超前预测预报

超前预测预报（精选7篇）

超前预测预报 篇1

摘要：渝 (重庆) 广 (四川广安) 高速华蓥山隧道的施工极其复杂, 为满足安全生产需求, 对渝广高速华蓥山隧道进行了瓦斯超前探测等预测预报技术, 拟有效发现“煤与瓦斯、岩溶、涌 (突) 水、断层、高地应力”等有害地质现象;预先探测发现地质破碎带和含水带地质形态及构造类型;探测地质破碎带瓦斯富集规律;探测含煤段煤层产状、瓦斯参数;探测开采矿井采空区状态。

关键词：隧道瓦斯,超前钻探,预测预报

1 前言

随着国家中西部道路建设的不断发展, 公路隧道修建的数量也越来越多, “煤与瓦斯、岩溶、涌 (突) 水、断层、高地应力”等有害地质现象给施工造成极大的难度和危害。渝 (重庆) 广 (四川广安) 高速华蓥山隧道施工过程中煤与瓦斯现象的危害十分严重。根据都汶高速紫坪铺隧道[1]和铜锣山隧道[2]、广邻高速华蓥山隧道[3]、成渝高速中梁山[4]、以及雅泸高速公路勒布果喇吉隧道[5]等高瓦斯隧道钻探施工经验, 对隧道进行瓦斯超前探测可以及时预测施工隧道前方瓦斯压力、瓦斯流量、其他不良地质现象, 极大的降低了隧道施工的危险性和难度, 为施工提供了坚实的保障。

2 地质概况

渝 (重庆) 广 (四川广安) 高速公路华蓥山隧道进口位于北碚区静观镇西山村, 出口位于合川区清平镇桃李园村, 隧道左右洞长度分别为5018和5000m, 进出口桩号为分别ZK23+467~ZK28+485、K23+467~K28+467。隧道横穿华蓥山背斜中部, 总体走向为N59°W。隧道设计为相距30m分修的双洞三车道, 人字形纵坡, 净空高度8.0m宽度12.5m。

2.1 地层岩性

华蓥山隧道洞身穿越的地层分别为:第四系全新统松散堆积层 (Q4) ;侏罗系中、下统新田沟组 (J2x) 、自流井组 (J1-2z) 、珍珠冲组 (J1z) 的碎屑岩;三叠系上统须家河组 (T3xj) 的碎屑岩, 中下统雷口坡组 (T2l) 、嘉陵江组 (T1j) 的可溶岩, 飞仙关组 (T1f) 的可溶岩与非可溶岩互层;二叠系上统长兴组 (P2c) 、龙潭组 (P2l) 的可溶岩与非可溶岩。其中可溶碳酸盐岩在隧址区出露面积较广, 约占40%。华蓥山隧道穿越地层图见图1。

2.2 地质构造

区域内构造较发育, 以川东隔档式构造为框架, 形成具有明显特征的“重庆褶皱束”, 重庆褶皱束由一系列平行雁行排列的隔挡式梳状褶皱构造和走向压性断裂组成, 呈NNE向展布, 在川东隔挡式褶皱中, 华蓥山背斜、铜锣山背斜、明月山背斜延伸最长, 而华蓥山复式背斜构造南端在合川区三汇镇撒开, 形成向北东收敛的华蓥山帚状构造带, 包括沥鼻峡、温塘峡和观音峡背斜。隧道位于华蓥山帚状褶皱束, 区内有西山、沥鼻峡、温塘峡、观音峡、龙王洞等背斜及其间的向斜, 是该帚状褶皱束的南延部分, 其主要特点是背斜褶皱紧密, 两翼不对称多西陡东缓, 背斜轴线扭摆多弯曲, 呈反“S”型, 轴向倾斜变化多, 构造分支多, 独立高点多, 断裂多。华蓥山隧道穿越构造为观音峡背斜, 并发育多条断层, 地质构造较为复杂。

2.3 不良地质体

华蓥山地质体类型很多, 如一般岩体破碎带、断层、软弱地层、岩爆段、岩溶、地下水、土洞、膨胀岩、煤层及瓦斯发育段等, 查阅《重庆渝北至四川广安高速公路 (重庆段) TJ-2标段工程地质详细勘察》[6]等有关地质资料可知, 渝广高速华蓥山隧道的施工中, 构造地带和煤层地段对施工的危害最为严重, 对这些不良地质体进行瓦斯超前钻探预测预报, 在有效的预测煤与瓦斯的同时, 也可以及时的发现涌 (突) 水、老窑采空区等现象。

3 隧道瓦斯超前钻探预测预报技术

隧道瓦斯超前钻探钻孔常规布置方式:

根据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》规定, 为了保证探测准确可靠, 有效控制危险区域, 在隧道开挖横断面上分上中下布置1~3排钻孔, 钻孔深度为30~50m。石门揭煤应在端面上打不少于5个钻孔。正常地带应视情况在开挖掌子面分上中下至少应布置3个钻孔。为了保证施工安全, 防止承压瓦斯和承压水大量瞬间涌入隧道开挖空间, 每循环钻孔超前距离不得少于5~10m, 以保证有足够的安全屏障岩柱。为了准确探测坍塌区和岩石松散体前方原始岩体情况, 在坍塌区和岩石松散体区段还应结合自进锚杆支护, 采用从隧道开挖线和隧道中部范围内的掌子面分上中下布置3排多个20~30m长的超前钻孔对坍塌区和岩石松散体前方岩体实施补充探测。

在隧道坍塌区和岩石松散体区段, 为了不至于对隧道上方坍塌区造成扰动, 进一步扩大坍塌区域, 在掌子面设计采用风动钻机实施打钻。

4 隧道瓦斯超前探测实际应用

4.1 以施工过程中探测到采空区为例

根据《重庆渝北至四川广安高速公路 (重庆段) TJ-2标段工程地质详细勘察》显示, 在隧道出口左线ZK28+091揭露三叠系须家河组T3xj5外双连煤层采空区, 为准确的探测采空区位置以及采空区走向倾向等地质参数。在ZK28+112上台阶施工5个超前钻孔, 钻孔分别控制隧道前方12~30m范围, 施工结束后根据钻孔深度, 推进速度以及瓦斯浓度推测掌子面ZK28+112前方采空区形态。推测在掌子面ZK28+112前方最近9.5m处揭露采空区。采空区与隧道走向夹角48°2′。经过4d施工, 隧道在左侧最先揭露采空区, 采空区桩号为ZK28+103, 与预测值只有0.5m误差。

4.2 以施工过程中探测到煤层为例

根据《重庆渝北至四川广安高速公路 (重庆段) TJ-2标段工程地质详细勘察》, 隧道出口左线在ZK28+073泡炭煤层、ZK28+068硬炭煤层, 为确保施工的安全进行以及准确探测前方煤层走向、倾向、倾角等重要参数, 在ZK28+76上台阶施工5个超前钻孔, 钻孔分别控制隧道前方0~60m范围, 施工结束后根据钻孔深度, 推进速度以及瓦斯浓度推测在掌子面ZK28+76前方煤层分布情况, 出口左线ZK28+076掌子面上台阶左下角前方16.8m发现2.6m厚煤层、31.2m发现厚0.5m煤层, 准确发现隧道施工过程中的煤层, 为隧道的开挖提供了重要的施工依据。

5 结语

华蓥山隧道瓦斯超前钻探预测预报技术, 及时预测隧道施工过程前方岩体破碎程度及范围、岩体裂隙及发育情况、采空区或岩体空洞范围及大小、前方岩体瓦斯赋存及瓦斯涌出情况、岩体瓦斯压力、瓦斯含量、突发性喷出等特殊情况。极大的的降低了巷道施工的危险性和难度, 为施工提供了坚实的保障, 是渝广高速华蓥山隧道施工过程中不可缺少的重要实施方案, 为我国的高瓦斯隧道施工建设提供了强有力的技术支撑和经验借鉴。

参考文献

[1]姜洪亮.紫坪铺隧道瓦斯灾害研究[D].成都:西南交通大学, 2010.

[2]朱劲.超前地质预报新技术在铜锣山隧道的应用及综合分析研究[D].成都:成都理工大学, 2007.

[3]王兴平.华蓥山隧道工程的施工监理.2000, 04.

[4]沈庆夏.大地电磁测深法在中梁山隧道地质调查中的应用研究[D].成都:成都理工大学, 2010.

[5]石波.雅泸高速公路勒布果喇吉隧道洞口段地震动力响应研究[D].成都:西南交通大学, 2008.

[6]中国中铁二院工程集团有限责任有限公司.重庆渝北至四川广安高速公路 (重庆段) TJ-2标段工程地质详细勘察[Z].2013.

超前预测预报 篇2

齐岳山特长隧道位于湖北省利川市的茅草乡、谋道镇境内, 全长10528 m。出口段里程为DK364+900至DK371+783, 全长6883 m。DK371+248.55～DK371+783长534.45 m位于半径为800 m的曲线上, 其余为直线。本段隧道纵坡为连续下坡, 坡度分别为-13‰ (长345 m) 、-15.3‰ (长9300 m) 和-6‰ (长883 m) 。DK363+900～DK371+079段 (长6179 m) 设计为单线, DK371+079～DK371+783段 (长704 m) 设计为车站双线 (如图1所示) 。

在线路左侧30 m处设计施工中地质超前预报、通风、排水、增加工作面及运营期间排水、消防、救援、人员疏散通道等多功能的贯通平行导坑一座。平行导坑长10581 m, 按有轨运输单车道断面设计, 并间隔设置横通道、错车道。平行导坑平面要素、纵断面坡度与正洞相同。

线路位于新华夏系第三隆起带和第三沉降带之接合部位, 齐岳山特长隧道中可溶围岩长约4.7km, 占全隧长度的45%。区内水系不甚发育, 地下水以岩溶水为主, 碎屑岩中的基岩裂隙水较贫乏。测区内松散岩类孔隙水、碎屑岩裂隙水的补、径、排较为单一, 且对隧道影响小, 对隧道影响最大的为碳酸盐岩岩溶水。根据岩溶水补给、径流、排泄特征, 隧道区岩溶水系统可划分为得胜场地下河系统与大鱼泉、小鱼泉地下河系统。得胜场地下河系统沿得胜场槽谷延伸, 全长约25 km, 是齐岳山隧道岩溶区最大地下河系统。根据隧道区段各地下河系统分布、地下水补、径、排特点及各含水岩组富水性、岩溶发育特征, 对隧道区进行分区段涌水量预测, 隧道预测正常涌水量值为67225m3/d, 最大涌水量95078m3/d, 单位长度最大涌水量260.5m3/d.m, 属强富水段。注意断层F9、F10破碎带突水, 尤其是F10破碎带的持续渐强大型突水。嘉陵江组四段含石膏岩地层具有硫酸根离子的侵蚀性, 而吴家坪组、须家河组、珍珠冲组等含煤地层具有硫酸根离子的弱侵蚀性。

2 地质超前预测预报

开展施工地质超前预测预报工作, 有利于降低施工过程的地质风险, 确保施工安全、顺利、优质、经济进行, 并保障隧道投入运营后的使用可靠性。

2.1 地质分析法

地质分析法是根据隧道已开挖地段的岩性、断层、节理等情况, 按一定比例绘出开挖面附近一定长度的隧道展开图, 然后采用平推法, 将开挖面或附近边墙素描图上的岩性、断层、节理等情况按其产状及隧道展开图的比例向开挖面前方推测, 从而对隧道开挖面前方延伸的地质特征进行分析判断。

齐岳山特长隧道采用的地质分析法主要是地质素描法, 素描的主要内容包括地层情况、构造发育情况 (含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉) 、地下水的出水状态、围岩的稳定性以及初期支护采用的方法等。利用所见到的已开挖段的地质情况预报前方可能出现的不良地质条件。

地质素描的优点是:不占用开挖面的施工时间;设备简单;不干扰施工;出结果快;预报效果好, 而且为整个隧道提供了完整的地质资料。缺点是:对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。

2.2 物探法

齐岳山特长隧道采用的物探法主要是TSP法、地质雷达法和红外线探水仪法。

2.2.1 TSP法

TSP法是勘察设计阶段以后工程地质工作的延续, 主要为探测或预测开挖工作面前方围岩工程地质和水文地质情况, 获取详实可靠的地质信息, 如围岩类别、断层带和破裂带位置、性质、规模、富水等, 进行信息反馈。并对探测到的地质情况进行综合分析, 作出判断, 提出地质预报成果, 作为指导施工和优化支护参数、围岩类别变更等动态设计的依据。

TSP系统利用地震波的反射原理进行预报。通过爆破产生的地震波在岩体内传播时, 如遇到界面 (如断层、破碎带, 溶洞、大的节理面等) 时, 一部分反射回来被传感器接收, 由TSP主机采集数据。然后经专门的物探分析软件进行分析处理, 得到反射波图像。通过分析反射波特征, 如发射与反射之间的时间差、相位差、反射信号强弱、纵波和横波的比率等, 并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定前发及周围区域地质构造的位置和特性。

TSP法的优点是:一次预报距离长。在软岩条件下探测距离为100～150m, 在硬岩条件下探测距离为150～200m;一次占用掌子面时间约30min, 对施工干扰少;对断层破碎带构造预报准确度较高。缺点是:对岩溶预报的准确性不高;对地下水无法预报;费用较高。

2.2.2 地质雷达法

地质雷达法是利用主频为数十兆赫至千兆赫的电磁波, 以宽频带短脉波的形式, 通过无线发射器送出, 经地层界面反射后返回, 由无线接收器接收。通过地所接收的雷达信号进行处理和图像解译, 以达到探测前方地质体构造的目的。

地质雷达法的优点是:对断层破碎带有较高的预报准确性, 对岩溶预报有一定的准确性;基本不占用掌子面, 对施工干扰少。缺点是:对地下水无法预报;一次性预报距离较短, 一般为10～40m;费用较高。

2.2.3 红外线探水仪法

地下水的活动会引起岩体红外辐射场或地温场的变化, 采用红外探水仪接收岩体红外辐射场强或温度。红外探水仪法根据围岩红外辐射场强或温度的变化, 来确定隧道掌子面前方或隧道周边潜伏含水体的情况。当隧道前方或周边介质单一时, 所测得的红外场为正常场, 当前面存在隐伏含水构造或有水时, 所测得的场强要叠加到正常场上, 从而使正常场发生畸变。据此可以判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测, 仪器设备简单, 能预测到隧道外围空间及掌子面前方是否隐伏有水和含水构造, 而且可以利用施工间歇时间, 基本不占用掌子面作业时间, 但它只能探测到是否有水, 对水量的大小、水体的宽度和水体位置不能给予明确的判断。

现场测试有两种方法:一是在隧道掌子面上, 分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取九个数据, 根据这九个数据之间的最大差值来判断是否有水;二是由掌子面向掘进后方 (或洞口) 按左边墙、拱腰、拱顶、右边墙的顺序进行测试, 每5m或3m取一组数据, 共测取60m或30m, 并绘制红外辐射曲线图, 根据曲线图的走势来判断前方是否有水。齐岳山特长隧道所采用的是第二种方法。DK366+580红外探水曲线图如图2所示, 根据图中曲线走势可以判断DK366+580～DK366+550段没有地下水突出。

2.3 超前水平钻探法

超前水平钻探法是在隧道掌子面布置超前钻孔, 利用地质钻机或风钻进行超前探测, 根据钻进速度、给进压力、岩芯、岩粉、冲洗液颜色及成份、探水孔水量大小、探水孔水压力大小等情况, 综合判断掌子面前方的地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填等地质特征。

2.3.1 超前深孔钻探法

超前深孔钻探法一次钻探距离为30～100m, 钻探距离长, 对掌子面前方围岩情况预报准确度高。原则上应一次穿越不良地质构造段, 形成综合预报结果。深孔长距离钻探平导探孔数量不得少于1个, 宜布设于开挖断面中间部位, 水平布置。正洞探孔数量不得少于3个, 宜分别布设在拱顶、中部和拱底, 中部水平布置, 拱顶和拱底位置探孔终孔位置应位于开挖轮廓线外1.5m处。必要时, 探孔数量应增加。孔位布置如图3所示。

2.3.2 超前浅孔钻探法

超前浅孔钻探法是对超前深孔钻探探测到的不良地质段进行的补充钻探。它主要是在钻爆炮眼时, 采取加深5m的钻孔方法对前方地质进行探测, 在掌子面每循环施作一次, 每次探孔数量为6～15个, 主要布设在拱顶、拱腰、边墙、底部和中间部位。齐岳山特长隧道每循环采用15个浅孔钻探。

3 结论

由于齐岳山特长隧道工程地质及水文地质条件极其复杂, 可溶岩约占隧道全长的70%。齐岳山隧道岩层以泥岩、泥灰岩、灰岩为主, 水平分布, 节理裂隙发育。断层破碎带极其发育, 并且有暗河、溶腔、溶洞等不良地质因素。因此, 结合隧道的地质情况, 采用有效的地质超前预报预测方法, 对保证齐岳山隧道的施工安全是非常必要的。

齐岳山特长隧道采用“地质素描-红外探水-超前深孔钻探-超前5m探孔”相结合的地质超前预测预报方法, 对隧道掌子面前方的围岩状况和地下水情况进行了很好的判别, 更好的保障了隧道施工。对于齐岳山隧道极其复杂的地质情况, 应用此种方法有效的判定了掌子面前方的情况, 及时调整施工方案, 采取有效施工方法, 提高了施工生产, 减少了不必要地质问题的发生, 这种方法在齐岳山隧道中得到了很好的发展。

摘要：介绍了齐岳山隧道地质超前预测预报的各种方法, 并结合齐岳山隧道复杂的地质情况, 具体介绍了各种方法的优缺点, 对今后的隧道施工具有借鉴意义。

关键词：特长隧道,地质,超前预测预报

参考文献

[1]铁道第四勘察设计院.新建铁路宜昌至万州段长大复杂隧道施工地质汇报材料[R].武汉:2004.9.

[2]宜万铁路建设总指挥部.宜万线复杂隧道施工地质实施细则 (试行) [S].恩施:2004.10.22.

[3]铁道第四勘察设计院.宜万线复杂长大岩溶隧道地质概况及超前预测预报工作汇报材料.隧道地质超前预报技术交流研讨会论文集[C].铁道部工程管理中心.2004.1:1-7.

[4]刘高飞.地质超前预报技术在隧道施工中的应用.中国土木工程学会第十一界、隧道及地下工程分会第十三届年会论文集[C].现代隧道技术2004年增刊:544-547.

隧道超前地质预报方法探讨 篇3

由于隧道及其他地下工程深埋地下, 工程岩体的水文地质与工程地质条件复杂多变, 因此, 在隧道掘进中, 要提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况, 如预报掘进前方是否有断层、破碎带溶洞等不良地质构造, 这些构造的几何形态、规模大小等。根据所掌握的这些地质构造情况, 可及时合理地安排掘进进度, 修正施工方案, 安排防护措施, 避免险情发生。

目前, 在隧道施工中采用的超前地质预报方法从专业技术方面可以分为常规地质法和物探法两大类, 包括超前导坑、正洞地质素描、水平超前探孔、声波测试、红外探水、弹性波法、电磁波法等[1]。

1 常规地质法

1.1 超前导坑法

超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正洞, 断面小而且与正洞之间有一定的距离, 在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况绘制地质素描图, 通过地质素描图对正洞的地质条件进行预报。采用平行导坑预报的优点是:平行导坑超前的距离越长, 预报也越早, 施工中就有充分的时间准备, 可以增加工作面, 加快施工进度, 还可以起到排水减压、改善通风条件和探明地质构造条件的作用。采用超前平行导坑进行预报比较直观, 精度高、预报的距离长, 便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导坑布置在正洞中, 其效果比平行导坑更好。但是, 采用超前导坑法进行预报也有缺陷:一是成本太高, 有时需要对全洞进行平导开挖;二是在构造复杂的地区准确度不高。

1.2 正洞地质素描

地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确地反映。素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描是利用所见到的正洞已开挖段的地质情况, 预报前方可能出现的不良地质条件。针对断层而言, 又分断层露头作图法和断层前兆特征法。断层露头作图法对结构面向开挖后方倾斜的断层的预报效果较好, 因为断层先在隧道底出露, 对岩体稳定性影响不大时就可以发现;对于向掌子面前方倾斜的结构面, 因为先在顶部出现, 预报的效果相对较差。正洞地质素描的优点是设备简单, 不干扰施工, 出预报结果快, 预报效果好, 而且可为整个隧道提供完整的地质资料;其缺点是对与隧道夹角较大且向前倾的结构面容易产生漏报。

1.3 水平超前探孔

水平超前探孔法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进, 根据隧道中线水平方向上的钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色与气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断。这种方法可以直观地反映岩体的大致情况, 施工管理人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工。但该方法也存在着不足之处:一是对复杂地质条件的预报效果较差, 很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理, 特别是与隧道轴线平行的结构面, 其预报无反映;二是钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。

2 物探方法

地球物理探测是间接、无损的测试手段, 在隧道超前地质预报中, 常用的方法有地震反射法、声波测试、红外探水、电磁波法等。

2.1 声波测试

声波对裂隙反应很敏感, 遇到裂隙即发生介面效应, 耗损波能, 波形变复杂, 波速减缓, 此外, 声波速度的大小还与岩体强度有关。声波测试方法主要有岩面测试和孔内测试两种, 其中孔内测试又分为单孔和双孔测试。

(1) 岩面测试是在已开挖地段进行的, 由于隧道开挖放炮形成许多张裂隙, 所测表面岩石波速比实际岩体的波速略偏低。

(2) 孔内测试分为单孔和双孔两种。单孔测试是将发射源和接收器放在同一孔内, 但只能测到钻孔周围1倍波长左右范围内的地质情况。双孔测试是将发射源和接收器放在不同的钻孔内, 测试两孔之间的岩体波速。

(3) 孔内测试按耦合方式又分为干孔和湿孔两种。

2.2 红外探测

所有物体都能发射出不可见的红外线能量, 能量的大小与物体的发射率成正比, 而发射率的大小取决于物体的物质组成和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时, 所测得的红外场为正常场, 当其前方存在隐伏含水构造或有水时, 则所产生的场强要叠加到正常场上, 从而使正常场产生畸变。据此可判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。

现场测试有两种方法:一是在掌子面上, 分上、中、下及左、中、右6条测线的交点测取9个数据, 根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水;二是由掌子面向掘进后方 (或洞口) 按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试, 每5 m或3 m测取1组数据, 共测取50 m或30 m, 并绘制相应的红外辐射曲线, 根据曲线的趋势来判断前方是否有水。

2.3 弹性波法

弹性波超前预报技术按观测系统可分为地震反射法 (负视速度法) 和水平声波剖面法。当弹性波向地下传播时, 遇到波阻抗不同的地层界面时, 将遵循反射定律发生反射现象。介质的波阻抗差异越大, 则反射回来的信号就越强[2]。

(1) 地震负视速度法。

其原理是利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特征, 来预报隧道掌子面前方及周围区域的地质情况。在隧道侧壁的一定范围内布置激震点进行激发, 产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播, 当岩石强度发生变化时, 例如有断层或岩层变化, 地震波信号的一部分将返回, 这个信号称为反射波。反射界面与测线直立正交时, 所接收的反射波与直接由震源发出的信号 (称为直达波) 在记录图像呈负视速度, 其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置 (见图1) 。现场测试时, 采用的方式有多炮共道、多道共炮两种。

(2) 水平声波剖面法。

该方法是利用孔间地震剖面法 (ABSP) 的原理及相应软件开发的一种超前预报方法, 接收频率为声波频段的地震波。震源和检波器的布置由于脱离了开挖工作面, 因而对施工的干扰小, 还因反射波位于直达波、面波延续相位之外不受干扰, 因而记录清晰、信噪比高, 使反射波同相轴明显。观测时, 在隧道的两个侧壁分别布置震源和检波器, 按其相对位置设计成两种观测方式, 即固定激发点 (或接收点) 和激发与接收点相错斜交方式 (见图2) 。

(3) TSP 202超前地质预报系统。

该系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性, 来预报隧道掌子面前方及周围区域的地质情况[3]。其预报原理与负视速度法相同, 只是接收频率为10～8 000 Hz, 预报长度为100～200 m。TSP 202超前地质预报示意图见图3。总体来讲, 采用地震反射波法进行超前地质预报, 其预报距离相对较长, 对大的构造尤其是张性结构面反映明显, 对软硬岩的变化点也有较好的反映。

2.4 电磁波法

电磁波法是利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行地质预报, 目前常用的方法有地质雷达。

利用地质雷达进行超前预报时, 在前方岩石完整的情况下, 可以预报25 m的距离;当岩石不完整或存在构造的条件下, 预报距离也能达到10 m左右。雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异, 即介电常数, 若介质之间的介电常数差异大, 则探测效果就好。在洞内测试时, 由于受到的干扰因素较多, 往往造成假的异常而导致误判。因此, 要加强数据采集与处理工作, 尽量排除干扰, 提高探测精度。

3 结语

在隧道施工中进行超前地质预报, 是减少施工地质灾害、保证施工顺利进行的关键, 但由于对不良地质体的认识和判别存在着主观偏差, 加之勘测、测试手段的局限性和人为解译的差异性, 致使超前地质预报的准确性有待提高。进行超前预报的方法较多, 可以结合工程实际, 选择适宜的预报方法。在具体工程中, 往往综合采用几种预报方法, 以提高预报的准确性。

参考文献

[1]李立功.复杂地质条件下的超前地质预报方法[J].铁道建筑, 2004, (9) :25-26.

[2]欧阳刚杰.隧道超前地质预报综述[J].企业技术开发, 2009, 28 (1) :28-30.

隧道超前地质预报方法浅析 篇4

白云山隧道是宜万铁路项目中控制工期的13座长大隧道之一。隧道所处地区属构造剥蚀、侵蚀、溶蚀深切割中低山区,主要发育北西西向和北西向的褶皱和断层。基本地形为台原山地和深切峡谷,地形条件对区内岩溶发育起明显的控制作用。受地形、地质及构造等各种条件的影响,区内岩溶发育强烈,总体呈深切峡谷型特征,溶洞、暗河、落水洞、漏斗及岩溶洼地等岩溶现象多见。影响隧道施工的地下河发育规模大、水量大,正常涌水量为167 354 t/d,最大涌水量为427 315 t/d,对隧道会造成极大的危害,极易产生突水、突泥等地质灾害。为此,为了避免地质灾害的发生,在铁路施工中历史性地将综合地质超前预测预报纳入施工循环中。施工地质超前预报,就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料,并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究,从而对隧道掌子面前方岩体情况或成灾可能性作出预报。资料收集和处理是隧道施工地质超前预报的关键,它直接关系到预报结果的准确性。本隧道采用的有红外探水、TSP、隐伏岩溶地质雷达、超前水平地质钻孔等。以下就对这几种超前地质预报方法的原理等方面进行阐述。

2超前地质预报所需资料

为了预报隧道前方的施工地质情况,需收集以下资料:

1)工程范围内的地质构造情况、地质构造变化的规律;2)岩体软弱带及岩溶暗河的分布情况;3)掌子面内部岩性变化情况;4)岩体内的节理、裂隙、断层、岩脉等;5)岩体类别、断层位置、规模、断层破碎带位置、宽度等。

3超前地质预报准备及实施方法

3.1 已有资料的收集整理

收集已有的资料包括设计方提供的区域地质资料、研究分析资料、隧道工程地质勘察资料等,对这些资料再次进行分析研究,可以对工程范围内的地质构造规律有基本的认识。实践证明,对构造规律的掌握程度直接影响超前预报分析的准确程度。

超前地质预报工作首先要熟悉设计阶段的地质资料,在熟悉已有资料的基础上,还应加强地表实地踏勘,并对已有资料进行核对,了解隧道穿过地区的地形地貌特征,加深感性认识,从宏观上了解隧道所在地区的地质构造单元及其特征和可能遇到的不良地质地段里程,在此基础上大致确定地质超前预报的重点内容和重点部位。

收集和熟悉已有的地质资料是做好施工地质超前预报工作的第一步,必须加以高度重视。

3.2 现场资料采集

3.2.1 施工地质素描

1)施工掌子面地质素描主要内容包括:

a.岩性;b.断层;c.贯通性节理;d.岩脉。

2)地质素描要求:

a.素描必须现场进行,不得根据回忆绘制和编写,宜采用坐标纸进行记录,以便能比较准确地显示出结构面的位置。b.素描一律采用写实方法,记录方式、比例、图例应统一。c.素描不占用开挖时间,最好在出渣工作完成后台车就位前进行,因为此时浮渣都已被清理掉,信息比较真实。

3.2.2 超前探孔

超前探孔是利用掌子面上的炮孔结合地质钻机的超前水平探孔,了解前方地质情况的一种手段。超前探孔也是最真实、最有效的探测方法之一。地质钻机一次成孔可达50 m左右,对溶腔、破碎带可以准确地确定其所在里程位置。钻孔作业时要求技术员全过程旁站记录钻机进尺速度的变化情况;观察泥浆从孔中流出状态的变化;听取司钻手操作钻机时钻机的细微变化,结合TSP203预测成果进行分析,进一步准确核实地质的变化情况。

记录钻速的目的是用来确定掌子面前方断层或破碎带位置。对其工作原理和注意事项分述如下:

1)原理:地质钻机在岩石中的钻进速度和岩石特性有关,当推进力为定值时,岩石越坚硬,每钻进一定长度,所需时间越长。钻速测试就是据此来判断前方岩体情况的。

2)注意事项:a.钻孔应尽量在可利用为掏槽炮孔位置垂直于工作面布置,不必单独布孔,爆破时作为增加的邻空面对提高掏槽效果极有好处。b.遇到需进一步探明范围的溶腔、裂隙、软弱夹层应至少选择3个炮孔,呈三角形布置。c.记录3个炮孔间的距离和距底板的高度。

3.2.3 TSP203

TSP203进行量测时,需要隧道停止开挖,整个量测过程需大约2 h。在隧道中完成爆破之后,地震数据可以立即在电脑上处理。特殊设计的TSP软件可引导用户自动完成处理过程。随后,评估程序会给出测量长度内的地震事件。其结果将提供二维或三维预测范围内的事件描述视图,通过表格的形式把计算的岩石力学参数用来表征岩石强度的变化。因此,地震预报的结果与地质剖面可直接比较。其工作原理和注意事项如下:

1)原理:在隧道左边或右边选择发射侧面,沿着侧面声信号一步一步用较小的频率产生,以球面波的形式向前通过岩体。地震波在岩石中以球面波形式传播,当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面,例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,一部分地震信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。分析声波的传播速度和发射信号的传播时间,反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比,得出距离,故该方法能提供一种直接的测量。

2)注意事项:a.利用炮孔进行声波测试前应将孔内岩粉、存渣清理干净。b.声波测试应在装药时进行,将待测孔留出,先给其他炮孔装药,然后给测试炮孔装药。c.测孔爆破时要采用注水放水炮,以增加爆破声波传递效果。d.用于地震信号采集的接收器放在一个特殊的钢套管中,套管通过水泥浆或两种化合物树脂药筒与岩层结合,要求确保与岩面紧贴。

3.2.4地质雷达勘探

地质雷达勘探法主要通过测试受激雷达波在岩体中的传播情况来判定隧底岩体的情况。在进行地质雷达勘探时,为了保证测试精度和少占用主要工序的时间,应遵循几项原则:1)地质雷达勘探宜在隧道铺底前这段时间内进行;2)为保证测试精度,应至少探测3条线相互复核。地质雷达是在地表沿洞轴线进行,因此不占用施工时间。

3.2.5超前平行导洞法

超前平行导洞法是利用与主体工程平行的导洞进行资料收集。导洞先行施工,对导洞揭露出的地质情况进行收集整理,并据此对主体工程的施工地质条件进行预报。超前平行导洞法收集的资料比较真实可靠,预报距离也比较长。

超前导洞法是将隧道断面划分成几个部分,其一部分先行施工,用来进行资料收集。其预报效果比超前平行导洞法更好。

4结论与展望

在白云山隧道的施工中,运用了以上几种方法,进行综合超前地质预测预报,使其预报结论相互验证、相互补充,很好地解决了以前超前地质预报不准的难题。目前有关超前地质预报方法的研究还有许多工作要做,如新的探测仪器的研制使用,如何提高探测效率,先进仪器数据的准确性分析,怎样得出准确的分析结论,如何少占或不占用主要施工工序时间等,都需要进一步深入地研究总结。

摘要：对白云山隧道施工中所使用的几种超前地质预报方法进行了分析,论述了这几种方法的工作原理及使用时的注意事项,提出了综合超前地质预报的观点,使其预报结论相互验证、相互补充,很好地解决了以前超前地质预报不准的难题。

关键词：隧道,超前地质预报,原理,地质资料

参考文献

[1]刘朝祯.太平驿水电站引水隧洞施工地质超前预测预报技术[A].隧道施工技术文集[C].1997.164-170.

[2]李大心.探地雷达原理与应用[M].北京:地质出版社,1994.

隧道地质超前预报方法的探讨 篇5

目前我国隧道施工期地质超前预报主要采用常规地质法和地球物理法。

(一) 常规地质法

1. 工程地质调查法

施工阶段的工程地质调查不仅是对勘测设计阶段的地质预估评价的补充, 对隧道所处复杂地质条件的微观的把握, 更是确定隧道施工期地质超前预报重点段、减少隧道施工期地质预报盲目性、使预报具有较强针对性的重要保证。该方法主要是通过调查和分析地表和洞内的工程地质条件, 把握隧道所处地段的地质结构特征, 推断前方的地质情况。

调查的主要内容有:

(1) 不同岩性、地层的产出特征, 岩层产状及其变化;

(2) 断裂构造与节理在地表的出露、分布、性质、规模、发育规律及其产状变化;

(3) 针对岩溶地区, 要注意岩溶发育位置、走向、形态等;

(4) 软层 (煤层、石膏层) 在地表的出露位置、规模大小及其产状的变化;

(5) 岩体节理裂隙统计分析研究, 对已揭露洞段裂隙网络窗口调查研究, 模拟掌子面前方节理裂隙。

通过对隧道地表及其洞内的地质条件的分析, 预测隧道掌子面前方的不良地质体可能的类型、出露部位、规模大小等, 以便隧道施工中采用合理的工艺与措施、避免发生工程事故, 这种方法适用性强、成本低、操作简单, 特别是在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下有很高的准确性、但是在构造比较复杂地区和埋深较大的隧道中, 该方法工作难度较大, 准确性较差。

2. 超前导坑法

超前导坑法可分为超前平行导坑发和超前正洞导坑法。超前平行导坑的布置平行于正洞, 断面小而且和正洞之间保持一定的距离, 在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图, 通过做地质素描图对正洞的地质条件进行预报。该方法的特点是预测正洞地质条件非常直观, 准确率也比较高, 预报距离长, 便于施工人员安排施工计划和调整施工方案, 特别是当两平行隧道间距较小时, 预报效果更佳, 对正洞施工的指导作用强。该方法是我国隧道工程中常用的预报方法之一, 在大秦线12座1.5Km以上的隧道有9座采用了平行导坑, 秦岭隧道为了保证Ⅰ线隧道TBM安全顺利的施工, 在Ⅱ线隧道中线位置上先期利用平行导坑贯通, 对Ⅰ线正洞做出了直观、高精度的地质超前预报。但该方法的投资较大, 有时需要全洞进行平导开挖, 另外在地层、构造相对复杂的地区准确度不高。

超前正洞导坑法则是先沿隧道正洞轴线开挖小导坑, 探测掌子面前方的地质情况, 然后再将导坑扩大为隧道的断面。其作用于平行导坑相比, 效果更好, 准确度更高, 但其费用更高。在国外, 一些特殊地段为了探明地质情况往往不惜花费高昂代价, 采用正洞导坑法来进行地质超前预报。如联邦德国欧伦堡隧道, 长3303m, 为了弄清地质情况, 开挖了25.9m深的竖井和1647m长的导坑;浮可林隧道长6019m, 为了探明隧道膨胀土的分布, 隧道施工过程中采用了正洞导坑法[3]。但在国内采用正洞导坑法的较少, 北京八达岭高速公路隧道部分地段的施工过程中采用了超前导坑法[4]。

3. 水平超前探孔法

水平超前探孔法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进, 根据隧道中线水平方向上钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴及其充填物、岩体的完整性。这种方法可以反映岩体的大概情况, 比较直观, 施工人员可以根据现场的地质情况来安排下一步的施工组织。但是该方法也存在不足之处:在复杂地质条件下预报效果较差, 很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理, 特别是与隧道轴线平行的结构面, 其预报没有反映;钻孔之间的地质情况反映不出来。目前国内采用这种方法进行隧道施工期的地质预报主要是在水工隧道工程中, 国外已经较为普遍的使用该方法, 如英吉利海峡隧道、日本青函海底隧道更是大量采用了水平超前探孔法进行施工期的地质超前预报。

(二) 地球物理法

地球物理方法主要是波的反射法。利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中的传播、反射, 通过信号采集系统接收反射信号, 判释隧道掌子面前方反射界面 (断层、软弱夹层、不同岩层分界面、溶洞壁面或者矿巷壁面等) 与隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预报。其特点是具有成熟的理论基础, 占用施工时间较短, 预报距离长短均宜, 费用相对较低。

1. 地震波反射法

(1) 地震负视速度法

(1) 方法原理

根据几何物理学的知识, 沿隧道轴向布置一条纵测线, 并与反射界面R正交, 交点为A。震源O布置在远离反射界面的一端, OA之间布置若干检波器, 则弹性波自震源向四方辐射, 其中一支射线沿测线传播, 遇界面R时, 在A点反射;并沿测线反向传播, 射线路径与时距曲线如图1所示。

在法向观测系统中, 由于反射路径与入射路径相反, 而入射波的时距曲线t1 (x) 具有正视速度的特征, 所以反射波的时距曲线t11 (x) 就具有负视速度的特征。如果隧道施工掌子面在之间的任意点D的位置上, 则实际测线及时距曲线就只能局限在之间, 这时, 利用有限的正、负视速度的时距曲线顺势外延, 得交点A′, 则交点A′的横坐标X A′就是预报的反射界面点的位置A。

(2) 资料整理与处理

对物探采集数据进行处理, 选取最佳处理流程, 确保记录目的层反射波特征明显, 信噪比高、同相轴清晰、能进行追踪和相位连续对比, 并能根据上行波和下行波视速度的差异, 确定反射界面在隧道轴向前方的距离;地震负视速度法的处理与解释流程如下:按常规方法处理记录仪所记录的一系列信息, 波场分离, 拾取直达波, 确定反射波校正时、滤掉直达波, 拉平反射波 (静态时移和排齐) , 迭加拉平的反射波成一道, 重复显示地震道, 确定第一个反射波, 恢复直达波与反射波, 延长直达波与反射波延长线交汇于一点 (反射界面位置) , 利用反射波速度及反射时间计算反射界面的距离, 来用相同方法找出开挖工作面前方的一系列反射界面。

其中波场分离可利用上行波和下行波能量差异较大的特征, 尤其是两者视速度的不同, 采用速度滤波和中值滤波进行波场分离, 以便于识别直达波和反射波。

(2) TSP203法

(1) 方法原理

同其它地震波反射法一样, TSP203采用了回声测量原理, 在设计的震源点激发地震波, 激发产生的地震波以球面波的方式全方位向外传播, 其中沿隧道掘进方向传播的地震波, 遇到岩体波阻抗差异界面 (如断层、破碎带和岩性变化等) 时一部分地震信号反射回来, 一部分信号透射进入前方介质继续向前传播, 再遇到波阻抗差异岩体界面时, 仍会发生以上地震波的反射和透射过程。反射回来的地震波信号被高灵敏度的地震三分量检波器接收, 传输到仪器进行放大, 并以数字化形式存储数据记录。地震回波数据通过TSPwin软件和SWSwin软件进行处理、分析和评估, 即可达到预报隧道掌子面前方岩体地质性质 (软弱带、破碎带、断层、含水等) 、位置及规模的目的。

(2) 观测系统

观测系统由24个爆炸孔和1~2个检波器孔组成, 若是两个检波器孔, 则在隧道的两边墙对称位置分别布置。检波器孔距掌子面约55m, 最后一个爆炸孔距掌子面约0.5m, 爆炸孔间距1.5m, 孔深1.5m, 孔径19~45mm, 孔口距隧底约1m, 向掌子面方向倾斜约10°, 向下倾斜10~20°。每个爆炸孔德药量为10~40g, 药量的大小应根据围岩的软硬、破碎程度以及检波器的距离等因素而定。检波器与第一个爆炸孔的间距为20m, 检波器孔深2.4m, 孔径为32~45mm, 孔口距隧底为1m, 向掌子面方向反倾斜约10°, 向下倾斜10~20°。

(3) 资料分析与判释

将洞内采集的资料传输至计算机, 利用TSPwin软件对其进行处理。TSPwin软件处理流程包括11个主要步骤, 即:数据设置→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P-S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。

软件处理成果的分析, 是根据以下原则进行:以纵波资料为主对岩层进行划分, 结合横波资料对地质现象进行解释, 根据反射波的组合特征及其动力学特征结合工程实际解释地质体的性质。为了保证对解释的准确性, 要对记录进行相似系数的处理分析, 确定回波的多寡与品质, 依据反射波同相轴的形态反演确定构造的规模及类型。

2. 地质雷达法

(1) 方法原理

地质雷达超前预报是利用发射天线将高频宽带短脉冲电磁波经掌子面发射至前方地层中, 遇溶洞、裂隙带等不良地质体界面反射回隧道掌子面, 由接收天线接收电磁波信号并记录其反射时间, 根据电磁波在介质中的波速和旅行时间可以计算界面深度 (h=V×t/2) 。其中电磁波在介质中的传播速度为V=C/ (εr) /2, 式中C为电磁波在真空中的传播速度0.3m/ns, εr为相对介电常数。通过分析接收到波的运动学和动力学特征, 如反射时间、幅度、频率与波形变化等资料, 可以推断前方不良地质体以及目标的深度、形状等, 达到在短距离内进行预报的目的 (图2) 。

具体的工作步骤为直接将雷达发射天线和接收天线放置并贴紧掌子面上, 同时移动发射天线和接收天线, 采集掌子面不同位置的雷达记录 (即一条测线记录) 。根据掌子面情况和隧道地质条件, 可布置为三横一竖测线或更密测线。

(2) 资料分析与判释

输入地质雷达记录是把野外采集的地质雷达记录从地质雷达仪中传入电脑, 用雷达处理软件打开。记录编辑是对采集的记录进行干扰道和重复道剔除、道间距修正和雷达初至波归零等。距离归一化处理是校正雷达记录水平间距, 滤波和增益处理是为了突出有效反射波, 压制干扰波, 以便于识别有效反射波。识别地质雷达反射波可求取反射界面位置。通过对雷达记录处理和解释, 最后可得到预报结果。

(三) 结束语

在隧道施工过程中进行地质预报, 各种预报方法都有其长处和短处, 特别是在地质条件复杂的隧道中, 应综合运用各种预报方法, 互相印证、取长补短、综合解释, 可以取得较好的地质效果。超前预报已成为保证隧道施工安全和工程质量的重要手段, 并在许多隧道施工中作为一项施工工序。采用地质调查法、TSP法进行地质超前预报, 预报距离相对较长, 对大的构造尤其是张性结构面反映明显, 对软硬岩的变化点也有较好的反映。利用地质素描、地质雷达法及水平超前钻孔进行短距离的预报, 使预报工作更加灵活方便、实用性较强、准确率高。总之, 在实施超前地质预报过程中, 要根据隧道勘察阶段查明的地质情况, 合理选用各种预报方法, 并有机地将常规地质法和地球物理法相结合, 相互印证。为隧道施工和及时调整支护提供有力地依据, 进而保证隧道施工安全, 避免人身伤害及设备的损害, 降低工程投资。

参考文献

[1]孟陆波.隧道超前地质预报技术与计算机辅助预报系统研究[D].成都理工大学, 2009.

[2]毛建平.秦岭特长隧道施工地质超前预报技术的应用[J].世界隧道, 1998, (4) .

[3]陈建峰.隧道施工地质超前预报研究技术比较[J].地下空间, 2003, 23 (1) .

[4]龚固培.超前地质预报在北京八达岭高速公路隧道施工中的应用[J].世界隧道, 2000, (5) .

隧道超前地质预报技术的状况 篇6

隧道施工时,前方经常会遇到充水、充泥、断层破碎带,岩溶等不良地质状况。一旦作业不当,就很可能发生塌方,冒顶和突泥等地质灾害。隧道施工对前方地质状况的认识,除了前期获得的地质勘探资料,目前一个重要的途径就是施工超前地质预报。前期的地质勘探资料往往只是对隧道区域地质情况的一个大概勘测,由于受到地形和环境,以及精度的限制,准确性都大打折扣,对细部地区的勘测往往不足,有时经常和现场的实际地层情况相差很远。因此,实施隧道超前地质预报很有必要,可为隧道施工节约经费,减少施工中的人员伤亡,可以在地层进行围岩分级和隧道施工进行动态设计时提供依据。

国内外常用的隧道超前地质预报方法,从宏观方面主要归类有:地质分析法、超前钻探法、物探法和综合预报方法。从探测的掌子面前方距离来划分,有短距离探测(30m内),中长距离探测(30m~100m),长距离探测(100m以上)。由于当代科技的进步以及各类物探设备的不断面市,目前物探仪器和物探方法在地质预报中应用比较普遍和主流。下面简要介绍一下国内比较常见的一些方法:

1)地质分析法

地质分析法主要指工程人员依靠简单辅助工具和一些地质勘测资料,对隧道内地质情况进行观测分析,推断出前方地层情况的一种方法。这种方法预报的距离短,大概在5至15米,且对工程人员的现场经验和地质知识要求较高。

2)超前钻探法

钻探法是采用专门的钻探机具,对前方地层进行钻掘测探或者取出岩芯分析,以获取前方地层地质情况的一种方法。这种方法较直观和易于理解,但缺点是钻孔获取前方的地层信息的范围较小,通俗的说就是只能进行“点测”,如果遇到溶洞和土腔体,有漏报的可能性。而且占用施工面和作业时间较大,花费也不小。

3)弹性波反射法

属于物探方法范畴,是利用声波或者人工激发的地震波在地层中传播时,当遇到复杂地质体时反射回来部分反射波,分析这些反射波的特性,预测出前方地层情况的一种方法。这类物探方法包括有地震波反射法、负视速度法和陆地声纳法等等。地震波反射法比较常用和成熟,目前工程实践中常用的TSP203和TGP206设备就是根据地震波发射法的原理。

4)电磁波反射法

属于物探法中的一个类别,主要使用的是地质雷达(或称探地雷达)进行探测。雷达发出电磁波进入前方岩体传播,当遇到变化差异的地质岩体时部分电磁波反射回来,雷达接收信号并进行分析成图。地质雷达在工程检测中应用广泛。

5)电法勘探

有传统的直流电法、电阻率测深法、激发极化法、瞬变电磁法等。传统的电法勘探主要研究的是岩体空间电流电场变化和空间分布规律,来推断地下水的情况和岩体破碎发育情况。

6)综合方法

进行地质预报时,每种常用的方法和仪器设备都有自身使用的局限性和针对性。隧道内的地质环境也是复杂多变的,只有根据隧道具体地质环境,将选择使用的方法和仪器结合起来运用,才能起到良好的效果和工程效益。

1 TSP和地质雷达

工程常见的是,一般先采用长短距离结合的物探方法加上现场工程人员的地质编录进行地质预报,长距离预报常用的是地震波反射法原理为基础的TSP203仪器和TGP206仪器,有效预报距离通常能达到100m~300m远,能“照亮”前方范围较大的岩体。短距离使用的是地质雷达,一般每次探测距离30m左右,当遇到富水高危特殊地层,可以考虑使用对探测地下水比较敏感的瞬变电磁法和红外探测方法。

1.1 TSP(Tunnel Seismic Prediction)系统

TSP系统是由瑞士安伯格公司推出的一种隧道超前地质预报系统,是目前应用较为广泛的系统。该系统目前国内常用的是TSP203系列普及型仪器,该系列型号仪器拥有较高的软件自动解释功能。国内常用的另一种预报系统是北京市水电物探研究所发展的TGP预报系统,原理和TSP系统大致相同,主要使用的仪器设备是TGP206。

TSP工作原理示意如图1所示。在隧道洞内的某侧边墙上等间距钻设24个激发孔,在远离隧道掌子面的方向上,且距离激发孔规定距离的边墙上再钻设两个接收孔,在激发孔内放入适量的乳化炸药进行爆破产生出地震波,地震波向前传播时,当遇到差异的地质体时,就会反射部分回来,被埋置在接收孔里的检波器接收到信号并传给仪器主机保存下来。现场采集的数据,通过TSP配备的软件处理分析,就可以得到前方地层的地质信息。

隧道前方的不良地质现象大致主要有断层,富水区域,溶洞,破碎岩体,软弱岩层等。客观来说,任何一种方法不可能很准确且面面俱到地预测出上述所有的不良地质情况。但TSP系统对这几种地质情况综合来说,综合预报性能是比较高的,也不太影响隧道的正常施工作业。因此,TSP(或者TGP)系统在实践中应用较为广泛,也积累大量工程经验。

1.2 地质雷达

地质雷达作业灵活,作业占用时间短,应用也不断成熟。采用地质雷达进行超前地质预报是较常用的方法。国内较常见的雷达是美国GSSI公司的SIR系列,瑞典MALA公司的RAMAC系列,中国电波传播研究所的LTD系列雷达。探测时,地质雷达向地层发送高频电磁波,电磁波在传播中遇到介质的电性差异时,就会发生部分反射,根据接收到的雷达反射波走时、强弱、波形等特性,就能推测出空间目标体的情况。

隧道进行超前地质预报,一般雷达所选的天线主频率是100MHz,测线布置依据工程情况而定,以下是雷达分析成果图中的一幅较常见图表。

图2是隧道地质预报成果图中较典型的一幅雷达反射波剖面图,来源于某高速公路隧道的检测数据实例,是经过各种处理后得到的线测反射波剖面灰阶图。围岩区域是石灰岩地区,地下水不发育。上方横向宽度是隧道掌子面的测线宽度,纵向方向上,从坐标零点开始,往下是掌子面探测前方的距离,单位为米。雷达反射波波形剖面能反映出前方岩体的很多特性,就一般情况而言:

1)相同岩性反射波同相轴比较连续,差异岩性的反射波同相轴比较错乱;

2)反射波振幅的强弱能反映出岩体的破碎强弱和某些地下水信息;

3)反射波频率的大小,能看出岩性质地(即软硬)特性。

图2中,隧道掌子面前方0m~3m段围岩,通常属于爆破震动引起的松动区,反射波波形杂乱;3m~13m区域,岩体较均一完整;13m~25m区域,反射波同相轴错乱,反射波振幅加强。结合前期地质资料和现场地质编录分析,该段围岩破碎,局部夹泥。

2 结论

本文简述了一些隧道超前地质预报的方法,以及代表性的地震波反射法TSP预测系统和地质雷达方法的情况。

在隧道超前地质预报中,要始终坚持现场复核物探结论,不断动态修正物探参数的原则,才能把超前地质预报工作做好。

摘要：隧道超前地质预报在施工中是一项重要的工序,它能给隧道提供安全保障和质量。本文介绍了一些隧道超前地质预报情况,包括TSP和地质雷达情况。

关键词：隧道超前地质预报,TSP,地质雷达

参考文献

[1]刘志刚,赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[2]傅鹤林,赵朝阳,等.隧道安全施工技术手册[M].北京:人民交通出版社,2010.

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[4]张玉芬.反射波地震勘探原理和资料解释[M].北京:地质出版社,2007.

高家梁煤矿地质超前预报实测研究 篇7

关键词：超前预报,地质探测仪,破碎带

煤炭井下开采过程中, 经常会遇到断层破碎带、溶洞、软弱层等不良地质体, 易导致冒顶、片帮、突水、冲击地压等事故, 给工作面安全开采构成严重威胁[1]。如果能提前掌握前方地质条件变化情况, 将为采取有效措施提供依据, 对防治相关地质灾害具有重要意义[2,3]。文章介绍了采用矿井地质探测仪进行地质超前预报的方法, 并对高家梁煤矿受不同采动影响的巷道进行现场探测。

1 地质超前探测方法

1.1 探测仪器

矿井地质探测仪是基于矿井震波运动学和动力学特征理论, 通过对数学建模、反演算法、图像处理、地质解析等专项技术开发形成的探测技术方法, 可用于解决井下采掘工作面前方及周围未探明的构造和影响范围及巷道余煤 (岩) 厚度等的预测预报, 能为煤矿开采过程中的安全科学施工提供有力支持。仪器采用先进电子技术与嵌入式操作系统, 保证了地震数据信号的高保真采集及高分辨率信号解析处理, 具有嵌入式Linux操作系统、信号动态范围大、接收灵敏度高、各道信号采集同步、探测方法丰富、数据处理精深等优点。适合于井下未探明的小构造、断层、采空区、陷落柱, 巷道顶底余煤 (岩) 厚度等超前探测, 以及地面及地下工程地震勘探。本次探测使用KDZ113-4便携式矿井地质探测仪。

1.2 探测原理

探测采用单点自激自收探测方法, 即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。根据反射波原理, 它是通过接受不同性质断面交界面的地震波垂直反射信号, 来解析计算目的的层距或厚度的。单道观测系统有相应波路图, 如图1所示。

其时距曲线方程为:

这样等步长前移连续追踪可得到地下各个反射界面的剖面时域波形图。反之, 根据测试波形求取反射相位时间, 又可求解探测目标体的距离, 即h=0.5vt。

2 探测实例

2.1 现场地质条件

高家梁井田位于鄂尔多斯市境内, 井田南北最长约14.09km, 东西最宽约12.69km, 面积约87.4178km2。井田内共见可采煤层6层, 即2-2上、2-2中、3-1、4-2中、5-1、6-2中煤层, 目前主要开采2-2上、2-2中煤层。煤层顶底板多为砂质泥岩、粉砂岩, 局部为细砂岩, 裂隙发育, 其力学强度较低, 且在水中还有崩解破坏现象。区域内地质构造相对简单, 地层波状起伏, 小褶曲构造发育, 局部有小断层发生。

2-2上煤层厚度0.80~7.04 m, 平均2.37m。煤层结构简单, 顶板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主, 局部为中砂岩;底板岩性主要为砂质泥岩和粉砂岩, 局部为泥岩、细砂岩。2-2中煤层厚度0.80~8.95m, 平均3.15m。煤层结构简单, 顶板岩性多为砂质泥岩、粉砂岩, 局部为细砂岩;底板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主, 局部为细砂岩、泥岩。工作面一般沿煤层走向布置, 走向长度150~200m, 倾向长度1000~1500m。工作面顺槽采用矩形断面形式, 采用锚网索联合支护;机头硐室为直墙半圆拱形断面形式, 采用锚喷支护方式, 同时配合金属网和W型钢带进行支护。

2.2 地震波速测算

采用高精度震波探测技术, 运用已知地质构造变化, 反算出本矿井的地震波在巷道顶板中的传播速度, 为探测巷道未知区域的构造变化提供数据条件。探测地点为2中回风大巷h28测点往里95米处, 巷道顶板为细砂岩。实验探测参数见表1, 探测结果如图2所示。

由上图反算得出高家梁煤矿顶板地震波传播速度为2.85m/ms。

2.3 探测结果

分别对20111工作面回风顺槽、20108工作面回风顺槽和2-2中203盘区右翼辅运大巷进行现场探测, 探测结果如图3~5所示。由图可知, 受一次采动影响时, 在20111工作面回风顺槽中, 波传播到12.75ms和21.12ms时发现异常, 则距离探测地点为36.33m和60.19m处为弱胶结破碎带;受两次采动影响时, 在20108工作面回风顺槽中, 波传播到4.75ms时发现异常, 其顶板内异常位置为13.53m;在2中203盘区右翼辅运大巷中, 波形传播到9.72ms、14.34ms、22.59ms时发现异常, 则距离探测地点为27.70m、40.86m和64.38m处为弱胶结破碎带。

3 结束语

矿井地质探测仪可有效地对煤矿井下不良地质体 (包括断层、破碎带、溶洞等) 进行超前预报, 对高家梁煤矿探测结果表明, 矿区顶板地震波传播速度为2.85m/ms, 在2上顺槽和2中大巷均出现了一定程度的破碎带。

参考文献

[1]罗利锐, 刘志刚, 闫怡冲.超前地质预报系统的提出及其发展方向[J].岩土力学, 2011, 32 (增1) :614-618.

[2]刘志刚, 赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社, 2001.