超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在歌樂山隧道施工中的應(yīng)用

1、.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在歌樂山隧道施工中的應(yīng)用 第19卷第1期2008年3月 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù) JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservation Vol.19,No.1March 2008 文章編號(hào):1006-4362(2008)01-0109-04 祝云華,劉新榮,黃明 (重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400045) 隧道在施工中不可避免地會(huì)遇到諸如溶洞、突水、坍塌等常見的地質(zhì)災(zāi)害,為了將地質(zhì)災(zāi)害影摘要: 響程度降到最低,施工前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是十分必要的。詳細(xì)介紹了TSP超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法的原理,并以歌樂山隧道為例子,針對(duì)該隧道復(fù)雜的地質(zhì)條件,施

2、工過程中采用超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和紅外線探測(cè)技術(shù)相結(jié)合,成功地預(yù)報(bào)了掌子面前方的地質(zhì)信息以及隧道涌水情況,工。 關(guān)鍵詞:隧道;TSP;施工;超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 中圖分類號(hào):P588.3;U452:1引言 隧道工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是地質(zhì)勘察資料,而隧道施工的依據(jù)主要是設(shè)計(jì)文件。大量的隧道工程建設(shè)實(shí)踐表明,由于地質(zhì)勘察精度、經(jīng)費(fèi)等諸多條件的限制,根據(jù)地質(zhì)勘察資料作出的設(shè)計(jì)與實(shí)際不符的情況屢有發(fā)生,如巖溶突水、軟弱圍巖大變形、塌方、沉陷、巖爆、瓦斯突出等,而這些災(zāi)害性地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生,輕則影響施工進(jìn)度,增加工程成本,重則損毀機(jī)械設(shè)備,甚至危及施工人員的生命,而且事故發(fā)生后的處理工作難度較大,因此給隧道施工帶來嚴(yán)重的

3、影響1。近幾年,隨著隧道工程數(shù)量的增加,規(guī)模的擴(kuò)大,遇到的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,這一問題變得更加突出。為了盡量避免和減少地下工程施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,在做好地質(zhì)勘察的同時(shí),采用工程地質(zhì)方法和超前預(yù)報(bào)方法相結(jié)合,對(duì)地下工程前方的地質(zhì)條件及時(shí)和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)是防止施工中突發(fā)性災(zāi)難、保證施工工期和施工質(zhì)量的有效措施。 歌樂山隧道屬于渝懷高速公路建設(shè)中的一個(gè)控制性工程,地質(zhì)條件比較復(fù)雜。根據(jù)工程地質(zhì)勘察,該隧道在施工中存在巖溶涌水、斷層破碎帶界面和圍巖局部失穩(wěn)的可能性。為了保障隧道施工的順利實(shí)施,減少可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,在歌樂山隧道復(fù)雜地段施工過程中,采用地質(zhì)調(diào)查和物探相結(jié)合的超 收稿日期:200720

4、7226改回日期:2007211220 前預(yù)測(cè)技術(shù),取得了滿意的施工效果。 2TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng) TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TunnelSeismicPre2 dictionSystem),是由瑞士安伯格測(cè)量技術(shù)公司專 門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研制開發(fā)的,是目前國內(nèi)外在這個(gè)領(lǐng)域最先進(jìn)的科技成果,屬于地球物理探查方法的一種。它具有以下特點(diǎn):適用范圍廣,即適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況,探測(cè)斷層、大的巖性界面等平直地質(zhì)界面效果較好;預(yù)報(bào)距離長(zhǎng),理論上能預(yù)報(bào)掌子面前方500m,考慮地震波干擾等因素能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方100350m;對(duì)隧道施工干擾小,它只要求在接收信號(hào)時(shí)為減少噪音干擾

5、作短暫停工;探測(cè)時(shí)間短,一次完整的探測(cè)僅僅需要45min,加上探測(cè)前的準(zhǔn)備工作和探測(cè)以后系統(tǒng)清除所用的時(shí)間也不過2h;節(jié)約投資費(fèi)用,據(jù)國外隧道施工經(jīng)驗(yàn)估計(jì),采用TSP法比不進(jìn)行預(yù)報(bào)節(jié)省費(fèi)用是全部工程的15%。由于以上等優(yōu)點(diǎn),TSP適合長(zhǎng)期、長(zhǎng)距離和復(fù)雜地質(zhì)條件下超前預(yù)報(bào)24。2.1預(yù)報(bào)原理 TSP根據(jù)地震波的回波原理制成,人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源,形成一個(gè)地震源斷面,同時(shí), 三維地震波接收器在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下采集這 110 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)2008 年 些震源所發(fā)出地震波沿隧道前方及四周區(qū)域傳播而遇不良地質(zhì)體(如地層層面、節(jié)理面,特別是斷層破碎帶界面和溶洞、暗河等)被反射返回的地震波

6、數(shù)據(jù)。這些回波信號(hào)的傳播速度、延遲時(shí)間、波形、強(qiáng)度和方向是與相應(yīng)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布狀況緊密相關(guān)的。在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)多次采用上述方法,可以得到前方地層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù),如楊氏模量和橫向變形系數(shù)等。現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)資料可以準(zhǔn)確地預(yù)知前方及周圍地質(zhì)變化狀況56。TSP測(cè)量原理見圖1 。 =1-rAi2v2+1v1 (4) 式中,Ai為入射波振幅;Ar,At為反射波和透射波 振幅;v1,v2為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的速度;1,2為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的密度;r為界面的反射系數(shù)。 當(dāng)入射波振幅Ai一定時(shí),反射波振幅Ar與反射系數(shù)r成正比,而反射系數(shù)與反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗v有關(guān),且主要由界

7、面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗差決定,波阻抗差的絕對(duì)值越大,則反射波振幅Ar就越大。當(dāng)介質(zhì)的波阻抗大于介質(zhì)的波阻抗,即地震波從較為疏松的介質(zhì)傳播到較為致密的介質(zhì)時(shí),反射系數(shù)r>0,此時(shí),反射波振幅和入射波振幅的符號(hào)相同,反射波和入射波具有相同的極性;反之,如果地震波從較為致密的介質(zhì)傳播到較為疏松的介質(zhì),此時(shí)反射系數(shù)r<0,則反射波振幅和入射波振幅符號(hào)相反,911。(面向掌子面)的同一水平 圖1TSPFig.1ofTSPGeology ForecastSystem 線上從外向里布置一個(gè)傳感器鉆孔和20個(gè)炮孔,傳 感器鉆孔距第一個(gè)炮孔20m,炮孔間距15m左右,炮孔高度1m,如圖2

8、所示 。 2.2TSP預(yù)報(bào)方法理論基礎(chǔ) 由微弱爆破引發(fā)的地震波信號(hào)分別沿不同的路徑以直達(dá)波和反射波的形式到達(dá)傳感器,與直達(dá)波相比反射波需要的傳播時(shí)間較長(zhǎng)78。TSP地震波數(shù)據(jù)處理的第一步是由測(cè)得的從震源直接到達(dá)傳感器的縱波傳播時(shí)間換算地震波的傳播速度: Vp= T1 (1) 圖2TSP測(cè)線布置 Fig.2ThemeasurelinedisposeofTSP 式中,X1為爆破孔到傳感器的距離(m);T1為直達(dá)波的傳播時(shí)間(s)。 在已知地震波的傳播速度,就可以通過測(cè)得反射波傳播時(shí)間來推導(dǎo)出發(fā)射事件與接收傳感器的距離以及與隧道端面的距離,整個(gè)推導(dǎo)過程可由式(2)導(dǎo)出: T2 = VpVp (2)

9、3隧道工程概況 3.1工程地質(zhì)條件 渝懷鐵路歌樂山隧道是渝懷線控制工程之一, 位于重慶市郊,起迄里程為DK1+560DK5+610。隧道全長(zhǎng)4050m,大致是東西向展布,地質(zhì) 式中,X2為爆破孔與反射事件的距離;X3為傳感器與反射事件的距離;T2為反射波的傳播時(shí)間。 地震反射波的振幅與反射界面的發(fā)射系數(shù)有關(guān),在簡(jiǎn)單情況下,當(dāng)平面簡(jiǎn)諧波垂直入射到平面反射面上時(shí),其上的反射波振幅和透射波振幅分別為: (3)=r Ai2v2+1v1 情況復(fù)雜,難以預(yù)見因素多,堪稱“地質(zhì)博物館”。歌 樂山隧道穿過由觀音峽背斜形成的中梁山山脈,地層以三疊系嘉陵江灰?guī)r為主,分布于觀音峽背斜褶皺兩翼,總寬約1100m,其次

10、為三疊系雷口坡組頂部灰?guī)r。嘉陵江組灰?guī)r和雷口坡組頂部灰?guī)r巖層傾角陡立,層間滑動(dòng)明顯,層間滑動(dòng)斷層、構(gòu)造節(jié)理發(fā) 111 育,為巖溶的發(fā)育提供了有利條件,施工中極有可能出現(xiàn)突泥、涌水、圍巖失穩(wěn)、巖爆、瓦斯等地質(zhì)災(zāi)害,隧道最大理深約280m。3.2隧道水文地質(zhì) 隧道近垂直穿越中梁山背斜,地層巖性以砂巖、灰?guī)r為主。分布于背斜兩翼的嘉陵江組灰?guī)r為強(qiáng)巖溶地層,總長(zhǎng)1119m。隧道穿越地區(qū)地表漏斗、洼地、溶洞、落水洞、溶溝等溶蝕現(xiàn)象發(fā)育。地表有兩個(gè)較大的水體,分東西兩區(qū),東區(qū)內(nèi)主要為大面積水田,南側(cè)有一暗河入口,西區(qū)主要為大面積淺水湖泊,有一中型水庫與其連通;南側(cè)有一暗河入口。由于地層傾角較陡,地下水與地表

11、出露的泉眼、暗河相互連通,因此地下水極其豐富,施工時(shí)最大涌水量達(dá)5.3×104m3/d,地下水位高,在洞頂以上220280m,涌水壓力最大達(dá)2.2MPa。 歌樂山隧道應(yīng)用TSP2202進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測(cè),經(jīng)歷了基本準(zhǔn)確(個(gè)別點(diǎn)判斷錯(cuò)誤或漏報(bào))到較為準(zhǔn)確的過程。這是因?yàn)門SP2202超前地質(zhì)預(yù)測(cè),是通過反射層面的縱波和橫波的反射強(qiáng)度的對(duì)比,來判斷反射層面是否富含水,只能探測(cè)到水的存在,而不能體現(xiàn)出水的規(guī)模,對(duì)前方巖溶水的規(guī)模預(yù)測(cè)還需要通過開挖對(duì)比驗(yàn)證分析,來不斷修正,以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。 根據(jù)TSP探測(cè)結(jié)果,掌子面前方150m范圍內(nèi),圍巖縱波平均速度大于2400m/s,密度為1.862.

12、58g/cm3,泊松比為0.230.27。在預(yù)報(bào)的DK4+560DK4+675段穩(wěn)定性較差,容易塌方。表1為部分隧道實(shí)際開挖揭示的地質(zhì)情況與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果,從表中可以看出,超前預(yù)報(bào)與實(shí)際施工的地質(zhì)情況對(duì)比分析,采用TSP2202探測(cè)系統(tǒng)結(jié)果準(zhǔn)確,。,超前地質(zhì)。 ,主要。以歌樂山隧道出口DK4+557+637段為例,采用HY2303紅外線探測(cè)技術(shù),其探測(cè)曲線見圖3,從圖中可以看出:在距掌子面15m處場(chǎng)強(qiáng)開始出現(xiàn)突變點(diǎn),越臨近掌子面,場(chǎng)強(qiáng)呈較陡的斜率上升,可以據(jù)此推斷,前方可能富水,而實(shí)際開挖情況為掌子面前方5m處有0150.8m寬斷層泥,全掌子面富水,水壓達(dá)1.8MPa,與探測(cè)情況基本吻合。

13、4歌樂山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析 歌樂山隧道掘進(jìn)施工過程中,涌水,通常需建立遠(yuǎn)期、中長(zhǎng)期、絡(luò)。,TSP2202地震波進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)報(bào),H2303紅外線預(yù)測(cè)進(jìn)行臨前預(yù)報(bào),再采用3050m超前探水孔進(jìn)行準(zhǔn)確勘測(cè),探明前方出水點(diǎn)的精確位置,涌水壓力、大小,泥沙含量,圍巖工程特性等,為制定堵水方案以及設(shè)定注漿堵水參數(shù)提供全面準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料。 表1TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與實(shí)際開挖情況對(duì)照表 Table1ThecomparisonofgeologicconditionbetweenTSPGeologicforestandtheactualexcavation TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果 DK4+708+716灰?guī)r為主,

14、破碎飽水圍巖 DK4+605+617圍巖穩(wěn)定性較差,巖溶裂隙型富水帶DK4+556+598灰?guī)r為主,巖溶裂隙型富水帶DK4+483+507圍巖節(jié)理發(fā)育,富水?dāng)鄬悠扑閹K4+405+432圍巖較破碎,富水?dāng)鄬悠扑閹K4+407+422灰?guī)r為主,局部有滲水 DK4+390+412灰?guī)r為主,圍巖完整性較好,有水DK4+365+382,實(shí)際開挖情況 DK4+708+716節(jié)理發(fā)育,圍巖破碎,但無裂隙水存在 DK4+616處有0.50.8m寬斷層泥,有大股水流出,水壓達(dá)1.8MPa DK4+574+570段拱部富水,圍巖不穩(wěn)定 DK4+486+484為富水?dāng)鄬悠扑閹Ф嗡?有大股水流出,水壓達(dá)1.9M

15、PaDK4+412處有0.50.8m寬斷層泥,有大股水流出,水壓達(dá)2.0MPaDK4+407+422灰?guī)r,右側(cè)拱腰有滲水。圍巖級(jí)DK4+390+412灰?guī)r與千枚巖互層,圍巖較堅(jiān)硬,有小量水涌出 DK4+365+382,1.9MPa 5結(jié)論 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)包括隧道所在地區(qū)地質(zhì)分析與宏觀預(yù)報(bào)、隧道洞身及圍巖不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和重大施工地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)。詳細(xì)的勘察工作是建立宏觀預(yù)報(bào)的基礎(chǔ),在充分研究勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,應(yīng)考慮其具體的地質(zhì)情況,采用地質(zhì)調(diào)查和物探等合適的技術(shù)、手段和方法對(duì)隧道掌子面前方地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。將各種方法與技術(shù)有 機(jī)結(jié)合,合理確定地質(zhì)超前預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的方法,建立地質(zhì)超

16、前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。只有在宏觀預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下,才能發(fā)揮各種地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì),準(zhǔn)確、有效地實(shí)施洞內(nèi)不良地質(zhì)體超前預(yù)報(bào)和施工地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及臨近警報(bào)等后續(xù)預(yù)報(bào)工作。 同時(shí),隧道的水文地質(zhì)條件是制約特長(zhǎng)隧道施工的關(guān)鍵,通過歌樂山超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工程實(shí)踐來看,地質(zhì)超前預(yù)報(bào)不應(yīng)要求、也不可能達(dá)到完全準(zhǔn)確。而且,也不能把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)全部依靠某一種 112 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)2008 年 圖3HY2303紅外線探測(cè)曲線圖 Fig.3Thedetectiongraphofray先進(jìn)的預(yù)報(bào)方法或者儀器上,或儀器都有其局限性。但是,法,報(bào),有可能的。 參考文獻(xiàn) 1趙永貴,劉浩,孫宇.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究進(jìn)展J.

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