隧道施工超前地质预报方法综述.doc

-精品word文档 值得下载 值得拥有-隧道施工超前地质预报方法综述李立功(中铁隧道勘测设计院，河南洛阳 471009）摘 要：本文简述了各种超前地质预报方法的特点，提出在复杂地质条件下，运用多种方法进行综合预报，并以渝怀铁路圆梁山隧道为例，说明综合预报的有效性。关键词：复杂地质条件；超前地质预报；隧道施工隧道的设计、施工、工期、造价均受到地质条件的制约。因此，了解隧道穿过地段的地质条件不仅是隧道建设的需要，也是隧道工程地质工作的目的。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，根据现有的地质勘探技术水平及手段，对所取得的资料不能完全满足施工要求，因此，这些问题的解决还有待在施工中开展深入的超前地质预报工作。目前在隧道施工期间采用的超前地质预报方法从专业技术方面可分为常规地质法和物探法两大类，具体有以下几种：（1）超前导坑；（2）正洞地质素描；（3）水平超前探孔；（4）声波测试；（5）红外探水；（6）弹性波法；（7）电磁波法。1 常规地质法（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，断面小而且和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。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，施工中就有充分的准备时间，可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减压放水，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，其作用与平行导坑相比，效果更好。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是在构造复杂地区准确度不高。（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的反映。素描的主要内容包括地层岩性、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、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描是利用所见到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（断层等）。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，预报时效果相对较差。正洞地质素描的优点是不占用施工时间，设备简单，不干扰施工，出结果快，预报的效果好，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。（3）水平超前探孔水平超前探孔方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。钻孔的数量、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、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断。这种方法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工组织。但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，其预报无反映；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。（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（反射、折射和绕射），耗损波能，波形变复杂，波速减缓，此外，声波速度的大小还和岩体强度有关。声波测试方法有多种，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两种。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，所测波速表面岩石比实际岩体的波速略偏低。孔内测试分单孔和双孔两种。单孔测试是把发射源和接收器放在同一孔内，但只能测到钻孔周围一倍波长左右范围内的地质情况。双孔测试是把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。孔内测试按耦合方式又分为干孔和湿孔两种。湿孔测试是向钻孔内灌水耦合，但由于水充填了裂隙影响测试结果，往往使测试波速偏高，岩石越破碎偏差越大。干孔测试是在发射器和接收器的外面套上环行胶囊，然后再向胶囊内注水，使接收器、发射器和孔壁耦合，其测试结果比较真实。（2）红外探测所有物体都发射出不可见的红外线能量，这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，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们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、右六条测线的交点测取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5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。掌子面上9个数据的最大差值大于10w/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释。（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。当介质的波阻抗差异愈大，反射回来的信号就愈强。地震负视速度法地震负视速度法的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，比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）在记录图象呈负视速度，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。前者记录方式有利于保证激发条件的一致图1 负视速度法工作原理图性，后者则有利于记录条件的一致性。当偏重于运动学特征参数的应用时共炮与共道两种记录方式可任意选用；当要求测试设备简化与强调接收条件一致性时，宜采用多炮共道式；当强调动力学参数的对比利用时，则宜选用多道共炮方式。观测系统沿开挖工作面后面巷道侧壁或底部布置。为获取“负视速度”，震源应在预报目的物的远端，接收点间距采用小道间距（一般25m），12道或24道接收。根据需要与设备条件，测点可采用单分量、三分量或组合检波器。水平声波剖面法 图2相错斜交观测方式示意图该方法(接收频率为声波频段的地震波)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。震源和检波器的布置除脱离开挖工作面对施工干扰小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外不受干扰，因此做到记录清晰、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，详见图2。TSP202超前地质预报系统TSP202超前地质预报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临近区域的地质情况。它的预报原理同负视速度法，只是接收频率为108 000Hz，预报长度为100200m，TSP202超前地质预报系统野外观测见图3。总的来说，采用地震反射波法进行超前地质预报，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，另外对软硬岩的变化点也有较好的反映。图3TSP202超前地质预报示意图 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工作的，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，当前方岩石完整的情况下，可以预报30 m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离小于10m。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，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判3 工程实例圆梁山隧道是渝怀线关键性控制工程，全长11.068km，隧道穿越毛坝向斜和桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂构造，地层岩性以灰岩为主。隧道存在岩溶及大规模高压涌（突）水、浅埋段存在较大规模的河水渗漏、硬质岩岩爆和软质岩大变形等重大工程地质问题，此外还存在局部煤层瓦斯等问题，地质构造异常复杂。预报方法采用了地震反射法、水平超前探孔、红外探水等方法进行综合预报。利用R24工程地震仪，采用多道共炮式进行测试，测试记录经处理后认为掌子面前方存在三组负反射波组，经反演得出异常带位置在PDK354+975、PDK355+016和PDK354+963处，推断为二迭系下统茅口组灰岩地层中存在的裂隙、破碎或岩溶强烈发育带；利用HY-303防爆红外探测仪探测，掌子面前方30米范围内有水；利用水平钻机在掌子面两拱角处各钻一孔，隧洞轴线部位布设一深孔，依据不同的角度在掌子面上进行探孔，左侧浅孔深3m时揭露一层岩溶水，涌水量约5m3/h，浅孔孔深15m时又遇一层岩溶水，涌水量约30m3/h，最大涌水量约80m3/h，实测钻孔涌水压力为14MPa，估测该岩溶水为一小型充填性岩溶管道水；利用TSP202超前地质预报系统，采用多炮共道式测试，并经数据处理，认为在PDK355+005、PDK354+993和PDK354+984三处围岩完整性较差,地下水发育，存在岩溶管道等，后经施工开挖验证，预报成果与开挖结果基本对应，取得了较好的地质效果。4 体 会在隧道施工过程中进行地质预报，各种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。作者简介：李立功(1968)，男，河南洛阳人，工程师，主要从事工程物探工作。参考文献：1常士骠主编.工程地质手册（第三版）M.北京:中国建筑工业出版社，1992.2中国铁路工程总公司编写.中国铁路工程物探五十年M.北京:中国铁道出版社，2003.3中科院地质研究所、隧道局编写.军都山隧道快速施工超前地质预报指南M.北京:中国铁道出版社，1990.-精品word文档 值得下载 值得拥有-