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(bào)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(bào)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(chǔ)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(bào)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(cè)儀器,觀測(cè)并綜合分析探測(cè)空間物理場(chǎng)的分布特征,確定被探測(cè)體的形態(tài)和性質(zhì)的探測(cè)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(cè)、物性參數(shù)測(cè)試等的物理探測(cè)方法,簡稱“工程物探”。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(cè)對(duì)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(cè)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(cè)深法、電測(cè)剖面法、高密度電法、自然電場(chǎng)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(cè)鐵磁性埋設(shè)物體和磁性巖(礦)體。放射性法:探測(cè)具有放射性的物體和巖(礦)體。測(cè)井:電測(cè)井、聲速測(cè)井、放射性測(cè)井、超聲成像測(cè)井等

。紅外探測(cè)法：工程質(zhì)量無損檢測(cè):樁基小應(yīng)變檢測(cè)、樁基大應(yīng)變檢測(cè)、樁基聲波透視檢測(cè)、隧道襯砌雷達(dá)檢測(cè)等。4、隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)綜述隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)內(nèi)容隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)原則隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)形式隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)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(bào)其位置、規(guī)模、富水性及充填物的狀態(tài)等;在堅(jiān)持：規(guī)范、全程、適宜、及時(shí)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(bào)與短距離超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)相結(jié)合、物探先行鉆探驗(yàn)證的隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)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(cè)法和TSP短距離：15~30m/、掌子面編錄預(yù)測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)法口頭通知：直接法：地質(zhì)法和鉆孔探測(cè)法。間接法：亦稱物探法,主要有隧道地震超前預(yù)報(bào)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(cè)技術(shù)和掌子面地質(zhì)編錄預(yù)測(cè)法等。4.1TSP的探測(cè)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(shí)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(shí)間來計(jì)算地震波的速度;在已知地震波傳播速度的情況下,通過測(cè)得的反射波傳播時(shí)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(cè)原理4.1.1理論基礎(chǔ)產(chǎn)生反射波是因?yàn)榻橘|(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(duì)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(hào)就弱。當(dāng)形成負(fù)反射時(shí)（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(shí)（r>0），此時(shí)表示地震波將要入射到致密介質(zhì)中（如硬巖）。4.1.2探測(cè)原理關(guān)于反射面對(duì)稱

4.1.3TSP的解譯準(zhǔn)則正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層;負(fù)反射與正反射的組合表明該位置有斷裂(斷層)。若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起。若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。4.1.4影響TSP數(shù)據(jù)采集的主要因素接收孔的布置：不要布置在空腔位置，要上傾以便易于將孔內(nèi)水排出，建議布置兩個(gè)接收孔。炮孔深度：太淺，易導(dǎo)致掌子面附近TSP數(shù)據(jù)缺失，一般炮孔深度至少要大于1.1m。電雷管：為瞬發(fā)電雷管，如果電雷管延遲嚴(yán)重，波形無規(guī)律，則需重測(cè)。炸藥藥量：要適中，根據(jù)圍巖情況現(xiàn)場(chǎng)確定。圍巖完整性差時(shí)(如Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖)，對(duì)遠(yuǎn)偏移距加大藥量；圍巖完整性較好時(shí)(如Ⅲ級(jí)圍巖)，對(duì)近偏移距減少藥量。避免將接收孔與炮孔布置在大型的不良地質(zhì)體(如溶洞、軟夾層和破碎帶等)兩側(cè)。4.1.4影響TSP數(shù)據(jù)采集的主要因素4.1.5TSP在不同地層中的探測(cè)效果分析地質(zhì)體的規(guī)模規(guī)模較大的斷層、破碎帶等,帶內(nèi)波速很低,可以形成很強(qiáng)的反射波信號(hào),不管是在軟巖或硬巖中都能探測(cè)清楚。軟巖本身的波阻抗較小，致密的硬巖的波阻抗大。圍巖巖性介質(zhì)對(duì)波吸收系數(shù)的大小主要取決于巖石的粘滯性。地震波的頻率地層相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器,對(duì)波的高頻成分吸收較大,致密堅(jiān)固介質(zhì)的吸收系數(shù)與頻率成線性關(guān)系,而疏松介質(zhì)的吸收系數(shù)與頻率的平方成正比。4.2TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)TST技術(shù)（TunnelSeismicTomography）是隧道地震CT成像技術(shù)的簡稱，是對(duì)SP203技術(shù)缺陷進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。TST技術(shù)除了在掌子面超前探測(cè)之外，還可以沿隧道向側(cè)面或沿地表向下方探測(cè)。處理軟件采用中文Windows界面，圖像直觀，使用方便,TST的接收系統(tǒng)采用具有內(nèi)置放大器的專用IC檢波器，大大地提高了信噪比，加大了探測(cè)能力。TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在貴州巖溶地區(qū)的應(yīng)用TST技術(shù)在某隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用TST隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在頂效II號(hào)隧道中的應(yīng)用TST在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用4.2.1散射掃描成像技術(shù)采用反射與散射的混合模型（見圖2），根據(jù)反射波及散射波的傳播規(guī)律，分別將反射波和散射波進(jìn)行偏移歸位，得到隧道掌子面前方的真實(shí)地質(zhì)情況。4.三2.三2TS三T數(shù)三據(jù)處三理結(jié)三果的三解釋三原理4.三2.三3TST在不三同地三層中三的探三測(cè)效三果分三析4.三2.三3TST在不三同地三層中三的探三測(cè)效三果分三析4.三3地質(zhì)三雷達(dá)三法地質(zhì)三雷達(dá)三工作三原理由地三質(zhì)雷三達(dá)的三發(fā)射三天線三向被三探測(cè)三體內(nèi)三發(fā)射三高頻三電磁三波，三當(dāng)高三頻電三磁波三傳至三被探三測(cè)體三內(nèi)兩三種不三同介三質(zhì)的三分界三面（三如：三界面三、空三洞、三不密三實(shí)帶三等）三時(shí)，三由于三兩種三介質(zhì)三的介三電常三數(shù)不三同而三使電三磁波三發(fā)生三反射三，反三射波三的傳三播遵三循反三射定三律，三反射三波返三回被三檢測(cè)三體的三表面三，并三由地三質(zhì)雷三達(dá)的三接收三天線三所接三收，三形成三雷達(dá)三圖像三。圖15三-2地質(zhì)三雷達(dá)三測(cè)線三布置三示意三圖和SI三R3三00三0現(xiàn)場(chǎng)三探測(cè)三照片4.三3.三2地質(zhì)三雷達(dá)三圖像三的讀三取破碎三斷裂三帶常出三現(xiàn)同三向軸三不連三續(xù)，三波幅三衰減三快，三反射三界面三錯(cuò)亂三等現(xiàn)三象。溶洞的波三形常三常表三現(xiàn)為三同向三軸呈三拋物三線形三。含水三層的圖三像常三常表三現(xiàn)為三同向三軸連三續(xù)性三較好三，波三形振三幅較三小，三由于三水的三介電三常數(shù)三較大三，電三磁波三在穿三透含三水層三時(shí)經(jīng)三過多三次反三射，三電磁三波能三量大三部分三被吸三收，三因此三，含三水層三的電三磁波三快速三衰減三，并三在富三水區(qū)三可能三出現(xiàn)三繞射三、散三射等三現(xiàn)象三。4.三3.三3電磁三波反三射法三的應(yīng)三用效三果電磁三波反三射波三信號(hào)三較平三靜，三無明三顯反三射信三號(hào)，三能量三亦呈三正常三衰減三趨勢(shì)三。⑴完整三圍巖三的地三質(zhì)雷三達(dá)圖三象⑵溶蝕三破碎三帶的三地質(zhì)三雷達(dá)三圖象有明三顯的三電磁三波反三射信三號(hào)，三反射三信號(hào)三同相三軸較三連續(xù)三，并三且反三射的三電磁三波信三號(hào)較三強(qiáng)，三分析三認(rèn)為三在掌三子面三后面5～10米深三度范三圍內(nèi)三存在三不良三地質(zhì)三體，三結(jié)合三現(xiàn)場(chǎng)三的圍三巖巖三性為三灰?guī)r三情況三綜合三分析三認(rèn)為三掌子三面前三方為三溶蝕三破碎三帶（三經(jīng)開三挖驗(yàn)三證結(jié)三論準(zhǔn)三確）三。(3三)溶洞三的地三質(zhì)雷三達(dá)圖三象有明三顯的三電磁三波反三射信三號(hào)，三在7～19米范三圍內(nèi)三由近三似拋三物線三的反三射波三軸頂三點(diǎn)包三羅的三區(qū)域三為粘土三充填三型溶洞三范圍(經(jīng)開三挖驗(yàn)三證結(jié)三論準(zhǔn)三確)。(4三)溶洞三的地三質(zhì)雷三達(dá)圖三象左圖三中有三明顯三的非三常強(qiáng)三的電三磁波三反射三信號(hào)三，在9～29米范三圍內(nèi)三形成三非常三強(qiáng)的三能量三團(tuán)塊,為充水三型溶三洞范圍(經(jīng)開三挖驗(yàn)三證結(jié)三論準(zhǔn)三確)。4.三4紅外三探測(cè)三技術(shù)紅外三探測(cè)三技術(shù)三基本三原理地下三巖體三、水三體每三時(shí)每三刻都三在向三外界三發(fā)射三紅外三波段三的電三磁波三，形三成紅三外輻三射場(chǎng)三，物三體的三紅外三輻射三能量三與其三溫度三的四三次方三成正三比，三當(dāng)探三測(cè)前三方存三在不三良地三質(zhì)情三況(三斷層三水、三巖溶三水、三瓦斯三)時(shí)三，其三與周三圍圍三巖的三溫度三有一三定的三差異三，紅三外探三測(cè)儀三就是三依據(jù)三紅外三輻射三能量三的差三異來三推斷三前方三不良三地質(zhì)三的情三況。階躍三突變。當(dāng)三掘進(jìn)三掌子三面測(cè)三點(diǎn)中三最大三場(chǎng)強(qiáng)三和最三小場(chǎng)三強(qiáng)的三能量三差≥三10三W三/c三m2三，可三判定三前方三存在三含水三構(gòu)造三體，三否則三不存三在含三水體三構(gòu)造三。紅外三線超三前探三水法三的判三據(jù)紅外三線超三前探三水測(cè)三線的三布置軸向三測(cè)線三布置從隧三道開三挖面三后方三6三0三m三處向三掘進(jìn)三方向三每隔三5三m三對(duì)隧三道周三邊探三測(cè)三1三次(三圖三1三)三，每三次探三測(cè)順三序依三次為三左邊三墻腳三、左三邊墻三、拱三頂、三右邊三墻、三右邊三墻腳三和隧三底中三線，三每個(gè)三斷面三的測(cè)三點(diǎn)布三置示三意見三圖三2，三共探三測(cè)三12三個(gè)三斷面三，這三樣沿三隧道三軸線三方向三共形三成三6三條探三測(cè)曲三線，掌子三面測(cè)三點(diǎn)布三置在開三挖面三上水三平方三向自三上而三下布三置三4三條測(cè)三線，三每條三測(cè)線三上布