隧道地质超前预报技术(共9篇)
隧道地质超前预报技术 篇1
0 引言
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.
[3]林才奎,杨红军,方建勤,廖树忠,等.复杂地质条件下隧道施工安全保障技术[M].北京:人民交通出版社,2010.
[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.
[5]中华人民共和国行业标准.铁建设[2008]105号:铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2008.
隧道地质超前预报技术 篇2
TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用
本文分析了隧道施工过程中会常常遇见的一些问题;介绍了TSP超前地质预报系统及其工作原理;结合TSP超前地质预报系统在沪蓉西主干线扁担垭隧道现场应用阐述了其应用的可行性、合理性及其带来的经济性.
作 者:杜文哲 王磊 作者单位:深圳市南华岩土工程有限公司,广东・深圳,518020刊 名:科协论坛(下半月)英文刊名:SCIENCE & TECHNOLOGY ASSOCIATION FORUM年,卷(期):2009“”(7)分类号:P2关键词:TSP 隧道 超前地质预报
长大公路隧道超前地质预报技术 篇3
西部开发省际公路通道重庆至长沙公路武隆至水江段位于重庆市东南部, 总体呈东西走向。隧道长4884.14m, 属特长隧道。
隧道地处乌江北岸, 其西段为陡崖, 东段为斜坡。隧址区地形总体呈不规则M形状, 以南溪沟为界。地势总体西高东低, 西部属中低山峡谷地貌, 绝对高程170~1035m。
不良地质现象有:岩溶及岩溶水, 穿煤压煤及有害气体等。由于隧道区紧邻乌江峡谷, 处于地下水季节变化地带附近, 地下水的运动相当强烈, 分布数量众多的大型复杂干溶洞、充填溶洞及地下暗河, 对工程影响较大。
2 隧道超前地质预报设计
为确保地质预报工作的准确及时, 避免地质灾害发生, 减少损失, 施工中必须进行地质超前预报技术设计。超前地质预报工作的开展必须与监控量测资料紧密结合, 理清相互关系, 为各种不良地质地段选定最佳地质预报方法和数据分析提供充分的基础资料。
2.1 地质超前预报项目 见表1。
2.2 地质超前预报组织机构、设备设计
2.2.1 地质超前预报组织机构
地质预报组织机构如图2:
2.2.2 地质超前预报预测设备 (见表2)
2.3 超前地质预报技术设计
根据该隧道详细地勘资料, 采取多种预报手段相结合的综合预报方法, 以工程地质法 (地质素描法) 进行超前宏观预报为前提, 结合TSP-203超前地质预报系统、探测仪、超前探孔、超前导洞、经验法等综合手段, 分长期预报、中期预报、短期预报三个阶段对岩体特征、涌水、瓦斯等不良工程地质进行超前预测预报, 具体方法如下:采用TSP系统与地质分析法相结合进行长期 (长距离、大于100m范围) 地质预报;采用仪器和钻孔进行30~100m距离的中期地质预报;采用在钻爆循环中加深炮眼钻孔或超前探水进行掌子面前方几十米范围探测。结合掌子面地质素描进行掌子面作业影响区域内的当前地质预报。
3 超前地质预报的措施及方法说明
3.1 施工经验法预测
根据投标文件中提供的地质资料及隧道施工经验, 对洞内渗水、涌水特性以及施工方法、工艺类比地质情况、施工方法及工艺。并根据类比情况对相关问题提出预报。从地质资料及国内已有涌水有关资料表明, 下述部位将可能出现大量涌水、突水突泥地带, 作为地质超前预报重点部位:弱可溶岩进入强可溶岩的边界部位;进入导水构造发育的向斜一翼;开挖出现渗、滴水段逐渐变成线状渗水段, 前方可能出现集中涌水段;钻孔时出现有清水变为泥水时, 前方可能有溶洞;当地温出现比已开挖段低时。
3.2 地质分析法预报
对地表进行GPS测量, 绘制地形图, 计算汇水面积, 判断不良地质, 利用1/10000的地面测绘和其它基础资料对的地层界线、围岩类别、涌水以及其他的特殊工程地质问题进行预测。通过地表区域地质调查和掌子面已暴露地层进行观测、记录, 以图文方式及表格形式来宏观判断可能以发生地质灾害及其程度。
通过掌子面所暴露的地层岩性、岩体结构面的发育程度、岩体的完整性、断层发育情况、岩溶地层与非岩溶地层分布、地下水渗流等进行地质素描, 判断前方可能会出现的破碎岩体、出水构造情况以确定采用仪器探测和超前钻孔的布置形式。
3.3 地质仪器法预报
TSP203:是最新一代智能型预报仪, 传感器能采集不同方向的地震信号, 能根据地震反射波判断发射截面的三维几何形态, 经电脑分析, 自动得出图像和结果。可以比较准确的预报工作面前方100-200m范围内工程地质和水文地质情况, 解决的主要技术问题如下:能探测工作面前方存在的断层、破碎带、特殊软岩、富水岩层和煤系地层与其他地层的界线、溶洞、暗河和岩溶陷落柱, 还能探测岩浆岩岩体、岩脉、孤石等特殊地质体;能查明前述不良地质体的位置和规模, 能判别不同类别围岩的分界线, 并提供相应岩层的地质力学参数 (杨氏弹性模量、泊淞比等) ;能探测和较准确的解释距离为:软岩一般能探测250m (最大可达400m) , 硬岩一般能探测400m (最大可达500m) , 有效解释距离为150m;对不良地质体的地质性质判断, 一般较准确;对不良地质体的位置判断精度可达90%以上;对不良地质体的规模的判断精度可达85%~90%以上。
地质素描及数码相机分析法预报:利用地质素描判定工作面前方短距离范围内的地质情况。掘进施工时, 派有经验的地质工程师在每循环后对工作面进行地质观察、记录, 必要时照相摄影, 并绘制地质素描图。根据掌子面地质情况, 通过对地质素描图的分析, 用工程类比法对开挖面前方短距离内的岩体稳定性进行分析, 通过综合分析判断, 提出地质预测报告。
3.4 超前探孔取芯验证法预报
根据设计地质资料及TSP等长期预报提供的不良地质资料, 在掌子面距不良地质地段约25m左右时, 采用轻型地质钻机在掌子面进行钻孔探测, 以便相互印证, 根据TSP探测资料选择探孔位置, 布置两个探孔, 同时进行取芯, 孔深100m。在钻孔的同时, 记录钻孔速度、岩碴岩粉特征、冲洗液颜色、含泥量、出水部位、钻杆是否突进等情况, 探明水量和水压情况, 按设计和开挖面的地质资料, 判定工作面前方的工程、水文地质情况, 以采取必要的预防措施。钻孔前应先用稍大直径的钻头钻孔, 安设3m孔口管, 孔口处设闸阀, 在遇到高压水时紧急关闭, 防止突水。每次提钻后要对岩芯进行观察描述和记录, 记录各岩层位置、岩性、厚度及其裂隙发育、充填胶结情况, 做好岩芯的地质描述, 同时记录好孔内出水情况。取出的岩芯要按孔位编号, 摆放整齐, 供地质人员分析研究。超前钻孔取芯能够较真实地反映掌子面前方的地质情况, 在施工超前地质预报中已得到广泛应用。
3.5 涌水的预测
3.5.1 超前炮眼钻孔或超前探水钻孔的涌水量预测
根据开挖工作面上的超前炮眼钻孔的涌水量预测前方几米至几十米的水情这种方法的原理是利用爆破后的出水量和爆破前炮眼水喷距的一定比例关系, 用喷距的大小来预测开挖后的涌水量。根据炮眼口水流射速, 可以预报爆破的水量。但炮眼水喷射速度不易实测, 它和炮眼水喷射的水平距离有一定的比例关系:
式中:S-水平喷距 (m) ;v-喷射速度 (m/s) ;y-炮眼距隧底面高度 (m) ;g-重力加速度。
在实际应用中, 应用工程类比法, 可用喷距代替射速进行预报, 具体方法是:暂时封闭水量较小的炮眼, 只留一个喷距最远的测量其喷距 (如完全封闭有困难, 可尽量堵塞, 减小其流量) ;把实测喷距, 换算成标准条件下的喷距即高出隧底面10m (y=1) 时的喷距;根据换算后的喷距, 对涌水量进行预报。一般喷距小于5m, 为裂隙渗水和中、小股涌水, 流量小于100m3/h;喷距5~9m, 为小型突水, 流量100~400m3/h, 可加大炮眼长度, 试探前进;喷距9~12m, 为中型突水, 流量400m3/h以上, 应停止施工, 查明情况;喷距12m以上, 为大型突水, 应停止施工, 查明情况, 从速处理。
3.5.2 超前探孔布置方式与钻孔方法
地质超前预报钻孔采用“2孔”预报方法, 力求将探孔穿透不良地质部位, 故探孔的位置、方向、角度的选定, 应以设计图纸地质资料及地质素描预报为基础, 来选定超前取芯探孔和不取芯探孔的孔位设置。
原则上超前取芯孔应尽可能穿透前方不良工程地质地层能取到反映不良工程地质的各种岩芯及围岩工程参数。
一般情况下, 探孔在掌子面两侧拱腰各设一个, 对于地质复杂多变地段, 必要时增加探孔, 以满足超前探测前方的地质需要。
3.6 瓦斯预测
根据设计文件有关资料, 进一步查明瓦斯地层分布范围, 在开挖面快接近瓦斯地层时, 加强地质超前预报, 采用超前导坑法探孔, 安设瓦斯遥测装置、定点报警仪, 查明瓦斯种类和含量, 确保施工安全。
4 总结
通过详尽的超前地质预报计划和具体细致的预报工作, 本隧道在3年的施工中未出现一起大的安全事故, 减少了人民财产及人员损失。为渝湘武水段按期顺利完工奠定了坚实的基础。
公路隧道工程超前地质预报的重点总结如下:通过地勘资料熟悉隧址区的地质情况;建立地质预报及监控量测工作体系;合理的地质预报组织机构及技术设计;准确及时地资料分析及反馈。
摘要:随着国家基础设施建设规模不断扩大, 山岭公路隧道施工越来越多, 施工技术亦在不断丰富、发展。但隧道施工安全却成为当下工程界关注的焦点, "以人为本、安全第一"的思想深入人心。隧道超前地质预报是隧道施工安全的重要保障, 也是隧道工程施工技术的主要组成部分。本文仅通过对武隆隧道超前地质预报技术的总结, 为广大技术工作者提供借鉴。
关键词:公路,长大隧道,不良地质,监控量测,超前,TSP,预报
参考文献
[1]李勇等.隧道施工地质超前预报方法[J].地质与资源, 2004 (2) .
[2]钟宏伟等.我国隧道工程超前预报技术现状分析[J].人民长江, 2004 (9) .
隧道地质超前预报技术 篇4
TSD系统在隧道超前地质预报中的应用
指出TSD隧道超前预报系统是用地震原理对隧道进行超前探测的系统,该系统采用了速度型检波器进行数据采集,数据采集和处理系统高度智能化,使用该系统对安徽某隧道(ZK55+488里程)进行地质预报,结合实际开挖证实了该套系统预报的可行性和准确性.
作 者:宋广明 刘志凯 刘瑞臣 SONG Guang-ming LIU Zhi-kai LIU Ru-chen 作者单位:天津华勘有限公司,天津,300181刊 名:山西建筑英文刊名:SHANXI ARCHITECTURE年,卷(期):35(18)分类号:U452.1关键词:TSD 隧道 超前预报
隧道地质超前预报技术 篇5
隧道施工中,在不良地质地区容易遭遇如突水、突泥、瓦斯等地质灾害,如果不能提前预知,处理不当容易造成突发性的重大人员伤亡安全事故,国内隧道施工有不少血的教训。因此利用隧道地质超前预报探测技术,为不良地质隧道施工提供指导帮助十分必要。
长滩隧道为左右分离式特长隧道,进口端K18+364~K20+000段地质主要为弱风化灰岩、页岩,薄层至中厚~厚层构造,岩质软至硬脆,岩石节理裂隙发育,地表近南北走向岩溶沟槽及岩溶缝隙发育,岩溶洞穴多,呈竖向。地下水为第四系孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水和岩溶管道水,溶洞集中于K18+880~K19+800段落,形态为溶缝、溶沟、溶槽、漏斗、落水洞及竖向洞。左洞检测时施工掌子面里程为ZK19+310,围岩地质为弱风化灰岩、白云质灰岩,浅灰色、暗灰色,节理裂隙较多,围岩级别为Ⅲ级。由于处溶洞发育带,为探明前方地质情况,防止出现突水、突泥事故,决定采用TGP12隧道地质超前预报系统对ZK19+310~ZK19+510段落进行地质预报探测。
2 隧道地质超前预报(TGP)探测的原理与探测方法
2.1 检测原理
TGP法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生,炸药激发在隧道边墙的风钻孔中,通常24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中,一般左右壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播,当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时,例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等,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传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的传播时间与传播距离成正比,与传播速度成反比.可根据反射波的几何路线计算,不难得到一个构造面倾斜情况下,直达反射波时距曲线方程为:
undefined
式中的正、负号与X轴方向同界面倾斜情况的相对关系有关。若地层上倾方向与X轴正向一致取负号,反之取正号。构造面倾斜时反射波的时距曲线为一支双曲线,如图1所示。
对图1所示结构面通过测量直达波速度、
反射回波的时间、波形和强度,可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。
在一定间隔距离内连续采用上述方法,结合施工地质调查,可以得到隧道围岩的地质力学参数,如弹性模量、剪切模量和泊松比参数等。现场工程技术人员结合相关的地质资料可以较准确地预知前方及周围地质变化状况。
2.2 探测仪器及方法简介
TGP12隧道地质超前预报系统(TGP 即Tunnel Geology Prediction 的英文缩写,以下简称TGP12)是北京市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的系统设备,TGP12隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。
探测时采用黄油耦合,定向安置孔中三分量检波器;记录检波器孔、距离检波器最近的炮孔和隧道掌子面的公路里程桩号,以及各炮孔间的距离,以上数据填写在《TGP现场数据记录表》中;爆破孔药量一般控制在50~70克,采用计时线炸断的触发方式,在孔中灌满水的条件下激发,按序依次起爆和进行数据采集。工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述,以利于资料解释。
预报检测时一般距掌子面10m左右开始布孔,在隧道左或右壁的同一水平线上从里向外布置20个炮孔,炮孔间距2.0m,炮孔高度1.2m;然后与炮孔最近距离20m处左右两侧洞壁风钻孔中布置预报接收检波器,接收孔距掌子面70m左右。检测时应准备50~70克炸药20段,电雷管20枚,起爆器一个,注水胶管一条,起爆电缆50m。
3 测试结果分析
采集的TGP数据,通过TGPWIN软件进行处理,获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果
3.1 P、SH、SV波的波形分离图
(1)左壁接收的地震波波形图
(2)右壁接收的地震波波形图
3.2 P、SH、SV波的相关偏移图
(1)左壁P波、SH波、SV波偏移图
(2)右壁P波、SH波、SV波偏移图
3.3 构造面的反射波属性与衰减成果图
(1)右壁P波、SH波、SV波衰减图
(2)左壁P波、SH波、SV波衰减图
在成果解释中,以P波剖面资料为主,结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则:
①正反射振幅表明硬岩层,负反射振幅表明软岩层。
②若S波反射较P波强,则表明岩层饱含水。
综合分析隧道左右壁原始记录,分离后的纵、横波(P、SH、SV)记录,以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图可知在:ZK19+320~ZK19+345;ZK19+360~ZK19+370;ZK19+390~ZK19+400;ZK19+420~ZK19+430;ZK19+470~ZK19+484五段岩体有异常,可能为构造与裂隙发育带。其余段岩体与测段岩体基本相同。具体成果见表1。
4 成果应用和建议
根据预报结果,于是施工在ZK19+320~ZK19+345;ZK19+360~ZK19+370;ZK19+390~ZK19+400;ZK19+420~ZK19+430;ZK19+470~ZK19+484五段时,施工单位提前做好了防止溶岩突水或泥的各项准备工作,并在开挖这几段岩体前使用30米超前钻孔方法,进一步探明前方含水及泥的情况,以便采取相应措施。同时由于物探方法的间接性,在隧道施工期间,认真做好施工地质工作,记录隧道围岩和掌子面岩体的地质变化,进行拍照,以地质方法为基础,控制开挖进尺,不允许盲目冒进。
这其中,在左洞ZK19+325掌子面超前探孔钻进2.3米时出现涌水夹泥情况,压力较大,喷射距离达5 m,经研究决定:先将超前钻孔增加为7个,孔深30 m,以尽量释放泥水,同时将洞内设备、材料撤离到安全地带,采取措施临时封闭塑料排水盲沟,在泥水释放到无压力后,由拱顶向下采取弱爆破逐步将排泄孔扩大,以将前方淤积泥水完全排放清理干净后再行处置。在扩孔过程中,断断续续,大规模涌泥已达四次,最大涌泥量每小时达千方,持续十几小时,涌泥将隧道路面、两侧临时排水沟和洞外场坪淹没,涌泥量近十万方,由于采用TGP技术进行了预警和事前控制,安全防范措施得当,处置合理,未发生安全事故,也未对已施工好的隧道结构造成大的损害。后来开挖揭示在ZK19+325~ZK19+344段为一大型溶洞,与超前地质预报结果十分吻合。
这次隧道地质超前预报(TGP)的成功应用,避免了一次重大安全事故,在该隧道整个施工过程遭遇了数十个大小溶洞,多次突水突泥,但在TGP法指引下未发生一起安全事故,使突水、突泥等不良地质灾害从不可控变为可控,为隧道施工带来了可靠的安全技术保障。
本工程实践说明隧道地质超前预报(TGP)是一项先进可靠的探测技术,在不良地质隧道施工中,遵循科学的方法,合理应用预报结果,按隧道地质超前预报(TGP)结果进行超前探孔以确认地质情况,据此制定处理措施,可以避免不良地质给施工带来的危害。
摘要:隧道地质超前预报(TGP)是利用地震波反射回波方法测量的原理为隧道开挖指明工作面前方概略的地质轮廓,本文作者通过采用TGP在一隧道工程防范不良地质带来的危害的成功应用的例子阐明了应用方法。
关键词:地质超前预报,反射回波,不良地质现象
参考文献
[1]宋先海,顾汉明,肖柏勋,我国隧道地质超前预报技术述评[J],地球物理学进展,2006.2
[2]马会严,金荣杰,探地雷达、TGP超前地质预报在冷水溪隧道施工中的应用[J],工程物探新技术,2006.3
隧道地质超前预报技术 篇6
关键词:隧道,反坡排水,超前地质预报,应用
1 工程背景
近些年来, 由长距离反坡施工带来的技术挑战愈加明显, 因此造成的突水涌水等施工期地质灾害不断出现, 例如:湖北沪蓉西高速公路齐岳山隧道出口段落由于反坡施工, 在穿越马槽洞地下暗河和超大断层时遭遇大型涌水事故, 由于排水系统能力有限, 导致超过700 m的洞身被淹没, 工期延误超过1年, 经济损失严重。湖北沪蓉西高速公路龙潭隧道出口段是长距离反坡施工, 在穿越700 m长的断层破碎带时遭遇涌泥涌水事故, 给排水带来了巨大的困难。
依托工程东毛高速公路六盘山隧道设计为单洞分离式隧道, 左右线间隔31 m~48 m, 属超长隧道, 隧道全长9 490 m。六盘山隧道分三个作业工区, 进口施工属于顺坡施工, 斜井和出口施工均属于反坡施工。隧道出口段施工任务属于长距离反坡施工, 反坡段长度为3 060 m, 坡度为-2.78%。可见六盘山隧道存在较长距离的反坡施工段落, 且反坡施工段落穿越多个富水岩层和突涌水高风险段落, 给六盘山隧道长距离反坡排水提出了更高、更严格的技术要求。
在隧道反坡排水情况下, 隧道超前地质预报的作用体现的愈发重要, 如果无法在施工期提前预判前方水量, 会导致隧道排水系统能力不足, 从而引起隧道积水, 甚至引发突水突泥现象, 严重影响施工。因此, 急需建立一套完善的反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术体系[1]。
2 反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术
反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术遵循“由远及近”“先粗后细”的预报原则, 首先运用长距离超前地质预报手段, 如TSP地震法, 每次TSP超前地质预报的探测距离约100 m~150 m, 先粗略的探测出异常体的位置;然后运用中长距离超前地质预报手段, 如瞬变电磁法, 每次瞬变电磁法超前地质预报的探测距离约60 m, 进一步确定异常体的位置和情况;在到达风险段落前, 再使用短距离超前地质预报手段进行精细化探测, 如地质雷达法, 每次地质雷达法超前地质预报的探测距离约20 m;如果确定前方可能存在突水危险, 可同时利用短距离超前地质预报手段激发极化法, 每次探测距离约30 m, 并可以实现大致估算水量, 确保施工安全。
2.1 TSP长距离超前地质预报法
TSP法的基本原理是在隧道掌子面后方一定距离内, 在隧道边墙上打孔并在孔中安装炸药, 炸药作为发射源, 地震波在围岩中传播, 地震波遇到地质异常体的时候会发生反射, 由检波器接收反射回来的地震波信号, 通过计算得到异常体的位置[2]。
2.2 瞬变电磁中距离超前地质预报法
瞬变电磁法的基本原理是:利用发射线圈向隧道掌子面前方发射电磁场脉冲, 而当发射线圈中的电流突然断开的时候, 如果没有异常体, 磁场会正常衰减, 而当存在异常体的时候, 会产生二次涡流, 从而对异常体进行探测[3]。
2.3 地质雷达短距离超前地质预报法
地质雷达探测的基本原理是:地质雷达发射天线在隧道掌子面上移动, 利用地质雷达发射天线向掌子面前方发射高频电磁波信号, 电磁波在前方围岩介质中传播, 遇到异常体的时候, 电磁波会发生反射和透射, 然后利用雷达接收天线接收反射回来的电磁波信号, 从而确定探测前方异常体的大小、方位等信息。地质雷达探测主要依靠不同介质的介电常数差异[4]。
2.4 激发极化短距离超前地质预报法
激发极化法的探测原理为:在隧道腔体上布设五圈供电电极, 在掌子面上布设两排测量电极, 在供电的情况下, 采集测量电极间的电位差, 在断电的情况下, 测量电极电位差在最初的一瞬间快速下降, 而后随时间缓慢下降并趋于零, 通过不同介质的激电效应的差异对异常体进行探测, 并通过半衰时进行对水量的预估[5]。
3 反坡排水情况下的隧道超前地质预报工程应用
3.1 TSP法的应用
2014年5月16日, 在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了TSP超前地质预报。炮孔设置在隧道边墙左侧, 共有24炮, 实际激发21炮, 炮点间距约1.5 m, 传感器桩号YK13+593。本次探测范围为右洞YK13+543~YK13+403, 共140 m。
探测结果如图1所示。
从探测结果中可以看到, 距离传感器前方150 m~170 m, 即YK13+443~YK13+423范围内, 存在负反射信号, 推断该区域内围岩的坚硬度降低, 破碎程度加大, 裂隙更为发育, 可能存在充水充泥现象。
3.2 瞬变电磁法的应用
在隧道开挖至TSP探测到的负反射区域前, 2014年5月30日, 在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了瞬变电磁超前地质预报。本次探测掌子面里程为YK13+478, 探测范围为右洞YK13+478~YK13+418, 共60 m。
探测结果如图2所示。
从探测结果中可以看到, 距离掌子面前方42 m~53 m, 即YK13+436~YK13+425范围内, 存在低阻异常, 且综合TSP探测结果 (YK13+443~YK13+423范围内存在负反射) , 推断该区域内围岩破碎, 裂隙较发育, 存在充水充泥现象。
3.3 地质雷达法的应用
当隧道开挖至里程YK13+450时, 掌子面开始出现局部渗水现象。2014年6月7日, 在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了地质雷达超前地质预报。本次探测掌子面里程为YK13+445, 探测范围为右洞YK13+445~YK13+425, 共20 m。
探测结果如图3所示。
从探测结果中可以看到, 距离掌子面前方8 m~19 m, 即YK13+437~YK13+426范围内, 存在雷达强反射信号, 且综合TSP探测结果 (YK13+443~YK13+423范围内存在负反射) 以及瞬变电磁探测结果 (YK13+436~YK13+425范围内存在低阻异常) , 推断该区域内围岩破碎, 裂隙较发育, 富含裂隙水。
3.4 激发极化法的应用
为验证地质雷达法探测结果的正确性, 2014年6月8日, 在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了激发极化超前地质预报。本次探测掌子面里程为YK13+440, 探测范围为右洞YK13+440~YK13+410, 共30 m。
探测结果如图4所示。
从探测结果中可以看到, 距离掌子面前方5 m~15 m, 即YK13+435~YK13+425范围内, 存在低电阻率区域, 且综合TSP探测结果 (YK13+443~YK13+423范围内存在负反射) , 瞬变电磁探测结果 (YK13+436~YK13+425范围内存在低阻异常) , 以及地质雷达探测结果 (YK13+437~YK13+426范围内存在雷达强反射信号) , 推断该区域内围岩破碎, 裂隙较发育, 富含裂隙水。
根据前期实验数据研究可知, 激发极化半衰时之差数据包络线的正值部分与坐标轴之间包络面积随着水量增加而增加, 且二者之间具有良好的线性关系。
其线性关系如图5所示。
探测到的激发极化半衰时之差数据如图6所示, 探测结果显示, 在YK13+435~YK13+425范围内围岩电阻率较低, 在半衰时之差曲线图中存在正值部分, 且其包络面积为90 m·s, 通过前期实时监测得到涌水量数据, 根据此次和前期包络面积的比值, 推测此次涌水量约为30 m3/h。
4 结语
在隧道反坡排水情况下, 建立一套完善的反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术体系显得至关重要。本文提出一种“由远及近”“先粗后细”反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术, 提出首先使用长距离的隧道超前地质预报手段, 先粗略的探测出异常体的位置;再结合实际情况使用中距离的隧道超前地质预报手段, 进一步确定异常体的位置和情况;最后在达到异常体前, 使用近距离的隧道超前地质预报手段, 精细化的探测出前方实际情况, 并预估出前方围岩含水量, 为隧道反坡排水提供排水量依据, 在确保施工安全的情况下, 又很好的节约了排水成本。
参考文献
[1]李术才, 刘斌, 孙怀凤, 等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报, 2014 (6) :1090-1113.
[2]吕志强.TSP在隧道超前预报中的研究与应用[D].成都:成都理工大学, 2011.
[3]孙怀凤, 李术才, 李貅, 等.隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究[J].岩石力学与工程学报, 2011 (11) :2225-2233.
[4]王振宇, 程围峰, 刘越, 等.基于掌子面编录和地质雷达的综合超前预报技术[J].岩石力学与工程学报, 2010 (S2) :3549-3557.
隧道地质超前预报技术 篇7
超前预报技术近几年不断发展, 已经取得了较大进步。Alimoradi[1]等通过模型研究对组合爆破法TSP超前地质预报进行了研究;Cremer F[2]等通过对岩溶地区不同超前地质预报方法进行了比较, 分析了各种预报方法的优点和缺点;李术才[3]等通过对岩溶裂隙水与不良地质情况进行了研究, 介绍了TSP超前地质预报系统探测溶洞、陆地声纳法探测断层、地质雷达探测地下水等工程实例;罗利锐、刘志刚[4]等对岩溶地区超前地质预报方法进行了比较, 超前预报等红外探测仪由于岩体中含水量的不同, 其在测量时很难进行准确测定;葛颜慧、李术才[5]等对基于风险评价的岩溶隧道综合超前地质预报技术进行了研究;曲海峰[6]等对隧道信息化施工综合超前地质预报进行了研究, 并提出综合超前地质预报的信息化。
国内外研究结果表明, 尽管研究人员已经对超前地质预报进行了大量研究, 并日渐完善成熟, 但是, 在隧道开挖过程中, 通过红外探水对掌子面前方岩体进行含水的预报并不多见, 研究成果也相对较少, 因此对红外探水技术判断原则的准确性进行研究是有必要的。
1 红外探水机理
1.1 基本原理
物体是由大量分子组成的, 分子每时每刻都在运动, 且都伴随着电磁场的变化, 辐射电磁波, 产生红外线。同样, 岩层中的分子也在不停地运动, 辐射电磁波, 产生红外辐射场。红外探测技术就是利用红外线探测前方一定范围内的红外辐射场变化, 通过连接的探测仪检测出红外辐射场强的变化, 记录变化值进行比较判断。当探测的掌子面前方不存在隐伏的不良地质时, 就不会有磁场变化。红外辐射场也不会产生变化, 因此, 红外探测仪检测到的数值恒定, 数据曲线近似为一条直线, 当探测前方某一范围内存在不良地质时, 不良地质产生的辐射场就会与原来的正常辐射场进行叠加, 引起正常辐射场的变化, 红外探测仪所检测到的数据也会发生变化。因此, 通过红外探测技术对掌子面前方的地质进行探测, 并对采集到的红外场强数据进行全面分析, 就可对掌子面前方不良地质体进行有效预报, 特别是含水的不良地质构造[7,8]。
1.2 探测方法
在掌子面后方距离60 m处搁置红外探测仪, 然后每隔5 m沿着隧道掘进方向对隧道轮廓线进行探测 (图1) , 每次探测的顺序为:左边墙→左拱腰→拱顶→右拱腰→右边墙→隧底中线, 探测12个断面, 每个断面的测点布置如图2所示。所以, 沿隧道轴线方向探测会形成6条曲线, 分别为:左边墙探测曲线、左拱腰探测曲线、拱顶探测曲线、右拱腰探测曲线、右边墙探测曲线和隧底中线探测曲线[8]。在掌子面探测时, 自上而下布设4条测线, 且每条测线都与隧道地面平行, 并在每条测线上布置6个测点, 测点布置如图3所示。
1.3 判断原则
1.3.1 判断是否为含水构造
若掌子面前方地质良好、均匀且结构没有被破坏, 同时6个探测点场强值在小范围内波动, 两两之间相差较少, 且都小于在正常掘进中总的变化最大值。
对于宏观构造, 如果掌子面前方存在含水构造, 地层结构就会先遭受破坏, 引起介质密度变化, 相应的岩体体积因水的存在也发生改变;对于细微计算, 因上述变化之间的相对探测点距离不同, 辐射场强的绝对值之差也会随着变大。所以, 通过分析正常的离散值来判定前方有无含水构造。
1.3.2 利用探测曲线, 判断掌子面前方有无含水构造
若掌子面前方不存在含水的不良地质体, 各探测曲线的数值就会在一定范围内变化;若掌子面前方隐含有含水的不良地质体, 含水的不良地质体就会产生一变化磁场, 并不断向各个方向发射, 包括已经开挖的掌子面后方。如果在掌子面前方30 m范围内隐含有含水构造, 在进行红外探测时就会发现前方含水构造处出现红外异常。因此, 根据各条曲线的波动幅度的大小, 就可以断定前方是否存在红外异常, 便可以判定掌子面前方是否存在含水构造[9]。
2 工程实例
2.1 工程概况
谢华山隧道位于云贵高原溶蚀构造丘陵区, 孤峰地貌, 隧区灌木、杂草等植被不发育。洞身最大埋深约116 m, 洞身基岩出露良好。本区地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水。测区位于贵阳至贵定南北向构造变形区西部, 三叠系地层广泛分布, 形成缓而开阔的背、向斜或孤立的鼻状穹起构造。隧道经三叠系下统谷脚组, 岩体节理较发育, 并将岩体切割成大块状、块状。基岩浅部尚有较多风化裂隙发育。总体上地质构造较简单。
2.2 探测结果
为了验证红外探水的应用效果, 在谢华山隧道D1K764+900~930段、D1K764+923~+953段、D1K764+952~D1K764+982段、D1K764+982~D1K765+012段进行了含水探测。
其中探测D1K764+900~930段本次预报时掌子面里程为D1K764+900, 预报里程范围为D1K764+900~930。探测数据, 见表1, 2及图4, 5。
由表1和图4可知, 掌子面岩体上均匀布置24个测点的红外辐射场强数值, 最大值为245μW/cm2, 最小值为233μW/cm2, 横向最大差值为12μW/cm2, 大于允许的安全值10μW/cm2, 可以判定掌子面前方有水。
由表2和图5可知, 左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙和隧道底部中线的各探测曲线, 沿隧道掘进方向曲线呈现波动上升趋势, 靠近掌子面附近, 6条曲线波动较大, 表明掌子面附近30m范围内存在异常场。可判断在距离掌子面前方30m的范围内围岩局部含水。两种方法得到的结论一致。
3 现场施工验证
(1) 在对D1K764+900掌子面进行预报时, 由于刚下过雨, 掌子面潮湿且有渗水, 并且拱顶有滴水现象, 并当隧道掌子面开挖至D1K764+930时, 掌子面部分土体湿润, 具有一定的可塑性, 进一步开挖后, 有地下水出现, 地下水流量逐渐减小, 并无水源, 可知是由降雨引起的渗水, 与红外探水探测结果不符 (图6) 。
(2) 当掌子面开挖到D1K764+953处时, 在掌子面上有潮湿溶洞发育 (图7) 。经过扩大洞口勘探查明, 溶洞最大宽度为6 m, 高约8 m, 大体呈现底部宽上部窄的形状, 且在溶洞底部有淤泥, 属于淤泥填充型溶洞, 溶洞走向与隧道轴向大体相同。与红外探水探测结果相符合。
(3) 当掌子面开挖到D1K764+982处时, 在掌子面上有潮湿溶洞发育 (图8) 。后经过扩大洞口勘探查明, 溶洞体积较小, 形状大体呈现倒置漏斗状, 且在溶洞底部有淤泥和水, 属于弱富水溶洞。与红外探水探测结果相符合。
4 结束语
经过试验分析研究, 得出如下结论。
(1) 通过现场施工验证可知, 红外探测技术很容易受外界水的影响, 最佳适用条件是所测区段隧道掌子面及其后方区段围岩表面干燥。在对谢华山隧道D1K764+900掌子面进行预报时, 由于下雨, 掌子面潮湿, 拱顶滴水, 探测结果与实际情况不符。
(2) 不同的水源产生的场强不同, 反射的红外线也不同, 在探测过程中对不同水源的水要特别注意。
(3) 红外探水技术能有效预报掌子面前方存在的含水不良地质体, 但对含水层的位置、赋存形态、水量以及水压等都不能进行准确预报分析, 对有水情况下的地质情况很难进行准确预报。
红外探水技术在探测掌子面前方短距离内是否存在含水不良地质体时, 操作快捷简单, 准确率高。但在探测过程中也存在很多干扰因素, 例如开挖方式、外界水源、通风等, 都会使红外场强发生异常, 降低红外探测的准确率。同时, 红外探水技术不能对岩体含水量以及水压进行探测预报。因此该技术还需不断改善, 判断原则有待进一步丰富, 并且需通过大量的工程去实践验证。
参考文献
[1]Alimoradi A, Moradzadeh A, Naderi R, et al.Prediction of geological hazardous zones in front of a tunnel face using TSP-203 and artificial neural networks[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23 (6) :711-717.
[2]Cremer F, Jong de W, Schutte K.Fusion of polarimetric infrared features and GPR features for landmine detection[C]//The 2nd International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar.Delft, Netherlands, 2003:222-227.
[3]李术才, 张庆松, 等, 岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (2) :217-225.
[4]罗利锐, 刘志刚, 岩溶地区超前地质预报方法对比分析[J].岩土工程学报, 2011, 33 (增刊1) :344-348.
[5]葛颜慧, 李术才, 等, 基于风险评价的岩溶隧道综合超前地质预报技术研究[J].岩土工程学报, 2010, 32 (7) :1124-1130.
[6]曲海峰, 刘志刚, 朱合华.隧道信息化施工中综合地质预报技术[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25 (6) :1246–1251.
[7]吕乔森, 罗学东, 任浩.综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用[J].隧道建设, 2009, 29 (2) :189-193.
[8]田荣, 吴应明.红外探测技术在隧道超前探水中的应用研究[J].铁道标准设计, 2007 (Z 2) :107-110.
梅关隧道超前地质预报 篇8
梅关隧道工程位于江西省与广东省两省交界处,梅关隧道出口位于大余县洋坑村,进口位于广东省南雄市红梅村,为上下行分离式三车道高速公路长隧道,我处承建的隧道左线起讫桩号为GK55+405~GK57+780,隧道全长2 375 m。
本隧道区处于由震旦系砂质板岩构成的构造剥蚀中低山区,隧道区最高峰标高为560.77 m,最低标高为239.67 m,相对高差约321.1 m。隧道进出口自然坡度较缓,区内植被发育,通视条件差。
隧道工程地层结构较简单。表层均为第四系全新统残坡积碎石土,下部由震旦系含碳板岩和砂质板岩组成。隧道区内发育有以下四条规模较大的断裂构造:
1)裂隙密集带F1在ZK55+785附近穿过,宽约10 m~15 m,走向为140°左右,倾向东北,倾角60°左右。2)裂隙密集带F2在ZK56+220附近穿过,宽约20 m~25 m,走向为130°左右,倾向南西,倾角70°左右。3)裂隙密集带F3在ZK56+955附近穿过,宽约20 m~25 m,走向为40°左右,倾向东南,倾角70°左右。4)主裂隙密集带F4在ZK57+535附近穿过,宽约10 m~15 m,走向为35°左右,倾向南东,倾角70°左右。
2006年11月21日隧道工程开工,工期2年。
为了查明掌子面前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文、地质状况等信息,预报隧道围岩级别,从而为施工阶段修正设计、施工支护材料的提早准备、防止可能的工程险情、确保得力合理的施工措施,进而加快工程进度,降低工程风险,促使施工技术更趋科学合理,为隧道施工服务,有必要进行隧道超前地质预报。
2 TSP203工作原理
与其他反射地震波方法一样,TSP203采用了回声测量原理。地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙,大约24个炮点布成一条直线)用小药量激发产生。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,一部分信号折射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比,故而能提供一种直接的测量。TSP203超前地质预报系统的现场布置及测试过程由一系列炮点、两个三维接收传感器(X,Y,Z方向)、接收机及数据处理系统组成。
3 TSP超前预报方案设计
按照隧道2 375 m,扣除进洞和出口长度各55 m,需要进行长距离预报的有2 265 m,按照TSP超前预报的测试范围为120 m,预计需要进行18次测试。
4 梅关隧道进口GK55+631~GK55+790区段超前地质预报的实施
1)测试时间。
现场探测准备时间为2007年6月25日~6月26日,6月27日正式测试,2007年6月27日~6月28日进行资料处理与报告编制。
2)测试点数。
梅关隧道现场掌子面平整度一般,掌子面宽12.4 m,高8 m。本次TSP203检测掌子面的里程桩号为:GK55+631。24个炮点中,距掌子面最近的23 m,检波器距离最近炮点7 m。
3)仪器及现场工作方式。
探测采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203超前地质预报系统。仪器参数设置如下:
记录单元:a.12道。b.24位A/D转换。c.采样间隔:62.5 μs。d.带宽:8 000 Hz。e.记录长度:7 218采样点。f.动态范围:120 dB。g.道数:1~12。
接收单元:a.三分量加速度地震检波器。b.灵敏度:1 000 mV/g±5%。c.频率范围:0.5 Hz~5 000 Hz。
4)数据处理与资料获取。
梅关隧道提取的反射层见图1。
梅关隧道2D结果显示见图2。
围岩纵波速度为2 200 m/s~3 948 m/s,泊松比为0.20~0.26,密度为2.30~2.51。
5 结语
隧道超前地质预报方法探讨 篇9
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.
【隧道地质超前预报技术】推荐阅读:
TSP超前地质预报08-31
岩溶地质隧道11-27
隧道工程检测地质雷达01-01
高青隧道地质灾害应急预案05-30
三叉岭隧道工程地质特性分析06-14
隧道管棚超前支护技术07-11
大古水电站隧道地质灾害应急预案06-27
西秦岭特长隧道TBM施工地质条件分析研究07-13
隧道超前预测12-19