超前地質(zhì)預(yù)報方法介紹.doc

2.3 超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報的方法為保證隧道的順利施工，避免地下水發(fā)育地段突水、突泥的發(fā)生，防止地表水、地下水流失，確保隧道施工安全，需要采取有效措施對隧道掌子面地質(zhì)情況進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報，根據(jù)隧道的具體情況，判定超前地質(zhì)預(yù)報內(nèi)容并納入工序管理之中。經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報，在開挖后對地質(zhì)條件再次認(rèn)知，通過對比反饋信息和分析，逐步提高對圍巖的預(yù)報判釋的準(zhǔn)確性。超前地質(zhì)預(yù)報的工作程序參見圖2 超前水平鉆探孔專家評判信息采集收集涌水、涌泥可能性判釋軟巖變形可能性判釋高地溫可能性判釋其他地質(zhì)病害判釋巖爆可能性判釋設(shè)計單位動態(tài)設(shè)計實(shí)施施工對預(yù)報成果進(jìn)行工后確報與復(fù)核洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報圖2 超前地質(zhì)預(yù)報工作內(nèi)容程序圖2.3.1地質(zhì)素描地質(zhì)素描預(yù)測法分為巖層巖性及層位預(yù)測法、條帶狀不良地質(zhì)體影響隧道長度預(yù)測法以及不規(guī)則地質(zhì)體影響隧道長度預(yù)測法三種。對掌子面已揭露出的巖層進(jìn)行地質(zhì)素描（觀察巖石的礦物成分及其含量，結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征和特殊標(biāo)志），給予準(zhǔn)確定名，測量巖層產(chǎn)狀和厚度。測量該巖層距離已揭露的標(biāo)志性巖層或界面的距離，并計算其垂直層面的厚度。將該巖層與地表實(shí)測地層剖面圖和地層柱狀圖相比，確定其在地表地層（巖層）層序中的位置和層位。依據(jù)實(shí)測地層剖面圖和地層柱狀圖的巖層層序，結(jié)合TSP探測成果，反復(fù)比較分析，最終推斷出掌子面前方一定范圍內(nèi)即將出現(xiàn)的不良地質(zhì)在隧道中的位置和規(guī)模。施工過程中，每次爆破后由地質(zhì)工程師進(jìn)行地質(zhì)素描，內(nèi)容包括掌子面正面及側(cè)面穩(wěn)定狀態(tài)、巖層產(chǎn)狀、巖性風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度（產(chǎn)狀、間距、長度、充填物、數(shù)量）、噴射混凝土開裂、掉塊現(xiàn)象、涌水情況、水質(zhì)情況、水的影響、不良?xì)怏w濃度等。同時定期對地表水文環(huán)境進(jìn)行觀測和監(jiān)測記錄，及時了解隧道施工對地表水的影響，確定施工控制措施，最終做出掌子面地質(zhì)素描圖和洞身地質(zhì)展示圖。及時對洞內(nèi)涌水進(jìn)行水質(zhì)分析和試驗(yàn)，提交分析和試驗(yàn)結(jié)果，對影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水質(zhì)提出處理意見，上報技術(shù)部門，以利采取有效的防護(hù)措施。2.3.2超前探測主要針對地下水發(fā)育地段的斷層破碎帶及其影響帶、巖層接觸帶、構(gòu)造及發(fā)育帶2.3.2.1超前物探長距離超前物探：首選方法為TSP203地質(zhì)探測儀（探測距離約200m），對比方法為水平鉆孔超前探測。TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道掘進(jìn)面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)狀況。它是在掌子面后方邊墻一定范圍內(nèi)布置一排爆破點(diǎn)（間距1.5米），進(jìn)行微弱爆破，產(chǎn)生的地震波在隧道前方體內(nèi)傳播，當(dāng)巖石強(qiáng)度發(fā)生變化，界面兩側(cè)巖石的強(qiáng)度差別越大，反射回來的信號、返回的時間和方向差別越大，通過專用數(shù)據(jù)處理軟件處理得到巖體強(qiáng)度變化界面的信號也就越強(qiáng)。返回信號被經(jīng)過特殊設(shè)計的接收器接收轉(zhuǎn)化成信號并進(jìn)行放大，通過專用數(shù)據(jù)處理軟件處理，得到巖體強(qiáng)度變化界面的位置及方位。見TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)現(xiàn)場測試示意圖3。圖3 TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)現(xiàn)場測試示意圖進(jìn)一步具體的來說TSP203 超前地震預(yù)報系統(tǒng)洞內(nèi)爆炸的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的邊墻上，一般情況下，它是一個接收器孔和24 個爆破孔組成。接收器距掌子面約55m，最后一個爆破孔距掌子面約0.5m。爆破孔間距1.5m，孔深1.5m，孔徑1945mm，孔口距隧底約1.0m，向掌子面方向傾斜約12，向下傾斜1220；接收器與第一個爆破孔間距20m，接收器孔深2.4m，孔徑3245mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向傾斜約12，向下傾斜1220。為使接收器能與周圍巖體很好地藕合以保證采集信號的質(zhì)量，采集信號前至少12h 時應(yīng)將一個保護(hù)接收器的接收器套管插入孔內(nèi)，并用含兩種特殊成分的不收縮水泥砂漿使其與周圍巖體很好地粘結(jié)在一起。每個爆破孔裝藥量1240g，根據(jù)圍巖軟硬和完整破碎程度以及距接收器位置的遠(yuǎn)近而不同。若地震情況特別復(fù)雜，有時需要在隧道另一邊墻上也布置一個接收器和24 個爆破孔，通過左右邊墻所測資料的對比分析，得出較為準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。將洞內(nèi)采集的地震數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞覂?nèi)計算機(jī)上，應(yīng)用TSP202 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行地震波分析處理：波形處理、預(yù)報計算、預(yù)報輸出。根據(jù)所掌握的地質(zhì)資料，判斷出巖體強(qiáng)度變化界面節(jié)理密集帶、斷層還是巖性分界面。TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)存在預(yù)報準(zhǔn)確性和預(yù)報精度方面的問題，需要采用其他預(yù)報手段來補(bǔ)充和完善。數(shù)據(jù)處理流程見“數(shù)據(jù)處理流程圖”。數(shù)據(jù)設(shè)置帶通濾波初至波拾取提取處理能量平衡品質(zhì)因素估算反射波拾取P、S波分離速度分析時深轉(zhuǎn)換反射界面抽取 數(shù)據(jù)處理流程圖2.3.2.2水平鉆孔超前探測采用鉆孔超前探測，鉆孔孔徑50mm，鉆孔長度60m，準(zhǔn)確探測前方圍巖的地質(zhì)情況， 并對TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的超前探測成果進(jìn)行驗(yàn)證。在TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的分析基礎(chǔ)上，只能描繪前方圍巖斷層破碎帶的準(zhǔn)確位置、圍巖完整程度及堅硬程度的大致情況，但不能準(zhǔn)確判定含水情況。因此，為了更準(zhǔn)確判定斷層內(nèi)的充填物及含水情況，在距TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的分析的破碎帶界面30米，用水平鉆孔進(jìn)行超前探測。超前探孔每循環(huán)原則上設(shè)3個，鉆孔深度不小于60m，兩循環(huán)之間搭接長度不小于5m。3個探孔中其中一個須采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行取芯，通過對芯樣完整程度的分析及鉆孔速度的快慢、鉆孔出水的清濁及水壓，來判斷對掌子面前方地質(zhì)情況，根據(jù)鉆孔的出水量及水壓可判定前方圍巖的富水情況及涌水可能性的大小。采用超前水平鉆孔可以最直接的揭示掌子面前方的地質(zhì)特征，準(zhǔn)確率很高。采用長短鉆孔相結(jié)合，并結(jié)合其它探測成果，可取得良好效果。超前水平鉆孔采用MK50型地質(zhì)鉆機(jī)施工。探孔布置如圖4所示。根據(jù)預(yù)報及探測的結(jié)果，分析判定圍巖的級別，決定是否采取預(yù)注漿或超前支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)等措施。近距離超前探測：即加深炮眼超前探測，利用在隧道開挖工作面上的炮眼鉆孔來探測前方圍巖的地質(zhì)情況，在每一循環(huán)鉆設(shè)炮眼時布設(shè)35個鉆孔加深13m作為探測孔。圖4 探孔布置示意圖2.3.2.3 探地雷達(dá)地質(zhì)雷達(dá)探測（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）采用電磁波反射原理探測淺層地層的劃分、巖溶、空洞、不均勻體的檢測。儀器將發(fā)射天線和接收天線集于一體，具有快速、無損、連續(xù)檢測、實(shí)時顯示等特點(diǎn)，但在掌子面有水的情況下不宜使用。作為TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的補(bǔ)充，在TSP203預(yù)報異常點(diǎn)，在確定異常體的規(guī)模、性質(zhì)、危害性有困難時，采用探地雷達(dá)作為補(bǔ)充手段，短距離進(jìn)一步探測前方30m內(nèi)的地質(zhì)情況。同時利用探地雷達(dá)對隧道洞底和兩側(cè)的溶洞發(fā)育及巖體破碎情況進(jìn)行探測。2.3.2.4紅外探水紅外探水每20m測量一次。紅外探水儀通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強(qiáng)的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。紅外探水有較高的準(zhǔn)確率，但是它對水量、水壓等重要參數(shù)無法預(yù)報。超前防水預(yù)測預(yù)報：了解掘進(jìn)前方2030m范圍內(nèi)，是否存在隱伏水體、是否存在含水破碎帶。每次防水超前探測預(yù)報需15分鐘。向隧道上方探測、下方探測是確保掘進(jìn)工程安全不可缺少的一環(huán)，其根本原因在于上方或下方都存在承壓隱伏水或含水構(gòu)造，一旦在卸壓時地下水水潰入隧道，將會造成重大災(zāi)害。向隧道兩壁外側(cè)探測：其目的是了解支承頂板的兩個側(cè)壁外緣是否存在空洞，是否存在威脅隧道安全的含水構(gòu)造。其作用有兩個：一是確保當(dāng)前施工安全，二是確保使用期間不出問題。防滯后涌水探測：隧道掘進(jìn)時，雖然當(dāng)時后方不涌水，但不等于以后不涌水，因?yàn)楫?dāng)掘進(jìn)破壞地層結(jié)構(gòu)后，隧道外圍的承壓水，將會突破薄弱地段壓入卸壓區(qū)。根據(jù)探測曲線特征判斷含水構(gòu)造或含水體的潛在危害。紅外探水方法：紅外探測屬非接觸探測，在隧道壁上來定探點(diǎn)，是用儀器的激光器在壁上打出一個紅色斑點(diǎn)。定好探點(diǎn)后扣動板機(jī)，就可在儀器屏幕上讀取探測值。具體做法如下：進(jìn)入探測地段時，首先沿隧道一個壁，以5m點(diǎn)距用記號筆或油漆標(biāo)好探測順序號，一直標(biāo)到終點(diǎn)，或者標(biāo)到掘進(jìn)斷面處。在掘進(jìn)斷面處，首先對斷面前方探測，在返回的路徑上，每迂回到一個順序號，就站到隧道中央，分別用儀器的激光器打出的紅色光斑使之落到左壁中線位置、頂部中線位置、右壁中線位置、底板中線位置，并扣動儀器板機(jī)分別讀取探測值，并做好記錄。然后轉(zhuǎn)入下一序號點(diǎn)，直至全部探完。探測數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)后，由專用軟件繪成頂板探測曲線、兩壁探測曲線。2.3.3常規(guī)地質(zhì)法2.3.3.1 超前上導(dǎo)開挖揭示在級圍巖段采用臺階法施工時，上道坑超前下導(dǎo)坑可達(dá)到50-100米、通過上導(dǎo)坑的開挖揭示隧道圍巖的真實(shí)情況，做好掌子面與側(cè)壁的量測和地質(zhì)素描。主要工作有：對應(yīng)位置的里程樁號、底層巖性特征、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)與產(chǎn)狀及發(fā)育程度、巖體破碎程度與充填情況、洞壁變形破壞特征、突泥與坍方部位。方式與規(guī)模及其隨時間的變化特征。為了確保上導(dǎo)坑的安全施工，必須輔以TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的超前地質(zhì)探測及預(yù)報分析。2.3.3.2洞外實(shí)時監(jiān)測巖溶水地表排泄點(diǎn)檢測包括：天窗、泉點(diǎn)和暗河的水量及動態(tài)、水化學(xué)與同位素化學(xué)變化特征等。地表河流排泄點(diǎn)檢測包括：隧道通過地帶上下游河水流量及動態(tài)、水化學(xué)與同位素化學(xué)變化特征等。擬選35各控制斷面，要求每510天檢測一次。大氣降水與氣溫檢測：隧道所處地段設(shè)35各監(jiān)測控制點(diǎn)，要求每天監(jiān)測。根據(jù)勘測資料以及超前地質(zhì)預(yù)報工作和實(shí)施的洞內(nèi)外監(jiān)測所獲得的資料，進(jìn)行綜合分析，對隧道內(nèi)可能發(fā)生大規(guī)模（高壓）涌（突）水突泥的地段施工方案進(jìn)行設(shè)計。超前地質(zhì)預(yù)報流程見圖5.18。2.3.4巖爆的預(yù)測預(yù)報巖爆是地質(zhì)高應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力突然釋放。在隧道埋深大的地段進(jìn)行巖爆預(yù)測和采取逐步釋放應(yīng)力等措施，確保隧道施工安全。 以超前探孔為主，輔以地震波、電磁波、鉆孔巖性及鉆速測試等手段進(jìn)行分析預(yù)報。結(jié)合開挖面附近巖體的觀察及地質(zhì)素描，分析巖石的動態(tài)特征。 從可能發(fā)生巖爆的地段采集試件進(jìn)行X射線粉晶衍射成份分析、巖爆巖斷口電鏡掃描分析、巖爆巖石力學(xué)試驗(yàn)研究（包括在MTS剛性壓力機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮條件下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程試驗(yàn)、巖性傾向性指數(shù)（wet）測試、卸載條件下巖石變形破裂機(jī)制研究等），并根據(jù)成果指導(dǎo)后續(xù)施工判斷巖爆發(fā)生的可能性。參考有關(guān)資料及類比類似條件工程，預(yù)測巖爆發(fā)生的可能性。2.3.5高地溫段的預(yù)報在設(shè)計預(yù)測的高地溫段，每隔50米在邊墻上打眼（深度為1米），將應(yīng)變式溫度計裝入孔底，采用軟木或泡沫塑料封堵好孔口，進(jìn)行地溫實(shí)測。當(dāng)?shù)販爻^28度，則要采取噴霧降溫措施。2.3.6 地質(zhì)復(fù)勘與補(bǔ)勘隧道施工前，根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑牡刭|(zhì)資料，對施工現(xiàn)場進(jìn)行地質(zhì)復(fù)勘，地質(zhì)復(fù)勘的目的是提供線路及周圍地段系統(tǒng)的地質(zhì)資料，并與設(shè)計資料進(jìn)行核對。地質(zhì)復(fù)勘的工作包括取樣、檢查、地質(zhì)專家對現(xiàn)場的實(shí)地考察。根據(jù)地層變形、植物根系、地下水出露情況、巖石構(gòu)成及其他地質(zhì)線索，建立地質(zhì)系統(tǒng)的構(gòu)造關(guān)系，繪制相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造圖。地質(zhì)復(fù)勘的重點(diǎn)工作對隧道頂附近的陷穴、滑坡、滲水通道、偏壓等進(jìn)行調(diào)查。發(fā)現(xiàn)異常情況時，根據(jù)需要決定是否補(bǔ)勘。隧道地質(zhì)超前預(yù)報之TSPTSP由瑞士安伯格公司研發(fā)，現(xiàn)有TSP200、TSP202、TSP203、TSP203PLUS四種型號,目前TSP203在國內(nèi)應(yīng)用范圍最廣。 TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)是采用地震勘探原理對隧道未開挖區(qū)段地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報的設(shè)備。它是目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報中采用的最新的地球物理探測方法，屬多波多分量地震探測技術(shù)。該技術(shù)主要是在隧道已開挖的左邊墻或右邊墻布設(shè)地震激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，采用固定接收點(diǎn)、改變激發(fā)點(diǎn)的方法采集反射波信號。信號的接收采用高靈敏度的三分量加速度地震檢波器，可以比較準(zhǔn)確的確定反射波的空間位置。運(yùn)用地震勘探原理對所得地震波進(jìn)行處理分析可以分辨隧道開挖面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模，包括軟弱巖石帶、含水情況、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、斷層及其影響帶等，在地質(zhì)情況較好時預(yù)報深度可達(dá)200m左右。TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)還可以計算出圍巖的動態(tài)彈性模量、泊松比、體積模量、剪切模量、拉梅常數(shù)、縱波速度、縱波橫波速度比、密度。結(jié)合圍巖的巖性、含水、節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)面等情況可對圍巖的類別進(jìn)行評估。進(jìn)行TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報可以為確保隧道安全持續(xù)挖進(jìn)，確定隧道施工工藝，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，對前方軟弱巖層予以提前支護(hù)加固，合理變更設(shè)計和施工計劃提供依據(jù)。一、TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報原理通過爆破激發(fā)的地震波在巖石中以球面波形式傳播。地震波遇到巖石界面（波阻抗差異界面，例如裂隙帶、斷層或巖層變化等），有一部分信號反射而另一部分信號將被透射。經(jīng)過一定的傳播時間后，反射信號將被高靈敏度的三分量加速度地震檢波器所接收（地震數(shù)據(jù)采集）。二、TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報操作（一）、TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報布孔要求爆破孔24個孔：孔距1.5米，孔深1.5米；孔高（距地面）11.2米；傾角：向下1020；孔徑：38mm（不小于38mm）傳感器孔兩個，要求：孔深2.0m（不大于2.0m）；傾角：向上510；距地面高度：11.2 m；孔徑：4245 mm（不小于42 mm，不大于50 mm）最后一個爆炸孔距傳感器孔距離：1520 m所需材料：起爆器一個（內(nèi)裝好干電池）；乳化炸藥：3kg4kg；瞬發(fā)電雷管30發(fā)；卷尺一把（5m鋼卷尺和皮尺各一把）注意事項(xiàng)：1、由于圍巖較軟，打孔后容易塌孔，需做好?？坠ぷ鳎缡褂肞VC管支護(hù)。2、爆炸孔盡量不在電纜線一側(cè)。3、爆炸孔布在隧道的左右側(cè)均可。（二）、TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報數(shù)據(jù)處理采集的地震數(shù)據(jù)，利用TSPw