隧道地质超前预报(天).ppt

隧道地质超前预报 何发亮中铁西南科学研究院有限公司副总工程师享受国务院政府特殊津贴专家 教授级高工 硕导成都 610031 028 86649807 目录 概述隧道地质预报现状隧道地质预报方法隧道施工地质灾害及其预报隧道地质超前预报若干问题探讨隧道施工地质预报设计及应注意的问题隧道施工地质超前预报工作方法 1概述 严格意义而言 隧道地质超前预报指根据隧道所处区域工程地质 水文地质条件 构造地质条件 可研阶段 隧道勘察 设计成果 勘察设计阶段 隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势 洞内外构造相关分析结果 隧道施工掌子面及其后方实施的地球物理探测结果 超前钻孔揭示的隧道施工掌子面前方的地质情况 超前导坑 平行超前导坑 平行超前施工隧道揭示的地质情况 施工阶段 运用地质学 数学 物理学 逻辑学 概率学 计算机科学等各学科知识 结合预报人员经验 对隧道施工掌子面前方可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地质灾害的性质 分布位置 规模的判断和预报 根据判断和预报结果提出应采取的地质灾害预防和处理措施建议 隧道地质超前预报方法包括地质法 洞内外地质调查 洞内施工掌子面素描 隧道洞身地质展示图测绘 地球物理探测法 洞内地震波反射法 声波反射法 电磁波反射法 单孔测井法 跨孔透射成像法 波反射成像法 反射电法 瞬变电磁法 地面高密度电法 浅层地震反射法 大地阴频电磁法等 超前钻孔法 掌子面超前钻孔法 耳室超前钻孔法 加长炮孔法 超前导坑法 正洞超前导坑法 超前平行导坑法 超前施工平行隧道法 隧道地质预报成果 直接为隧道施工开挖方案制定 支护参数优化和隧道洞内地质灾害的预防和治理措施决策提供依据 2隧道地质超前预报现状 当今的隧道工程地质工作 进入了以隧道施工期地质超前预报和隧道施工掌子面前方地质灾害的预防和治理为标志的阶段 经历了众多隧道地质超前预报成功与失败和大量隧道工程实践之后 在各级领导的重视和众多专家的呼吁下 隧道地质超前预报工作作为施工工序的一个重要组成部分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施 大量的隧道工程建设实践表明 由于地质勘察精度 经费等诸多条件的限制 根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生 隧道洞内外地质灾害仍时有发生 以地质法为基础 以地球物理探测方法为主要手段 以超前钻孔法探察致灾不良地质体的隧道施工地质预报体系基本形成 但对隧道施工掌子面前方含水体位置预测预报尚缺乏有效的方法 片面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质超前预报 忽视隧道施工期地质工作 由于认识问题或缺乏地质工程师仅仅靠几个毫无地质基础知识的经过仪器操作和分析软件使用培训人员便开展隧道施工地质预报 片面理解隧道地质超前预报准确率等现象仍普遍存在 重视洞内探测 忽视隧道所处地质环境条件 构造地质条件 水文地质条件的隧道施工地质预报仍然存在 3隧道施工地质预报方法 3 1地质调查法地质调查法主要根据隧道勘察设计资料 隧道地表补充地质调查结果 洞内地质调查结果 地表地下构造相关分析 作图 结果 隧道洞身围岩条件变化趋势分析结果 对隧道施工掌子面前方施工可能遇到的不良地质体及因此可能发生的地质灾害的性质 分布位置 规模的预测 3 2超前钻探法在隧道施工掌子面或掌子面一侧耳室进行超前水平钻探 通过钻进速度测试 岩芯采取率统计 钻孔岩芯鉴定和必要的岩芯试件强度试验来确定隧道施工掌子面前方地 岩 层的展布 地层岩石的软硬程度 岩体完整性及可能存在的断层 空洞 岩溶溶洞 在采矿巷和废弃矿巷等 的分布位置 进行隧道施工掌子面前方地质预报 一般而言 在坚硬岩石中 钻进速度低 在软质岩石中 钻进速度高 在岩体节理裂隙发育岩体和断层两侧破碎带岩体中施钻 易发生卡钻现象 钻进速度相对较低 遇空洞时 钻速突然急剧加快 岩芯采取率在相当程度上反映岩体的完整性系数 也即反映岩体节理裂隙的发育状况 岩芯采取率低 表明岩体中节理裂隙发育 岩体完整性系数低 反之表明岩体节理裂隙不发育 岩体完整性好 通过钻孔岩芯鉴定 可以确定不同岩性地层在施钻掌子面前方的分布位置 不同岩性地层在隧道轴线上的长度 必要的钻孔岩芯强度测试 是确定不同岩性地层岩石强度的重要手段 一般来说 多采用现场简易方法进行 如点荷载强度试验 采用此方法不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况 而且可以起到探水的作用 但遇高压大容量涌水时具有极大的风险性 该方法的不足之处是速度慢 占用掌子面施工时间长 遇到水体和瓦斯突出等灾害地层时甚至会造成意想不到的灾难 费时又费钱 且其探测结果只是一孔之见 难以形成 面 的概念 且遇软弱岩层取芯困难 对岩溶隧道地质预报 布孔位置带有偶然性 同时 在钻进工程中 因钻头偏移亦可导致探测结果发生误差 3 3超前导坑法以超前导坑 超前平行导坑 超前施工平行隧道中揭示的地质情况 通过地质作图 预报正洞施工可能遇到的地质情况 超前导坑预报法可分为平行超前导坑法 正洞超前导坑法和超前施工平行隧道法 在地层受构造变动影响较小的沉积岩地区 平行超前导坑和平行超前施工隧道法预报准确率较高 在火成岩地区 地层受构造变动影响较大的地区 预报准确率较低 由于岩发育分布的复杂性 平导未揭露岩溶的地段并不代表正洞相应地段不发育岩溶 3 4波反射法利用声波 超声波 地震波及电磁波在地层中传播 反射 通过信号采集系统接收反射信号 根据波在介质中的传播速度 计算判断隧道掌子面前方反射界面 断层 软弱夹层等 距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预报 3 4 1TSP法 TSP法隧道施工地质预报采用深度偏移方法 且在成像前进行二维Radon变换 通过对反射波特征的分析 如发射与反射之间的时间差 相位差 反射信号强弱 纵波与横波的比率等 并结合区域地质资料 跟踪观测地质资料确定隧洞前方及周围区域地质构造的位置和特性 TSP探测布置 3 4 2HSP水平声波剖面法 采用极小偏移距在隧道施工掌子面上单点声波反射 探测掌子面前方存在的界面 采用十字剖面的布置方法进行反射界面的空间定位 根据所测波速及界面反射走时 计算反射界面距探测掌子面的最短距离 根据界面产状与探测掌子面关系进行产状校正计算界面在隧道轴线上距探测掌子面的距离 根据反射波相与首波波相关系及地质调查结果判断界面间介质性质 3 4 3陆地声纳法 陆地声纳法采用极小偏移距在隧道施工掌子面上单点地震波反射 探测掌子面前方存在的界面 采用十字剖面的布置方法进行反射体的空间定位 根据所测波速及从陆地声纳时间剖面上得到各反射体的反射时间 计算反射体的空间位置 根据频谱和节理 小断裂的密集程度 判定破碎带及岩体破碎情况 3 4 4电磁波反射法 地质雷达 电磁波反射法采用连续扫描电磁波反射曲线的排列 利用电磁波在地层 介质 中的传播 反射 通过信号采集系统接收反射信号 根据电磁波在岩体 介质 中的传播速度和反射信号走时计算判断隧道开挖工作面前方反射界面距隧道开挖工作面的距离 根据反射波相与接收首波相之间的关系 介质介电系数变化 反射界面阻抗判释界面前方介质性质 进行隧道施工期地质超前预报 3 5隧道地表地球物理探测预报法 隧道地表地球物理探测预报法目前采用的手段主要包括浅层地震法和高密度电法 主要用于浅埋 地表地形起伏较小隧道的探测预报 3 6地震波反射成析成像 TRT TRT采用在掌子面背后一定距离隧道周边安设成组的三维接收传感器 按预定型式在岩石表面安设10个以上带前置放大功能的加速度传感器 由地震源发射的信号及隧道掌子面前方界面反射回来的信号采用用标准24道地震仪采集 直达波及隧道掌子面前方异常体边界反射回来的反射波由接收传感器接收 根据隧道掌子面前方地质情况的三维反射层析成像进行隧道施工掌子面前方地质预报 3 7声波CT成像 声波层析成像法简称CT成像或 该方法借助医学 射线断层扫描的基本手段 结合岩土体物理力学性质的相关分析 采用射线走时和振幅来重构岩土体内部声速值及衰减系数的场分布 通过像素 色谱 立体网络的综合展示 以期达到直观反映岩土体内部结构图像之目的 3 8岩体温度法隧道施工涌水预报 利用隧道施工掌子面前方含水体及其在岩体中的循环流动降低或提高含水体周围岩体温度进行隧道施工掌子面前方涌水预报 某隧道岩体温度法施工涌水预报正演试验 某隧道岩体温度法施工涌水预报反演试验 隧道施工掌子面前方含水体空间分布与岩体温度变化曲线的关系 L 正前方 R 前上方 隧道施工掌子面前方含水体空间分布与岩体温度变化曲线的关系 L 前下方 R 左前方 隧道施工掌子面前方含水体空间分布与岩体温度变化曲线的关系 L 右前方 3 9瞬变电磁法 采用不接地回线向隧道开挖面前方发射脉冲磁场 当回线电流突然断开时 岩体介质激励涡流场 二次场 维持之前的磁场 二次场的大小及其衰减特性与介质的电性相关 根据二次场随时间的变化特征了解隧道开挖工作面前方介质体的电性特征 电阻率 产状 达到对开挖工作面前方不良地质体的预报 4隧道施工地质灾害及其预报 4 1概述在隧道施工地质超前预报方法中 地质法预报属于经验方法 适应于所有隧道 其在相当程度上依赖于预报者丰富的地质经验及其对隧道所处地质条件 构造地质条件和水文地质条件的掌握 预报距离短 超前钻孔法和超前导坑法属于直接揭示法 适应于所有隧道 但存在遇重大地质问题时有发生重大地质灾害的风险 平行超前导坑法和平行超前施工隧道法地质预报的准确率除与隧道所处地区地层及其构造变动复杂程度有关外 还与导坑或隧道与隧道间距离相关 地球物理探测预报方法属于间接法 其预报准确率除依赖于预报者的地质经验 对物探方法的掌握外 还与所用地球物理探测方法与所遇工程地质问题是否适应直接相关 当前 除长大 重点隧道仍采用超前钻孔法 超前导坑法 地质法与地球物理探测方法结合实施施工地质预报外 多数隧道施工地质预报采用地球物理探测方法结合地质法实施 遇重大地质问题采用超前钻孔法验证 因此 从总结隧道施工地质灾害类型 不同类型隧道可能存在的主要工程地质问题出发 结合不同地球物理探测预报方法的特点 选择合理的针对性强的方法实施隧道施工地质超前预报 无疑是确保隧道施工地质超前预报成功的关键 4 2隧道施工地质灾害与不良地质体 4 2 1隧道施工地质灾害围岩变形失稳塌方涌水涌泥涌砂洞内泥砂石流瓦斯突出 爆炸岩爆 4 2 2隧道施工地质灾害与不良地质体围岩变形失稳塌方 节理密集发育岩体 岩溶充填物 黏土 黏土质砂 黏土夹块石等 断层及其破碎带 全强风化岩脉 极易风化软化的某些火成岩脉 矿巷放顶填充物 顺层错动破碎带 涌水 岩溶充填水体 节理密集发育岩体含水体 导水断层破碎带含水体 雍水矿巷含水体 地下含水构造单元含水体 与表水或地下含水构造单元相连的地下导水构造含水体 涌泥 富水黏土类岩溶充填物 极易风化软化的某些火成岩脉 涌砂 充水岩溶底部沉积粉细砂 全强风化花岗岩脉洞内泥砂石流 富水岩溶充填物 黏土 黏土质砂 黏土夹块石等 富水压性断层破碎带 瓦斯突出 爆炸 煤层分布 岩体节理裂隙发育分布 瓦斯运移积聚 岩爆 深埋 无水 完整脆性硬岩 高地应力区完整硬岩 地表地形陡变点下方完整脆性硬岩 除瓦斯和岩爆无法预报 均为界面位置及界面间介质性质的探测预报 隧道施工掌子面前方不良地质体的类型决定隧道施工地质灾害 隧道施工地质预报应针对隧道施工掌子面前方可能存在的不良地质体的类型采用相应的施工地质预报方法 长距离宏观指导性预报 中短距离跟踪预报与短距离地质法预报相结合是提高预报准确率的重要保证 隧道施工地质预报必须结合隧道所处地质条件进行 必须掌握隧道所处地质条件 分析可能出现的地质灾害 只有如此 才能提出符合实际的地质灾害预防和治理措施 确保隧道工程施工的顺利完成 4 3施工预报 4 3 1界面探测预报界面预报包括非岩石隧道土层中的地裂缝位置 岩石隧道中岩溶 大小超出隧道断面范围 发育分布位置 断层及其破碎带的分布位置 节理密集发育带的分布位置 顺层错动破碎带的分布位置 煤层等有害气体产出层的分布位置 软 弱岩层的分布位置 全强风化岩脉的分布位置 极易风化软化的某些火成岩脉的分布位置及在采及废弃矿巷 大小超出隧道断面范围 的分布位置的探测预报 考虑到波反射法 TSP HSP 地质雷达 陆地声纳法 预报第二界面及其后界面预报准确率下降的问题 为提高预报准确率 建议采用TSP做长距离宏观指导性预报 HSP 地质雷达或陆地声纳法做中短距离跟踪预报 地质法做短距离预报 4 3 2岩溶及矿巷位置预报岩石隧道中岩溶 大小超出隧道断面范围 属界面预报问题 岩石隧道中岩溶 大小不超出隧道断面范围 及在采及废弃矿巷 大小不超出隧道断面范围 的分布位置的探测预报属体预报的范畴 目前多采用高分辨率地震反射成像法 TRT 或地质雷达进行探测预报 采用地质雷达进行岩溶隧道施工掌子面前方可能发育岩溶的位置探测预报 应在施工掌子面接近 距离 30m 时进行地质雷达探测 对在采及废弃矿巷 应通过在采及废弃矿巷分布调查确定其空间分布与隧道的关系 对隧道施工掌子面前方可能存在在采及废弃矿巷的位置 在施工掌子面接近 距离 30m 时进行地质雷达探测 4 3 3变形塌方预报隧道围岩变形塌方主要与断层破碎带 节理密集发育带破碎岩体 软弱物质充填岩溶 全强风化岩脉 极易风化软化岩脉 松散物质充填废弃矿巷及非岩石隧道遇水软化土体相关 除非岩石隧道土体塌方外 其他隧道围岩变形塌方的预报主要结合断层破碎带 节理密集发育 全强风化岩脉 极易风化软化岩脉 岩溶 废弃矿巷界面预报和岩溶 矿巷位置预报及岩溶 废弃矿巷充填物性质分析作出 对于围岩大变形 只能采用界面预报方法对软层进行位置探测预报 4 3 4隧道涌水预报隧道施工大 中型涌水主要与充水岩溶 雍水废弃矿巷 富水断层破碎带 富水节理密集发育破碎岩体等含水体或过水通道密切相关 因此 涌水预报应以充水岩溶 雍水废弃矿巷 富水断层破碎带 富水节理密集发育破碎岩体的位置探测结合地质分析进行 对隧道埋深大于区域地温场变温层深度者 可在接近可能的含水体位置时采用岩体温度法进行预报 5隧道施工地质预报若干问题探讨 隧道围岩级别确定问题含水层 含水体 预报问题地质工作在隧道地质超前预报中的作用地质与物探的结合隧道施工期地质超前预报的准确率 5 1隧道围岩级别确定 实际上 隧道工程设计提供的围岩分级是对围岩的预分级 需要在施工过程中不断加以修正 工程岩体分级标准 GB50218 95 以岩体完整性 岩石质量作为分级的基本参数 以主要结构面状态 岩体含水情况 和初始应力状态作为修正参数来进行 BQ 90 3RC 250KV根据地下水 主要软弱结构面产状 岩体初始地应力状态对岩体基本质量指标进行修正 根据修正后的岩体基本质量指标确定工程岩体的最终级别 BQ 90 3RC 250KV 100 K1 K2 K3 式中RC 岩石单轴饱和抗压强度 MPa KV 岩体完整性指数K1 地下水影响修正指标K2 主要软弱结构面产状影响修正指标K3 初始应力状态影响修正指标TSP探测得到的围岩岩体地震波速度 弹性波纵波速度 雷达探测得到的围岩岩体电磁波速度 弹性波纵波速度 只有声波反射法可得到围岩岩体弹性波纵波速度 根据围岩岩体地震波纵横波速比计算得到的岩体泊松比 杨氏模量等并不是铁路隧道围岩分级指标 即便是采用声波反射法进行预报 根据隧道掌子面调查可确定围岩岩体体积节理数 JV 根据岩石体声波测试结果可确定围岩岩体完整性系数KV 根据隧道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况 但要确定岩石单轴饱和抗压强度RC 必须取样进行岩石单轴抗压强度试验 且岩体的初始地应力状态无法确定 施工掌子面至前方第一界面间围岩岩体级别也只能根据预报人员经验 估测岩石单轴饱和抗压强度RC和岩体的初始地应力状态 给出建议级别 对第一界面与第二界面间及其后界面间工程岩体的分级更无从谈起 5 3含水层 含水体 预报 波反射方法 探测确定的均是隧道施工掌子面前方存在的界面 界面间介质性质的确定 单凭介质阻抗变化是很难确定的 如有低阻抗灰岩体进入高阻抗介质 有断层破碎带 空岩溶 充水岩溶 充填黏土岩溶 充填黏土质砂岩溶 充填黏土夹块石岩溶 软层等 即便是反射成像 声波跨孔成像方法 反映的也是相对的低速区 低速区仍然存在多解问题 因此 含水层 含水体 预报应结合隧道所处地下水动力剖面分带位置 构造性质等综合分析 必要时开展岩体温度法隧道施工涌水预报 5 4地质工作在隧道地质超前预报中的作用 LeopoldMuller教授曾经说过 过去 现在以至将来 许多经验教训告诉我们 地质学是所有应用地质学的不可缺少的基础 只有宏观把握整个隧道工程所处地质环境 确定隧道施工地质预报重点段 才能最大限度地提高有限的预报经费利用率 提高预报准确率 达到隧道地质超前预报的目的 隧道施工地质工作是开展隧道施工地质预报的需要 地球物理探测结果分析离不开地质工程师的参与 施工地质工作的详细程度决定预报准确率预报验证地质工作是总结和提高隧道地质预报准确率的重要途径 5 5地质与物探的结合 尽管地质法隧道地质超前预报有牢固的理论基础 不占或很少占用施工时间 适用性强 成本低 操作简便 但靠有限之 见 预报范围有限 特别是在地层岩性变化极为复杂 如强烈褶皱地层 的隧道中预报的准确率更是如此 物探方法如TSP 地质雷达 HSP声波反射 声波CT 地震波反射等等 有成熟的理论基础 占用一定的施工时间 预报距离长 费用较低 但属于间接方法 且至今为止波反射法所预报的仍然是地质界面 对界面性质的判断仍离不开地质学的知识 以补充地质调查结果为基础 以物探方法作手段 用补充地质调查结果和隧道施工期掌子面地质条件 如岩体结构面产状及发育状况 岩体破碎程度 岩石的变质程度等的变化特征 指导物探法探测结果的判释 既避免了波反射法探测结果特别是界面性质判释的盲目性 又充分利用了补充地质调查结果 洞内地质调查结果和波反射法探测距离远的优点 提高物探法探测结果判释的准确率 大量的隧道工程实践表明 无论在隧道的可行性研究 勘察 设计乃至施工阶段 采用了多少地质方法或地球物理方法进行勘探 预报 实际隧道开挖揭示的地质情况与设计 预报的情况仍有差别 地质与物探的结合是解决此问题的重要手段 这也是时至今天以地质法为基础 以地球物理探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法 成为隧道工程界的共识并得到广泛的认同的重要原因 5 6隧道施工期地质超前预报的准确率 提高隧道施工期地质超前预报的准确率 是隧道施工期地质超前预报工作者的愿望和努力的方向 也是隧道工程建设对隧道施工期地质超前预报提出的要求 应该指出的是 对隧道地质超前预报准确率应有一个正确的理解 影响隧道施工期地质超前预报准确率的因素众多 一方面是从业人员知识面的问题 另一方面则是严密的理论应用于极为复杂的地质体所造成 不容讳言 时下对隧道地质超前预