超前地质预报在某岭隧道施工中的应用

超前地质预报在XX岭隧道施工中的应用摘要XX岭隧道通过地段岩溶发育、水流量大、断层破碎带，地质条件极其复杂。隧道施工在不同的地质段需要采取不同的施工方案和措施，因此超前地质预报在施工中占有重要的位置。本文对XX岭隧道超前预报的必要性，预报的手段和工作原理进行了阐述，并提出了一些在预报中应注意和解决的问题，为隧道施工起到一定的指导作用。1、前言XX高速公路XX岭隧道属于特长大隧道，右线长10007米，左线长9962米，XX高速的重点工程的控制性工程。XX岭隧道穿越15条断层破碎带，破碎带分布长度大，尤其是隧道进、出口段，强构造损伤区FX1、F3断层破碎带分布长度占隧道总长的8.4%。XX岭隧道地下水量十分丰富，K53＋804~K63＋766段隧道的总涌水量为26600m3/d，K53＋804~K58＋650段隧道的涌水量为17161m3/d。XX岭隧道地质情况极其复杂，为保证隧道的安全正常顺利施工，及时有效地采取针对性措施，为动态设计和施工提供理论性指导和依据，必须充分做好超前地质预测预报工作。在XX岭隧道施工中主要采取四种地质超前预测预报手段，即TSP超前地质预测预报、地质雷达超前地质预测预报、超前探水孔钻探和地质描述综合判断。2、采用地质超前预报技术的必要性a.保证隧道施工安全，由于管道岩溶发育的不确定定性和揭露管道岩溶产生大量突泥、涌水而带来的危害性要进行超前地质预报。b.为施工措施提供必要的参数，如地下水压力、水量、管道岩溶的大小、方位及含煤地层的瓦斯参数等。c.地质超前预报可以为隧道施工提供相应的施工参数依据，避免施工参数过大过小造成成本浪费。3、TSP超前地质预报技术TSP隧道地震勘探(隧道超前地质预报系统)引进中国以后，主要应用于铁路、公路隧道和水电系统的导流洞、泄洪洞等隧洞施工中的长期(长距离)超前地质预报工作，应用效果较好，取得的经济效益明显。3.1基本原理与技术状况TGP12是由瑞士安伯格开发生产的，主要用于探测隧道及其他不良地质的地下工程。其基本原理如图1所示：首先，在隧道内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源，震源发出的地震波(主要是P波)遇到地层界面、节理面，特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波(主要是p波的反射波)；反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统(传感器和记录仪)，将这些数据收集，经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反应相关界面或地质体反射能量的映象点图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。该设备主要用于超前预报隧道掌子面前方、上方和下方不良地质的性质、位置和规模，最大探测距离为掌子面前方300～500m(与使用的炸药爆速和探测岩层的岩石力学性质有关)，最高分辨率为≥1m的地质体。图1－TSP隧道地震反射波探测原理示意图交3.筛2咸实际应用解决换的技术问题和隙指标途欲能够解决的技炎术问题等a.闻妥能够探测和解杨译掌子面前方味存在的断层、俩特殊软岩、煤胖系地层中的煤籍层、富水砂岩容和煤系地层与疾其他岩层的界皂线，还可以探效测和解译掌子渗面前方存在的叼溶洞、暗河、苍岩溶陷落柱和马淤泥带等不良锤地质体。斜b.喘小主要是查明上互述不良地质的凭位置和规模，煮也可以概略地牺判断不良地质愿体的围岩级别貌；但是，围岩隆级别的准确判匪断，尚需其它向地质工作综合脆评价才能做到管。伸汪可以达到的技交术指标唱a.艳讨对不良地质性偷质的判断，精肢度一般可达到宁基本准确。劲b.积恼对不良地质位炊置的判断，精匪度一般可盆达组90因%鸡以上。佛c.衡昨对不良地质规纳模的判断，精他度一般可巩达巴85绕%散～针90亏%漏以上。饭3.献3逢工程应用中应杜注意的问题意由于探测炸药罚包爆炸所产生箩的应力波，在锁介质中的传播允形式及其能量艳的分配额是不食同侵的渔(妥如蝴图屑2景所效示常)蒜：在靠近爆解源识3夸～孟7咳倍药包半径拴的距离农内励,材以冲击波的形盐式出现，占爆哀炸能量卡的指60速%狼以上；在距爆泥源证12壁0妈～脚15炎0览倍药包半径的蜓距离内，以压扔缩波的形式出领现，占爆炸能绸量材的弄30虎%建以上；直到超招过药包半询径鹊15愿0岩倍的距离后，啦才以地震波的赔形式出现，只矮占爆炸能量机的印10坛%取左右。星图期2龙－饲爆炸应力波及翅其分布作用范吊围吨虽然地震波在飘介质中的传播坏稳定，衰减较洞慢，但由于本膏身的能量很小崇，由其所形成察的反射波的能遵量就更微弱，躺同时地震波在范传播的过程中威遇到诸如节理往、断层、层理苍或不同性质岩怠石的交界面等狼结构面时，只驰会有其中一部志分波从结构面踏反射回来，另针一部分则透射谣过结构面进入哈第二种介质继片续向前传递。竟而且地震波在颗反射时又会再斧度派生成纵波纠（Ｐ波）和横抖波，因此要有添效准确地接受溉到远距离传回板来的这部分能既量微弱的反射略纵驴波限(狮Ｐ震波赶)凳，除了传感器谢本身须具有极岭高的灵敏度外荡，在整个探测射过程中，传感灯器还必须采取绝最佳的接受方专式和展布角度说（搜索耻角律δ腐）才能实现。迟所以必须利用疗构造地质学和裂波的播理论，之确定传感器正边确的位置和接守受角度。因此屠我们现场施工塞操作中要注意植以下几点：煮a.服柴一个地区空间振角无γ办可通过下式公雾式计泰算良:胶γ登=策|介主体地质构造晕走向优选产若床阔-奥施工隧道中轴食线走向产昂状批|超，而搜索角和饭空间角有如下政的关剪系这:第δ撞=900仆-售γ喷；因此要确定棕一个地区的合患理的搜索角，缘就必须首先确州定该地区的主狱体结构的优选帽产状，然后根雹据它们与施工侧隧道中轴折线的交角求出邮其特有的空间竭角，进而确定阴该地区的合理瞒的搜索角，还者应保证将传感败器安置在结构您面与隧道掌子傻面前进方向夹永角牺ф划大当于蛮90半0似的隧道壁一侧咸。这样就可以冶最大程度地接安受到所要探测耍的结构面的反骡射波，尽可能连多地采集探测劲信息，提高探幅测的距离和精绿度；榨b.娇亡在进行超长距纽离准确清晰的伞探测预报工作因时，要延长系百统的采样时间笑和提高地震波惕在岩石介质中声的传播速度。侦通常的采样间歇隔时间为挂：维Δ沿t=40览µ耍s艘,满采样数目秒：律N=409文6吐；而在超长距圈离（大于营400m傻）探测中，则旬将采样时间参乔数调整为侵：竹Δ想t=80见µ至s嘉，盼N=409仆6架，则相对应的崭采样时间为腰：偏T细=继Δ锡t×N=0.徐3276垮s肌。这样就可以伙为传感器收集振更远距离处的询结构面反射到的仆P京波提供了充足表的等待、记录饮时间；津c.工矩要根据现场岩告石力学性质，馒选取合适的探谈测炸药种类和煮用量。炸药的玩爆轰产生的爆盼轰波在岩石介辅质中的传播速善度为：挤Ｖ咳=酱Ｖ女0睬×纸Ｋ奔/看（耐Ｋ祥+重1约）；其真中洒V萄为爆轰在岩石愈介质中的速度车；犯Ｖ骄0佳为炸药爆轰速呈度箱；哗K粮为绝热指数，债对于工业炸药雷来说，一般胁为寿2.8~3.蜻6魄，多取扒为旷3拉。在规定的时那间内，探测距政离为蝇：液L=V×(T粉-t0)/庙2SF-2价D钓；其当中射L莲为探测距离驶；倘V昂为爆轰波在岩旅石介质中的波灰速夏；戚舍T敏为采样时间艺；夫t催0法为一段毫秒电疾雷管的最大起请爆时间，一般坐取眨0.005崖s恋；叨D围为传感器距掌箩子面的距离，腔一般取慢50m名；阔S思F够为速度折减系虾数，一般冻取府1.皂3嫂；在工程施工鼠中可参考洞表疗1页选取相关的参禁数。笑表君1蚊爆不同炸药在不滩同岩性中的速宾度与最大探测犯距离避岩石名称山炸药实测爆速歼炸药理论爆速搞最大探测距离染炸药用量询（膝g动/堤孔）敞V/(m/s宿)盲Ｖ洪0/(m/s皂)毒Lmax/m阁前兵9仪个孔泉后误9源个孔逗石英岩迁6050慨8060尺650轨20码30脆大理岩么5800肝7730立620家20钓30悠玄武岩遵5610校7480记590休20邻30献花岗岩岛3970~6况100刷5290~8胡130羽390~65联0肥20晶30薄石灰岩两3050~6绢100屯4060~8状130轧280~65友0享25搏35郑片麻岩脏4730~5跑580板6300~7葬440彻480~59油0浙30在40源片岩策4550细6060填460壁35包45告板岩邻3660~4牛450而4880~5芹930玉350~46麻0搞35惨45诵砂岩析2440~4涌270然3250~5止690松200~43脂0旁30捆40麻页岩咐1830~3唱970央2440~5效290碌130~39翠0宇40搂50驶3.4厘TGP12闹较惨TSP-20扛2秧、撇TSP-20杠3勤的优越性纱TGP12聚测量系统是安假伯格测量技术获公司坝在洲TSP-20岗2冈及炒TSP-20都3唯测量系统基础软上研制开发的速增强型产品，铸也载是蝶TS欢P仪家族中的最新冻产品。该产品绳吸取投了伸TSP-20棚2禾及展TSP-20怜3将测量系统的丰魔富经验并对其工硬件和软件作晒了改进和更新壤，主要表现为旧以下几个方面槐：酷1帝、饿TGP12竖是集放大、转病换、采集、存国储、控制为一饺体的全密封防急水防震的物探垃设备；优于利卸用微机与机箱曲装配式结构的务仪器染，炎TGP1重2冰适合在恶劣的扔隧道环境中使辰用。虑2包、械TGP12缴的三分量速度飘型检波器具有睡高灵敏度，指牧向性强和较宽仙的频带响应等阴特点辩，淡拾取的地震波潜信号具有高的孙质量品质居。物TGP1饶2屡孔中接收检波悦器采用黄油耦港合，方便、经最济、快捷。请3梦、誉TGP12椅的地震波采集废触发是开路触凶发方式，即信办号线在雷管引阵爆炸药的同时云被炸断，信号鸟线同时开路触悄发仪器采集，览仪器采集无延隶时差，保证定蛙位的准确性。杨4快、舟TGPWI旺N捞隧道地震波处形理分析软件充左分考虑弹性波毯在三维空间的娇传播特点，以饱及根据涛TGP12叮仪器采集的数鼻据格式编写。葬5润、地震反射波浅极性与衰减参旁数的综合利用虫。岩6使、成果的可靠丝性与原生记录舞的质量密切相洗关。朵7缸、构造面的产液状定位与权重干分析功能。北8艘、多重相关分赶析与适时监测帆预报功能系统罗。轨3.5唇局T暂G政P姐12很现场测试实例吨在隧道右迹线首YK5育4呈＋疾440未～汇YK54+塌590悬段进行锈了惑TG仙P鱼超前地质预报魔，预报丑由同、对侧纵患横波偏移成果病图显示的结果打，推测该段围烘岩较差，裂隙烛与地下水均较售发育，岩体成怒块状结构，地袄下水喜局部存在淋雨季状；上其淹中在竞YK5诚4乌＋辈460鹅～牲YK54+对550搬之间存在断层破破碎带，并可叛能存在有股状宏涌水。薯在隧命道握YK5笼4聚＋记72姿4窄～蹲YK54+7株4栗6珠段老进行荒了椒TG街P锻超前地质预报丹，预报贪同、对织侧朵P陡波合成位图显斑示该段波速变迹化频率大，推知测此段围岩较圈破碎，掌子面邪岩体多成碎块哑镶嵌状，次生午裂隙发育。且女在季YK5朽4物＋继73恢5泰处波速变化较轰快，推测擦在元YK5郑4脚＋摊735洗~牌YK54+7浴4石6凳段岩体破碎，消同时反射界面节图中舅在辞YK5鹿4距＋墨73就6胞处存在反射界撑面，推测在该扛处可能存在局聋部破碎带、岩熔体节理发育狮。瞒实际开挖揭示货，专在厨YK5举3赔＋贺450叨－植YK53+炼460办段围岩结构破嘴碎，节理裂隙也发育证，掏YK54避＋勾460灰处开始出现断啄层杜、饶在桌Y编K碍54购＋莲495唇处出现突水吗。花在膨Y夕K洒54荒＋幕735腿处漏岩体破碎，施污工燕到巴YK54+7接5链5裤后岩体开始区无域稳定，晋目前爸已通过了该地渔段涉施工。预报结遗果与实际情况匹基本相同。旷4浪、赛地质雷达超前仔地质预测预报殊4.愁1晃预报原理生地质雷达采用撒的是时间域脉扇冲雷达，利用吃电磁波以宽带毙脉冲形式，通绑过亏T泛天线发射电磁拒波，经由介电茶性质不同的介窄质产生反射，单由恳R备天线接受并被斗仪器所记录。驻根据反射信号咳的变化特征来旅推测异常体的显几何形态和性裕质（参见恭图升3厦）。滴图脸3放－丸地质雷达探测乱原理示意图椅4.俗2躁优缺点及使用幕范围牺目前国内还没禁有为隧道超前以地质预报而专铸门设计制作的柳地质雷达，仪标器密封性差，窃洞内不易防水顺、防潮、防尘折、易造成仪器礼损坏，特别是塔没有专门的天忆线，操作起来线费时费力，且救效果不好。神歌探测距离太短平，一次只能探尊测拘5醋～裙30m膊，与目前隧道商每天开挖接丈近据1浮0海～错20m欺的速度极不匹现配。太此隧道内的地质弄环境条件与地萍质雷达的理论勾基予础棚—衣—挖半无限空间不底吻合，加之洞杠内钢拱架、钢野筋网、锚杆、微等金属构件的酱影响，探测结引果一般不太理逝想。稿董就目前的技术筑水平而言，地矿质雷达采用高驰频率的天线作丑为隧道混凝土醉衬砌质量无损由检测的手段仍单是比较合适的享。虚衔地质雷达在地反表探霉测途5龄～显30m驻范围的地下地往层或地质异常央体（溶洞、土群洞、断裂、孔嘴隙等）反射信杀号还是比较明淡显的，也是一稠种比较理想的撇手段；灰岩地爹区隧道铺底前届采用中～低频股率的天线作为棚探明隧道底隐答伏岩溶洞穴底找手段仍是大家侵经常采用的。笛刮岩溶重点发育钥地段，有时也熟用地质雷达对覆掌子面前方和姐边墙外侧岩溶膀洞穴进行探测舞。淘5尼、超前探水孔目钻探饿5.并1猫预报原理蓄超前地质钻孔夜是利用水平钻拘机在隧道掌子椅面进行水平地陕质钻探获取地疲质信息的一种剂地质超前预报府方法。5.2优缺点猴可比较直观地池告诉我们钻孔显所经过部位地痒地层岩性、岩航体完整程度、损裂隙度、溶洞蠢大小、有没有修水以及可测水肃压高低等。容驶煤系地层可进黎行孔内煤与瓦搞斯参数测定，腥采取适宜防止贸措施，葵防止煤与瓦斯榜突出危险性。尽味与物探方法相延比，它具有直槐观性、客观性禾。不存在物探巨手段经常发生弯地多解性、不居确定性。廉时费用高、占用座隧道施工时间槐长，且资料只狗是一孔之见，镰理论上讲，由裹于溶洞发育地胞复