隧道超前地质预报技术

隧道超前地质预报技术,课件目录,一、超前地质预报目的二、超前地质预报方法及实例讲解1、地质调查法（隧道地表调查及地质素描）2、加深炮孔探测法3、超前地质钻探法4、物理勘探法（TSP及红外探水）三、结束语,一、超前地质预报目的,由于隧道长度、埋深等各方面因素的影响，地质条件越趋复杂，隧道内突泥、突水、以及断层、岩溶等不良地质灾害对隧道施工安全、质量以及施工进度造成严重的影响，也是引起隧道塌方的最主要原因之一。为了减少隧道施工过程中的盲目性，避免隧道施工过程中可能诱发的重大的不良地质或灾害地质的发生，而采取超前地质预报探测方法。对隧道开挖工作面前方的工程地质、水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判释及预报，并提出措施建议。通过超前地质预报的检测，判定隧道暗洞开挖面前方隐伏断层及破碎带、岩溶规模准确定位和评价，采取准确而有效的防治工作，不仅可以减少隧道塌方、突泥等灾害的发生、加快施工进度，并根据现场预报结果，及时调整或修正围岩级别、设计参数及施工方法，正确指导现场施工。,二、超前地质预报方法及实例讲解,根据隧道具体工程地质问题和开挖的实际情况，制定超前地质预报工作的原则，其原则和方法是：采用地质调查法（地表地质调查和隧道内地质素描）、超前地质钻探法（水平钻探或加深炮孔）、弹性波反射法（TSP）、地质雷达和红外探水相结合的方法进行预报。综合上述各种方法获得的地质信息，通过综合地质分析，预测预报前方工程地质及水文地质条件。我标段工区隧道超前预报应在地质调查法基础上，采用弹性波反射法（TSP）进行中长、长距离探测，再采用加深炮孔探测进行短距离预报，断层及重要异常段补充短距离物探法及超前水平地质钻探进行预报。根据现场施工需要，现对上述预报方法作逐一讲述。,1、地质调查法（隧道地表调查及地质素描）,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，通过地层层序对比、地质界线地下和地表的相关性分析、地质隐患在隧道内的出露位置、隧道内不良地质体的前兆等，分析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。包括隧道地表补充地质调查和隧道内地质素描等。1）隧道地表补充地质调查地表调查主要目的是：核对勘测资料，掌握隧道所在地区的地层岩性、地质构造、不良地质及水文地质情况，为隧道内地质预报提供方向性的依据。调查范围主要为隧道中线两侧各12.0km的范围。主要包括下列内容：对已有地质勘察成果的熟悉、核查和确认；地层、岩性、在隧道地表的出露及接触关系，特别是对标志层的熟悉和确认；断层、褶皱、节理密集带等地质构造在隧道地表的出露位置、规模、性质及其产状变化情况；地表岩溶发育位置、规模及分布规律；,1、地质调查法（隧道地表调查及地质素描）,2）隧道内地质素描隧道内地质素描是由专业地质人员对隧道及其辅助坑道的工程地质、水文地质特性进行详细的地质素描，是隧道开挖后及时记录隧道洞身和掌子面地质情况的一种方法。该方法用于各种地质条件下的隧道超前地质预报主要将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露位置及出水状态、出水量、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，包括开挖工作面（掌子面）地质素描和洞身地质素描。主要包括下列内容：开挖工作面地质素描，主要描述工作面立面围岩状况。洞身地质素描是对隧道拱顶、左右边墙进行的地质素描，直观反映隧道周边地层岩性及不良地质体的发育规模、在空间上对隧道的影响程度等，通过隧道地质展示图形式表示。,1、地质调查法（隧道地表调查及地质素描）,2）隧道内地质素描地质素描应随隧道开挖及时进行，对隧道岩性变化点、构造发育部位、岩溶发育带附近等复杂、重点地段应开挖12个循环进行一次素描，简单地段不宜超过10m进行一次素描。对岩体受构造影响程度、节理发育程度、岩体完整程度、富水程度及围岩稳定状态等进行详细编录，据此对围岩级别及其他地质参数进行修正，并初步提出有针对性的支护、衬砌或超前加固措施意见。,1、地质调查法（隧道地表调查及地质素描）,3）现场施工工作要求首先要熟读相关隧道施工工点图纸，了解隧道工程地质及水文地质情况，包括地层岩性（了解围岩的组成成分，风化程度以及节理裂隙的发育程度）、地质构造（了解围岩的岩层产状要素，是否有断裂等不良地质构造）、工程地质条件（了解隧道内不同里程段的围岩级别，以及岩土施工的工程分级情况）及水文地质条件（了解隧道区域内的地下水类型，含水量的大小），对每项内容逐项进行地表调查，核查与设计描述是否相符；其次对洞内开挖掌子面进行地质素描，主要是填写“掌子面地质素描记录表”，在隧道开挖后及时记录隧道洞身和掌子面地质情况，对表格中的内容填写要求，进行了如下举例说明。,1、外业准备：洞内素描所需要的工具：外业包、罗盘、地质锤、笔记本、数码相机等2、内业准备：地质素描作业指导书3、掌子面地质素描记录表内容填写：（1）掌子面状态：1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据：现场观察并依据设计图纸尺寸正确填写。（2）掌子面状态：1）填写容：见左侧表格；2）填写依据：现场观察并依据隧道围岩分类正确填写。（3）毛开挖状态1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据：依据表隧道围岩分类及相关设计资料填写（4）岩石强度（MPa）1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据依据表岩石坚硬程度的划分表正确填写（5）风化程度1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据依据表风化程度分级表正确填写。（6）裂隙宽度（mm）1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据依据表节理宽度分级表正确填写。（7）裂隙形态1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据依据表节理宽度分级表正确填写。充填有软弱介质的节理如实填写。（7）涌水状态1）填写内容：见左侧表格；2）填写依据依据表地下水状态的分级表正确填写。,1、地质调查法（隧道地表调查及地质素描）,4）现场施工工作流程（1）在隧道开挖施工掘进过程中，现场施工技术人员及现场施工作业人员必须不定期对隧道中线两侧各12.0km的范围内进行地表勘察；主要是查看隧道拱顶地表是否有下沉变形、地表开裂现象；若发现有异常，必须加强对地表及洞内进行沉降观测，根据测量数据分析洞内是否有沉降，观测拱顶初支表面是否有裂缝存在；据此对围岩级别及其他地质参数进行修正，并初步提出有针对性的支护、衬砌或超前加固措施意见。（2）我标段工区隧道地质素描工作由第三方（铁三院）地质人员进行负责。现场施工技术人员每天及时将隧道掌子面里程数据报给项目部安质部，由安质部将数据汇总，统一报给“铁三院”相关地质人员，检查人员根据里程数据不定期来工地进行地质素描工作，根据现场查看情况，给出“短期预报”报告，各隧道技术主管根据报告内容，指导现场施工；（地质素描记录表每10m做一次调查记录，每30m出一份短期预报报告）。,短期地质预报-综合预报单,短期地质预报-隧道地质展示图,2、加深炮孔探测,加深炮孔是利用风钻或凿岩台车在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种方法，改方法适用于各种地质条件下的隧道超前地质探测，尤其适用于岩溶发育区。该方法是超前地质钻探的一种重要补充，在非岩溶区可以揭示岩体软硬状况和完整性，在岩溶发育区揭示溶洞，而且其设备移动灵活、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，可与爆破孔同时施作。1）加深炮孔探测技术要求孔深应较爆破孔（或循环进尺）深3m以上；孔径宜与爆破孔相同；孔数、孔位应根据开挖断面大小和地质复杂程度确定；发现异常情况及时反馈信息，严禁盲目装药放炮；加深炮孔探测严禁在爆破残眼中实施；揭示异常情况的钻孔资料应作为技术资料保存。,2、加深炮孔探测,2）加深炮孔的孔位布置施工中应结合围岩地质条件和施工开挖状况，全断面开挖时，在掌子面上间隔布置，一般情况布置5个加深炮孔，详见图6-3；当出现不同地层分界、地层破碎带或预报可能出现地质隐患时，布置6-8个加深炮孔，详见图6-4；当采用上半断面开挖时，相应炮孔为35个；炮孔布置形式见示意图6-5、图6-6，孔深应较爆破孔（或循环进尺）深3m以上，钻孔外插角度一般与炮孔相同，外插角度一般35。3）现场施工工作流程我标段工区隧道加深炮孔探测工作由现场施工作业人员施作，现场技术人员要全程进行旁站，并做好钻孔记录，填写钻孔记录表，对记录内容进行分析整理，了解掌子面前方地质情况，指导现场正常施工。,2、加深炮孔探测,2、加深炮孔探测,2、加深炮孔探测,3、超前地质预报-TSP法（地震波反射法）,TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号投射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSP203软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。通过TSP203软件处理，可以获得P波（纵波）、SH波（水平横波）、SV波（垂直横波）的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布,TSP（地震波反射法）原理图,3、超前地质预报-TSP（地震波反射法）,地震反射波基本原理3D演示动画,直达波的传播,纵波（P）和横波（S）的传播,2,3,1,V2=4000m/s2=2.5g/cm3,V3=5000m/s3=2.6g/cm3,V1=5000m/s1=2.6g/cm3,R1,R2,接收点,反射波,直达波,岩石变化对信号极性的影响,TSP测量工作准备,TSP观测系统,接收器孔,TSP测试技术要求、应达到的有效探测距离TSP有效预报距离应达到：地质情况复杂地段为100米，地质情况较复杂及一般复杂地段为150米。需要预报区段大于有效预报距离时应多次预报，两次预报搭接长度不小于10米。当隧道通过预报的异常段后，应及时进行第二次预报。、操作要求a、爆破钻孔的布置要求：预报断层构造时爆破钻孔应根据断层走向布置在与断层夹角较小一侧的隧道边墙上。预报岩溶爆破钻孔应布置在预计较发育的一侧，必要时在隧道两侧边墙都应布置爆破钻孔进行重复测量。每一次预报的有效炮数不少于20个，炮间距1.5m。炮眼高度11.5m，所有炮眼与接收器的高度应相同。炮眼孔深1.21.5m（孔深应尽量一致），向下倾斜1020，垂直于隧道轴向，或向前与掌子面成10夹角。钻孔完成后应注意保护，防止蹋孔。,b、爆破要求：遵守爆破安全规程的规定。使用毫秒级无延迟电雷管。炸药量应大于100m探测距离要求，一般50g左右，最多不大于150g。应采用“水封法”，保证炸药与炮孔严密藕合。c、接收器钻孔的布置要求：距掌子面约5055m，距第一爆破孔约1520m。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。孔径4245mm，孔深不小于2m，应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还是下倾。、接收器与孔壁的藕合必须紧密，接收器套管出露长度不得大于20cm。施测时隧道中应没有其它振动源。、资料的处理和整理：数据采集时应对每一炮的波幅进行调节，记录不好或存在干扰时应重新放炮。对采集的数据及时进行选择多种参数进行多次处理，并对比分析各次处理结果，求得合理的结论。,1）注意事项：严格按规定布置震源和传感器钻孔，并保证质量，特别是孔距、倾角等；钻孔前，应用测量仪器测定接收器孔和炮孔的位置，接收器孔和炮孔在同一水平面上，并用红油漆作标记。炮孔要标记序号；2）严格按设计要求施工钻孔，若测定的位置无法钻孔，可在以测点为圆心半径20cm的范围内钻孔；3）注意选择接收器孔的位置，不应在松散围岩中。接收器孔身要直。孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外；4）注意保护炮孔，成孔条件好的，孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外，以免炸药包放置不到位。成孔条件差的，完钻后要将柱状物（锚杆等）留在孔中，防止围岩掉块；5）在洞内的实际探测过程中，尽最大努力减少噪音和漏炮；6）发炮孔装药、连线设有专人操作，前方除了指挥人员和1名爆破员，其余人员不能进入放炮区域；7）若发现前方有可能存在不良地质体或含水，施工单位应打超前钻孔，以保证施工安全。,TSP测量现场施作实例讲解,隧道掌子面全景示意图,TSP测量准备工作-装药,总长度205cm,接收器安装,系统组件的装配,引爆炸药,安装炸药和激发,安装炸药,TSP测量工作人员现场数据收集记录,地震数据质量控制,每放完一炮后应对地震波能量进行控制,TSP测量成果解释表分析如下：,TSP测量成果结论分析如下：,在探测段DK287+728DK287+878范围内：判定DK287+740DK287+806围岩等级为IV级；判定DK287+728DK287+740、DK287+806DK287+828、DK287+828DK287+851、DK287+851DK287+862、DK287+862DK287+878围岩等级为V级。其中DK287+806DK287+828和DK287+851DK287+862两段，弹性波速度较其他段落更低，施工时应特别注意。,（三）、红外探水,1、有效探测距离红外探水可发现掌子面前方和侧壁与隧道围岩有一定温度差异的含水体或具有连通性的岩溶空洞，发现的能力与岩体和含水体温度差异的大小有关，有效探测距离在10m左右。2、仪器红外防爆探测仪。3、现场数据采集A隧道周壁测线布置：在隧道左边墙、隧顶、右边墙和隧底沿隧道轴向各布置一条测线，对于双线或多线隧道，应布置多条测线，测线距5m左右。测线长度2030m，测点距视喷护位置至掌子面的距离选择，25m。发现异常应加密测点。每次探测重复1020m，最后一个测点直抵掌子面，对掌子面前方和