique avancée.

①La disposition des points de tir et des géophones doit répondre aux exigences de l'analyse de la vitesse des ondes, du filtrage directionnel et de la réduction des interférences des ondes de surface.

②Les géophones doivent être installés correctement pour garantir la qualité des ondes sismiques.

③Les points de tir doivent être installés étroitement et scellés correctement pour assurer l'efficacité de l'excitation des ondes sismiques.

④La grenailleuse et la ligne de déclenchement doivent être en bon contact pour assurer un enregistrement correct des données.

⑤La mesure et l'enregistrement sur site doivent être précis pour garantir l'exactitude des calculs.

(4)Méthode radar pénétrant dans le sol

①L'espace opérationnel du système GPR doit être assuré et les interférences à proximité doivent être évitées.

②Les lignes de connexion et les circuits doivent être en bon contact, raisonnablement disposés pour assurer une réception normale des données.

③Les matériaux et équipements appropriés et de haute qualité doivent être sélectionnés et installés correctement.

④Le récepteur doit être étroitement couplé à la paroi du trou de forage pour assurer une réception correcte.

Prenant l'exemple du projet de prédiction géologique avancée du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan, la faisabilité de la prédiction géologique avancée a été vérifiée et validée par des observations des conditions internes et externes du tunnel, en utilisant une enquête et une analyse géologiques complètes comme base, ainsi que l'utilisation de deux types de techniques d'exploration géophysique (TST et radar géologique) qui ont été combinées à longue et courte distance. La prédiction géologique avancée a également été vérifiée et validée par l'utilisation de trous de dynamitage avancés et de forages avancés. Les conclusions suivantes ont été tirées.

Pour faire face aux conditions géologiques devant la face de cap lors de la construction du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan, une combinaison de la méthode de réflexion des ondes sismiques TST, de la méthode du radar pénétrant dans le sol et des méthodes de forage avancées a été utilisée pour effectuer des prévisions géologiques avancées complètes. Les sections les plus typiques ont été sélectionnées pour l'analyse, et les corps géologiques défavorables devant la face de cap du tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan ont été prédits avec succès.

L'utilisation d'une seule méthode pour la détection géologique avancée sur le terrain peut entraîner une perte partielle du signal et une prédiction inefficace en raison des longues distances et de l'atténuation de l'énergie. Par conséquent, une combinaison de méthodes de prévision à longue et courte portée est nécessaire pour améliorer la précision de la prévision, avec une vérification et une validation mutuelles grâce à l'utilisation de forages ou de techniques de forage avancés. Cette approche fournit une solution efficace pour la prédiction de tunnel avancée.

Le résumé de la prédiction des corps défavorables géologiques du tunnel à l'aide du TST et du radar géologique montre que le TST a un bon effet de prédiction sur les grandes failles, les zones fracturées et les masses de roches tendres dans la prédiction à longue distance, mais ne peut pas déterminer avec précision l'emplacement et la taille spécifiques de la faille. Le radar géologique convient à la prévision des conditions géologiques souterraines telles que les masses rocheuses fracturées, les zones riches en eaux souterraines et les cavités dans la prévision à courte distance.

Les données utilisées pour étayer les conclusions de cette étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Ce travail a été soutenu par le Wenzhou Key Laboratory of Intelligent lifeline protection and Emergency technology for Resilient city. Enfin, les commentaires et suggestions perspicaces des relecteurs anonymes et de l'éditeur ont été sincèrement appréciés.

Collège d'architecture et d'ingénierie énergétique, Université de technologie de Wenzhou, Wenzhou, 325035, Chine

Mingqing Liu

Collège de design et d'art, Université de technologie de Wenzhou, Wenzhou, 325035, Chine

Qinyu Gan

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

Mingqing Liu

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ML a écrit le texte principal du manuscrit et QG a fourni une idée et a révisé le manuscrit.

Correspondance à Mingqing Liu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Liu, M., Gan, Q. Recherche appliquée sur la prévision géologique avancée complète dans le tunnel de dérivation des eaux de Daluoshan. Sci Rep 13, 9162 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36090-8

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Reçu : 15 janvier 2023

Accepté : 29 mai 2023

Publié: 06 juin 2023

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

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