超前地质预报之红外探水.ppt

超前地质预报之红外探水 中铁二院工程集团有限责任公司2010 5 一 超前地质预报技术概述 隧道施工过程中的地质超前预报技术由来已久 国外如英 法 日 德等均将此列为隧道工程建设的重点研究内容 在我国 隧道超前地质预报的研究始于20世纪50年代末 但真正应用于隧道工程 或其他地下工程 建设是在20世界70年代 纵观国内外隧道超前地质预报技术的发展 基本上经历了以下几个发展阶段 1 地质法阶段利用掌子面的岩体结构面产状及发育状况 岩体破碎程度 岩石的变质程度等变化特征预报前方围岩的稳定性及失稳破坏形式 2 超前平行导坑法阶段利用已有平行隧道或导坑地质资料对正在开挖的隧道进行地质预报 当两个平行隧道间距较小时预报效果很好 但平导的开挖同样有可能面临由不良地质体带来的风险 3 超前水平钻孔阶段利用钻进速度 岩屑 出水情况 有无顶钻等现象进行的一种预报手段 是隧道施工期地质预报的最直接的一种方法 4 超前钻孔声波测井及跨孔声波透射阶段通过孔中测井或跨孔声波测试结果对掌子面前方的围岩情况进行预报 5 发射波法阶段利用声波 超声波 地震波及电磁波在地层中传播 反射等等信号对掌子面前方的地质情况进行判释 2 目前多采用的预报技术手段 目前 超前地质预报所采用的方法和手段很多 但总的来说 可以大致划分为以下几种 1 地质素描法2 超前导坑法3 钻探法4 物探法以上方法各有优缺点 在实际操作中易搭配使用 在 铁路隧道超前地质预报技术指南 铁建设 2008 105号中规定 采用地质调查与勘探相结合 物探与钻探相结合 长距离与短距离相结合 地面与地下相结合 超前导坑与主洞相结合的指导思想 通过对各种方法的预报结果综合分析解释 相互印证 提高预报的准确率 3 隧道施工中的水害录像 摘自铁道部工管中心培训资料 大支坪隧道进口端涌水涌泥录像马鹿箐隧道进口端涌水录像 4 超前地质预报技术之红外探水法 什么是红外线 红外线可以人为地制造 自然界中也广泛存在 一般的生物都会辐射出红外线 体现出来的宏观效应就是热度 我们知道 热产生的原因 是组成物质的粒子做不规则运动 这个运动同时也辐射出电磁波 这些电磁波大部分都是红外线 红外线只是电磁波的一种 红外探测法是一种间接的探测手段 属于物探范畴 其基本原理如下所述 地质体每时每刻都在由向外部发射红外能量 并形成红外辐射场 地质体由内向外发射红外辐射时 必然会把地质体内部的地质信息 以红外电磁场的形式传递出来 当隧道前方和外围介质相对比较均匀 且不存在隐蔽灾害源时 沿隧道走向分别对 拱顶 左右拱腰 左右边墙 隧底向外进行探测 所获得的红外探测曲线具有正常场特征 当隧道断面前方或隧道外围任一空间部位存在隐蔽灾害源时 隐蔽灾害源产生的灾害场就一定会迭加到正常场上 使正常场中的某一段曲线发生畸变 畸变段称作红外异常 红外探测就是根据红外异常来确定隐蔽灾害源的存在 隐蔽灾害源是指含水断层 含水溶洞 地下暗河 5 HW 304仪器参数 瞄准方式 红色激光 电源 镍氢可充电电池电源电压 1 2V 5电流参数 正常工作电流为 28mA背景光电流为 18mA激光器电流为 20mA测量辐射场场强分辨率 H档为 0 05mw cm2m档为 0 07mw cm2液晶显示 LCD 带背景光照明仪器尺寸 180 88 34 mm 重量 350g附件 通讯电缆 通讯软件 充电器 6 可以解决哪些问题 在复杂地质条件下 特别是岩溶发育地区 相对掘进隧道的隐伏水体或含水构造 除了出现在掘进前方之外 还可能出现在顶板上方 底板下方 两边墙外部 针对复杂水文地质特点 红外探测仪可实现全空间全方位探测 其具体地质预报内容如下 1 通过超前探测可预报掘进前方30米范围内有无含水断层和溶洞 2 通过对顶板上方探测 可确定隧道上方30米范围有无含水层或含水构造 3 通过对底板下方探测 可了解下方有无含水构造 以预防滞后突水 4 分别向两边墙外部探测 了解30米范围内有无含水体或者含水断层 以预防含水断层在前方与隧道相交造成大突水 7 仪器操作流程 1 在掌子面后方60米处 朝掌子面方向每隔5m对隧道周边探测一次 见图1所示 每次探测顺序依次为左边墙 左拱腰 拱顶 右拱腰 右边墙和隧底中线 每个断面的测点布置示意图见图2所示 共探测12个断面 这样沿隧道轴线方向共形成6条探测曲线 分别为左边墙探测曲线 左拱腰探测曲线 拱顶探测曲线 右拱腰探测曲线 右边墙探测曲线和隧底中线探测曲线 2 掌子面的测点布置如图3所示 在掌子面上水平方向自上而下布置4条测线 每条测线上布置6个测点 图1沿隧道轴向探测断面布置示意图 图2每个断面测点布置示意图图3掌子面测点布置示意图 8 数据判释原则 1 利用掌子面探测数据判断含水构造如果掌子面前方介质相对均匀 未遭受构造破坏 6个探测点场强的横向最大差值 是在一个小的波动范围内变化 通过正常掘进可总结一个当地的场强变化上限 当掌子面前方出现构造时 首先是地层结构遭受破坏 介质密度发生变化 构造中又填充了水 从微观角度讲 由于上述变化相对各探测点空间距离的不同 因而使得辐射场强绝对值之差增大 鉴于此 可以根据正常离散值来确定前方有无含水构造 2 利用探测曲线判断掌子面前方有无含水构造当掌子面前方不存在含水构造时 各探测曲线的数值变化是在一个正常场的变化范围内波动 当掌子面前方存在含水构造时 含水构造这个灾害源就会产生一个灾害场 向四面八方传播 当然也会向掌子面后方传播 如果含水构造在掌子面前方不超过30米 探测时将会发现前方含水构造产生的红外异常 根据各条探测曲线是否存在红外异常 可以确定掌子面前方是否存在含水构造 9 案例 成果图展示如下 图4掌子面红外探测曲线图 图5沿隧道轴向红外探测曲线图 10 结论 1 根据本次掌子面探测所得数据分析 最小值为273 W cm2 最大值为276 W cm2 差值为3 W cm2 小于允许的安全值10 W cm2 2 根据在左边墙 左拱腰 拱顶 右拱腰 右边墙和隧底中线的各探测曲线可知 在整体上红外探测曲线呈平缓态势 根据上述1 2两种判释方法 结合隧道已开挖段的含水情况综合分析 掌子面前方30米范围内围岩破碎 含水 发生涌突水的可能性极小 11 注意的问题 1 探测时有无干扰源存在 干扰源是否排除 如大型机械正在运转 尾气排放常使靠近掌子面处温度过高 是否在测点上存在照明灯管等 若干扰没有排除则应在记录表格记录下干扰源的点位 若遇个别数值突变 则应重复测量 等数值跳动趋于稳定后再做记录 2 探测段落围岩的含水情况如何 正常场和异常场是一个相对的概念 在相对均匀且无地质灾害源情况下的红外辐射场值为正常场 若开挖工作面附近几十米范围内都存在有地下水 在开挖工作面端探测曲线发生明显上升或下降趋势时 则可能表明开挖工作面前方不含地下水 若地下水在开挖工作面后方探测范围内 前方整个空间都发育 则各探测曲线变化比较平缓 开挖工作面探测数据最大离散差值亦较小 因