超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用.pdf

第 卷第 期重 庆 大 学 学 报 年 月 文章编号 超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用 王晓川 卢义玉 夏彬伟 葛兆龙 左伟芹 重庆大学 资源及环境科学学院 重庆 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金委专项创新研究群体基金项目 重庆市杰出青年基金 作者简介 王晓川 男 重庆大学博士研究生 主要从事高压水射流技术在地质灾害防治方面研究 摘要 深埋长大隧道工程地质条件复杂多变 盲目施工易造成突水 突泥和塌方等安全事故 超前地质预报技术作为隧道勘察结果的进一步详实 在隧道施工减灾 防灾方面发挥着重要的作 用以大相岭隧道为工程背景 针对该隧道复杂的地质条件 采用 超前地质预系统及宏观 微观相结合的预报分析方法 可以有效的提高对不良地质体的预报效果 通过预报结果与实际揭露 的对比分析 其预测精度达到 以上 有效地指导了隧道的安全施工 为同类工程提供技术资料 和经验借鉴 关键词 地质预报 隧道 不良地质体 安全施工 中图分类号 文献标志码 近年来 随着隧道建设逐渐向 长 大 深 群 方 向发展 施工中有可能出现如岩石破碎带 富水区 溶洞 断层等地质灾害的 单靠传统的预测预报手段 已经难以满足需要在隧道勘察设计阶段 勘察单 位一般都是通过区域地质资料 地表测绘和少量钻 孔等手段获得隧道和地下工程的工程地质资料 鉴 于隧道处于不同深度 其工程地质环境和水文地质 条件千差万别 并且由于技术 经济以及人们的认识 水平等原因 仅靠勘察资料进行施工 具有不确定 性 工作精度也只能在总体上满足设计要求 不可能 详尽地了解隧道中所有的工程地质问题为了避免 或者减少隧道施工地质灾害问题的发生 更好的实 现快速安全施工 工程物探手段进行超前地质预报 应运而生 中国隧道施工地质超前预报研究始于 世纪 年代 但真正应用于隧道及其它地下工程建设是 在 年代 隧道施工地质超前预报要解决的问题主 要包括断裂 溶洞 破碎带等不良地质现象的性质 欢迎访问重庆大学期刊社 h t t p //q k s .c q u .e d u .c n 规模的判定以及不良地质体位置 产状的确定 超前 地质预报不仅是施工安全的需要 又可为即将开挖 的不良地质体的超前支护提供科学依据 从而为动 态设计提供理论性指导 隧道超前地质预报概况与主要技术 手段 隧道超前地质预报概念 隧道超前地质预报包括广义隧道超前地质预报 和狭义隧道超前地质预报 广义的超前预报包括隧 道设计初期地勘单位提供的粗勘资料和动态施工中 得到更详细的物探资料 狭义的超前预报仅仅是指 施工时物探到的隧道洞体不良地质体预报资料 广义隧道超前地质预报 主要包括隧道所在地 区不良地质的宏观预报 即粗勘资料 隧道洞体不 良地质体超前预报 即狭义隧道超前地质预报 和隧 道洞体施工地质灾害警报一般说来 平时所讲到 的地质超前预报都是指狭义的地质超前预报 狭义 的地质超前预报按照预报距离的远近又可以分为长 期 长距离 超前地质预报和短期 短距离 超前地质 预报长期超前地质预报是在隧道所在地区不良地 质分析和宏观预报的基础上进行的 其主要任务是 较准确地预报掌子面前方 或更远距离范围内 的主要不良地质体的性质 位置和规模 粗略地预报 围岩的级别和地下水的情况短期超前地质预报是 在长期超前预报的基础上进一步开展的预报工作 所以短期超前地质预报的主要任务是在掌子面前方 最多 范围内更准确地预报可能出现 的岩层 已经临近的不良地质体的性质 地下水体的 可能性质 掌子面及其附近实见的不良地质体向掌 子面前 方 延 伸 的 情 况 和 围 岩 的 级 别 其 精 确 度 较高 隧道超前地质预报的技术手段 目前 常用的隧道长期 长距离 超前地质预报 方法主要有地面地质调查法 断层参数预报法和 等仪器探测方法 常用的隧 道短期 短距离超前地质预报的方法主要有掌子 面编录预测法 不良地质前兆法和地质雷达 红外线 超前探水等仪器探测法及超前钻探法各种预报手 段和方法都有其各自的适用范围和特点 其中 与 超前探测是目前预报距离最长 适用范围最 广 预报效果最好的超前预报手段和方法 但对于地 质灾害比较严重的 预报精度要求比较高的特殊地 段 这两种物探手段就暴露出不足之处 如都可以预 报富水带的存在 但不能预报地下水体的性质 可以 预报围岩的相对好坏 但不能准确预报围岩的级别 对于短期预报就不存在这些问题了 由于预报距离 较短 一般为掌子面前方 以内 最大距离 也不超过 国内普遍使用的地质雷达 红外线 超前探水仪和超前钻孔等手段可以解决上述问题 所以在预报实践中 以长期预报为主 辅以短期预报 手段 要种或种以上方法和手段综合运用 以达 到取长补短 相互验证 提高预报效果的目的 工程概况 大相岭隧道位于四川省雅安市荥经县与汉源县 交界处 是雅泸高速路上关键性控制工程隧道左 洞长 右洞长 设有个通风斜井 左线斜井长 右线斜井 是目前亚洲 第二长的公路隧道 隧道最大埋深近 是国 内罕见的大埋深公路隧道 隧址区位于四川盆地与 青藏高原过渡的盆地边缘山区 位于大渡河与青衣 江两大水系的分水岭地带 地貌分区属于峨眉山 大相岭深切割高中山区 横穿大相岭背斜隧址区 位于大相岭背斜近 向的中段背斜核部大面积 出露下震旦统苏雄组火山岩构造 构成大相岭背斜 主体大相岭背斜是一个核部隆起高 出露宽 两翼 变形强烈 倒转 出露狭窄 并且被保凰断裂和曹大 坪断裂切割并限定的背冲式 形隔挡式翻卷褶皱 见图 图大相岭背斜的构造形式 隧址区地处四川盆地 属亚热带季风湿润气候 与青藏高原大陆性干冷气候的交界地带 该地区的 降水非常的丰富 大相岭迎风面也成为全国降水最 多的地方 据设计地勘资料显示整个隧道正常涌水 量 受地质构造的影响 大相岭背斜核 部两侧的保凰断裂和曹大坪断裂附近是强变形集中 带 地貌形态明显受构造和岩性控制 具带状展布特 征 以褶皱构造为骨架 形成北东向山脉和纵向河谷 相间 兼有岩溶洼地和峡谷地貌景观 河流峡谷切割 较深 相对高差达 受背斜构造和大埋深的 影响 隧道经过区域内发育较多横张断裂 局部岩石 风化极为严重 裂隙发育 在大埋深地段伴有岩爆 第 期王晓川 等 超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用 欢迎访问重庆大学期刊社 h t t p //q k s .c q u .e d u .c n 加上隧区内降水丰富 涌水 突泥 岩溶等地质灾害 遍布全区 做好超前地质预报是一项很重要的任务 工作原理及方法 工作原理 探 测 使 用 隧道地质超前预报系统是北京市水电物 探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报 研制开发的系统设备 隧道超前地质预报 系统由仪器主机 配件和处理软件部分组成探 测原理是利用地震波的反射原理地震波由小药量 炸药激发产生地震波在岩石中以球面波形式传 播 当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时 例如断 层 岩体破碎带 岩性变化或岩溶发育带等 一部分 地震信号透射进入前方介质继续传播 一部分地震 信号反射回来 反射的地震信号被高灵敏度的地震 检波仪接收根据信号返回的时间和方向 通过专 用数据处理软件就可以得到清晰的反射波图像通 过对反射波特征的分析如发射与反射之间的时间 差 相位差 反射信号强弱 纵波与横波的比率等 并结合区域地质资料 跟踪观测地质资料就可以确 定隧洞前方及周围区域地质构造的位置和特性系 统工作原理见图 图隧道地震反射波探测原理 测线布置 预报检测时在隧道左或右壁 一般是按左线靠 左 右线靠右的原则布置的同一水平线上从掌子 面向外布置 个炮孔和个检波器钻孔 一般距掌 子面 左右开始布炮孔 炮孔间距 炮孔 高度 孔深 略向下倾斜 以保证注 入的水不外泄 然后与炮孔最近距离 处两壁布 置预报接收检波器孔接收孔深度一般为 孔径 接收孔距掌子面 左右 安装检波 器时向接收孔底部注入适量的黄油 便于检波器与 孔壁较好耦合 并用黄油将孔口密封 减少噪声的影 响检测时应准备 炸药 段 电雷管 枚 起爆器个 注水胶管条 起爆电缆 布 置形式见图 图 型隧道地质超前预报探孔测布置 工作方法 准备工作完成后 将炮线及触发线与主机连接 派有经验的炮工将制作的小药卷送至探测孔底 炸 药选用防水的硝胺炸药 将每管切段 每段插入瞬 发电雷管 并用透明胶带将其裹实粘牢 然后注水 灌满炮孔 再将电雷管与起爆器连接起爆采集数据 数据存盘后完成一次数据采集按照上述操作步骤 从里至外依次进行采集在采集数据时 详细记录 采集炮孔的爆破质量 包括未爆炮孔的数量及位 置 并对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进 行详细记录将采集完的数据进行整理后 通过数 据分析软件进行数据处理处理流程见图 图数据处理过程 工程实例 以大相岭隧道右线进口 段为例 进行预测分析该地段位于大相岭背 斜东翼 岩层走向近南北向 位于 断层的破碎带 上 上盘苏雄组流纹岩及安山岩 下盘为澄江期中粗 粒似斑状钾长花岗岩和苏雄组流纹岩及安山岩上 下盘岩层均向东倾断层碎粉带宽 发育劈 重 庆 大 学 学 报第 卷 欢迎访问重庆大学期刊社 h t t p //q k s .c q u .e d u .c n 片 理化构造角砾岩和初碎裂岩 结构较松散 劈 片 理产状 倾角 较陡 与主断面斜交上下盘断 层影响带宽 发育破裂岩或破裂岩化岩 石本次预报地段掌子面位于右线 里 程处 严格按照上述布孔方式进行布孔和数据采集 实际放炮 炮 报废炮 采集到数据的 炮 采 集波形清晰 有效波形超过最低限 此次采集有效 数据解译是超前地质预报的最后一步 也是最 核心的一步 解译的准确与否直接关系到预报的质 量解译技术是实现高水平超前地质预报的最关键 技术 也是难度最大的技术一方面要求解译人员 具有丰富的解释经验 另一方面要求解译人员具有 丰富的地质工作经验笔者所在实验室从事超前预 报研究工作多年 摸索出一套比较高效可行的方法 前面提到超前地质预报详细的划分可以分为广义预 报和狭义预报 鉴于纯粹的数据分析不容易宏观把 握 预报效果也不好 笔者建议在进行解译时从广义 预报的角度来综合考虑 首先通过设计初期的地勘 资料对隧址区内的地质构造和大的断层从宏观上进 行把握 然后对采集到的信息进行微观处理 采用宏 观和微观相结合的分析方法下面通过上述方法对 大相岭隧道右线进口 段 进行解译 通过软件综合分析处理得到隧道同侧 对 侧 波形图 见图 图 以及同 对侧三 分量偏移综合图 见图 图 构造面的同 对侧 反射纵波偏移与衰减成果图 见图 图 图同侧 波形图 与炮孔同侧 图对侧 波形图 与炮孔对侧 通过地勘资料和开挖地质素描可以了解到该地 段位于大相岭背斜东翼 岩层走向近南北向 位于 图同侧三分量偏移综合图 图对侧三分量偏移综合图 图同侧纵波偏移与衰减成果图 断层的破碎带上 受 断层的影响 初步判断该 地段的次级小断层及破碎带较多 从对 以前开挖的情况来看 该范围内地质条件较差 开挖 出来的破碎带出现滴水 渗水的区域较多 故初步估 第 期王晓川 等 超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用 欢迎访问重庆大学期刊社 h t t p //q k s .c q u .e d u .c n 图 对侧纵波偏移与衰减成果图 计该地段整体围岩情况在 级以下 这就从宏观上 对该段围岩进行了定性 下面的工作就是对预报区 域的详细预报了 这就要借助于以上处理好的图像 图像的解译遵循以下准则 正反射振幅表明硬岩层 负反射振幅表明软 岩层 若波反射较波强 则表明岩层饱含水 以波剖面资料为主 结合横波资料综合解释 综合分析隧道同 对侧原始记录 分离后的纵 横波 记录 以及波 波 波的 相关偏移归位剖面图可以看出在 反射 比较强烈 纵波衰减比较强烈 存在构造异常带为 了便于读者进行全面了解 笔者将预报的结果和地 质勘察及实际开挖进行了对比 见表 基于预报 结论对施工具有指导作用 提出以下建议 在 段施工时特别注意做好初期支 护 注意拱顶掉块和坍塌 并及时施作超前支护和初 期支护 由于物探方法的间接性 在隧道施工期间针 对地质超前预报结论 做好施工地质工作 详细记录 隧道围岩和掌子面岩体的地质变化 以地质方法为 基础 及时修正预报结论指导施工 不可冒进 根据 开挖情况必要时采用地质雷达做短期预报 建议在破碎地段施工时采用短进尺 弱爆破 强支护 勤量测 快循环的施工原则 以确保隧道施 工安全 表预报结果与实际结果对比表 里程桩号地质勘察超前预报实际开挖 岩体较完整 节理发 育 局部有滴水 围岩较差 裂隙与地下水均较发 育 存在断层破碎带 并可能存 在有股状涌水 总体估计为级 围岩 围岩属强风化岩石 处于构造破 碎带 右侧出现小股涌水 围岩 级 岩体较完整 节理发 育 局部有滴水 围岩较差 裂隙与地下水均较发 育 存在断层破碎带 并可能存 在有股状涌水 总体估计为级 围岩 围岩弱风化 节理发育 岩体呈 碎块状 在 存在淋雨带 围岩级 岩体较完整 节理发 育 局部有滴水 岩石较坚硬 但含有较多隐含裂 隙 局部含次级断裂和节理密集 带 少数地段有线状滴水 总体 估计为级围岩 岩体较完整 属于简单构造区 围岩围岩较好 比较完整 节理 发育 围岩级 构 造 带岩 石 较 风 化 呈 块 状 局 部 有 滴水 存在较长的构造破碎带 岩体呈 碎块状 裂隙水较发育 局部沿 裂隙通道可能产生股状涌水 总 体估计为级围岩 构造破碎带 在 处 极为破碎 岩石风化呈粉状 稳 定性极差 岩石呈饱水状 但未 出现涌水 围岩级 重 庆 大 学 学 报第 卷 欢迎访问重庆大学期刊社 h t t p //q k s .c q u .e d u .c n 续表 里程桩号地质勘察超前预报实际开挖 构 造 带岩 石 较 风 化 呈 块 状 局 部 有 滴水 围岩较好 属于简单构造区 局 部节理发育 岩石比较坚硬 总 体估计为级围岩 岩体较完整 呈层状 层间岩石 以安山岩石和流纹为主 稳定性 好 开挖比预期要快 围岩级 构 造 带岩 石 较 风 化 呈 块 状 局 部 有 滴水 构造带 岩石比较破碎 裂隙水 较发育 总体估计为级围岩 构造带 岩石比较破碎 主要以 风化的安山岩为主 层间夹少量 的霏细岩 在 处 出 现帘状滴水 围岩级 微风化岩石 岩体含 较多隐含裂隙 岩石 呈块 状 或 块 碎 镶 嵌 结 构地 下 水 呈 滴 水状 围岩较好 属于简单构造区 局 部节理发育 岩石稳定性好 在 附近存在局部破碎 带 总体估计为级围岩 岩石较完整 呈层状结构 主要 以安山岩为主 在 处存在小的破碎带 并有线状滴水 围岩级 通过以上对比可看出大相岭隧道超前地质预报 精度很高 预报不良地质体性质的准确性 达到基本正 确正确 预报不良地质体位置和规模的精度 达到 以上 同时从也反应出了 存在的不足 预报系统虽然能够预测预报破碎带 的位置 但是对水的反映准确性比较差 一般只能大 致反映有没有水 然而水量的大小 规模程度无法定 性 所以对于预测地段发现有溶洞的地区需采用地 质雷达进行探水 由于地震波在传播时存在衰减 特别是围岩 较差的地方 波衰减的更快 虽然该系统理论上可以 预测 为了提高预报准确性 实际预测不宜超 过 实践证明以上预报精度完全可以满足动态施工 要求 为隧道工程的安全快速掘进 支护材料的提前 准备以及灾害事故的有效预防 提供了可靠的地质 资料与信息 同时也为变更设计赢得了宝贵的时间 避免了开挖后与设计不符所造成的停工 结束语 通过在大相岭隧道中应用超前地质预报的工程 实践 得出以下结论 隧道地质超前预报是一项相对比较可靠的探 测技术 在不良地质隧道施工中 可以及时有效地避 免不良地质给施工带来的危害 最大限度地保证工 人的人身安全 体现人性化施工 系统是一种发展中的技术 是一种 间接的探测手段 其精度不可能达到百分之百准确 在特殊地段宜采用多种探测手段相结合的方法 将 不同探测手段得到的结果进行比较分析 提高预报 的准确性 对采集的数据进行解译时要从广义的超前地 质预报概念去理解 采用宏观和微观相结合的方法 进行解译 可以提高预报的准确性 切忌孤立从图像 进行解译 参考文献 李术才 李树忱 张庆松 等岩溶裂隙水与不良地质情 况超前预报研究岩石力学与工程学报 叶志华 韩行瑞 张高朝 等隧道岩溶涌水专家评判系 统在朱家岩隧道涌水预报中的应用 中国岩溶 曲海峰 刘志刚 朱合华隧道信息化施工中综合地质 第 期王晓川 等 超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用 欢迎访问重庆大学期刊社 h t t p //q k s .c q u .e d u .c n 预报技 术 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 王梦恕对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意 见铁道勘查 徐国峰 杨建峰 陈侃福台缙高速公路苍岭隧道水文 地质勘察与涌水量预测岩石力学与工程学报 增 王锦山 王 力 曹志刚 等厦门海底隧道综合超前地 质预报实践岩石力学与工程学报