隧道超前地質(zhì)預報原理及新方法應用實例

1、隧道超前地質(zhì)預報工作中常用的物探方法隧道超前地質(zhì)預報工作中常用的物探方法 工程物探方法都是應用于地表和井中的勘探方法,要在隧道中采用物探方法進行隧道超前地質(zhì)預報,我們必須對那些用于二維地表探測的物探方法進行適當?shù)奶綔y裝置和處理軟件改進,使其適合三維隧道場地條件和施工環(huán)境的隧道超前地質(zhì)預報工作。 從多年的實踐努力和經(jīng)驗來看，我們認為： 能在隧道內(nèi)進行隧道超前地質(zhì)預報工作的工程物探方法有: 1 1、彈性波反射法 (常用的方法:地震反射波法) 2、電磁波反射的法(常用的方法:地質(zhì)雷達法) 3、紅外探測法(常用的方法:紅外探水法) 4、高分辨直流電法(常用的方法:三極空間交匯探測法)說明:瞬變電磁法還

2、不太成熟,還未列如鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南, 本次就不介紹方法。四、物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中的重要性四、物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中的重要性 1、隧道超前地質(zhì)預報工作的必要性隧道超前地質(zhì)預報工作的必要性 由于隧道深埋于地下，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復雜多變，而目前地質(zhì)勘察工作又受技術(shù)、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道圍巖的狀態(tài)、特性，特別是要準確地預測隧道施工中可能發(fā)生的地質(zhì)災害的位置、規(guī)模和性質(zhì)是十分困難的； 由于地質(zhì)災害體的存在，僅依靠施工揭露再行處理的辦法，帶有很大的盲目性，常常發(fā)生各種突發(fā)事故，造成投資增加、人員和施工設(shè)備傷害、工期延誤等諸多問題。 因此，采用科學的、先進

3、的隧道超前地質(zhì)預報方法來準確地預報隧道所通過范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模和狀態(tài)是非常必要的。 2 2、物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中的重要性、物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中的重要性 按照鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南鐵建設(shè)【2008】105號中的規(guī)定： 隧道超前地質(zhì)預報應采用地質(zhì)調(diào)查與勘探相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合、長距離預報與短距離預報相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合、超前導坑與主洞相結(jié)合的指導思想，通過對各種方法的預報結(jié)果綜合分析解釋，相互印證，有利于提高預報的準確率，積極為隧道的安全施工提供必要的技術(shù)支撐。 根據(jù)上述規(guī)定可以看出：物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中占有非常重要的地位，再加上物探方法具有施測快

4、捷、預報結(jié)果提供及時、費用低（相對超前鉆探而言）等特點，物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中得到了廣泛應用。 根據(jù)鐵路隧道的開挖方式、工期要求和各物探方法的優(yōu)缺點，我院認為:隧道內(nèi)的物理探測應采用長距離預報（彈性波反射法）和短距離預報（地質(zhì)雷達法或紅外探測法）相結(jié)合的綜合物探方法。 根據(jù)隧道的風險等級和不良地質(zhì)情況采用不同的綜合物探預報方法，具體規(guī)定如下表（表-）。 隧道超前地質(zhì)預報采用綜合物探方法一覽表 表-序號 適用條件 適用風險等級 物探類型 采用物探方法 1軟弱夾層，非可溶巖接觸帶，地表物探異常帶、差異風化帶及可能出現(xiàn)其它不良地質(zhì)體。含炭（煤）地層。 坍方風險及變形風險為中度。WT-1 地震反

5、射波法（TSP） 2非可溶巖地段斷層及其破碎帶、可溶巖巖溶中度發(fā)育地段、可能出現(xiàn)的節(jié)理密集帶。風險為高度、突水突泥風險為中度及以上。WT-2 以地震反射波法（TSP）為主、紅外探測法為輔的綜合物探預報方法3可溶巖巖溶強烈發(fā)育地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶等可能出現(xiàn)溶洞、溶蝕破碎帶及富水節(jié)理密集帶。 突水突泥高度風險、地表失水高度風險、坍方高度風險。WT-3 以地震反射波法（TSP）為主、地質(zhì)雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法4巖溶發(fā)育（極強烈）地段；煤層采空區(qū)。高壓富水斷層。 水突泥極高風險、地表失水極高風險、坍方高度風險。WT-4 以地震反射波法（TSP）為主、地質(zhì)雷達法或紅外探測法為輔

6、的綜合物探預報方法 按照鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南鐵建設(shè)【2008】105號中的劃分，隧道內(nèi)的物理探測方法有以下四類： 彈性波反射法； 電磁波反射法； 紅外探測法； 高分辨直流電法。 下面按上述分類探討物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中的原理及方法。第二部分 隧道超前地質(zhì)預報的物探方法原理與 施作要點 一、一、彈性波反射法 二、電磁波反射的法 三、紅外探測法 四、高分辨直流電法一、彈性反射波法一、彈性反射波法 彈性波反射法是利用人工激發(fā)的地震波、聲波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來預報隧道掌子面前方地質(zhì)情況的一種物探方法，它包括地震波反射法、水平聲波反射法、負視速度法和極小偏移距高頻反射連續(xù)剖

7、面法等方法。 由于地震波反射法相對其它三種方法應用相對普遍和成熟，且從預報距離、探測精度和預報復雜不良地質(zhì)問題的適應性幾方面綜合考慮，本次只介紹地震波反射法。 目前，采用地震波反射法進行隧道超前地質(zhì)預報的儀器主要有：TSP(瑞士)、 TRT(美國)、 TGP(中國)、TST(中國)等，由于目前隧道超前地質(zhì)預報中使用最多的儀器是瑞士Amberg公司生產(chǎn)的TSP系列儀器，所以下面以TSP203儀器為例介紹地震波反射法在隧道超前地質(zhì)預報中的應用情況。 1 1、TSPTSP的基本原理的基本原理圖圖1-1 TSP法工作原理示意圖法工作原理示意圖圖圖1-2 1-2 儀器：瑞士儀器：瑞士TSP-203TSP

8、-203 圖圖1-3 1-3 儀器：瑞士儀器：瑞士TSP-203TSP-203現(xiàn)場工作照片現(xiàn)場工作照片2 2、TSPTSP的應用效果的應用效果小型溶洞預報實例小型溶洞預報實例隧道地質(zhì)情況: 某鐵路隧道全長2066m，本次預報里程范圍內(nèi)隧道埋深40109m，由二疊系茅口棲霞組灰?guī)r組成，屬堅硬巖類，裂隙較發(fā)育，巖體為中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整。地下水位于洞身以下，該段隧道主要位于垂直滲流帶內(nèi)，巖溶以垂直向巖溶裂隙、溶槽、溶溝發(fā)育為主，少量水平向巖溶裂隙，地下水以季節(jié)性股狀及淋雨狀出露。預報結(jié)論: 本次預報時檢波器里程為K19+327,掌子面（即隧道開挖工作面）里程為K19+266，預報發(fā)現(xiàn)在檢波器前

9、方65m附近存在一個低速異常區(qū)域（見圖6中藍色顯示），另外結(jié)合二維成果圖（見圖7）中的K19+259處楊氏模量數(shù)值突然降低（代表圍巖強度降低），泊松比數(shù)值突然升高（代表圍巖流塑性增加）綜合分析：推測在K19+259K19+251段巖溶強烈發(fā)育，存在溶洞。紅色代表掃描的速度值高速區(qū)域藍色代表掃描的速度值低速區(qū)域圖6 SV波速度掃描圖像圖7 某鐵路隧道TSP反射層位及物理力學參數(shù)二維成果圖開挖遇到溶洞的位置開挖驗證情況: 隧道開挖掌子面到達K19+259時，在掌子面上出現(xiàn)一個小型溶洞，內(nèi)部充填物為塊石土。后經(jīng)揭示發(fā)現(xiàn)該溶洞占據(jù)了整個掌子面，沿隧道軸向發(fā)育長度為35m。掌子面開挖遇到溶洞的照片見圖8

10、所示。圖8 K19+259處揭示的巖溶照片暗河暗河實例實例圖13 *隧道TSP二維成果圖10.512.2418.35D K 9 2 2 + 6 7 3 . 3D K 9 2 2 + 6 4 2 . 7D K 9 2 2 + 6 5 4 . 9D K 9 2 2 + 6 5 7 . 1溶 洞 內(nèi) 崖 線水 潭隧道中線廣元重慶隧道邊線隧道邊線出 水 點水 流 方 向掌 子 面D K 9 2 2 + 6 8 3 . 8進 口此 處 以 下 溶 洞 走 向 無 法 探 明此 處 以 下 溶 洞 走 向 無 法 探 明X X X X X隧 道 出 口 大 型 暗 河 位 置 示 意 圖說 明 ： 1 .

11、 圖 中 所 示 尺 寸 除 特 殊 注 明 外 ， 其 余 均 以 米 計 。 2 . D K 9 2 2 + 6 8 4 向 大 里 程 方 向 溶 洞 走 向 由 于 儀 器 無 法 架 設(shè) ， 未 探 明 。 3 . 暗 河 流 水 處 水 量 大 小 受 外 部 天 氣 影 響 極 大 。 4 . 詳 細 里 程 斷 面 圖 詳 見 后 附 圖 - 、 - 等 。圖 例 ：隧 道 中 心隧 道 邊 線溶 洞 邊 線暗 河 邊 線3 . 4 43 . 1 2D K 9 2 2 + 6 6 6 . 9 8D K 9 2 2 + 6 7 4 . 3D K 9 2 2 + 6 6 3 . 8

12、 8D K 9 2 2 + 6 6 1 . 2D K 9 2 2 + 6 5 9 . 0 5D K 9 2 2 + 6 5 4 . 5 9D K 9 2 2 + 6 5 1 . 0 6D K 9 2 2 + 6 4 5 . 1 9 6D K 9 2 2 + 6 4 0 . 3 1開挖驗證情況: 開挖揭示大型暗河,其位置示意圖見圖14 。該例說明: TSP法雖能預報暗河,但對具有復雜形態(tài)的暗河或大型不規(guī)則溶洞是不能預報它們的具體形態(tài)和三維空間位置。預報結(jié)論:1、DK922+670+606段：圍巖破碎，巖溶強烈發(fā)育，存在中大型溶洞（或暗河）;2、DK922+606+568段：圍巖較破碎，巖溶弱發(fā)育

13、。圖14 *隧道暗河位置示意圖二維成果二、電磁波反射法二、電磁波反射法 1 1、電磁波反射法的原理、電磁波反射法的原理 電磁波反射法超前地質(zhì)預報主要采用地質(zhì)雷達法探測。 由于地質(zhì)雷達法具有異常圖像直觀、工作效率及分辨率高等優(yōu)點，該方法可應用在隧道超前地質(zhì)預報中的短距離(1530m)預報。工作原理示意圖見圖15-1所示。圖15-1 地質(zhì)雷達工作原理示意圖空洞空洞被檢測體R2T2RTR1T1不同介質(zhì)界面反射波空洞反射波直 達 波間時程雙測 點不同介質(zhì)分界面CBA圖15-2地質(zhì)雷達測線布置示意圖和SIR3000現(xiàn)場探測照片2 2、電磁波反射法的應用效果、電磁波反射法的應用效果完整圍巖的地質(zhì)雷達圖象完

14、整圍巖的地質(zhì)雷達圖象 左圖為在完整圍巖上采集的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)，可見電磁波反射波信號較平靜，無明顯反射信號，能量亦呈正常衰減趨勢。圖16 完整圍巖的地質(zhì)雷達法圖象溶蝕破碎帶的地質(zhì)雷達圖象溶蝕破碎帶的地質(zhì)雷達圖象 左圖中有明顯的電磁波反射信號，反射信號同相軸較連續(xù)，并且反射的電磁波信號較強，分析認為在掌子面后面510米深度范圍內(nèi)存在不良地質(zhì)體，結(jié)合現(xiàn)場的圍巖巖性為灰?guī)r情況綜合分析認為掌子面前方為溶蝕破碎帶(經(jīng)開挖驗證結(jié)論準確)。圖圖17 溶蝕破碎帶的地質(zhì)雷達法圖象溶洞的地質(zhì)雷達圖象溶洞的地質(zhì)雷達圖象 左圖中有明顯的電磁波反射信號，在719米范圍內(nèi)由近似拋物線的反射波軸頂點包羅的區(qū)域為粘土充填型溶洞范

15、圍 (經(jīng)開挖驗證結(jié)論準確)。圖18-1 粘土充填型溶洞的地質(zhì)雷達法圖象溶洞的地質(zhì)雷達圖象溶洞的地質(zhì)雷達圖象 左圖中有明顯的非常強的電磁波反射信號，在929米范圍內(nèi)形成非常強的能量團塊,為充水型溶洞范圍 (經(jīng)開挖驗證結(jié)論準確)。圖18-2 充水型溶洞的地質(zhì)雷達法圖象三、紅外探測法三、紅外探測法 1 1、紅外探測法的原理、紅外探測法的原理 地質(zhì)體(如含水體)每時每刻都在向外部發(fā)射紅外能量，并形成紅外輻射場。地質(zhì)體由內(nèi)向外發(fā)射紅外輻射時，必然會把地質(zhì)體內(nèi)部的信息以紅外電磁場的形式傳遞出來。紅外探測法就是通過接收和分析紅外輻射信號進行超前地質(zhì)預報的一種物探方法。 野外施測時采用：在掌子面后方60米處，朝掌子面方向每隔5m對隧道周邊探測一次,每次探測順序依次為左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻和隧底中線，共探測12個斷面，這樣沿隧道軸線方向共形成6條探測曲線，分別為左邊墻探測曲線、左拱腰探測曲線、拱頂探測曲線、右拱腰探測曲線、右邊墻探測曲線和隧底中線探測曲線。 依據(jù)探測數(shù)據(jù)繪制沿隧道軸向的探測曲線，如果開挖工作面前方存在儲水構(gòu)造，在靠近開挖工作面一端曲線