隧道超前地质预报原理及新方法应用实例.ppt

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1、隧道超前地质预报工作中常用的物探方法,工程物探方法都是应用于地表和井中的勘探方法,要在隧道中采用物探方法进行隧道超前地质预报,我们必须对那些用于二维地表探测的物探方法进行适当的探测装置和处理软件改进,使其适合三维隧道场地条件和施工环境的隧道超前地质预报工作。从多年的实践努力和经验来看，我们认为：能在隧道内进行隧道超前地质预报工作的工程物探方法有:1、弹性波反射法(常用的方法:地震反射波法)2、电磁波反射的法(常用的方法:地质雷达法)3、红外探测法(常用的方法:红外探水法)4、高分辨直流电法(常用的方法:三极空间交汇探测法)说明:瞬变电磁法还不太成熟,还未列如铁路隧道超前地质预报技术指南,本次就

2、不介绍方法。,四、物探方法在隧道超前地质预报中的重要性,1、隧道超前地质预报工作的必要性 由于隧道深埋于地下，工程地质条件和水文地质条件复杂多变，而目前地质勘察工作又受技术、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道围岩的状态、特性，特别是要准确地预测隧道施工中可能发生的地质灾害的位置、规模和性质是十分困难的；由于地质灾害体的存在，仅依靠施工揭露再行处理的办法，带有很大的盲目性，常常发生各种突发事故，造成投资增加、人员和施工设备伤害、工期延误等诸多问题。因此，采用科学的、先进的隧道超前地质预报方法来准确地预报隧道所通过范围内的不良地质体的性质、规模和状态是非常必要的。,2、物探方法在隧道超前地质预报

3、中的重要性,按照铁路隧道超前地质预报技术指南铁建设【2008】105号中的规定：隧道超前地质预报应采用地质调查与勘探相结合、物探与钻探相结合、长距离预报与短距离预报相结合、地面与地下相结合、超前导坑与主洞相结合的指导思想，通过对各种方法的预报结果综合分析解释，相互印证，有利于提高预报的准确率，积极为隧道的安全施工提供必要的技术支撑。根据上述规定可以看出：物探方法在隧道超前地质预报中占有非常重要的地位，再加上物探方法具有施测快捷、预报结果提供及时、费用低（相对超前钻探而言）等特点，物探方法在隧道超前地质预报中得到了广泛应用。,根据铁路隧道的开挖方式、工期要求和各物探方法的优缺点，我院认为:隧道内

4、的物理探测应采用长距离预报（弹性波反射法）和短距离预报（地质雷达法或红外探测法）相结合的综合物探方法。根据隧道的风险等级和不良地质情况采用不同的综合物探预报方法，具体规定如下表（表-）。,隧道超前地质预报采用综合物探方法一览表 表-,按照铁路隧道超前地质预报技术指南铁建设【2008】105号中的划分，隧道内的物理探测方法有以下四类：弹性波反射法；电磁波反射法；红外探测法；高分辨直流电法。下面按上述分类探讨物探方法在隧道超前地质预报中的原理及方法。,第二部分 隧道超前地质预报的物探方法原理与 施作要点,一、弹性波反射法 二、电磁波反射的法 三、红外探测法 四、高分辨直流电法,一、弹性反射波法,弹

5、性波反射法是利用人工激发的地震波、声波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方地质情况的一种物探方法，它包括地震波反射法、水平声波反射法、负视速度法和极小偏移距高频反射连续剖面法等方法。由于地震波反射法相对其它三种方法应用相对普遍和成熟，且从预报距离、探测精度和预报复杂不良地质问题的适应性几方面综合考虑，本次只介绍地震波反射法。目前，采用地震波反射法进行隧道超前地质预报的仪器主要有：TSP(瑞士)、TRT(美国)、TGP(中国)、TST(中国)等，由于目前隧道超前地质预报中使用最多的仪器是瑞士Amberg公司生产的TSP系列仪器，所以下面以TSP203仪器为例介绍地震波反射法在隧

6、道超前地质预报中的应用情况。,1、TSP的基本原理,图1-1 TSP法工作原理示意图,图1-2 仪器：瑞士TSP-203,图1-3 仪器：瑞士TSP-203现场工作照片,2、TSP的应用效果小型溶洞预报实例,隧道地质情况:某铁路隧道全长2066m，本次预报里程范围内隧道埋深40109m，由二叠系茅口栖霞组灰岩组成，属坚硬岩类，裂隙较发育，岩体为中厚层状结构，岩体较完整。地下水位于洞身以下，该段隧道主要位于垂直渗流带内，岩溶以垂直向岩溶裂隙、溶槽、溶沟发育为主，少量水平向岩溶裂隙，地下水以季节性股状及淋雨状出露。预报结论:本次预报时检波器里程为K19+327,掌子面（即隧道开挖工作面）里程为K1

7、9+266，预报发现在检波器前方65m附近存在一个低速异常区域（见图6中蓝色显示），另外结合二维成果图（见图7）中的K19+259处杨氏模量数值突然降低（代表围岩强度降低），泊松比数值突然升高（代表围岩流塑性增加）综合分析：推测在K19+259K19+251段岩溶强烈发育，存在溶洞。,红色代表扫描的速度值高速区域蓝色代表扫描的速度值低速区域,图6 SV波速度扫描图像,图7 某铁路隧道TSP反射层位及物理力学参数二维成果图,开挖遇到溶洞的位置,开挖验证情况:隧道开挖掌子面到达K19+259时，在掌子面上出现一个小型溶洞，内部充填物为块石土。后经揭示发现该溶洞占据了整个掌子面，沿隧道轴向发育长度为

8、35m。掌子面开挖遇到溶洞的照片见图8所示。,图8 K19+259处揭示的岩溶照片,暗河实例,图13*隧道TSP二维成果图,开挖验证情况:开挖揭示大型暗河,其位置示意图见图14。该例说明:TSP法虽能预报暗河,但对具有复杂形态的暗河或大型不规则溶洞是不能预报它们的具体形态和三维空间位置。,预报结论:1、DK922+670+606段：围岩破碎，岩溶强烈发育，存在中大型溶洞（或暗河）;2、DK922+606+568段：围岩较破碎，岩溶弱发育。,图14*隧道暗河位置示意图二维成果,二、电磁波反射法,1、电磁波反射法的原理 电磁波反射法超前地质预报主要采用地质雷达法探测。,由于地质雷达法具有异常图像直

9、观、工作效率及分辨率高等优点，该方法可应用在隧道超前地质预报中的短距离(1530m)预报。工作原理示意图见图15-1所示。图15-1 地质雷达工作原理示意图,图15-2地质雷达测线布置示意图和SIR3000现场探测照片,2、电磁波反射法的应用效果完整围岩的地质雷达图象,左图为在完整围岩上采集的地质雷达数据，可见电磁波反射波信号较平静，无明显反射信号，能量亦呈正常衰减趋势。,图16 完整围岩的地质雷达法图象,溶蚀破碎带的地质雷达图象,左图中有明显的电磁波反射信号，反射信号同相轴较连续，并且反射的电磁波信号较强，分析认为在掌子面后面510米深度范围内存在不良地质体，结合现场的围岩岩性为灰岩情况综合

10、分析认为掌子面前方为溶蚀破碎带(经开挖验证结论准确)。,图17 溶蚀破碎带的地质雷达法图象,溶洞的地质雷达图象,左图中有明显的电磁波反射信号，在719米范围内由近似抛物线的反射波轴顶点包罗的区域为粘土充填型溶洞范围(经开挖验证结论准确)。,图18-1 粘土充填型溶洞的地质雷达法图象,溶洞的地质雷达图象,左图中有明显的非常强的电磁波反射信号，在929米范围内形成非常强的能量团块,为充水型溶洞范围(经开挖验证结论准确)。,图18-2 充水型溶洞的地质雷达法图象,三、红外探测法,1、红外探测法的原理 地质体(如含水体)每时每刻都在向外部发射红外能量，并形成红外辐射场。地质体由内向外发射红外辐射时，必

11、然会把地质体内部的信息以红外电磁场的形式传递出来。红外探测法就是通过接收和分析红外辐射信号进行超前地质预报的一种物探方法。,野外施测时采用：在掌子面后方60米处，朝掌子面方向每隔5m对隧道周边探测一次,每次探测顺序依次为左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙和隧底中线，共探测12个断面，这样沿隧道轴线方向共形成6条探测曲线，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。依据探测数据绘制沿隧道轴向的探测曲线，如果开挖工作面前方存在储水构造，在靠近开挖工作面一端曲线会出现明显下降或上升。,2、红外探测法的应用效果,从图19-2的探测所得的场值数据表明：最大值与最小值之差大于安全值10W/cm2，且临近掌子面处曲线有明显异常，呈上升趋势，因此推断掌子面前方30米范围内围岩含水量较大，存在涌水的可能性极大。后经钻探验证掌子面前方确实存在含水体，且从钻孔喷出距离达3m。通过我单位的大量实践证明：1、红外探测还不能对水量和水压作出定量预报；2、在含水地段预报承压水比较困难。,图19-2 沿隧道轴线方向各探测测线上所测场值曲线,