4、TSP超前地质预报

1 TSPTSP 超前地质预报超前地质预报 QB ZTYJGYGF SD 0204 2011QB ZTYJGYGF SD 0204 2011 广州分公司 任晓锋 屈 强 1 1 前言前言 1 11 1 TSPTSP 超前地质预报概况超前地质预报概况 TSP 地质超前预报是勘察设计阶段以后工程地质工作的继续 主要目的为 探测或预测开挖工作面前方围岩工程地质和水文地质情况 获取详细可靠的地 质信息 如围岩类别 断层带和破碎带位置 性质 规模 富水等 进行信息 反馈 并对探测到的地质情况进行综合分析 做出判断 提出地质预报成果 作为指导施工和优化支护参数 围岩类别变更等动态设计的依据 1 21 2 TSPTSP 超前地质预报原理超前地质预报原理 隧道地震波法 简称 TSP 其原理是通过小药量爆破所产生的地震波信号 沿隧道方向以球面波的形式传播 在不同岩层中地震波以不同的速度传播 在 其界面处被反射 并被高精度的接收器接收 通过计算机软件分析前方围岩性 质 节理裂隙分布 软弱岩层及含水状况等 最终显示屏上显示各种围岩构造 界面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离 并可初步测定岩石的弹性 模量 密度 泊松比等参数以供参考 2 2 工艺工法特点工艺工法特点 地质超前预报工作可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的 隐伏的重大地质问题 根据掌握的地质灾害前兆和超前预测预报地质灾害 及 时改进施工方法 调整施工工艺 确定防灾预案 进而指导工程施工的顺利进 行 施工地质工作可降低地质灾害发生的机率 在隧道施工阶段 TSP 超前地 质预报技术是保证隧道顺利安全施工的重要地质预报手段 但需辅以其它地质 预报手段 才能保证其精度 3 3 适用范围适用范围 该法适用于复杂地质的公路 铁路等隧道工程施工 用于划分地层界线 查找地质构造 探测不良地质体的厚度和范围 但仪器在作业过程中对环境的 要求较高 若噪声过大则会影响采集数据的准确性 4 4 主要引用标准主要引用标准 2 4 1 铁路隧道超前地质预报技术指南 铁建设 2008 105 号 客运 专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准 铁建设 2005 160 号 铁路隧道 施工规范 TB10204 公路隧道工程施工技术规范 JTG F60 4 2 设计图纸 合同文件 5 5 施工方法施工方法 5 15 1 地震波反射法连续预报时前后两次应重叠地震波反射法连续预报时前后两次应重叠 10m10m 以上 预报距离应符合以下以上 预报距离应符合以下 要求 要求 5 1 1 在软弱破碎地层或岩溶发育区 一般每次预报距离 100m 左右 不宜 超过 150m 5 1 2 在岩体完整的硬质岩地层预报时 距离在 200m 以内较为精确 5 1 3 隧道位于曲线上时 预报距离不宜太长 5 25 2 接收器钻孔的布置要求接收器钻孔的布置要求 5 2 1 距掌子面约 50m 距第一爆破孔 15 20m 5 2 2 必须在隧道两壁各安置 1 个接收器 接收器安置高度与炮孔一致 5 2 3 孔径 42 45mm 孔深 2m 应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还 是下倾 一般情况下 钻孔倾角应垂直隧道轴向 上倾 5 10 5 2 4 接收器与孔壁的藕合必须紧密 施测时隧道中应没有其它振动源 5 35 3 采集信号时避免以下缺陷采集信号时避免以下缺陷 5 3 1 隧道内记录填写混乱 记录序号 放炮号 与炮孔号对应关系不清 5 3 2 采用非瞬发电雷管激发 或者初至波时间出现无规律波动 延迟 5 3 3 连续 2 炮以上 含 2 炮 记录不合格或空炮 或者存在相邻的不合 格记录或空炮 5 3 4 空炮率大于 15 6 6 工艺流程及操作要点工艺流程及操作要点 6 16 1 TSPTSP 超前地质预报流程图超前地质预报流程图 3 图图 1 1 TSPTSP 超前地质预报流程图超前地质预报流程图 6 26 2 工艺参数工艺参数 TSP 有效预报距离应达到 A 级地段 100 米 B C 级地段 150 米 需要预 报区段大于有效预报距离时应多次预报 两次预报重复长度不小于 10 米 参考 既有资料 地质素描 洞内外水文调查等资料 6 36 3 操作要点及注意事项操作要点及注意事项 6 3 1 观测系统设计 1 收集隧道相关地质勘查和设计资料 2 根据隧道施工情况及地质条件 确定接收器 检波器 和炮点在隧道左 右边墙的位置 3 接收器和炮点位置应在同一平面和高度上 4 隧道情况特殊或需要探测复杂地质隐患时 必须根据相关理论精心设计 观测系统设计 施做标识 钻炮孔 接收孔 仪器安装与测试 数据采集 安装套管 填装炸药 数据分析并出具报告 4 观测系统 6 3 2 施做标识 在隧道现场 根据设计的观测系统 确定所有接受点和炮点的位置 并做 出相应的标识 6 3 3 钻炮孔 接收孔 2m 接收孔1 接收孔2 参考点隧道轴线 掌 子 面 17m 1 5m 1 5m 炮孔1224 3m 图图 2 2 钻孔水平布置断面图钻孔水平布置断面图 1 应按设计的要求 位置 深度 孔径 倾角等 钻孔 炮孔垂直隧道轴 向 下倾 10 20 2 一般情况下 钻孔位置不应偏离设定的位置 特殊情况下 以设定的位 置为圆心 可在半径 0 2m 的范围内移位 3 孔身应平直顺畅 能确保耦合剂 套管或炸药放置到位 4 在不稳定的岩层中钻孔时 采用外径与孔径相匹配的薄壁塑料管或 PVC 管插入钻孔防止坍孔 6 3 4 安装套管 1 用环氧树脂 锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆作为耦合剂 安装 接收器套管 2 用电子倾角测量仪器量接收器的几何参数 并做好记录 6 3 5 填装炸药 1 填装炸药前 用电子倾角测量仪和钢卷尺测定炮孔的倾角和深度 并做 好记录 2 炸药量的大小应通过试验确定 3 用装药杆将炸药装入炮孔的最底部 4 在激发前 炮孔应用水或其他介质填充 封住炮孔 确保激发能量绝大 5 部分在底层中传播 6 3 6 仪器安装与测试 1 用清洁杆清洗套管内部 2 将接收单元插入套管 并应确保接收器的方向正确 3 采集信号前应对接收器和记录单元的噪声进行测试 6 3 7 数据采集 1 设置采集参数 采集参数主要包括采样间隔 采集数 传感器分量以及 接收器 2 噪声检查 数据采集前 应对仪器本身及环境的噪声进行监测 仪器工 作正常 噪声振幅峰值小于 78dB 时 方可引爆雷管炸药 接收记录 3 数据记录 放炮时 准确填写隧道内记录 在放炮过程中应采用炮序号 递增或递减的方式进行 确保炮点号正确 6 3 8 内业资料分析与判释 由取得相关试验检测证件的专业工程师进行数据分析 并提交以下资料 1 现场数据记录表 2 X Y Z 三个分量的原始波形记录 3 频率谱 4 纵横波分离后的 P SH SV 波形图 5 P SH SV 的极度偏移图 横坐标为里程 6 二维结果图 横坐标为里程 7 反射面提取图 8 岩石参数曲线图 横坐标为里程 9 电子文档 7 7 劳动力组织劳动力组织 表表 1 1 地质核查及地质超前预报组成员表地质核查及地质超前预报组成员表 人员人员人数人数主要任务主要任务 项目负责人 1 全面负责测试工作的协调 组织 安排工作 技术负责人 1 全面负责地质预报技术相关工作 6 检测工程师 为取得相关证件 的专业人员 2 负责指导钻爆破孔 接收孔 安装接收器套管 负责测量基 础数据 数据采集 数据处理和报告编写工作 爆破工人 2 负责装炸药 连接雷管线 放炮 风钻操作工人 2 负责钻爆破孔 接收孔 安装接收器套管 炮孔灌水 8 8 主要机具设备主要机具设备 表表 2 2 隧道施工地质工作所需主要仪器设备表隧道施工地质工作所需主要仪器设备表 名名 称称所需数量所需数量备备 注注 TSP 203 1 台 水平钻机1 台 数码相机1 部 电 脑1 台 罗盘 地质锤 放大镜1 套 9 9 质量控制质量控制 9 1 在每一炮数记录后 应显示所记录的地震道 据此对记录的质量进行 控制 9 2 用直达波的传播时间来检查放炮点的位置是否正确 以及使用的雷管 是否合适 9 3 根据型号能量 检查信号是否过强或过弱 若直达波信号过强或过弱 应将炸药适当减少或者增加 9 4 根据初至波信号的特性 对信号波形进行质量控制 若初至后出现鸣 震 表明接收器单元没有与围岩耦合好或可能是由于套管内污染严重造成 这 样应清洁套管或重新插入接收器单元 直至信号改善为止 9 5 根据每一炮记录特征 了解存在的噪声干扰 必要时应切断干扰源 同时也可检查封堵炮孔的效果 9 6 对记录质量不合格的炮 应重新装炸药补炮 接收和记录合理的地震 道 1010 安全控制安全控制 10 110 1 安全注意事项安全注意事项 10 1 1 所有工作人员进入隧洞内必须戴安全帽 7 10 1 2 炸药 雷管必须根据需要领取 不得多领 10 1 3 炸药 雷管必须有专人看管 使用前必须分开 10 1 4 雷管不能放在接近电源的地方 10 1 5 测试时必须设立安全警示员 10 1 6 连接导线时工作人员不得正对着炮孔 10 1 7 连接导线 灌水的工作人员未撤离到安全位置启爆器不得充电 不 得放炮 10 1 8 测试时接收器到掌子面段不得有其他无关人员 10 1 9 测试时保证隧洞内的通风和照明 10 1 10 钻孔完成后应采取措施保护 防止塌孔 10 210 2 爆破要求爆破要求 10 2 1 遵守 爆破安全规程 的规定 10 2 2 使用毫秒级无延迟电雷管 瞬发电雷管 10 2 3 炸药量应大于 200m 探测距离要求 一般 50g 75g 最多不大于 150g 10 2 4 应保证炸药与炮孔严密藕合 所有炮孔必须采取堵孔和注水措施 10 2 5 在放炮之前应注意噪音监视 选择干扰幅度最小时放炮 数据处理 时选择合适的滤波窗口 尽可能的予以消除 1111 环保措施环保措施 11 1 避免炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量 减少对空气的污染 节约 炸药等能源的消耗 11 2 及时清理垃圾 避免乱倒引起环境污染 1212 施工实例施工实例 12 112 1 工程概况及地质特征工程概况及地质特征 由中铁一局集团广州分公司承建的沪昆客运专线赵角湾 2 号隧道位于湖南 省芷江县竹坪铺乡及土桥乡 隧道起讫里程为 DK376 119 DK380 075 全长 3956m 为单洞双线隧道 最大埋深 187 52m 隧道区为低山丘陵地貌 此次 TSP 超前地质预报在赵角湾 2 号隧道出口进行 掌子面 DK379 892 地层岩性情况为 砂岩 弱风化 钙质胶结间泥质胶结 红褐色 青灰色 节 8 理裂隙发育 岩体稍完整 右侧局部强风化 褐黄色 节理裂隙发育 岩体较 破碎 层理近水平 偶有掉块现象 无基岩裂隙水 围岩等级为 级 12 212 2 施工情况施工情况 12 2 1 测点位置设置 预报时掌子面位于 DK379 892 里程处 在 DK379 945 里程处布置预报接收 孔 接收孔距掌子面 53m TSP 现场数据记录见附表 1 12 2 2 测线测点布置 在正洞右边墙 面向掌子面 的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻 孔和 24 个炮孔 传感器钻孔距第一个炮孔 15m 炮孔间距 1 5m 炮孔高度约 1 5m 如图 2 所示 12 2 3 预报成果 本次 TSP 检测实际激发 20 炮 数据采集记录均合格 可用于数据处理和解 释 经过专用软件对有效数据进行处理 通过对二维结果图 附图 1 和设计 资料的综合分析 主要存在问题的区段如下 表表 3 3 主要存在问题的区段主要存在问题的区段 12 2 4 预报结论及建议 1 预报结论 表表 4 4 预报结论表预报结论表 序序 号号 里里 程程 长度长度 m m 探探 测测 结结 果果 推推 断断 1 DK379 892 853 39 该段围岩岩体较完整 较破碎 属硬岩 节理裂隙较发育 其 中 DK379 888DK379 888 872 872 段附近可能围岩软弱 岩体破碎 地下水 不发育 可能滴水 渗水 DK379 873DK379 873 处附近可能发育地下水 2 DK379 853 818 35 该段围岩岩体较破碎 岩石硬度下降 属硬 较软岩 节理裂 隙较发育 其中 DK379 849DK379 849 842 842 段附近可能节理发育 岩体 破碎 地下水较发育 可能普遍渗水 滴水 其中 DK379 849DK379 849 842 842 段附近局部有出水可能 3 DK379 818 797 21 该段围岩岩体较破碎 岩石硬度有所升高 节理裂隙较发育 地下水较发育 其中在 DK379 818DK379 818 810 810 DK379 804DK379 804 797 797 段附近有出水可能 4 DK379 797 761 36 该段围岩岩体较破碎 属硬 较软岩 节理裂隙较发育 其中 DK379 782DK379 782 756 756 段附近可能围岩软弱 岩体破碎 地下水较发 育 可能普遍渗水 滴水 其中 DK379 782DK379 782 767 767 段附近可能 地下水发育较为明显 5 DK379 761 738 23 该段围岩岩体较破碎 属硬岩 节理裂隙较发育 其中 DK379 748DK379 748 744 744 段附近可能围岩软弱 岩体破碎 地下水较发 育 其中在 DK379 748DK379 748 744 744 段附近有出水可能 9 序号序号里里 程程 长度长度 m m 设计围岩级别设计围岩级别推断围岩级别推断围岩级别 1 DK379 892 853 39 级 IV 级 2 DK379 853 818 35 DK379 853 826 级 DK379 826 818IV 级 IV 级 3 DK379 818 797 21 IV 级 IV 级 4 DK379 797 761 36 IV 级IV 级 5 DK379 761 738 23 DK379 761 749IV 级 DK379 749 738 级 IV 级 2 施工建议 通过此次探测 在探测中 DK379 888 872 DK379 849 842 DK379 782 756 DK379 748 744 段 节理裂隙较发育 岩石硬度降低 可能岩质软弱 岩体破碎 在 DK379 873 处 DK379 849 842 DK379 818 810 DK379 804 797 DK379 782 767 DK379 748 744 段附近有可能发育地 下水 建议施工过程中对此段围岩严格施做加长炮孔探测 对不良地质段加强 围岩支护 对地下水发育段做好防排水工作 以保证施工安全 12 312 3 工程结果评价工程结果评价 采用 TSP 对前方地质情况进行超前预报 可进一步查清因前期地质勘察工 作的局限而难以探查的 隐伏的重大地质问题 根据预报结果 及时改进施工 方法 调整施工工艺 确定防灾预案 进而指导工程施工的顺利进行 地质预 报可降低地质灾害发生的机率 通过开展施工地质工作 为变更设计提供地质 依据 为编制竣工文件提供地质依据 12 412 4 施工附图施工附图 10 图图 3 3 炮孔检查炮孔检查 图图 4 4 炸药安装炸药安装 图图 5 5 检波器安装检波器安装 图图 6 6 数据接收数据接收 附图 1 2D 成果显示及岩石力学参数曲线 附表 1 TSP 现场数据记录表 附表 2 围岩岩体物理力学参数表 11 附图附图 1 1 2D2D 成果显示及岩石力学参数曲线图成果显示及岩石力学参数曲线图 12 附表附表 1 1 TSPTSP 现场数据记录表现场数据记录表 赵角湾 2 号隧道出口 2011 年 07 月 27 日 左边墙 掌子面里程 DK379 892 炮孔布置 右边墙 里程高度 m 孔深 m 倾角 耦合剂耦合状态 左 接收器 右 DK379 9452 07 8 锚固剂良好 炮点参数 序号距离 m 深度 m 高度 m 方位角 倾角 药量 g 115 001 60 00 010 230 217 501 50 00 09 830 320 001 70 00 09 330 421 401 60 00 07 430 522 801 45 00 08 230 624 401 55 00 011 330 725 601 50 00 08 950 826 901 60 00 010 550 928 401 80 00 01 450 1029 901 60 00 05 350 1131 401 50 00 06 750 1232 951 55 00 05 250 1334 351 50 00 0 7100 1435 851 70 00 03 2100 1537 301 30 00 05 3100 1638 701 60 00 03 3100 1739 701 55 00 07 2100 1841 201 40 00 02 8100 1942 701 60 00 05 4100