超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

1、 隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)及其應(yīng)用及其應(yīng)用一、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的重要性一、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的重要性二、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的常用技術(shù)二、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的常用技術(shù)三、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的應(yīng)用三、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的應(yīng)用工程實(shí)例工程實(shí)例四、結(jié)論四、結(jié)論1、由隧道工程的本身的特點(diǎn)及社會(huì)的發(fā)展決定（以人為本）2、由當(dāng)前隧道工程的水文地質(zhì)條件決定3、由隧道技術(shù)發(fā)展條件決定 1） 隧道工程地質(zhì)的不可探明性 2）當(dāng)前隧道工程的施工現(xiàn)狀 隧道施工的難度越來越大 隧道施工的要求越來越高 隧道施工的工期越來越緊 隧道施工的單價(jià)越來越低 隧道的施工離不開超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，隧道施工需要

2、高水平的超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)技術(shù) 隧道工程的工程地質(zhì)環(huán)境和水文地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜（突破隧道工程禁區(qū)宜萬鐵路突破隧道工程禁區(qū)宜萬鐵路）復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道的各種地質(zhì)災(zāi)害越來越頻發(fā)隧道事故造成的人員物質(zhì)損失越來越嚴(yán)重（宜宜萬線（萬線（1 1）20062006年馬麓箐隧道年馬麓箐隧道1111人；（人；（2 2）20072007年野山關(guān)年野山關(guān)9 9人；（人；（3 3）20082008年馬年馬麓箐隧道麓箐隧道5 5人人） 為了防治地質(zhì)災(zāi)害，保證施工安全，需要高水平的超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 成熟的傳統(tǒng)工程地質(zhì)方法 對(duì)于工作區(qū)的巖石、構(gòu)造、地下水有一個(gè)初步的了解。 各種先進(jìn)的超前預(yù)報(bào)設(shè)備 主要有包括TSP、TGP、

3、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆、紅外探水、地表淺層物探技術(shù)在內(nèi)的設(shè)備大量使用。 日益完善的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系 主要是各種解譯技術(shù)、分析技術(shù)的成熟。1、工程區(qū)內(nèi)的宏觀地質(zhì)調(diào)查 主要是常規(guī)的工程地質(zhì)工作2、伴隨工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào) TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù) TGP超前預(yù)報(bào)技術(shù) 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù) 超前水平鉆 隧道隧洞所在地區(qū)不良地質(zhì)宏觀預(yù)報(bào)， 以深入的地面地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)， 通過區(qū)域不良地質(zhì)分析方法， 宏觀預(yù)報(bào)洞體施工可能遇到的不良地質(zhì)類型、 規(guī)模、大約位置和方向， 宏觀預(yù)報(bào)施工地質(zhì)災(zāi)害的類型和發(fā)生的可能性。 宏觀預(yù)報(bào)是施工地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)不可或缺的基礎(chǔ)、是第一道工序。這其中設(shè)計(jì)資料是十分重要的。 地層地質(zhì)調(diào)查 地質(zhì)構(gòu)造

4、調(diào)查 水文地質(zhì)調(diào)查 巖溶地質(zhì)調(diào)查 煤系及軟弱底層地層調(diào)查 巖漿巖侵入體調(diào)查 地層巖石方面的標(biāo)志 地下水方面的標(biāo)志 構(gòu)造方面的標(biāo)志 物探方面的標(biāo)志 為下一步的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 1）TSP-203+TSP-203+超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè) TSPTSP（Tunnel Seismic PredictionTunnel Seismic Prediction，隧道地震勘探）。，隧道地震勘探）。 最大優(yōu)點(diǎn)最大優(yōu)點(diǎn)： （1 1）探測(cè)距離遠(yuǎn)（可達(dá)隧道隧洞掌子面前方探測(cè)距離遠(yuǎn)（可達(dá)隧道隧洞掌子面前方300300500500米米, ,有有效預(yù)報(bào)距離效預(yù)報(bào)距離100100150150米）；

5、米）； （2 2）分辨率高（最高分辨率為）分辨率高（最高分辨率為1 1米）；米）； （3 3）抗干擾能力強(qiáng)（基本不受干擾）；抗干擾能力強(qiáng)（基本不受干擾）； （4 4）影響施工很少（鉆孔和測(cè)試在側(cè)壁進(jìn)行，洞內(nèi)探測(cè)時(shí)）影響施工很少（鉆孔和測(cè)試在側(cè)壁進(jìn)行，洞內(nèi)探測(cè)時(shí)間僅用間僅用4545分鐘）。分鐘）。 工作原理：工作原理：地震反射波技術(shù)（地震反射波技術(shù)（Tunnel Seismic PredictionTunnel Seismic Prediction）即）即TSPTSP技術(shù)。如光波在鏡面發(fā)生反射一樣，巖體中傳播的技術(shù)。如光波在鏡面發(fā)生反射一樣，巖體中傳播的地震波在斷層構(gòu)造破碎帶、不同巖性接觸帶、軟

6、弱巖層地震波在斷層構(gòu)造破碎帶、不同巖性接觸帶、軟弱巖層帶、以及巖溶發(fā)育帶等界面發(fā)生反射、繞射和散射，發(fā)帶、以及巖溶發(fā)育帶等界面發(fā)生反射、繞射和散射，發(fā)生波型變換、衰減、干涉等現(xiàn)象。生波型變換、衰減、干涉等現(xiàn)象?，F(xiàn)有的設(shè)備有代表性的有：現(xiàn)有的設(shè)備有代表性的有： TSPTSP（202202、203203、203+203+）超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、目前，）超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、目前，TSPTSP共開發(fā)出共開發(fā)出TSP-201,TSP-202TSP-201,TSP-202和和TSP-203TSP-203共三個(gè)系列，其中共三個(gè)系列，其中TSP-202TSP-202和和TSP-203TSP-203在國內(nèi)外最為普及。在國內(nèi)外

7、最為普及。TSP-202TSP-202和和TSP-TSP-203203的最主要區(qū)別在于成果的解譯手段和精度。的最主要區(qū)別在于成果的解譯手段和精度。 TSP-203： 為智能解譯型，又稱“普及型”。它首先通過設(shè)備軟件求得各種不良地質(zhì)體的不同的物理參數(shù)，然后通過解譯人員對(duì)各種不良地質(zhì)體相對(duì)可能具有的物理參數(shù)之理解，對(duì)成果圖反映的不良地質(zhì)體的性質(zhì)、類型，位置和規(guī)模進(jìn)行解譯；由于物理參數(shù)不可能完全、準(zhǔn)確地反映不良地質(zhì)體的性質(zhì)、類型；所以，一般地說，解譯效果一般，預(yù)報(bào)的精度偏低。但它具有解譯技術(shù)要求低的優(yōu)點(diǎn)（類似智能型相機(jī)），所以較適合解譯水平一般的技術(shù)人員使用；因此，又稱“普及型” TSP能解決的主要

8、技術(shù)問題： 預(yù)報(bào)掌子面前方的斷層破碎帶、軟巖、巖溶陷落柱等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模； 預(yù)報(bào)涌水量大于5米3/h以上的富水地質(zhì)體和老窯、老崆等采空區(qū)的存在、位置和規(guī)模； 預(yù)報(bào)煤系地層的邊界和其中的煤層、富水砂巖； 粗略地預(yù)報(bào)圍巖級(jí)別（類別）； 定性地預(yù)報(bào)發(fā)生塌方、突泥突水等施工地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性。 TSP的主要技術(shù)指標(biāo)： 探測(cè)距離一般為掌子面前方300500米，最大可達(dá)1500米；但有效預(yù)報(bào)距離一般為掌子面前方100米，水平水平較高者，可達(dá)150 200米。 最高分辨率為1米地質(zhì)體； 水平較高者，預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體位置的精度可達(dá)90%以上； 水平較高者，預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體規(guī)模的精度可達(dá)85%以上。2）

9、TGP206 儀器系統(tǒng)儀器系統(tǒng) 當(dāng)前國內(nèi)普遍采用的當(dāng)前國內(nèi)普遍采用的TGP206隧道地質(zhì)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TGP即即Tunnel Geology Prediction的英文縮寫，以下簡(jiǎn)稱的英文縮寫，以下簡(jiǎn)稱TGP206)是北京市水電物探研究所專門為隧道及地下是北京市水電物探研究所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)的技術(shù)成果。工程施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研制開發(fā)的技術(shù)成果。該儀器同進(jìn)口該儀器同進(jìn)口TSP203相比具有操作簡(jiǎn)單，相比具有操作簡(jiǎn)單，耗材價(jià)廉，可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道掌子面前方耗材價(jià)廉，可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道掌子面前方150m范圍內(nèi)的不良地質(zhì)條件。范圍內(nèi)的不良地質(zhì)條件。 2）TGP20

10、6 儀器系統(tǒng)儀器系統(tǒng) 工作原理工作原理 2）TGP206 儀器系統(tǒng)儀器系統(tǒng) 探測(cè)方法原理：隧道地震波超前預(yù)報(bào)方法是利用地震波在不隧道地震波超前預(yù)報(bào)方法是利用地震波在不均勻、不連續(xù)地質(zhì)體界面產(chǎn)生反射，實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的均勻、不連續(xù)地質(zhì)體界面產(chǎn)生反射，實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的。目的。地震波震源采用小藥量炸藥在隧道邊墻的風(fēng)鉆孔中激發(fā)產(chǎn)生，激發(fā)炮孔在洞壁一側(cè)沿直線布置，一般采用24個(gè)炮孔激發(fā)，激發(fā)炮點(diǎn)的數(shù)量與采集的地震波信息量有關(guān)。地震波的接收器安置在孔中，采取左右洞壁各布置一個(gè)接收器的原則。地震波在巖體中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩勾嬖诓町惖慕缑鏁r(shí)，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或

11、巖溶發(fā)育帶等，一部分地震信號(hào)會(huì)反射回來，一部分信號(hào)會(huì)透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播，在傳播過程中重演著反射與透射的不斷過程，陸續(xù)反射回來的地震波信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收。地震反射波信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成地震反射波信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，因此通過采集地震，分析各種波型的傳播的時(shí)間、波形反比，因此通過采集地震，分析各種波型的傳播的時(shí)間、波形特征和強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。特征和強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。 2）TGP206 儀器系統(tǒng)儀器系統(tǒng)。TGP206隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括儀器設(shè)備、配件和處理軟件三部分。

12、 采集與控制的電路安裝在防靜電、防電磁干擾、防水的美國采集與控制的電路安裝在防靜電、防電磁干擾、防水的美國進(jìn)口精密儀器箱體內(nèi)。具有強(qiáng)抗干擾和適應(yīng)隧道惡劣環(huán)境的性能進(jìn)口精密儀器箱體內(nèi)。具有強(qiáng)抗干擾和適應(yīng)隧道惡劣環(huán)境的性能TGP12TGP12型預(yù)報(bào)儀器主機(jī)型預(yù)報(bào)儀器主機(jī)國外安伯格國外安伯格 TSP203TSP203 TGP12 TGP12隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的接收傳感器隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的接收傳感器三分量精密高保真的性能，保證地震波信息采集三分量精密高保真的性能，保證地震波信息采集TGP TGP 型預(yù)報(bào)儀器采用進(jìn)口減震包裝箱型預(yù)報(bào)儀器采用進(jìn)口減震包裝箱TGP TGP 型預(yù)報(bào)儀器采用進(jìn)口減震包裝箱

13、型預(yù)報(bào)儀器采用進(jìn)口減震包裝箱 TGPTGP觀測(cè)布置與采集技術(shù)觀測(cè)布置與采集技術(shù)4 4個(gè)接收孔的布置個(gè)接收孔的布置2 2個(gè)接收孔的布置個(gè)接收孔的布置炮檢互換方式炮檢互換方式空間相關(guān)歸位空間相關(guān)歸位TGPTGP采集技術(shù)采集技術(shù) 激發(fā)激發(fā)少量炸藥開路觸發(fā)方式少量炸藥開路觸發(fā)方式克服雷管延時(shí)誤差克服雷管延時(shí)誤差安裝炸藥爆炸孔水柱激發(fā)孔充水激發(fā)孔充水產(chǎn)生高頻波產(chǎn)生高頻波激振力強(qiáng)激振力強(qiáng)降低管波干擾降低管波干擾（1）原始三分量地震波記錄圖現(xiàn)場(chǎng)原始三分量地震波記錄的質(zhì)量是軟件數(shù)據(jù)處理和獲得高質(zhì)量預(yù)報(bào)成果的關(guān)鍵基礎(chǔ)。對(duì)原始三分量地震波記錄質(zhì)量的評(píng)價(jià)。 安裝炸藥主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行分析： 有效地震波是否具有高

14、信噪比； 三分量接收器采集的縱波與橫波是否清晰和具有良好的分離特征； 原始地震波采集的觸發(fā)時(shí)間誤差； 原始記錄中干擾波的分布與類型。 （2） 相關(guān)偏移歸位圖 相關(guān)偏移歸位的處理原則是基于隧道地震波觀測(cè)裝置的布置方向，與探查界面為非平行，而且為大角度關(guān)系，因此在界面上反射段長度很短，處理中采用等效點(diǎn)狀的繞射波歸位方法具有合理性。偏移歸位的圖形在足夠?qū)挾葍?nèi)形似月牙狀，由于成果圖尺寸的關(guān)系往往呈現(xiàn)出半月牙圖形。半月牙圖形的顏色用不同色差，利用色差濃度強(qiáng)來尋求反射段（點(diǎn)）的位置。 半月牙圖形色差濃度的強(qiáng)點(diǎn)位置表示反射段（點(diǎn)）的位置，由強(qiáng)點(diǎn)位置作月牙弧形的切線與隧道軸線相交，交點(diǎn)表示反射面在隧道的位置，

15、切線表示反射面（例如：地質(zhì)構(gòu)造面、結(jié)構(gòu)面或巖溶發(fā)育的洞壁）與隧道的夾角關(guān)系。 相關(guān)偏移歸位圖由兩種類型的波（縱波與橫波），經(jīng)過處理獲得。分別是：縱波Vp全斷面偏移圖；橫波Vsh全斷面偏移圖；橫波Vsv全斷面偏移圖?？v波偏移成果和橫波偏移成果對(duì)于同位置段地質(zhì)界面的反應(yīng)，來源于地質(zhì)界面附近巖體介質(zhì)的物性。 安裝炸藥（3） 綜合地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)狀成果圖相關(guān)偏移歸位成果讓預(yù)報(bào)人獲得了反射面與隧道的夾角關(guān)系，和反射面延展到隧道圍巖的里程位置。 安裝炸藥（3） 綜合地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)狀成果圖相關(guān)偏移歸位成果讓預(yù)報(bào)人獲得了反射面與隧道的夾角關(guān)系，和反射面延展到隧道圍巖的里程位置。 安裝炸藥（3） 綜合地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)狀成果圖相

16、關(guān)偏移歸位成果讓預(yù)報(bào)人獲得了反射面與隧道的夾角關(guān)系，和反射面延展到隧道圍巖的里程位置。 安裝炸藥 3）地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)）地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè) 地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱GPR)方法是一種用于探測(cè)地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技方法是一種用于探測(cè)地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。一套完整的地質(zhì)雷達(dá)通常由雷達(dá)主機(jī)、超寬術(shù)。一套完整的地質(zhì)雷達(dá)通常由雷達(dá)主機(jī)、超寬帶收發(fā)天線、毫微秒脈沖源和接收機(jī)以及信號(hào)顯帶收發(fā)天線、毫微秒脈沖源和接收機(jī)以及信號(hào)顯示、存貯和處理設(shè)備等組成。示、存貯和處理設(shè)備等組成。 4）超前水平鉆）超前水平鉆 1、強(qiáng)風(fēng)化帶可溶性巖中隱伏含水構(gòu)造預(yù)測(cè) 2、

17、可溶性巖中隱伏含水溶洞預(yù)測(cè) 3、不可溶性巖地區(qū)含水構(gòu)造裂隙預(yù)測(cè) 由于右線發(fā)生突泥事故，為了保證左線的施工安全，特對(duì)左線掌子面前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 采用的手段： 工程地質(zhì)調(diào)查 TSP-203超前預(yù)報(bào)探測(cè) 物質(zhì)場(chǎng)空間場(chǎng)分析法 根據(jù)上述超前預(yù)報(bào)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)采用了相應(yīng)的處理措施，避免了突泥事故的再次發(fā)生，減少施工支出1700萬元。 在隧道掘進(jìn)超前水平鉆探測(cè)的過程中，發(fā)現(xiàn)了含有黑色細(xì)紗地下水噴射而出，為了保證隧道施工的安全，對(duì)掌子面前方進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 采用的手段： 工程地質(zhì)調(diào)查 TSP-203超前預(yù)報(bào)探測(cè)（多個(gè)掌子面進(jìn)行） 超前水平鉆 由地表和隧道圍巖均為可溶性巖石，結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，可初步推

18、斷該地區(qū)具備隱伏巖溶發(fā)育條件。 由超前水平鉆資料超前水平鉆探獲得的含有表面被黑色腐殖質(zhì)包裹的細(xì)沙的地下水，可以初步斷定掌子面前方有外源性的地下水，且地下水的賦存空間較大，積水較深。 由TSP-203超前預(yù)報(bào)探測(cè)資料可以探得再掌子面前方，隧道中線的下10m的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)較大型橢圓形波速降低區(qū)，降低幅度達(dá)到21%30%，初步推斷為巖溶不良地質(zhì)構(gòu)造，且均與隧道斜交 ，其距離掌子面的距離和超前水平鉆的距離折算后相吻合。 、現(xiàn)在迂回導(dǎo)坑進(jìn)行注漿止水，然后觀測(cè)正洞和平導(dǎo)的出水情況。 、然后再在平導(dǎo)進(jìn)行注漿止水，然后觀測(cè)正洞和迂回導(dǎo)坑的出水情況。 由此方法斷定該溶洞的水流方向是由平導(dǎo)經(jīng)正洞流向迂回導(dǎo)坑。 根據(jù)上述超前預(yù)報(bào)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)采用了相應(yīng)的處理措施，避免了突水事故的發(fā)生，減少施工支出2300萬元。 蒼嶺隧道于隧道左線發(fā)生的突水。突水首先在掌子面的左上拱角的施工鉆孔處發(fā)生，具有一定的承壓性，水質(zhì)清澈，無泥沙等物質(zhì)。為了保證隧道施工的安全，對(duì)掌子面前方進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 采用的手段： 工程地質(zhì)調(diào)查 TSP-203超前預(yù)報(bào)探測(cè) 超前水平鉆 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，該段圍巖是不溶于水的凝灰?guī)r。 控制性的構(gòu)造是在現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，發(fā)生張性變化的、延伸很長的剪性節(jié)理。 超前鉆孔中涌出