隧道超前地质预报原理及方法PPT课件.ppt

各位领导和专家下午好 中国中铁二院工程集团有限责任公司ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo Ltd 中国中铁二院工程集团有限责任公司ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo Ltd 隧道超前地质预报方法与施作要点 2012年6月 汇报内容 第一部分隧道超前地质预报的物探方法第二部分隧道超前地质预报的物探方法原与施作要点第三部分隧道超前地质预报综合方法运用 第一部分隧道超前地质预报的物探方法 一 物探方法的定义和物探方法的应用条件二 工程物探方法的分类三 隧道超前地质预报工作中常用的物探方法四 物探方法在隧道超前地质预报中的重要性 一 物探方法的定义和物探方法的应用条件 1 物探方法的定义物探方法 利用物理学的原理和专门的探测仪器 观测并综合分析探测空间物理场的分布特征 确定被探测体的形态和性质的探测方法 物探方法应用领域 军事领域 医学领域 地质勘察领域等 物探方法在地质勘察领域的应用 铁路工程物理勘探规范 TB10013 2010物理勘探 利用物理学的原理 方法和专门的仪器 观测并综合分析天然或人工地球物理场的分布特征 探测地质体或地质构造形态分布的勘探方法 简称 物探 物理勘探应用领域 工程领域 石油领域 煤田领域 矿产领域等 工程物探 应用于工程地质 水文地质勘探和工程质量无损检测 物性参数测试等的物理探测方法 简称 工程物探 隧道超前地质预报的物探方法属于工程物探领域 综合物探 根据勘探对象所具有的不同物理性质 采用两种或两种以上有效的物探方法或不同的装置形式进行探测并对资料进行综合分析作出物探结果的勘探方法 2 物探方法的应用条件 被探测对象与相邻介质应存在一定的物性差异 如 电阻率 波阻抗 介电常数等 并具有可被探测的规模 需满足一定径深比 地形变化产生的异常畸变 不显著改变探测对象的异常形态或可以进行校正 存在电 磁 振动等干扰时 探测对象的异常能够从干扰背景中区分出来 满足一定的信噪比 由于上述原因 各种物探方法都有自己应用条件 探测精度 因此 我们常常根据探测对象所具有的不同物理性质 采用两种或两种以上有效的物探方法或不同的装置形式进行探测并对资料进行综合分析 消除多解性 得出物探结果来满足不同的探测目的 二 工程物探方法的分类 根据观测天然或人工地球物理场的类型不同 工程物探方法分类如下 直流电法 电测深法 电测剖面法 高密度电法 自然电场法 充电法 激发极化法等 电磁波法 可控源音频大地电磁波 地质雷达法 瞬变电磁法等 弹性波法 地震波法 直达波法 折射波法 反射波法 瑞雷波法 弹性CT法 声波法等 磁法 探测铁磁性埋设物体和磁性岩 矿 体 放射性法 探测具有放射性的物体和岩 矿 体 测井 电测井 声速测井 放射性测井 超声成像测井等 工程质量无损检测 桩基小应变检测 桩基大应变检测 桩基声波透视检测 隧道衬砌雷达检测等 三 隧道超前地质预报工作中常用的物探方法 工程物探方法都是应用于地表和井中的勘探方法 要在隧道中采用物探方法进行隧道超前地质预报 我们必须对那些用于二维地表探测的物探方法进行适当的探测装置和处理软件改进 使其适合三维隧道场地条件和施工环境的隧道超前地质预报工作 从多年的实践努力和经验来看 我们认为 能在隧道内进行隧道超前地质预报工作的工程物探方法有 1 弹性波反射法 常用的方法 地震反射波法 2 电磁波反射的法 常用的方法 地质雷达法 3 红外探测法 常用的方法 红外探水法 4 高分辨直流电法 常用的方法 三极空间交汇探测法 说明 瞬变电磁法还不太成熟 还未列如 铁路隧道超前地质预报技术指南 本次就不介绍方法 四 物探方法在隧道超前地质预报中的重要性 1 隧道超前地质预报工作的必要性 由于隧道深埋于地下 工程地质条件和水文地质条件复杂多变 而目前地质勘察工作又受技术 地形和工期所限 期望在施工前查明隧道围岩的状态 特性 特别是要准确地预测隧道施工中可能发生的地质灾害的位置 规模和性质是十分困难的 由于地质灾害体的存在 仅依靠施工揭露再行处理的办法 带有很大的盲目性 常常发生各种突发事故 造成投资增加 人员和施工设备伤害 工期延误等诸多问题 因此 采用科学的 先进的隧道超前地质预报方法来准确地预报隧道所通过范围内的不良地质体的性质 规模和状态是非常必要的 2 物探方法在隧道超前地质预报中的重要性 按照 铁路隧道超前地质预报技术指南 铁建设 2008 105号中的规定 隧道超前地质预报应采用地质调查与勘探相结合 物探与钻探相结合 长距离预报与短距离预报相结合 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 有利于提高预报的准确率 积极为隧道的安全施工提供必要的技术支撑 根据上述规定可以看出 物探方法在隧道超前地质预报中占有非常重要的地位 再加上物探方法具有施测快捷 预报结果提供及时 费用低 相对超前钻探而言 等特点 物探方法在隧道超前地质预报中得到了广泛应用 根据铁路隧道的开挖方式 工期要求和各物探方法的优缺点 我院认为 隧道内的物理探测应采用长距离预报 弹性波反射法 和短距离预报 地质雷达法或红外探测法 相结合的综合物探方法 根据隧道的风险等级和不良地质情况采用不同的综合物探预报方法 具体规定如下表 表 隧道超前地质预报采用综合物探方法一览表表 按照 铁路隧道超前地质预报技术指南 铁建设 2008 105号中的划分 隧道内的物理探测方法有以下四类 弹性波反射法 电磁波反射法 红外探测法 高分辨直流电法 下面按上述分类探讨物探方法在隧道超前地质预报中的原理及方法 第二部分隧道超前地质预报的物探方法原理与施作要点 一 弹性波反射法二 电磁波反射的法三 红外探测法四 高分辨直流电法 一 弹性反射波法 弹性波反射法是利用人工激发的地震波 声波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方地质情况的一种物探方法 它包括地震波反射法 水平声波反射法 负视速度法和极小偏移距高频反射连续剖面法等方法 由于地震波反射法相对其它三种方法应用相对普遍和成熟 且从预报距离 探测精度和预报复杂不良地质问题的适应性几方面综合考虑 本次只介绍地震波反射法 目前 采用地震波反射法进行隧道超前地质预报的仪器主要有 TSP 瑞士 TRT 美国 TGP 中国 TST 中国 等 由于目前隧道超前地质预报中使用最多的仪器是瑞士Amberg公司生产的TSP系列仪器 所以下面以TSP203仪器为例介绍地震波反射法在隧道超前地质预报中的应用情况 1 TSP的基本原理 图1 1TSP法工作原理示意图 图1 2仪器 瑞士TSP 203 图1 3仪器 瑞士TSP 203现场工作照片 如图1 1所示 在隧道的左边墙或右边墙位置按约1 5 2m的间距分别布置24个激发孔 激发孔布置在左边墙还是右边墙取决于岩层的主导走向 如果定义靠近掌子面的第一个炮孔为1号孔 则在离第24个激发孔15 20m的左边墙和右边墙的位置分别布置一个地震波信息接收孔 激发孔和接收孔基本保持在同一高度上 通过在各个激发孔内分别用小药量乳化炸药爆破的方式激发地震波 所产生的地震波以球面波的形式在围岩中传播 反射回来的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录 见图2 图2TSP法波形记录 由于波的传播是一个球面扩散过程 所以一部分波会传到掌子面前方的围岩中去 当地震波遇到波阻抗有差异的地方 一部分波会被反射回来 一部分波会继续向前传播 波将依次传递下去 直到随着传播距离的增加和球面的扩大 能量足够小不能被接收到为止 通常 两侧介质的波阻抗差异越大 反射回来的能量越强 探测效果也越好 因为隧道中激发的地震波的传播是一个能量球面扩散的过程 所以为了能接收到掌子面前方的反射信号 就要求我们的接收器要有一定的方向性 在TSP203硬件系统中 采用了两个高灵敏度的三分量检波器 在安装检波器的时候一定要使标有 掌子面 的一面朝向掌子面方向 而在软件中 则采用 倾角滤波 的算法进行 现场采集的数据 经TSPwin软件处理便可以得到P波 SH波和SV波的时间剖面 速度分析图 深度偏移图 反射波层位 反射波相位 反射能量大小等资料 应用这些资料并结合隧道地质情况便可对掌子面前方的溶洞 软弱岩层 断层 节理裂隙密集带及富水情况等不良地质情况做出推断 用TSP法进行隧道超前地质预报应注意的几个要点 1 通过实践表明 虽然TSP仪器还不能准确预报溶洞的形状 但把它作为一种半定量的中距离主控 一般有效探测距离为100 150m 需根据围岩软弱情况而定 预报方法还是行之有效的 特别是对能给施工带来安全隐患的断层 软弱的含煤地层及采空区 岩溶强烈发育区 含水体 节理裂隙发育区等的预报还是比较准确的 因此 TSP法可作为隧道超前地质预报的主控预报方法 2 由于物探方法的多解性及间接性 通过围岩的物性参数来推测围岩的结构 的影响 物探方法预报只能对掌子面前方的物探异常进行定性和半定量 定量解释 为了使物探地质解译更准确 需要用少量的超前水平钻探 含加深炮眼探测 进行验证或修正 3 目前TSP法还不能对溶洞的形态 含水体的含水量及水压 煤层的瓦斯含量等进行正确判断 4 由于围岩地层的存在各向异性和掌子面前方不良地质体的位置不同 根据TSP法的探测原理 为了准确预报掌子面前方所有不良地质体需要在隧道左右边墙分别布置一个接受器 有些预报单位为了减小成本只布置一个接收器 这是不满足要求的 需坚决杜绝的 5 在地震弹性波法 TSP 探测时需要利用三分量接收器接收从不良地质体反射回来的弹性波 P波 纵波 SH波 横波 SV波 横波 由于弹性波在软弱介质中传播时其能量会严重衰减 特别是横波衰减更严重 在水中不能传播 因此要求在埋设接收器导管时用环氧树脂或锚固剂 实验证明是满足要求的 进行耦合 决不能采用黄油进行耦合 只有这样才能保证P波 纵波 SH波 横波 SV波 横波的正常接收 如果用少量环氧树脂或锚固剂进行耦合 或者直接用黄油进行耦合达到接收器道管的回收利用是应坚决杜绝的 下面我用图 3 图 5来说明这样要求的原因 图 3纵波 横波传播示意图 图 4三分量接收器导管 图 5三分量接收器导管的耦合 2 TSP的应用效果 小型溶洞预报实例 隧道地质情况 某铁路隧道全长2066m 本次预报里程范围内隧道埋深40 109m 由二叠系茅口栖霞组灰岩组成 属坚硬岩类 裂隙较发育 岩体为中厚层状结构 岩体较完整 地下水位于洞身以下 该段隧道主要位于垂直渗流带内 岩溶以垂直向岩溶裂隙 溶槽 溶沟发育为主 少量水平向岩溶裂隙 地下水以季节性股状及淋雨状出露 预报结论 本次预报时检波器里程为K19 327 掌子面 即隧道开挖工作面 里程为K19 266 预报发现在检波器前方65m附近存在一个低速异常区域 见图6中蓝色显示 另外结合二维成果图 见图7 中的K19 259处杨氏模量数值突然降低 代表围岩强度降低 泊松比数值突然升高 代表围岩流塑性增加 综合分析 推测在K19 259 K19 251段岩溶强烈发育 存在溶洞 红色代表扫描的速度值高速区域蓝色代表扫描的速度值低速区域 图6SV波速度扫描图像 图7某铁路隧道TSP反射层位及物理力学参数二维成果图 开挖遇到溶洞的位置 开挖验证情况 隧道开挖掌子面到达K19 259时 在掌子面上出现一个小型溶洞 内部充填物为块石土 后经揭示发现该溶洞占据了整个掌子面 沿隧道轴向发育长度为3 5m 掌子面开挖遇到溶洞的照片见图8所示 图8K19 259处揭示的岩溶照片 大型溶洞预报实例 开挖遇溶洞位置 开挖遇溶洞位置 图10SH波深度偏移图像 图9P波深度偏移图像 图11SV波深度偏移图像 开挖遇溶洞位置 图12 隧道TSP二维成果图 隧道地质情况 某铁路隧道全长3086m 本次预报里程范围内隧道埋深220 250m 本次预报里程范围内围岩为灰岩 设计围岩级别为 级 预报结论 本次预报时检波器处里程为K92 584 5 在深度偏移图上我们发现横波扫描图像中都存在异常 在检波器前方123m以后发现纵波能正常通过 横波在123m以后发现衰减很厉害 甚至显示横波未能通过 在二维成果图上的反射界面反而反映不明显 但是因为前边提到横波的衰减问题 在二维成果图中靠近后半部分我们未能发现有横波反射信号 二维成果图中定义P波用三角表示 SH波用圆圈表示 SV波用方块表示 而只剩下纵波的反射界面 综合以上情况综合分析 预报推测在检波器前方123m 即K92 461处 的地方存在无充填大型溶洞 开挖验证情况及小结 隧道开挖在K92 461 K92 440段发现一个大型溶洞 该溶洞为一个干溶洞 内部没有水 也没有任何充填物 沿线路方向的长度为21m 最大高度约10m 宽度约8m 结合开挖后遇到的溶洞情况分析 我们分析认为 因为横波是剪切波 所以当大型溶洞为空或充填水时 则会有图9 图11所显示的情况发生 横波衰减厉害甚至显示 通不过 该溶洞若是被泥夹石充填 则横波衰减应该没有空溶洞或充填水的这种溶洞衰减厉害 断层及含水体实例 图12TSP2D成果图 隧道地质情况 某隧道平导全长为14315m 预报区存在次级断层 燕子窝断层 围岩级别为V级 预报结论 PDK111 846 880为断层破碎带及影响带 其断层核心带位于PDK111 860 867 核心带围岩力学性质很差 且富水 全施工时加强支护 防止坍塌和突水 开挖验证情况 开挖至PDK110 848处围岩变差 PDK110 861处时发现左侧拱部涌水 并伴随拱部大量坍塌 随着开挖不断前进 涌水量不断增大 平均涌水量约950m3 h 最大12180m3 h 此现象一直到PDK110 865结束 说明我们的预报结论准确的 暗河实例 图13 隧道TSP二维成果图 开挖验证情况 开挖揭示大型暗河 其位置示意图见图14 该例说明 TSP法虽能预报暗河 但对具有复杂形态的暗河或大型不规则溶洞是不能预报它们的具体形态和三维空间位置 预报结论 1 DK922 670 606段 围岩破碎 岩溶强烈发育 存在中大型溶洞 或暗河 2 DK922 606 568段 围岩较破碎 岩溶弱发育 图14 隧道暗河位置示意图二维成果 二 电磁波反射法 1 电磁波反射法的原理电磁波反射法超前地质预报主要采用地质雷达法探测 在地质雷达数据采集过程中 由地质雷达的发射天线向被探测体内发射高频电磁波 当高频电磁波传至被探测体内两种不同介质的分界面 如 界面 空洞 不密实带等 时 由于两种介质的介电常数不同而使电磁波发生反射 反射波的传播遵循反射定律 反射波返回被检测体的表面 并由地质雷达的接收天线所接收 形成雷达图像 雷达图像包含了被检测体的丰富信息 根据雷达图像特征对被探测体进行定性判释 再根据下式可对被探测体的异常部位作定量解释 H V T 2 由于地质雷达法具有异常图像直观 工作效率及分辨率高等优点 该方法可应用在隧道超前地质预报中的短距离 15 30m 预报 工作原理示意图见图15 1所示 图15 1地质雷达工作原理示意图 图15 2地质雷达测线布置示意图和SIR3000现场探测照片 用地质雷达法进行隧道超前地质预报应注意的几个要点 1 虽然地质雷达法具有高分辨率 图象直观 预报时间较短等特点 但地质结构复杂地段往往存在水 且掌子面处多破碎 掉块严重 很难把掌子面处理平整 因此地质雷达很难在这些地方取得有效资料 因此大大降低了地质雷达在隧道超前地质预报中适用性 2 由于金属对雷达波具有很强的反射作用 因此在施测时需要把含有金属材料的设备迁移到远离掌子面的地方 有些预报单位未认识到上述影响和要求 未按要求执行 结果是所获得的数据信息信噪比低 干扰大 严重影响了预报结果 2 电磁波反射法的应用效果 完整围岩的地质雷达图象 左图为在完整围岩上采集的地质雷达数据 可见电磁波反射波信号较平静 无明显反射信号 能量亦呈正常衰减趋势 图16完整围岩的地质雷达法图象 溶蚀破碎带的地质雷达图象 左图中有明显的电磁波反射信号 反射信号同相轴较连续 并且反射的电磁波信号较强 分析认为在掌子面后面5 10米深度范围内存在不良地质体 结合现场的围岩岩性为灰岩情况综合分析认为掌子面前方为溶蚀破碎带 经开挖验证结论准确 图17溶蚀破碎带的地质雷达法图象 溶洞的地质雷达图象 左图中有明显的电磁波反射信号 在7 19米范围内由近似抛物线的反射波轴顶点包罗的区域为粘土充填型溶洞范围 经开挖验证结论准确 图18 1粘土充填型溶洞的地质雷达法图象 溶洞的地质雷达图象 左图中有明显的非常强的电磁波反射信号 在9 29米范围内形成非常强的能量团块 为充水型溶洞范围 经开挖验证结论准确 图18 2充水型溶洞的地质雷达法图象 三 红外探测法 1 红外探测法的原理地质体 如含水体 每时每刻都在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信息以红外电磁场的形式传递出来 红外探测法就是通过接收和分析红外辐射信号进行超前地质预报的一种物探方法 野外施测时采用 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 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 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 依据探测数据绘制沿隧道轴向的探测曲线 如果开挖工作面前方存在储水构造 在靠近开挖工作面一端曲线会出现明显下降或上升 图19 1中国HW 304现场探测照片 2 红外探测法的应用效果 从图19 2的探测所得的场值数据表明 最大值与最小值之差大于安全值10 W cm2 且临近掌子面处曲线有明显异常 呈上升趋势 因此推断掌子面前方30米范围内围岩含水量较大 存在涌水的可能性极大 后经钻探验证掌子面前方确实存在含水体 且从钻孔喷出距离达3m 通过我单位的大量实践证明 1 红外探测还不能对水量和水压作出定量预报 2 在含水地段预报承压水比较困难 图19 2沿隧道轴线方向各探测测线上所测场值曲线 第三部分隧道超前地质预报综合方法运用 二超前地质预报的目的 内容 工作程序 1 超前地质预报的目的进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件 指导工程施工的顺利进行 降低地质灾害发生的机率和危害程度 为优化工程设计提供地质依据 为编制竣工文件提供地质资料 2 超前地质预报的内容 地层岩性预测预报 特别是对软弱夹层 破碎地层 煤层及特殊岩土的预测预报 地质构造预测预报 特别是对断层 节理密集带 褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报 不良地质预测预报 特别是对岩溶 人为坑洞 瓦斯等发育情况的预测预报 地下水预测预报 特别是对岩溶管道水及富水断层 富水褶皱轴 富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报 三超前地质预报方法 1 超前地质预报方法根据 铁路隧道超前地质预报技术指南 的规定 由于各预报方法均有优缺点 隧道超前地质预报应采用地质调查法 超前钻探法 含加深炮眼法 物探法和超前导坑预报法进行综合预报 2 超前地质预报方法选择原则 根据隧道的风险等级 隧道超前地质预报应采用与设计相符合的综合预报方法进行预报 并对各方法预报结果综合分析 相互验证 提高预报准确性 方法选择原则如下 隧道超前地质预报可采用长距离预报 中长距离预报 短距离预报和超短距离预报相结合的综合预报方法 长距离预报 预报长度100m以上 可采用地质调查法 地表补充地质调查 地震波反射法 中长距离预报 预报长度30 80m 可采用地质调查法 地表补充地质调查 30 80m的超前钻探等 短距离预报 预报长度30m以内 可采用地质调查法 隧道内地质素描 地质雷达法 红外探测法及小于30m的超前钻探等 超短距离预报 预报长度5m以内 可采用地质调查法 隧道内地质素描 加深炮眼法等 3 地质调查法 地质调查法是根据隧道已有勘察资料 地表补充地质调查和隧道内地质素描等资料 通过地层层序对比 地层分界线及构造线地下与地表相关性分析 断层要素与隧道几何参数的相关性分折 临近隧道内不良地质体的前兆分析等 利用常规地质理论 地质作图和趋势分析等 推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法 地质调查法是一种传统 实用和基本的超前地质预报方法 具有综合和指导其他预报方法的作用 地质调查法不占用工作面施工时间 不干扰施工 设备简单 操作方便 提交资料及时 可随时掌握隧道开挖工作面的地层 岩性 地质构造 地下水等地质条件的变化 是隧道施工过程中的地质工作 是隧道工程全过程地质工作的重要一环 是隧道超前地质预报的基础工作 地质调查法不仅是一种地质预报手段 而且可以补充和完善隧道设计地质资料 也便于施工与设计资料对比 积累经验 同时也是竣工资料的一部分 更为隧道运营阶段隧道病害整治提供完整的隧道地质资料 这种方法对与隧道交角较大而又向前倾的结构面 特殊岩溶 溶洞的发育具有突变性 容易产生漏报 4 物探法 隧道超前地质预报物探法为弹性波反射法 包括以TSP法为代表的隧道地震波预报法 水平声波反射法 负视速度法 陆地声纳法 地质雷达探测 红外探测 高分辨率直流电法 时域瞬变电磁法等 应用相对普遍和成熟的主要为地震反射波法 地质雷达探测 红外探测 物探适用范围广 方法多 设备轻便 效率高 但各种物探方法都需具备一定的应用条件 其装置的选择 测线的布置 采集的数据质量和资料的处理与解释都直接关系到物探的效果 物探结果具有多解性 因此对于地质条件复杂的隧道应采用综合物探 并结合其它资料探测 如 超前钻探资料 地质调查法资料等 进行综合分析 相互验证 提高预报准确性 隧道超前地质预报采用综合物探方法一览表表 2 5 超前钻探法 超前地质钻孔法 加深炮眼探测法 超前地质钻孔 利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法 它比较直观地探明钻孔所经过部位的地层岩性 岩体完整程度 岩溶及地下水发育情况等 超前地质钻探适用于各种地质条件下隧道的超前地质预报 宜在富水软弱断层破碎带 富水岩溶发育区 煤层瓦斯发育区 重大物探异常区等地质条件复杂时必须采用 超前地质钻探主要有冲击钻和回转取芯钻 二者应合理搭配使用 提高预报准确率又提高钻探速度 减少开挖工作面占有时间 超前地质钻孔采用单孔水平取岩芯钻探法 钻孔是否取岩芯根据不同地质条件确定 在需连续钻探时 一般每循环钻探20 30m 活动断裂带或必要时需钻探50 100m 相邻两循环重叠长度应在5 8m 超前地质钻探的缺点 成本高 耗时长 对工期影响较大 一孔之见 容