隧道地质超前预报,很好.ppt

1、隧道地质超前预报,长安大学来弘鹏副教授,2010年10月,1目的意义 2主要方法 3超前地质预报实施 4工程实例分析,汇报大纲,隧道工程建设（设计、施工、工期、造价）在很大程度上受地质条件的制约，因此，从这一意义上讲，隧道工程是一种典型的地质工程。特别是在隧道施工过程中，由于开挖所诱发的各类地质灾害具有不可选择性、复杂性、特殊性和突发性，常常成为制约隧道修建的最主要因素。因施工地质灾害使得隧道修建严重受挫的实例在国内外不泛其例。,地质超前预报目的意义,施工前的地质工作由于技术手段和投入经费的限制，加之地质体的复杂性，所取得地质资料往往十分粗略和有限，难以完全满足施工的要求，尤其对于深埋隧道更是

2、如此。,地质超前预报目的意义,在隧道施工过程中，对掌子面前方的地质条件和可能的地质灾害开展超前地质预报，将对隧道的正常施工和顺利贯通发挥举足轻重的作用。成功的预测促使施工及时采取应对措施，防范于未然；反之，则往往在突发的地质灾害面前束手无策，使施工遭受重大挫折。,地质超前预报目的意义,地质超前预报目的意义,变更及优化设计。根据预报结果，即时变更及优化设计。 根据预报结果，即时变更或优化设计，使隧道建成安全、经济和优质工程， 具有显著的经济社会效益；,避免许多因地质情况突变而发生的大坍方、突泥突水 等灾害。坍方、突水等灾害的发生，往往造成伤亡事故，延误工期 的严重后果，尤其象大型的TBM掘进机，

3、超前地质预报更是必不可少， 否则会造成机毁人亡，其经济损失是巨大的，因此超前地质预报 的应用与推广社会经济效益是巨大的。,制定正确的施工组织，可快速施工，缩短或不延误工期。,具体来讲，地质超前预报的目的意义为：,地质超前预报主要方法,地球物理 预测法,地质分析 预测法,综合地质预报方法,地质超前预报主要方法,地质分析预测法,超前水平钻孔,超前导洞(坑)法,断层参数预测法,地面地质调查法,掌子面素描,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,地震反射波方法（长距离预报，100m以上） 瑞士Amberg研制，快速的地震波反射探测技术； 多个微震源，微量炸药产生地震波以球面波形式在岩体中传播； 探测：断

4、层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落带、淤泥等不良地质和界面,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,钻孔,装药,起爆,采集,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,地质雷达（短距离预报，30m以内）,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,陆地声纳法（中长距离预报，50100m以上） 由地震反射法、声波法、探地雷达、水声法等杂交而成； 可以激发和接收5Hz4kHz的信号； 不受汽车、行人、机械振动的干扰，可在闹市区工作，使它有进一步扩大应用的前景。,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,地质超前预报主要方法,地球物理预测法,瞬变电磁法（中距离预报，5080m） 探水

5、的主要方法 利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，产生感应电场。,地质超前预报主要方法,综合地质预报法,典型超前预报手段的适应性,地质超前预报主要方法,综合地质预报法,三结合原则,隧道地质工作、物探技术、水平钻探相结合物探与地质相结合 合理的采取多参数或多种类型仪器组合的预报手段多种方法相互配合; 长、短结合；,地质超前预报主要方法,综合地质预报法,洞内包括： 物探方法：TSP、地质雷达、陆地声纳和瞬变电磁法等超前地质预报方法； 洞内地质调查：包括掌子面地质描述（裂隙及裂隙水发育、裂 充填、岩性等）。 洞外包括： 洞外地质调查（地质构造延伸，岩性变化，水文地质条件，河流发育等）

6、；,洞内与洞外相结合，物探与地质相结合,地质超前预报主要方法,综合地质预报法,长与短相结合，相互配合,地震反射波 预报较大规模溶洞、断层和破碎带较有效的方 法，预报距离100150m； 陆地声纳 在预报锦屏中小型溶洞方面有特效，预报距离 100130m； 地质雷达 在判断不同规模溶洞、断层、破碎带及水都有 较好的效果，预报距离30m左右； 瞬变电磁 预报水仪器，预报距离50m80m； 激发极化 预报水量仪器，预报距离50m。,地质超前预报主要方法,综合地质预报法,地质超前预报实施,地质调查分析法,(l)超前导洞(坑)法 超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正洞，断面

7、小而且和正洞之间有一定的距离，在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过做地质素描图对正洞的地质条件进行预报。采用平行导坑预报的优点是:平行导坑超前的距离越长，预报也越早，施工中就有充分的准备时间，可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减压放水，改善通风条件和探明地质构造条件的作用。采用超前平行导坑进行预报比较直观，精度高，预报的距离长，便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导洞(坑)法则是先沿隧道正洞轴线开挖小导洞(坑)，探明前方的地质情况，再将导洞(坑)扩为隧道断面，其作用与平行导坑相比，效果更好。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷:一是成本太高

8、，有时需要全洞进行平导开挖;二是在构造复杂地区准确度不高。,(2)超前水平钻孔 根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来预报。此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。它是施工预报最有效方法之一，但也存在不足之处:对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差;需占用较长的施工作业时间，费用较高。目前国内采用这种方法进行隧道施工期地质超前预报主要在水工隧道工程中，国外己经较为普遍，英吉利海峡隧道、日本青函海底隧道更是大量采用了超前水平钻孔进行施工期地质超前预报。,地质调查分析法,地质超前预报实

9、施,(3)地面地质调查法 工程地质调查法是隧道地质预报中使用最早的方法。该方法是通过调查与分析地表工程地质条件，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。其调查的内容包括地层与岩性的产出特征、断裂构造与节理的发育规律、岩溶带发育的部位、走向、形态等，预测隧道掌子面前方的不良地质体可能的类型、出露部位、规模大小等，以便隧道施工中采取合理的工艺与措施，避免事故。这种预报方法在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下有很高的准确性，但是在构造比较复杂地区和隧道深埋较大的情况下，该方法工作难度较大，准确性较差。这种方法目前仍在使用。,地质调查分析法,地质超前预报实施,(4)掌子面素描 在设计勘探阶

10、段。一般很难完全详细地掌握围岩实际的工程地质和水文地质情况，也由于时间、人员、资金和自然条件的限制，不可能对隧址区进行密密麻麻的钻孔勘探.这就注定了在实际开挖过程中与勘探成果存在一定的差距.故通过掌子面岩层鉴别、量测、描述和对比。重新判别围岩的类别。提出针对性的施工方案是极为重要的。在每个施工循环过程中，在爆破作业和出渣后，在打眼装药前。对隧道开挖工作面进行详细的地质素描，真实而准确的反映掌子面工程地质情况。,地质调查分析法,地质超前预报实施,(5)断层参数预测法 断层参数预测法的原理是基于前苏联著名地质学家H.C.葛尔比耳的断层影响带理论的一套超前预报隧道隧洞断层的预报方法。该方法是在确定了

11、断层破碎带厚度(宽度)与两个异常带展布厚度(宽度)关系的经验公式以后，应用经验公式超前预报工作面前方隐伏断层的位置和破碎带厚度(宽度)，并且通过断层产状与隧道走向和隧道断面高度及宽度资料预测其影响隧道的长度。在长梁山隧道和新课纳隧道的应用中该方法取得了良好的效果。打眼装药前。对隧道开挖工作面进行详细的地质素描，真实而准确的反映掌子面工程地质情况。,地质调查分析法,地质超前预报实施,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达预报机理 采用地质雷达进行地质预报时，由天线向掌子面发射一组以100Mhz频率为中心的高频电磁波，当电磁波遇到不同电磁性介质分界面（岩溶体边界面）时，一部分电磁波能量会转换成反射

12、波返回掌子面而被天线接收，另一部分能量则透过界面继续向前传播，再次遇到界面（岩溶体另一边界面）时，又一部分电磁波产生反射返回掌子面而又被天线接收。,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达测线布置 为提高测试结果的可信程度，完整的进行全隧道动态预测隧道岩溶灾害，宜采用全里程相接的地质雷达探测与地质法相结合的综合预报方法。首先应用地质雷达对掌子面前方5m35m范围（这个距离可根据实际测试结果而定）的地质情况进行探测，同时结合日常坑道内观察的地层结构、地层岩性的变化，进行综合地质判读分析，做出综合地质超前预报。,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达法,地质超前预报实施

13、,环境要求 针对预报内容及雷达预测机理，我们采用地质雷达进行预测时要充分发挥雷达的长处，规避干扰及人为因素影响，因此现场操作时既要严格按照要求进行，又要充分考虑到掌子面的实际情况。选择隧道洞室内粉尘较小的时候进洞，最好切断雷达测试范围内的电源，不能断电时可增加人力，将雷达传输电缆线抬高或远离带电体。进行掌子面测试时应将台车拉离掌子面，距离以不影响操作人员正常通过为佳。,地质雷达法,地质超前预报实施,天线布设 测试时天线要贴在掌子面上，其布设因时因地而异，大体可分两种，一种是连续测试（即线测试），将天线竖立于从掌子面左侧离地一米处，从左到右匀速平移至右侧，即完成一次测试；另一种是点测试，可在掌子

14、面上多方位进行测试，只要是在一个平整的面上平贴上天线即可测试。布点时建议在拱顶拱脚和掌子面正中均布置至少两个点。,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达参数优化 天线和中心频率：中心频率的选择与天线型号是一一对应的，地质预报为简化操作，减小施工干扰，一般只需要100MHz的屏蔽天线，但地质雷达100MHz的天线实际测试有效距离是530m，也就是说前5m是个模糊区，这在现实中是不容许的，所以我们可以有两种选择，一种是采用100MHz的天线和400MHz的天线共同来完成测试；另一方法为只用100MHz天线测试，但是前后两次测试需搭接上5m，实际每次测试距离根据实际情况再定。现实操作中，采用后一种方

15、法的可行性较大,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达参数优化 测试模式：介于隧道掌子面十分不规则，无法使用测量轮进行测试，只能采用点测试和连续测试（线测试）模式。大量的实验表明，点测试信息量足，每次测试可以预先找到一个较为平整的面，使测试效果较好，但过少的点测试结果会有一定的误导，没有对比性和对岩溶体形状的描绘；相比较而言，线测试因条件不允许，不可能有均匀的走线和平整的面，所以很多时候可能与掌子面贴不实，操作起来也会比较麻烦，但判断起来较为直观。所以一般点测试和线测试在同一掌子面上均有要求，相互比较可得较为准确和全面的结果。,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达参数优化 预报长度：预报长度

16、不是定值，其同介质有密切关系。电磁波在坚硬均匀完整性好的的岩体中传播时，其透射能力较强，当其遇到介电常数相差较大的岩层界面时，电磁波的反射系数较大，天线接收器接受的信号就越强，预报长度可适当放长。根据经验，在灰岩区，有效预报的长度一般为2030m左右（即range选取400ns600ns）。有岩溶充填物时有效长度还会缩短。,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达参数优化 介电常数的选择：介电常数的选择可根据电性参数表来选取范围，但准确值一定要进行现场律定。,地质雷达法,地质超前预报实施,地质雷达参数优化 增益调整：增益调整是根据经验得出的，目前没有一个定值，现场操作中不同的仪器其值也有差异。因

17、此，建议采用原位调整法，就是在掌子面上现场自动增益，获取自动值，再采取手动均化调整，大体跟雷达波的衰减率成反比即可，通过实践总结出，增益幅度在-2060之间。值得一说的是，同一掌子面的增益值要保持一致，方有对比性。,地震反射波法,地质超前预报实施,预报原理 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，一部分信号透射进入前方介质。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TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)

18、和位置及规模。,地震反射波法,地质超前预报实施,地震反射波法,地质超前预报实施,地震反射波法,地质超前预报实施,预报原理 采集的TSP数据，通过TSPwin软件进行处理。SPwin软件处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置带通滤波初至拾取拾取处理炮能量均衡Q估计反射波提取P-S波分离速度分析深度偏移提取反射层。通过速度分析，可以将反射信号的传播时间转换为距离(深度)。处理结果，可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。,地震反射波法,地质超前预报实施,确定测量剖面位置,地震反射波法,地质超前预报实施,确

19、定测量剖面位置,地震反射波法,地质超前预报实施,岩体波速在解译中的应用,岩体波速判译断层破碎带 断层破碎带往往由于结构面发育，岩体松散、破碎或泥化而具有较差的力学性质。与此相对应，断层破碎带的岩体波速较之两侧围岩要低的多。然而仅利用TSP-203系统给出的岩体波速及其分布图是不能确定断层破碎带的存在的，必须和其他TSP-203解译成果相印证，结合其他地质分析方法，才可较为准确的判断掌子面前方TSP-203探测范围内断层破碎带的有无。 可见，利用岩体波速来判译断层破碎带，只能确定出断层可能的位置和宽度，精确定位尚须其他手段相配合。在实际操作中，可先根据岩体波速定性判断几处可能出现断层破碎带的里程

20、，然后再利用深度偏移图像及2D、3D图像加以确认或排除，最后再根据地质资料和地质力学分析而确认下来，形成TSP-203关于断层破碎带的地质超前预报。,地震反射波法,地质超前预报实施,岩体波速在解译中的应用,岩体波速判译含水岩层 利用岩体波速来判译含水岩层主要是依据纵横波对流体介质的不同反应而确定的。纵波通过岩石基质和孔隙流体来传播，当岩石孔隙空间充满水时，含水岩石更容易压缩。因此，含水岩石的纵波速度一般要降低，而横波只通过岩石基质并不通过孔隙空间的流体而传播，横波速度趋于零。相对与纵波速度降低量来说，横波速度降低得更多。主要通过三个途径来确定含水岩层的存在：一是利用Vp Vs值，该值突然增加，

21、表明存在含水岩层；二是利用基于纵、横波计算得出的泊松比，其值增大，表明可能有水；三是利用纵、横波分布图，若图中呈现纵、横波变化走势不同步，表现为纵波和横波都降低，但横波降低幅度更大，则表明在该里程可能有水。这三种途径相互印证，可较准确的判断含水岩层的存在。但无法确定含水岩层中含水体的形状及水量的多少。,地震反射波法,地质超前预报实施,岩体波速在解译中的应用,岩体波速划分围岩级别 在TSP-203超前地质预报报告书中，通常要预报掌子面前方围岩的级别以供施工参考。上述围岩级别的给出是依据岩体波速来确定完成的。根据TSP-203系统给出的岩体波速的绝对数值划分围岩级别，因和实际相差较大而无实际意义。

22、主要是根据岩体波速分布图来划分围岩级别，先将分布图根据变化幅度分段，然后必须参照隧道开挖段的岩体波速大小与其实际围岩级别之间的对应关系，再考虑隧道围岩的工程地质特征，确定出围岩级别。,地震反射波法,地质超前预报实施,岩体波速在解译中的应用,岩体波速划分围岩级别 在TSP-203超前地质预报报告书中，通常要预报掌子面前方围岩的级别以供施工参考。上述围岩级别的给出是依据岩体波速来确定完成的。根据TSP-203系统给出的岩体波速的绝对数值划分围岩级别，因和实际相差较大而无实际意义。主要是根据岩体波速分布图来划分围岩级别，先将分布图根据变化幅度分段，然后必须参照隧道开挖段的岩体波速大小与其实际围岩级别

23、之间的对应关系，再考虑隧道围岩的工程地质特征，确定出围岩级别。,地质超前预报工程实例分析,广西六寨至宜州高速公路,断层破碎带 断层或破碎带处与完整的围岩有较大的差异，且对电磁波的吸收较多。因此，雷达波形在断层破碎带处常形成一条反射波组同相轴不连续带，反射波强度减弱带，波形较宽。,地质超前预报工程实例分析,广西六寨至宜州高速公路,溶洞 溶洞的物性特征是与周边围岩有较大的差异，岩溶填充物稳定性一般较灰岩差，较为破碎，含水量较大，对电磁波的吸收较多，特别是充水型的溶洞。溶洞的边界会形成一个弧形的强反射带。（1）中空干燥型岩溶洞穴，只在边界上有较强的反射界面，成明显的弧形强反射带，整体波形较平缓，波幅

24、较小。,地质超前预报工程实例分析,广西六寨至宜州高速公路,溶洞 淤泥充填型岩溶洞穴，在溶洞边界及溶洞内填充体上均存在强反射，形成强反射面，频谱较低，与淤泥含水量成反比，一般低于75MHz。岩溶区域内波形尖，幅值大，同相轴混乱，溶洞段后的波形长而缓。,地质超前预报工程实例分析,广西六寨至宜州高速公路,溶洞 充水型岩溶洞穴，在溶洞包含区域及溶洞后方区域内均存在很强的反射，且频谱低于50MHz。岩溶区域内波形尖，跨度大而不均，幅值大，同相轴混乱，形成一片超高幅波形区，溶洞段后的波形受水的影响，幅值稍弱，但同相轴依旧混乱，很难确定溶洞段结束位置。,地质超前预报工程实例分析,广西六寨至宜州高速公路,溶洞

25、 串珠型岩溶洞穴。这类溶洞一般不大，多有岩溶管道相连通，充填类型一般相同或相似。此类溶洞的所有小溶洞的边界上均有较强的反射，形成几小片或几个弧形反射带，幅值、波形及频谱与充填物有关。较小的溶洞之间波形一般会恢复正常，同灰岩层的波形特征，有水时一般受影响，强反射会形成一片，很难判断溶洞个数与大小，且第二个及往后的溶洞在确定位置时一般较首个溶洞的误差大。,地质超前预报工程实例分析,太原至佳县高速公路,对比同侧及对侧偏移归位图，结合地质资料分析，发现EZK58+658EZK58+638； EZK58+575EZK58+555两处较为典型，有较强的负反射；且P波反射振幅大,但S波的反射较弱，表明岩层不饱水。,地质超前预报工程实例分析,太原至佳县高速公路,距掌子面024米范围内（即EZK58+585EZK58+561段）雷达反射波较强，预计本段围岩岩性为灰岩及白云岩，稍湿，裂隙、溶隙发育，小溶洞及小构造发育的可能性较大，围岩稳定性较差。,