锤击TSP预报系统在某塌方隧洞超前地质预报中的应用.pdf

文章采用锤击激发方式的 系统对某塌方隧洞前方岩体完整性情况进行了预报 针对 观测系统区域洞壁内部多处存在空腔的问题 利用钻孔贯穿隧洞初衬的方式设置 锤击点 用大锤多次锤击钻杆的方式激发地震波 以提高 原始数据信噪比 两次 预报数据重合的部分反映的岩体波速一致较好 且异常区域与后期隧洞实际开挖岩体薄弱区段对应良好 验证了锤击 系统在局部已经塌方隧洞超前地质预报中的有效性 研究成果可为类似极端条件下隧洞工程超前地质预报工作提供有益参考关键词:塌方隧洞 锤击 系统 超前地质预报中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:崔 翔(年)男 工程师:通讯作者:李俊杰(年)男 高级工程师:舟山市定海中心片区排涝提升工程主要建筑物由分洪隧洞及排水泵站组成 涉及城东、昌国、环南、盐仓四个街道 防洪排涝设计标准为 年一遇 其中城北水库 虹桥水库分洪隧洞主要位于侵蚀剥蚀低山丘陵区 隧洞总长约 地形高差变化较大 山体自然坡度一般在 之间 局部可达 隧洞洞口围岩主要为含粉质粘土角砾层、强风化 中风化岩层 中风化岩石单轴饱和抗压强度 属硬质岩 岩体完整性为较破碎 较完整 地下水类型主要为孔隙潜水及基岩裂隙水 水量贫乏 雨季沿裂隙有滴水、渗水现象 靠城北水库周边局部岩体节理裂隙较发育 较破碎 工程区岩石节理、裂隙普遍发育 断层不发育 节理多平直、闭合 一般每米 组 延伸长度 局部 该隧洞采用上下游组合开挖的方式掘进 由于该隧洞段某区域距掌子面 左右附近均发生塌方现象 考虑到隧洞仅余 多米便可贯通 为保障隧洞施工安全 需了解隧洞剩余洞段岩体的完整性情况常用超前地质预报方法有水平钻探法与物探法两类 前者准确度高且成果直观 缺点在钻探工作效率低 严重耽误施工进度 物探法是一种通过接收掌子面前方地球物理场间接推测隧洞岩性完整性的无损探测方法 根据岩体导电性、介电性或波阻抗的差异性 常用物探预报方法可分为电磁波法(如瞬变电磁法、地质雷达法)及弹性波法两类电磁波法需将偶极子天线靠近掌子面探测 对于已塌方隧洞 塌方体与掌子面之间存在一定范围的空腔 故此种条件下并不适合电磁类预报方法工作的开展 弹性波法是根据分析隧洞前方岩体纵横波波速变化来判断岩体完整性的预报技术 其预报距离与采用震源及隧洞岩体完整性有关 其中 系统作为铁路隧道施工期最常用的预报手段 解决了诸多岩溶、大断层及隧洞大方量涌水突泥的探测难题 然而传统 采用隧洞壁爆破的方式激发地震波 工作效率低 对隧洞施工影响大 本文探讨了一种少见文献报导的基于锤击方式的 预报系统 针对 观测系统隧洞壁内多为空腔的问题 采用钻探法将隧洞初衬击穿 为防止钻孔塌孔 采用大锤反复击打钻杆的方式激发地震波 获得了高信噪比的地震反射波形 两个掌子面的 预报成果与实际开挖结果均一致 证实了锤击 系统预报的准确性 锤击 系统 是某公司研发的最新一代爆破震源地 年第 期水利技术监督工程实践震反射预报成像系统 其采用加速度传感器接收地震波信号 在 范围内通常均可得到满意的探测效果 锤击 观测系统与传统爆破形式的 系统总体相似 均为隧洞一侧设置地震波激发点两侧设置地震波三分量接收器 个点大致在同一高度范围(通常高出隧洞底 )两者区别在于锤击 道间距与偏移距更短(道间距 偏移距 )后者道间距多设置为 偏移距为 如图 所示图 锤击 观测系统 原始数据分析 检波器接收到清晰的原始地震反射波形是后续 数据处理与解释的前提 城北水库进口段及虹桥水库出口段 采集地震反射波原始波形如图 所示 根据图 城北水库进口段受到隧洞壁岩体较破碎的影响 原始地震反射波存在大量毛刺状干扰信号 虹桥水库出口段 测试因隧洞壁存在大量超挖现象 检波器接收的反射波形能量更弱 局部地震道直达波起跳不清晰 且毛刺现象更突出 根据图 通常位于 锤击点对侧检波图 城北水库进口段隧洞 采集原始波形器接收的地震信号含有的噪声能量更大 故本次 数据处理仅采用与 锤击点同侧接收的地震数据图 虹桥水库出口段隧洞 采集原始波形城北水库进口段 虹桥水库出口段 数据原始能谱及二维滤波处理后能谱 如图 所示根据图 地震波能量随时间的增大整体呈逐渐增小的趋势 假定地震反射信号在岩体传播过程中能量呈指数衰减 通过调节指数曲线的最小最大频率即可滤除曲线右侧的干扰信号 经二维滤波处理后右侧地震能量基本被滤除 局部存在少量水平拉丝状信号残留 城北水库进口段隧洞拉丝现象更为明显 根据图 此类信号在 用爆破方式激发地震波但未在炮孔中采用注水封堵炸药时最易出现 若指数曲线右侧干扰信号能量仍有大量残留时 因干扰信号无法很好的与 有效信号分离后期处理易生成虚假的反射波信息 进而影响 预报准确度反射波提取是 数据处理核心内容之一考虑到虹桥水库出口段 数据信噪比较城北水库进口段低 重点对比前者 数据处理后与原始数据的变化 虹桥水库出口段 反射波提取处理后地震波波形 如图 所示 本次预报过程中该处理步骤最大增益取 值取 如图 所示 经滤波及反射波提取处理后地震反射波已较为清晰 为后续地震波成像处理提供了优质的初始数据 预报成果及隧洞实际开挖情况比对城北水库进口段及虹桥水库出口段隧洞锤击 预报成果如图 所示 根据图 城北水库工程实践水利技术监督 年第 期图 虹桥水库出口段 数据原始能谱及二维滤波处理后能谱图 城北水库进口段隧洞 数据原始能谱及二维滤波处理后能谱进口段掌子面前方 范围内(桩号 )围岩纵波速度为 /横波速度为 /纵横波波速比为 泊 松 比 为 密 度 为 /静 态 杨 氏 模 量 为 动态杨氏模量为 剪切模量为 图 虹桥水库出口段 反射波提取处理后地震波波形跟据图 虹桥水库出口段掌子面前方 范围内(桩号 )围岩纵波速度为 /横波速度为 /纵横波波速比为 泊松比为 密度为 /静态杨氏模量为 动态杨氏模量为 剪切模量为 就流纹质熔结凝灰岩隧洞探测而言各物理力学指标总体较差 表明探测区段岩体完整性总体较差 节理裂隙发育 局部较破碎 局部岩体含少量裂隙水 推测 探测区域内岩体多以类为主 局部为类偏差围岩其中城北水库进口段岩体随桩号增大有逐渐变差的趋势 两次 预报异常区域地质解释及推断详见表 以上分析结果表明锤击 预报范围内岩体节理发育 完整性与稳定性差 其中两次预报成果均显示 区段岩体物理力学指标偏有变好 与实际隧洞开挖情况吻合 给后续隧洞施工工作提供了准确指导 年第 期水利技术监督工程实践图 城北水库进口段隧洞锤击 预报成果图 虹桥水库出口段锤击 预报成果表 城北水库 虹桥水库隧洞段 预报成果与开挖实际对比表隧洞名称预报里程预报成果实际开挖城北水库进口段 探测区域岩体完整性总体较差 节理裂隙发育 局部较破碎 局部岩体含少量裂隙水 推测 探测区域内岩体多以类为主 局部为类偏差围岩 岩体随桩号增大完整性有逐渐变差的趋势 其中 、区段岩体完整性相对更差 岩体总体裂隙发育 岩体较破碎 施工过程岩体局部可能出现少量渗水虹桥水库出口段 探测区域岩体完整性总体偏差 节理裂隙发育 局部较破碎 局部岩体含少量裂隙水 推测 探测区域内岩体多以类为主 局部为类偏差围岩 其中 岩体完整性相对更差 岩体总体裂隙发育局部小构造发育 岩体较破碎 施工过程岩体局部可能出现少量渗水 岩体多以类为主 隧洞段岩性为流纹质熔结凝灰岩 岩体完整性总体较差节理裂隙发育 围岩以 类为主其中 区段岩体缓倾角节理发育 岩体完整性与稳定性差多处存在超挖现象 洞壁总体较干燥局部存在水印或少量线状流水 围岩为类 区段岩体节理裂隙变少 隧洞洞壁干燥 地下水不发育 围岩为类工程实践水利技术监督 年第 期 结语()锤击 系统可准确的预报出隧洞塌方后隧洞前方岩体完整性情况 锤击点间的道间距与偏移距较传统 观测系统均有所减小 建议道间距设计为 偏移距设计为()锤击 系统效率高 对隧洞施工影响小 对于隧洞壁岩体完整性较好的 类围岩锤击点可直接作用于隧洞岩壁 对于较破碎需采用钢拱架喷浆支护的类或类围岩 建议将锤击点设置于隧洞初衬后方的岩体表面 用锤击钻杆或粗钢筋的方式激发地震波()本文案例说明锤击 在 仍能反映出岩体稍有变好的情况 在获得高信噪比数据前提下 锤击 有效预报距离可适当增大参考文献 周桃生 邓飞 朱宝权 等.高风险岩溶隧道地质预报方法研究.勘察科学技术():.张文康.超前地质预报方法在西延高铁岩溶隧道中的应用.山西建筑 ():.寇邦宁.高速铁路隧道岩溶探测及塌方处理方案研究.铁道工程学报 ():.李俊杰 张红纲 何建设 等.探测精度分析及其在过江隧洞超前预报中的应用.煤田地质与勘探 ():.李吉艳.某 引水隧洞工程地质灾害特征与应对措施.水利规划与设计():.宋伟 邓刘洋 周桃生.综合物探方法在隧道突涌水致灾构造探测中的应用研究.工程地球物理学报 ():.王朋朋 张勇 许帆 等.深长向斜隧道涌突水综合预报技术及应用.公路 ():.李俊杰 张红纲 何建设 等.综合物探技术在方解石隧洞段涌水预报中的应用.地球物理学进展 ():.张毅清.综合超前地质预报在涌水隧道中的应用研究.铁道建筑技术():.(上接第 页)本次复核计算成果对比 年除险加固成果基本一致 计算所需最大坝顶高程 现状大坝非溢流坝段坝顶高程 能满足规范要求的抗洪高度 根据最近一次除险加固设计资料 大坝非溢流坝段加高采用 混凝土并与原上游面混凝土防渗面板形成了有机的整体 故大坝上游防渗面板顶高程取非溢流坝段坝顶高程 大于校核水位 满足规范要求 泄洪安全性复核石峡山水库泄水建筑物为开敞式溢流坝 采用挑流消能 经复核 现状溢流坝能安全下泄最大流量 溢流堰两侧边墙在 年除险加固中已加高满足泄洪要求 现场检查溢流堰堰体、两侧边墙混凝土结构外观完好 未发现明显破损、裂缝现象 结合 年除险加固初设 经复核 挑流消能挑距较远、冲坑远离坝脚 现场检查冲坑岩体较完整 根据调查反馈情况冲坑规模自水库建成以来较为稳定 未出现明显扩大、加深现象 针对溢流坝宣泄小流量洪水对坝脚、下游坝面冲刷隐患 年除险加固已对大坝下游坝脚设置有护脚混凝土防护 现场检查混凝土结构外观完好 未发现明显破损、裂缝现象 结语()本次复核的水库设计洪水成果与 年加固设计相比稍低 从资料的一致性考虑 本次设计洪水成果仍采用原设计洪水成果 调洪演算复核计算的特征水位稍低于原设计成果 基于资料一致性及偏安全考虑 仍采用 年加固设计成果 即 年一遇设计洪水位 年一遇设计洪水位 ()经复核 现状溢流坝泄流能力能够满足安全泄洪要求 石峡山水库防洪调度采用溢流坝自由泄洪 满足大坝安全运行要求 水库大坝坝顶高程满足规范要求 大坝防渗体顶高程满足规范要求()水库大坝防洪能力复合参数来自水文站的一段时间序列 在常规状态下 大坝运行安全 但为避免突发险情的发生 应加强日常监测预警机制 避免突发险情的发生参考文献 庄军.景德镇市昌江区杨湾水库防洪能力复核.黑龙江水利科技 ():.张尚弘 荆柱 安文杰 等.三峡及上游梯级水库群特大洪水防洪能力研究.中国科学:技术科学 ():.谭鉴利 王海元.广东省小型水库大坝防洪能力复核有关问题实例分析.工程技术研究 ():.顾双 殷宪柱 程炀 等.基于应力强度因子的混凝土大坝诱导缝变形数值模拟.水利技术监督():.美丽古丽买买提 吴艳 周富强 等.严寒地区长距离真空激光准直系统在坝体变形监测中的应用研究.水利技术监督():.艾子欣 陈海霞 郭穗丰.基于有限元法的大坝应力、变形及稳定分析.水利规划与设计():.