隧道施工超前地质预报方法与探测技术研究.pdf

隧道施 工超前地 质预报 方法 与探 测技术研 究 吴凌锋 安徽 中铁工程技 术服 务有 限责任公 司 摘要 由于隧道具有 地质环境复杂 ， 基础信息 匮乏的特点 ， 因此在 隧道施 工前进行 超前 地质预报尤为重 要。掌子面地质编录 、 超前 钻探 、 T S P超前 探测 、 探地 雷达探 测等 均是进 行地 质超前 预报行 之有 效 的方法 与 手 段 。 1 引 言 由于隧道可 以缩短里程、 保护环境、 改善线形 、 改善交通运输条件 ， 提高车速 ， 因此 ， 现代铁路的建 设 ， 遇到复杂地形和地质条件 ， 大都采用隧道技术。随着高速铁路的迅速发展， 也促进了我国隧道的广 泛使 用 。 而隧道 是建 筑在 地下 的隐 蔽工程 ， 地 下地质 条件 复杂 ， 存在许 多 潜在 、 无 法 预知 的地 质 因素 ， 例 如多变的地质条件、 破碎带 、 断层、 岩溶、 富水岩层等等， 稍有不慎， 就会造成塌方 、 沉陷、 突泥、 涌水 、 支护 结构变形 、 人员和设备伤害等等 ， 进而严重影响施工进度和工程形象 。现代科学技术 的发展 ， 特别是超 前地质预报的发展， 为我们提供了一种新的技术 ， 用来 了解 隧道掌子面前方 的工程地质和水 文地 质情 况 ， 为隧道施工和及时调整支护参数提供依据， 进而有效地控制地质灾害的发生 ， 保证隧道施工质量 ， 确 保 安 全 ， 避免 或减 少人 身伤 害和设 备 的损坏 ， 提 高隧道 掘 进速 度 ， 节 约投 资 ， 赢 得 施 工 时 间。 目前 ， 隧道 内综合 超前 地 质预 报常 用 的方法 ， 大体 而言 可 以分为 三类 ， 包 括地 质 调 查法 、 超 前 钻探 法 和物 探法 。主 要 为掌 子 面地质 编 录 、 超 前钻 孑 L 、 T S P掌子 面探测 、 地质 雷达 掌子 面探 测等 。 2掌子面地质编录 该方法主要是通过地质专业工程师每隔一定时间对掌子面的地质情况， 包括节理、 裂隙的发育与分 布 、 岩石 产状 及倾 向、 倾 角 ， 岩石类 型等进行 跟 踪调查 ， 来 粗略 预 测 掌子 面 前方 大约 l 0米左 右 的围 岩情 况。该方法适用性较好 ， 每次需要花费大约半小时左右时间 ， 可以较为准确的获得岩石力学参数 ， 但是 该方法要求地质工程师专业技术水平较高 ， 且精度较差。该方法仅需要地质调查相关 的地质仪器设备 ， 包括 罗盘 、 直尺 、 数 码相 机 、 钢卷尺 、 记 录纸 等 。 3 超 前钻探法 在 掌子 面上 直 接采 用水平 钻探 的方 式 ， 钻孔深 一般 为 1 53 O米 ， 它 可 以精 确 的获 取 掌 子 面前 方 不 稳 定岩 层和 断层 破碎 带 ， 还可 以通 过试验 获取 岩石 的 各种 物理 力学 性 质 参 数 。但是 该 方 法 由于 需 要 花 费大 量 资金 和 占用 大 量时 间 大 约 4 81 2 0小时 ， 而且 地 质工 程 师专 业技 术 水平 要 求 也较 高 。超 前 钻 探法适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报， 在富水软弱断层破碎带 、 富水岩溶发育 区、 煤层瓦斯 发育区、 重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。沪昆线的 田花隧道采用的就是此方法探明掌 子面前方的岩溶发育情况。 4 T S P 2 0 0探测 系统 作 者简 介 昊凌锋 1 9 8 1 ． 9 - ， 男， 助理工程师， 2 0 0 6年 7月毕业于安徽理工大学地质．Y - 程专业， 工学学士， 联 系电话 l 3 9 65 O 57 25 5 2 5 总第 1 0 4 期 铁 道 建 设 2 0 1 1 年第 1 期 4 ． 1 T S P原 理 、 方 法 T S P方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计 的震源点 通常在隧道的左或右边 墙 ， 大约 2 4个 炮点 用小量 炸 药激发 产生 。当地震 波遇 到岩石 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。反射的地震信号将被高灵敏度 的地震检波器接收 图 1 。数据通过 T S P w i n软件处理 ， 便可了解隧道工作面前方不 良地质体的性质 软弱带、 破碎带 、 断层 、 含水等 和位置及规模。 图 1 T S P 2 0 0原 理 图 采集 的 T S P数据 ， 通过 T S P w i n软 件进行 处理 。T S P w i n软 件处理 流程包 括 1 1 个 主要 步骤 ， 即 数据 设置一带通滤波一初至拾取一拾取处理一炮能量均衡一Q估计一 反射波提取一 Ps波分离一速度分 析一深度偏移一提取反射层。通过速度分析， 可以将反射信号的传播时问转换 为距离 深度 。处理结 果 ， 可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置， 并根据反 射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。 通 过 T S P w i n软件 处理 ， 可 以获得 P波 、 S H波 、 S V波 的时 间剖 面 、 深度 偏 移剖 面 、 提 取 的反 射层 、 岩 石物理力学参数 、 各反射层能量大小等成果 ， 以及反射层在探测范围内的 2 D或 3 D空间分布。 4 ． 2观测 系统设计 接收器孔 炮孑 L 2 4个 ， 位于 隧道左或右边墙 面对掌子面 ， 数量 2个 ，位于隧道左右边墙 各 1 个 视构造走 向而定 直径 q 4 5 m m 钻头钻孔 q 3 8 m m 钻头钻孔 深度 2 m 切勿超过 2 m 1 ． 5 m 定 向 垂直隧道轴 向， 上倾 5 。 ～l O 。 垂 直隧道轴 向， 下倾 1 0 。 一 2 O 。 高度 离地面 隧底 高 1 m 离地面 隧底 高 1 m 位置 距离掌子面约 5 5 m 第 1 个炮孔离同侧接收器孔 2 0 m， 炮孔距 1 ． 5 m 观 测系统 示意 图见 图 2 。 2 6 图 2观 测 系 统 示 意 图 吴凌锋 隧道施 工超前地质预报方法与探测技术研究 4 ． 3测试 范 围 、 精 度 及 占用工 作面 时间 T S P 2 0 0系统 预报 不 良地质 体位 置 的精 度较 高 ， 预测距 离 ① 在软 弱破 碎地 层 或岩 溶 发育 区 ， 预 报距 离应 为 1 0 0 m 左右 ； ②在 岩 体完整 的硬 质岩 地层 每次 可预 报 1 0 01 8 0 m， 分辨 率 可 达 0 ． 5 m， 预 报 的距 离 误差 小于 1 0 ％ ， 而且用 时较 少 ， 每次 测试需 要用 时 1 ． 5小时 。但 由于 T S P具 有 多解 性 ， 需 要 专业 工程 师 进行资料解释。 目前全局大部分隧道都是采用 T S P方法进行超前地质预报， 在发现不 良地质情况时， 结合其他方法综合预报。 5地 质 雷 达 探 测 5 ． 1工 作 原 理 探地 雷 达 简称 G P R 方法 ， 是一 种用 于确定 地 下介质分 布 的广谱 电磁 波技 术 。探 地 雷 达利 用 一个 发射高频带短脉冲电磁波 ， 另一个天线接收来 自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时 ， 其路 径、 电磁波强度与波形将随所通过的介质及几何形态而变化。因此 ， 根据接收到波的旅行时间 亦称双 程走 时 ， 幅度 与波 形等 资料 ， 可探 测 地 下介 质 的结 构 、 构 造 和反 射 界 面 的 深 度 。地 质 雷 达采 用 的是 时 间域 脉冲 信号 ， 将 宽频带 的 脉 冲发 射 到地下介 质 中 ， 通 过接 受反 射 信 号达 到 探 测地 下 目标 的 目的 ， 雷 达 系统 向被探 测物 发射 电磁 波脉 冲 ， 电磁 脉 冲 穿 过介 质 表 面 ， 碰 到 目标 物 或 不 同介 质 的界 面而 被 反 射 回 来 ， 根据 电磁波的双程走时和长短差别 ， 分析确定被探测 目标的形态及结构特性 。 5 ． 2应 用领 域 探地雷达可用于基岩探测 ， 第四系地层划分 、 滑坡预测、 堤坝陷患探测、 溶洞和裂隙探测、 掌子面超 前地 质 预测 、 高速 公路 和机 场跑 道地 基质 量检测 、 隧道 工程 质量验 收 、 水 底 沉积 和埋 藏物探 测 、 地下 埋藏 物探 测 、 结构 物缺 陷探 测 、 污染 区划界 ， 管道 漏水及 漏气 探测 等 。 5 ． 3 测试 范 围、 精 度及 占用 工作面 时间 该 方法 的探 测 范 围小于 5 0 m， 一 般 的探 测距 离 为 3 0 m， 每次 需 要 花费 1 ． 5 h左 右 ， 通 过 专 业 工 程 师 进 行资 料解 释 ， 可 以较为 准确 的探 测 出相 关 目标体 。 5 ． 4仪器 设备 当前 国际上 主要 有美 国的 S I R系列 、 日本 G E O R A D A R系 列 、 加 拿大 P u l s e E K K O系列 、 瑞典 R A MA C 钻 雷达 系统 以及 国产 的 L T D系列 等 。其 中美 国生 产 的 S I R一 2 0 0 0型地 质 雷 达 ， 设 备 为 便 携式 ， 包 括 主 机、 天线 适用于不 同探测深度和精度的整套天线 ， 1 5 MH z 一1 ． 5 G Hz 、 电缆、 蓄电池等 ， 同时还配有数 据专 用软 件 。该仪 器能 够提 供一 种安 全 、 快 速 的勘 察方 法 ， 不 需要 开挖 ， 也不 会对 建筑 物造 成破 坏 ， 已广 泛 应 用 。 27