地质预报

地质预报（共9篇）

地质预报 篇1

1 工程概况

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

1)根据TSP203探测结果,掌子面前方159 m范围内岩体工程地质特征如表1所示。2)预报段内存在的主要不良地质现象为薄层状。泥质板岩与碳质板岩夹层,该夹层岩质较软,薄层理及节理裂隙发育,加之岩层产状(倾角)平缓,当开挖时隧道遇到此层易产生掉块与坍落,造成超挖欠挖等现象。3)针对上述不良地质地段(Ⅳ段围岩地段),建议采用超前小导管压注浆或超前锚杆预支护施工,并加强每次钻孔及爆破后掌子面的地质观察与描述,进行短距离预报,避免不良地质灾害的发生。

地质预报 篇2

1．1TSP隧道地震波探测超前地质预报方法

隧道地震超前预报测量系统简称TSP(TunnelSeismicPredic-tion)，是我国20世纪90年代从瑞士安伯格(AMBEＲG)测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统，也是我国目前应用较为广泛的一种。TSP和其他的反射地震波方法一样，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)用小量炸药激发产生，产生的地震波在岩石中以面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面，例如断层，岩石破碎带，岩性突变等)时，一部分地震信号返回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器(一般左边墙和右边墙各一个)接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断空洞断层，岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数。

1．2红外探水超前地质预报方法

对地球表层岩体的温度起到主导作用的是地球地热场。在一定深度范围内，深度方向每增加1km，地热场的温度则相应的增加30℃，而与其垂直的水平方向，地热场的温度变化却非常小，由此得出结论，在一定深度下，开挖隧道的岩体，可将其看做位于一恒定温度场中，为一常温场，温度的变化几乎为零。所以，当预计即将开挖的掌子面后方存在含有水的岩层，如溶洞、裂隙水等，且该含水岩层与开挖岩体存在一定的温度差时，岩体中会产生相应的热传导和对流作用，那么温度场即不再为恒温场，故而会产生一定的温度异常场，由于这种异常的存在，故掌子面上会存在着温度的差异，所以利用红外辐射测温法测定这种温度变化差异，就可预报掌子面前方的含水层情况。这种方法就是红外探水超前地质预报方法。

1．3其他几种超前预报方法

超前预报法除了上述介绍的几种之外，还包括HSP水平声波刨面法、声波CT技术等几种方法，相对而言，这几种方法运用较少。以下简要的介绍这几种方法的原理:

1)HSP水平声波剖面超前地质预报方法。由于波的传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理，故该方法的原理是建立在弹性波理论的基础之上。HSP水平声波剖面超前地质预报方法有其局限性，探测时的前提条件是岩溶洞穴及充填物与周边地质体间存在较明显的声学特性差异。预报时，在隧道的施工掌子面或边墙处发射低频声波信号，同时，在隧道内其他地点接收反射波的信号，通过对探测到的反射波信号进行时域、频域等方法的分析，就可以了解掌子面前方岩体的变化情况。

2)声波CT超前地质预报方法。声波CT超前地质预报方法的基本原理与医学CT技术原理相同，在做预报时也有相应的物理前提，即物性差异不同的介质，在其内部声波的传播速度也不同，通过这种预报方法，在密集对穿的测试方式下，可以通过声波在不同介质中传播速度的不同来计算模拟出物体内部不同物性的具体性质，再通过现场收集到的地质资料的分析，从而达到对预报的掌子面前方的岩体内部的地质体进行三维图像的直观展示。

2常用隧道探测方法的特点

2．1TSP超前地质预测预报法的特点优点:

1)该方法适用的范围比较广，适用于各类地质情况;

2)对掌子面前方的距离预报较长，能预报掌子面前方达500m深度;

3)不影响隧道施工，只是在接收信号时短暂停止施工即可;4)用时短，每次的探测时间约为45min;

5)投入费用较少，单位长度隧道的超前地质预报费用非常低;

6)成果报告快，仅需要一天时间即可完成成果报告。缺点:

1)存在部分因断层、大型节理带与掌子面角度为钝角时，活隧道因开挖空腔挡住地震震源产生的地震波，使其无法穿透，不能经过反射镜面反射，使得待接收装置无法接收，而导致局部断层等不被识别。

2)TSP的成果质量受到现场起爆点、接收点钻孔的位置、长度以及角度等的影响非常严重。

3)因为所使用的设备均为进口设备，所以成本较高，在普通隧道施工中应用较少。

2．2红外探水超前地质预报法的特点

优点:预测速度快，占用施工时间较少;数据分析快，预测工作结束时，就可以得到初步结论。缺点:仅仅可以预测出含水岩体的大致方位，不能给出含水岩体的具体位置及所含水量及水压等详细数据。

3结语

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.

地质预报 篇4

地质雷达探测技术在隧道地质超前预报中的应用

在各类隧道施工过程中,隧道周围及工作面前方的工程地质和水文地质情况对隧道施工的`质量和安全关系重大,不良地质条件极容易引起隧道坍方、突泥涌水,不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难,也常常因突发事故导致人身伤亡、设备损失、工期延误,从而造成巨大的经济损失.本文介绍了地质雷达技术在隧道地质超前预报中的应用成果.

作 者：刘基 李前国 Liu Ji Li Qianguo 作者单位：广东核力工程勘察院,广东广州,510800刊 名：地质装备英文刊名：EQUIPMENT FOR GEOTECHNICAL ENGINEERING年，卷(期)：200910(3)分类号：P634关键词：地质雷达 隧道 超前预报 应用

地质预报 篇5

隧道开挖前期的勘探资料由于未能详细的掌握施工段的地质情况, 所以只能为其提供大致性的技术指导, 随着隧道施工环境和地质条件的复杂程度大幅度上升, 内部隐藏的大量地质灾害因前期没有准确查明而对开挖掘进产生极大的威胁, 一旦引发相应的工程事故便会对施工造成影响, 所以在隧道开挖过程中跟踪探测掌子面前方的地质情况并及时预报地质灾害, 提前做好防护措施降低施工风险是很有必要的。地质雷达是利用高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理探测方法, 与其他物探方法相比, 它具有轻便、快速、分辨率高、抗干扰能力强、无损伤性等优势, 在隧道工程建设超前地质预报中有着广泛的应用[1]。

1 地质雷达工作的基本原理

如图1所示, 地质雷达通过发射天线T向地下定向输送某一中心频率的脉冲电磁波, 中心频率的范围一般为1 MHz~1GHz[2]。在岩土介质中传播的电磁波, 其路径和波形都会因介质的电性、几何形态的变化而改变[3]。当电磁波通过均匀介质时则不会产生反射并仍以一定速度继续向下传播, 当遇到地电特性和几何形态有差异的异常目标物或不良构造时, 就会有部分电磁波发生反射返回至地面被接收天线R接收, 而另一部分电磁波则会继续向地下传播并对地下更深的部位进行探测。接收天线在接收到反射波信号后会先将其数字化, 再通过雷达主机将其记录下来并生成雷达特征图像。根据反射电磁波的双程走时[1]可以求出地下异常目标物的埋藏深度。

理论研究得出反射电磁波的双程走时t为:

其中, z为反射界面深度;x为收发天线之间的距离;v为电磁波在地下介质中传播的速度, 可按式 (2) 求得:

其中, c为电磁波在空气中的传播速度;εr为地下介质的介电常数。

由式 (1) 可变换得到的反射界面深度的计算式:

在实际工作中, 收发天线的距离一般要远小于反射界面的深度, 即xz, 所以反射界面的深度可近似为:

在确定地下异常目标物的埋深后可根据雷达主机生成的雷达特征图像分析反射波的振幅、频率和相位等特征综合判断隐藏在地下深处的异常目标物或不良构造的几何形态, 从而达到精确探测地下不良地质条件的目的。

2 数据的采集和处理

2.1 数据的采集

在现场采集数据时需要根据隧道的实际情况合理选择测线的布置方式和探测方法, 它们的选择在很大程度上影响着数据质量和解译结果的可靠性。

测线的布置一般随着开挖方式的改变而改变。隧道在全断面开挖时可布置成“两横两竖”型;在台阶法开挖时可布置成“一横三竖”型或“两横”型;在预留核心土开挖时可布置成“半弧”型。有时还可以通过加密布置测线或在隧道底面及内壁布线的补充方式来获取更全面的数据, 从而提高探测结果的准确性。

实际应用较多的雷达探测方法是点测和连续探测。点测是在预设测线上每隔一段距离布置一个测点, 再在收发间距固定的情况下手动地逐点采集数据。这种方法的测量速度较慢且探测剖面信号较少, 但能在掌子面凹凸不平时使用。连续探测是将天线紧贴掌子面以一定速度沿预设测线移动, 仪器会以时间触发的方式自动采集数据, 最后系统会自行将各个记录组合在一起形成探测剖面。这种方法的测量速度快且探测剖面信号多, 但需要在剖面上做标记以确定扫描剖面的水平距离信息。

2.2 数据的处理

由于现场探测时存在各类干扰因素, 严重影响了数据的质量。为了突显对解译有用的反射波信息, 提高数据资料的可译性, 需要对其进行适当的处理。

1) 滤波处理:滤波处理的目的是要剔除采集得到的数据中掺杂的高频和低频干扰波。滤波分为垂向滤波和水平滤波。在垂向滤波处理时会设置高通截频和低通截频阻止干扰波通过。水平滤波分为水平平滑和背景剔除, 目的是消除仪器和环境的背景干扰[4]。

2) 增益处理:增益是通过调节增益点的数目来改变增益点位置从而放大反射波振幅使雷达图像目标更加清晰易辨。增益处理时要适当调节增益点的数目, 因为增益偏大会出现信号削顶现象, 而增益偏小则会丢失微弱的有效信号[5], 这都会影响探测结果的准确判读。

3 工程实例

3.1 工程概况

京台线建瓯至闽侯高速公路南平段的八外洋1号隧道位于福建省西北部位, 属剥蚀丘陵地貌单元, 微地貌形态为呈近东向西的带状陡峻山岭与三间沟谷相间分布, 山峦起伏, 地势陡峭, 支沟发育, 多呈“V”字形。八外洋1号隧道左线里程ZK28+365~ZK29+459, 右线里程为YK28+375~YK29+468。隧道最大埋深约130.14 m。左右洞纵坡均为2.0%。隧道区域围岩以前震旦系下统龙北溪组云母石英片岩为主, 岩石节理裂隙发育, 结构面结合程度和风化程度不一。隧道洞口浅埋地段围岩风化程度较大, 围岩以强风化云母石英片岩为主, 为软质岩, 结构松散易碎, 稳定性差, 初期若不及时支护则会造成拱顶坍塌, 围岩级别设计为Ⅴ级。隧址区位于分水岭部位, 地表水较发育。

本次探测主要是对八外洋1号隧道的右线进行探测, 现场探测采用的是美国GSSI公司生产的SIR-20地质雷达, 掌子面测试的主要数据采集参数为:中心频率为100 MHz的屏蔽天线;每次扫描所采集到的样品数为512;每秒钟采集到的扫描数为100;天线间距为0.5 m;时窗为500 ns;叠加次数为32次。现场采集数据时主要采用连续测量的模式, 必要时会采用点测方式探测加以核对检验。

3.2 探测结果分析

下面是利用SIR-20地质雷达对八外洋1号隧道右线进行超前地质预报过程中探测到的几种不良地质现象:围岩强风化带、断层破碎带、节理裂隙密集带和富水带, 首先结合如隧道岩层、地质概况、地质剖面图等与隧道相关的常规资料对其相应的雷达波形图进行简要分析解译, 再通过开挖结果对探测成果进行验证。

3.2.1 围岩强风化带

图2是在隧道右线进口掌子面YK28+380处经过反复探测得到的具有代表性的雷达图像, 有效预报距离为22 m, 其波形特征是反射面较多, 但反射面振幅较小且无明显突变, 同相轴的连续性一般, 但很少出现错位、断开和分叉等杂乱无序的现象。由此波形特征预测整个探测范围内介质的介电常数没有突变的情况, 围岩和掌子面围岩质量基本一致, 受风化作用影响强烈且风化程度均一, 结构松散破碎, 稳定性较差。现场的开挖情况如图3所示, 该段围岩为灰黄色强风化云母石英片岩, 岩体风化程度均一, 含水较少, 这与预报结果基本相符。

3.2.2 断层破碎带

图4是在右线进口掌子面YK28+470处经过多次探测得到的典型雷达波形图, 有效预报距离为24 m, 由波形图可知, 在掌子面前方0 m~10 m范围内反射波波形错断无序, 同相轴连续性较差, 反射界面波幅显著增大且变化明显, 预测这一范围的围岩体内存在断层破碎带, 断层界面大致在掌子面前方4 m的位置, 断层面的平整性和连续性都较差;在掌子面前方10 m~20 m范围内所对应的波形图显示反射波信号微弱, 分析出现这种现象的原因是电磁波在通过破碎带时出现了绕射和散射, 而且其能量快速衰减、高频部分被吸收。经过现场开挖后发现, 掌子面前方出现一条横跨整个掌子面的压性断裂, 为政和—大浦断裂的一部分, 断裂带岩石松散破碎, 断层产状为115°∠75°, 长度约为20 km, 宽度约为20 m, 而且断层两侧节理裂隙发育, 这与探测预报的结果基本吻合。

3.2.3 节理裂隙密集带

图5是在右线进口掌子面YK28+900处反复探测得到的代表性雷达波形图, 有效预报距离为25 m, 但波形图只有浅部有信号, 深部信号微弱甚至无信号。掌子面前方0 m~10 m范围段的波形特征:该范围内出现了相对平行的条带状反射信号, 反射波的同相轴连续性较好且波幅较大, 预测这一范围的围岩体内蕴含着一个节理裂隙密集带, 且节理面的产状大致相同。由于雷达波形图上的深部信号微弱, 所以无法预测10 m~25 m范围段围岩的地质情况。经过开挖后发现, 掌子面前方0 m~8 m范围内发育有2组节理裂隙, 节理产状为168°∠90°, 呈3条/m分布, 裂隙产状为196°∠82°, 呈2条/m分布, 节理多呈闭合状, 构造裂隙无论在平面还是在垂直方向上均存在归并和分歧现象, 这与探测预报的结果基本吻合。

3.2.4 富水带

富水带中的地下水和围岩介质的电性差异较大, 电磁波传至围岩与地下水的分界面时会产生强烈反射, 反射波具有振幅大、频率高和波峰尖锐等特点, 这为地质雷达能够精确地探测提供了有利的天然条件。图6是在右线进口掌子面YK29+010处多次重复探测得到典型雷达波形图, 有效预报距离为24 m, 由图可知, 波形图上出现了一系列明显的反射界面, 反射波的波幅宽大, 同相轴连续性较好且呈条带状分布, 根据肖宏跃[6]总结的地质雷达特征预测掌子面前方围岩体内存有地下水且均匀连续分布, 地下水与基岩的分界面大致在掌子面前方8 m的位置。在对探测范围段开挖的过程中, 在掌子面前方0 m~4 m范围内的岩体较为干燥;4 m~10 m范围内的岩体较湿润, 偶有滴水现象;10 m~15 m范围内的岩体很湿润, 经常有滴水现象;15 m~24 m范围内的岩体经常有线状渗水现象。通过探测和开挖对比发现探测预报的成果基本符合预报段的地质情况。

4 结语

地下岩体存有差异性的天然优势为地质雷达对隧道未开挖段的准确探测提供了有利条件, 实地探测结果表明它预报不良地质现象效果显著。为了提高探测成果的实用性通常需要根据现场探测环境制定合理的预报方案并在获取数据后结合区域地质情况和多方面的资料对其适当处理, 探测到不良地质情况时应及时上报并跟进探测。由于受各方面因素的制约, 现阶段地质雷达技术在隧道超前预报中仍存在不可避免的缺陷, 在应用前人工作经验的同时需要不断实践总结以提高探测的准确率。

摘要：简要阐述了地质雷达工作的基本原理、现场数据的采集方式以及一些数据处理的步骤, 结合八外洋1号隧道右线的超前地质预报实例, 将其探测解译成果和现场开挖情况进行了对比分析, 结果表明地质雷达对隧道施工过程中出现的不良地质现象探测效果十分显著。

关键词：地质雷达,隧道工程,超前地质预报,不良地质

参考文献

[1]李亚飞.地质雷达超前地质预报正演模拟[D].北京:北京交通大学硕士学位论文, 2011.

[2]李大心.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.

[3]向亮星.地质雷达在隧道超前预报中的应用及其数据分析研究[D].成都:西南交通大学硕士学位论文, 2012.

[4]杜兴忠.地质雷达成像实验研究[D].成都:成都理工大学博士学位论文, 2012.

[5]高阳, 张庆松, 原小帅, 等.地质雷达在岩溶隧道超前预报中的应用[J].山东大学学报 (工学版) , 2009, 39 (4) :82-86.

[6]肖宏跃, 雷宛, 杨威.地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系[J].煤田地质与勘探, 2008, 36 (4) :57-61.

隧道超前地质预报方法浅析 篇6

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7

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8

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.

长大公路隧道超前地质预报技术 篇9

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) .