隧道工程地質(zhì)災(zāi)害防治與物探

隧道工程地質(zhì)災(zāi)害及超前地質(zhì)預(yù)報第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害

第二部分隧道超前地質(zhì)預(yù)報的物探方法第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害宜萬鐵路云霧山段巖溶突水宜萬鐵路云霧山段隧道突泥第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害(1)圍巖的變形、失穩(wěn)破壞軟巖(軟質(zhì)巖、斷層泥、粘土質(zhì)巖溶充填物)變形失穩(wěn)坍方。弱巖（節(jié)理密集發(fā)育巖體、斷層及其影響帶破碎巖體、結(jié)構(gòu)面不利組合構(gòu)成的不穩(wěn)定塊體）失穩(wěn)坍方、塌落。(2)隧道涌水節(jié)理密集發(fā)育巖體富水。斷層及其影響帶破碎巖體地下水儲存運(yùn)移通道。充水巖溶（溶隙、溶縫、溶管、溶洞、地下巖溶暗河等）。(3)隧道洞內(nèi)泥砂石流（涌泥涌沙）飽水?dāng)鄬悠扑閹Ш惩疗扑閹r坍塌。飽水全、強(qiáng)風(fēng)化巖脈坍塌。飽水粘土質(zhì)、粘土夾塊石巖溶充填物坍塌、揭穿。第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害(4)巖爆深埋隧道中脆性、高強(qiáng)度、完整性極好巖體。淺埋隧道地表地形突變位置脆性、高強(qiáng)度、完整性極好巖體。(5)有害氣體突出、燃燒、爆炸主要是與煤層、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖有關(guān)的瓦斯氣體突出、燃燒、爆炸。(6)高地溫(7)地表生態(tài)環(huán)境災(zāi)害(地表塌陷、地表水源枯竭等)主要與隧道洞內(nèi)坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有關(guān)。第二部分隧道超前地質(zhì)預(yù)報的物探方法1、物探方法的定義物探方法:利用物理學(xué)的原理和專門的探測儀器,觀測并綜合分析探測空間物理場的分布特征,確定被探測體的形態(tài)和性質(zhì)的探測方法。工程物探:應(yīng)用于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探和工程質(zhì)量無損檢測、物性參數(shù)測試等的物理探測方法,簡稱“工程物探”。隧道超前地質(zhì)預(yù)報的物探方法屬于工程物探領(lǐng)域。2、物探方法的應(yīng)用條件被探測對象與相鄰介質(zhì)應(yīng)存在一定的物性差異(如:電阻率、波阻抗、介電常數(shù)等),并具有可被探測的規(guī)模(需滿足一定徑深比)，滿足一定的信噪比。3、工程物探方法的分類直流電法:電測深法、電測剖面法、高密度電法、自然電場法、充電法、激發(fā)極化法等。電磁波法:可控源音頻大地電磁波、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等。彈性波法:地震波法(直達(dá)波法、折射波法、反射波法、瑞雷波法、彈性CT法)、聲波法等。磁法:探測鐵磁性埋設(shè)物體和磁性巖(礦)體。放射性法:探測具有放射性的物體和巖(礦)體。測井:電測井、聲速測井、放射性測井、超聲成像測井等

。紅外探測法：工程質(zhì)量無損檢測:樁基小應(yīng)變檢測、樁基大應(yīng)變檢測、樁基聲波透視檢測、隧道襯砌雷達(dá)檢測等。4、隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報綜述隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報內(nèi)容隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報原則隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報形式隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報方法斷層、巖脈及破碎帶、大裂隙、有害氣體、水文地質(zhì)、圍巖類別、地應(yīng)力及巖爆。預(yù)報其位置、規(guī)模、富水性及充填物的狀態(tài)等;在堅持：規(guī)范、全程、適宜、及時的總原則,以及/以地質(zhì)方法為基礎(chǔ),地質(zhì)方法與物探方法相結(jié)合、長距離超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報與短距離超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報相結(jié)合、物探先行鉆探驗證的隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報方法選擇原則。長距離：80~200m/工程地質(zhì)調(diào)查法、斷層參數(shù)預(yù)測法和TSP短距離：15~30m/、掌子面編錄預(yù)測法、地質(zhì)雷達(dá)法口頭通知：直接法：地質(zhì)法和鉆孔探測法。間接法：亦稱物探法,主要有隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)(TSP)、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)法、紅外探水法、水平聲波剖面(HSP)法和陸地聲納法等。其它方法：有超前導(dǎo)坑法、斷層參數(shù)預(yù)測技術(shù)和掌子面地質(zhì)編錄預(yù)測法等。4.1TSP的探測原理4.1.1理論基礎(chǔ)TSP是采用淺孔微型爆破作為震源,激發(fā)的地震波以直達(dá)波和反射波的形式傳到傳感器。與反射波相比,直達(dá)波的傳播時間明顯偏小因此傳感器可以根據(jù)接收到的直達(dá)波的時間來計算地震波的速度;在已知地震波傳播速度的情況下,通過測得的反射波傳播時間推導(dǎo)出反射界面與接收傳感器之間的距離及其在隧道前方的位置。4.1TSP的探測原理4.1.1理論基礎(chǔ)產(chǎn)生反射波是因為介質(zhì)的物性發(fā)生了變化。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中遇到波阻抗差異面，一部分地震波在波阻抗分界面處便被反射回來。反射波的能量大小與反射界面的反射系數(shù)有關(guān)；反射系數(shù)的大小是由界面兩側(cè)波阻抗的差值決定的:注：為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的密度；v1,v2為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的地震波速度。若兩側(cè)介質(zhì)波阻抗差值的絕對值越大，則反射系數(shù)r就越大,反射波的能量也就越大；反之則反射信號就弱。當(dāng)形成負(fù)反射時（r<0），表明地震波將要穿越較疏松的介質(zhì)（如軟巖、破碎帶）；形成正反射時（r>0），此時表示地震波將要入射到致密介質(zhì)中（如硬巖）。4.1.2探測原理理關(guān)于反射射面對稱稱4.1.3TSP的的解譯準(zhǔn)準(zhǔn)則正反射振振幅表明明硬巖層層，負(fù)反反射振幅幅表明軟軟巖層;負(fù)反射射與正反反射的組組合表明明該位置置有斷裂裂(斷斷層)。。若S波波反射射較P波強(qiáng)強(qiáng)，則表表明巖層層飽含水水。Vp/Vs增增加或泊泊松比突突然增大大，常常常由于流流體的存存在而引引起。若Vp下降，，則表明明裂隙或或孔隙度度增加。。4.1.4影響TSP數(shù)據(jù)據(jù)采集的的主要因因素接收孔的的布置：：不要布置置在空腔腔位置，，要上傾以以便易于于將孔內(nèi)內(nèi)水排出出，建議議布置兩兩個接收收孔。炮孔深度度：太淺，易易導(dǎo)致掌掌子面附附近TSP數(shù)數(shù)據(jù)缺缺失，一一般炮孔孔深度至至少要大大于1.1m。。電雷管：：為瞬發(fā)電電雷管，，如果電電雷管延延遲嚴(yán)重重，波形形無規(guī)律律，則需需重測。。炸藥藥量量：要適中，，根據(jù)圍圍巖情況況現(xiàn)場確確定。圍圍巖完整整性差時時(如如Ⅳ和ⅤⅤ級圍巖巖)，，對遠(yuǎn)偏偏移距加加大藥量量；圍巖巖完整性性較好時時(如如Ⅲ級圍圍巖)，，對近近偏移距距減少藥藥量。避免將接接收孔與與炮孔布布置在大大型的不不良地質(zhì)質(zhì)體(如溶溶洞、軟軟夾層和和破碎帶帶等)兩兩側(cè)。。4.1.4影響TSP數(shù)數(shù)據(jù)采集集的主要要因素4.1.5TSP在在不同地地層中的的探測效效果分析析地質(zhì)體的的規(guī)模規(guī)模較大大的斷層層、破碎碎帶等,帶內(nèi)波波速很低低,可以以形成很很強(qiáng)的反反射波信信號,不不管是在在軟巖或或硬巖中中都能探探測清楚楚。軟巖本身身的波阻阻抗較小小，致密密的硬巖巖的波阻阻抗大。。圍巖巖性性介質(zhì)對波波吸收系系數(shù)的大大小主要要取決于于巖石的的粘滯性性。地震波的的頻率地層相當(dāng)當(dāng)于一個個低通濾濾波器,對波的的高頻成成分吸收收較大,致密堅堅固介質(zhì)質(zhì)的吸收收系數(shù)與與頻率成成線性關(guān)關(guān)系,而而疏松介介質(zhì)的吸吸收系數(shù)數(shù)與頻率率的平方方成正比比。4.2TST隧隧道地質(zhì)質(zhì)超前預(yù)預(yù)報技術(shù)術(shù)TST技技術(shù)（TunnelSeismicTomography）是隧隧道地震震CT成成像技術(shù)術(shù)的簡稱稱，是對對SP203技技術(shù)缺陷陷進(jìn)行改改進(jìn)的基基礎(chǔ)上發(fā)發(fā)展起來來的。TST技術(shù)術(shù)除了在掌掌子面超前前探測之外外，還可以以沿隧道向向側(cè)面或沿沿地表向下下方探測。。處理軟件采采用中文Windows界面面，圖像直直觀，使用用方便,TST的接接收系統(tǒng)采采用具有內(nèi)內(nèi)置放大器器的專用IC檢波器器，大大地地提高了信信噪比，加加大了探測測能力。TST超超前地質(zhì)預(yù)預(yù)報技術(shù)在在貴州巖溶溶地區(qū)的應(yīng)應(yīng)用TST技技術(shù)在某隧隧道超前地地質(zhì)預(yù)報中中的應(yīng)用TST隧道道超前預(yù)報報系統(tǒng)在頂頂效II號號隧道中的的應(yīng)用TST在隧隧道超前地地質(zhì)預(yù)報中中的應(yīng)用4.2.1散射掃描成成像技術(shù)采用反射與與散射的混混合模型（（見圖2），根據(jù)據(jù)反射波及及散射波的的傳播規(guī)律律，分別將將反射波和和散射波進(jìn)進(jìn)行偏移歸歸位，得到到隧道掌子子面前方的的真實地質(zhì)質(zhì)情況。4.2.2TST數(shù)據(jù)據(jù)處理結(jié)果果的解釋原原理4.2.3TST在不同地層層中的探測測效果分析析4.2.3TST在不同地層層中的探測測效果分析析4.3地質(zhì)雷達(dá)法法4.3.1地質(zhì)雷達(dá)工工作原理由地質(zhì)雷達(dá)達(dá)的發(fā)射天天線向被探探測體內(nèi)發(fā)發(fā)射高頻電電磁波，當(dāng)當(dāng)高頻電磁磁波傳至被被探測體內(nèi)內(nèi)兩種不同同介質(zhì)的分分界面（如如：界面、、空洞、不不密實帶等等）時，由由于兩種介介質(zhì)的介電電常數(shù)不同同而使電磁磁波發(fā)生反反射，反射射波的傳播播遵循反射射定律，反反射波返回回被檢測體體的表面，，并由地質(zhì)質(zhì)雷達(dá)的接接收天線所所接收，形形成雷達(dá)圖圖像。圖15-2地質(zhì)雷達(dá)測測線布置示示意圖和SIR3000現(xiàn)場探測照照片4.3.2地質(zhì)雷達(dá)圖圖像的讀取取破碎斷裂帶帶常出現(xiàn)同向向軸不連續(xù)續(xù)，波幅衰衰減快，反反射界面錯錯亂等現(xiàn)象象。溶洞的波形常常常表現(xiàn)為同同向軸呈拋拋物線形。。含水層的圖像常常常表現(xiàn)為同同向軸連續(xù)續(xù)性較好，，波形振幅幅較小，由由于水的介介電常數(shù)較較大，電磁磁波在穿透透含水層時時經(jīng)過多次次反射，電電磁波能量量大部分被被吸收，因因此，含水水層的電磁磁波快速衰衰減，并在在富水區(qū)可可能出現(xiàn)繞繞射、散射射等現(xiàn)象。。4.3.3電磁波反射射法的應(yīng)用用效果電磁波反射射波信號較較平靜，無無明顯反射射信號，能能量亦呈正正常衰減趨趨勢。⑴完整圍巖的的地質(zhì)雷達(dá)達(dá)圖象⑵溶蝕破碎帶帶的地質(zhì)雷雷達(dá)圖象有明顯的電電磁波反射射信號，反反射信號同同相軸較連連續(xù)，并且且反射的電電磁波信號號較強(qiáng)，分分析認(rèn)為在在掌子面后后面5～10米深度范圍圍內(nèi)存在不不良地質(zhì)體體，結(jié)合現(xiàn)現(xiàn)場的圍巖巖巖性為灰灰?guī)r情況綜綜合分析認(rèn)認(rèn)為掌子面面前方為溶溶蝕破碎帶帶（經(jīng)開挖挖驗證結(jié)論論準(zhǔn)確）。。(3)溶洞的地質(zhì)質(zhì)雷達(dá)圖象象有明明顯顯的的電電磁磁波波反反射射信信號號，，在在7～19米范范圍圍內(nèi)內(nèi)由由近近似似拋拋物物線線的的反反射射波波軸軸頂頂點點包包羅羅的的區(qū)區(qū)域域為為粘土土充充填填型型溶洞洞范范圍圍(經(jīng)開開挖挖驗驗證證結(jié)結(jié)論論準(zhǔn)準(zhǔn)確確)。(4)溶洞洞的的地地質(zhì)質(zhì)雷雷達(dá)達(dá)圖圖象象左圖圖中中有有明明顯顯的的非非常常強(qiáng)強(qiáng)的的電電磁磁波波反反射射信信號號，，在在9～29米范范圍圍內(nèi)內(nèi)形形成成非非常常強(qiáng)強(qiáng)的的能能量量團(tuán)團(tuán)塊塊,為充水水型型溶溶洞洞范圍圍(經(jīng)開開挖挖驗驗證證結(jié)結(jié)論論準(zhǔn)準(zhǔn)確確)。4.4紅外外探探測測技技術(shù)術(shù)4.4.1紅外外探探測測技技術(shù)術(shù)基基本本原原理理地下下巖巖體體、、水水體體每每時時每每刻刻都都在在向向外外界界發(fā)發(fā)射射紅紅外外波波段段的的電電磁磁波波，，形形成成紅紅外外輻輻射射場場，，物物體體的的紅紅外外輻輻射射能能量量與與其其溫溫度度的的四四次次方方成成正正比比，，當(dāng)當(dāng)探探測測前前方方存存在在不不良良地地質(zhì)質(zhì)情情況況(斷斷層層水水、、巖巖溶溶水水、、瓦瓦斯斯)時時，，其其與與周周圍圍圍圍巖巖的的溫溫度度有有一一定定的的差差異異，，紅紅外外探探測測儀儀就就是是依依據(jù)據(jù)紅紅外外輻輻射射能能量量的的差差異異來來推推斷斷前前方方不不良良地地質(zhì)質(zhì)的的情情況況。。階躍躍突突變變。當(dāng)當(dāng)掘掘進(jìn)進(jìn)掌掌子子面面測測點點中中最最大大場場強(qiáng)強(qiáng)和和最最小小場場強(qiáng)強(qiáng)的的能能量量差差≥≥10W/cm2，，可可判判定定前前方方存存在在含含水水構(gòu)構(gòu)造造體體，，否否則則不不存存在在含含水水體體構(gòu)構(gòu)造造。。4.4.2紅外外線線超超前前探探水水法法的的判判據(jù)據(jù)4.4.3紅外外線線超超前前探探水水測測線線的的布布置置軸向向測測線線布布置置從隧隧道道開開挖挖面面后后方方60m處處向向掘掘進(jìn)進(jìn)方方向向每每隔隔5m對對隧隧道道周周邊邊探探測測1次次(圖圖1)，，每每次次探探測測順順序序依依次次為為左左邊邊墻墻腳腳、、左左邊邊墻墻、、拱拱頂頂、、右右邊邊墻墻、、右右邊邊墻墻腳腳和和隧隧底底中中線線，，每每個個斷斷面面的的測測點點布布置置示示意意見見圖圖2，，共共探探測測12個個斷斷面面，，這這樣樣沿沿隧隧道道軸軸線線方方向向共共形形成成6條條探探測測曲曲線線，，掌子面面測點點布置置在開挖