公路隧道超前地质预测预报技术

1、公路隧道超前地质预测预报技公路隧道超前地质预测预报技术术主讲人：汪主讲人：汪 波波西南交通大学西南交通大学20102010年年0707月月2525日日隧道地质隧道地质超前预报超前预报广义：广义：狭义狭义：工程可行性阶段、勘察设计阶段和工程可行性阶段、勘察设计阶段和施工阶段的预报。施工阶段的预报。隧道施工期的超前地质预报隧道施工期的超前地质预报 根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果，地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果，结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人

2、员地质经验，结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道前方可能遇到的不良地质体及由此可能引发的地质灾害对隧道前方可能遇到的不良地质体及由此可能引发的地质灾害的性质、分布位置、规模的预测。的性质、分布位置、规模的预测。隧道施工期超前地质预报的定义：隧道施工期超前地质预报的定义：隧道地质超前预报概论隧道地质超前预报概论u深埋长大隧道深埋长大隧道u地质复杂隧道地质复杂隧道u水下隧道水下隧道u可能存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、岩爆、瓦斯突可能存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、岩爆、瓦斯突出等工程地质灾害的隧道出等工程地质灾害的隧道u覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道覆盖

3、层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道u可能因开挖造成环境生态破坏的隧道可能因开挖造成环境生态破坏的隧道 由于可行性研究阶段和勘察阶段投入的限制，依据既有由于可行性研究阶段和勘察阶段投入的限制，依据既有地质资料和有限的钻孔地质资料、水文地质资料、物探资料地质资料和有限的钻孔地质资料、水文地质资料、物探资料及钻孔岩石岩心物理力学试验资料做出的施工设计与实际不及钻孔岩石岩心物理力学试验资料做出的施工设计与实际不符的情况经常出现，隧道地质超前预报在下列情况下显得尤符的情况经常出现，隧道地质超前预报在下列情况下显得尤为重要：为重要：预预测测地地质质剖剖面面实实测测地地质质剖剖面面隧道地质超前预报

4、的主要内容包括：隧道地质超前预报的主要内容包括：l断层及其影响带和节理密集带的位置、规模和性质l软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质l岩溶发育位置、规模及其性质l不同岩类间接触界面的位置l工程地质灾害可能发生的位置及规模l隧道围岩级别变化及其分界位置l不同风化程度的分界位置l不良地质体（带）成灾的可能性l隧道涌水的位置、水压及水量l隧道围岩级别的变化及分布隧道地质超前预报的主要方法有隧道地质超前预报的主要方法有u正洞地质素描正洞地质素描u超前水平钻孔法超前水平钻孔法u超前导坑法超前导坑法u声波测试声波测试u红外探水红外探水u电磁波法电磁波法u弹性波法弹性波法地质类地质类物探类物探类地质法超前

5、地质预报地质法超前地质预报 该方法根据隧道洞内外调查结果和隧道施工期掌该方法根据隧道洞内外调查结果和隧道施工期掌子面地质条件调查结果，如岩体结构面产状及发育情子面地质条件调查结果，如岩体结构面产状及发育情况、岩体破碎程度、岩石变质程度等变化特征，通过况、岩体破碎程度、岩石变质程度等变化特征，通过地质作图及构造相关性分析，由地面构造产状推测其地质作图及构造相关性分析，由地面构造产状推测其在地下隧道穿越深度位置的出露位置，由掌子面岩体在地下隧道穿越深度位置的出露位置，由掌子面岩体结构面产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质结构面产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度推测掌子面前方可能出现的

6、构造及其性质，进行程度推测掌子面前方可能出现的构造及其性质，进行超前预报。内容包括：掌子面前面是否存在断层、不超前预报。内容包括：掌子面前面是否存在断层、不同围岩类间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失同围岩类间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏形式等。稳破坏形式等。预报过程预报过程3.3 3.3 超前水平钻孔超前水平钻孔 通过钻速测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯通过钻速测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯鉴定等来确定掌子面前方地层的展布、岩石的软鉴定等来确定掌子面前方地层的展布、岩石的软硬程度、岩体完整性、可能存在的断层、空洞的硬程度、岩体完整性、可能存在的断层、空洞的分布位置，从而进行地质

7、超前预报。分布位置，从而进行地质超前预报。钻钻速速高：软质岩高：软质岩低：硬质岩低：硬质岩卡钻：节理裂隙发育或断层破碎带卡钻：节理裂隙发育或断层破碎带急剧加快：空洞急剧加快：空洞岩芯采取率岩芯采取率低：节理、裂隙发育，岩石完整系数低低：节理、裂隙发育，岩石完整系数低高：节理、裂隙不发育，岩石完整系数高高：节理、裂隙不发育，岩石完整系数高确定不同岩性地层在掌子面前方的分布确定不同岩性地层在掌子面前方的分布状况，以及不同岩性地层在轴线上的长状况，以及不同岩性地层在轴线上的长度。度。岩芯鉴定岩芯钻机岩芯钻机缺点：缺点：l成本高l速度慢l影响工期l探测结果仅为一孔之见，难以形成面l遇软弱岩层取芯困难l

8、对岩溶隧道布孔位置带有偶然性l遇水或瓦斯地层时会遇到意想不到的问题3.4 3.4 电磁波（地质雷达）法电磁波（地质雷达）法 该法采用连续扫描电磁波反射曲线的叠加，利用电磁该法采用连续扫描电磁波反射曲线的叠加，利用电磁波在掌子面前方岩层中的传播、反射原理，根据测到的波在掌子面前方岩层中的传播、反射原理，根据测到的反射脉冲波走时计算反射界面距施工掌子面的距离。反射脉冲波走时计算反射界面距施工掌子面的距离。 地质雷达法是目前分辨率最高的地球物理方法，但其地质雷达法是目前分辨率最高的地球物理方法，但其预报距离短，且易受洞内机器管线的干扰，目前多用于岩预报距离短，且易受洞内机器管线的干扰，目前多用于岩溶

9、洞穴、含水带和破碎带的探测预报。溶洞穴、含水带和破碎带的探测预报。l岩溶探测岩溶探测 岩溶与其周围的介质存在着较明显的物性差异，尤其是岩溶与其周围的介质存在着较明显的物性差异，尤其是溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。这些充填物一般是碎石土、水和空气等，这些介质与可溶性这些充填物一般是碎石土、水和空气等，这些介质与可溶性岩层本身由于介电常数不同形成电性界面。岩层本身由于介电常数不同形成电性界面。 当有岩溶发育时，反射波波幅和反射波组将随溶洞形态当有岩溶发育时，反射波波幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现出一定的变化。一般来

10、说，溶洞雷达图像的变化横向上呈现出一定的变化。一般来说，溶洞雷达图像的特征是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间，即界面的特征是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间，即界面反射是强反射，且常伴有弧形绕射现象反射是强反射，且常伴有弧形绕射现象;溶洞内的反射波则溶洞内的反射波则为弱反射为弱反射:低幅、高频、波型细密，但当溶洞中充填风化碎低幅、高频、波型细密，但当溶洞中充填风化碎石或有水时，局部雷达反射波可变强。石或有水时，局部雷达反射波可变强。岩溶带雷达波形岩溶实际照片 富水带是含水量大的岩体区域，在隧道开挖后富水带是含水量大的岩体区域，在隧道开挖后很可能产生涌水现象，水的相对介电常数较大，很可能

11、产生涌水现象，水的相对介电常数较大，当岩体含水量较大时，介质的介电常数有较大的当岩体含水量较大时，介质的介电常数有较大的增大，而电磁波在介质中的传播速度则会降低，增大，而电磁波在介质中的传播速度则会降低，这样反射波表现这样反射波表现较强的正峰异常较强的正峰异常，同出现，同出现强反射强反射，有时亦会内产生有时亦会内产生绕射绕射、散射散射现象，导致现象，导致波形紊乱波形紊乱，频率成分由频率成分由高频向低频剧变高频向低频剧变。l富水带探测富水带探测 在完整岩石与断层破碎带接触界面的两侧，由于破碎带内岩石的孔隙度和含水率均比完整岩石要大，而孔隙度和含水率对介质的介电参数等有较大影响，这就造成接触带两侧

12、存在一定的波阻抗差异，致使电磁波在穿过界面进入破碎带内后其反射波能量增强、波形幅值增大，穿过破碎岩层时视其胶结程度而使得波形比较杂乱。 在雷达剖面上的波场特征为:地层反射波发育地层反射波发育，同相轴同相轴错断错断，反射波振幅能量明显增强反射波振幅能量明显增强，电磁波频率发生变化电磁波频率发生变化，有时候会出现断面波、绕射波。因此，根据地质需达的波形特征及相关地质资料，可以判明破碎带的厚度以及它与完整岩石的界面。l断层破碎带探测断层破碎带探测断层破碎带波形断层破碎带实际照片l裂隙密集带探测裂隙密集带探测 裂隙密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱裂隙密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层

13、中，由于裂隙内有不同成分、不均匀的充填物，夹层中，由于裂隙内有不同成分、不均匀的充填物，与周边围岩形成电性差异，因此具有采用地质需达探与周边围岩形成电性差异，因此具有采用地质需达探测岩体中裂隙存在的地球物理基础。测岩体中裂隙存在的地球物理基础。 当需达电磁波传播到裂隙表面时，会产生当需达电磁波传播到裂隙表面时，会产生较强的界较强的界面反射波面反射波，同相轴的连续性同相轴的连续性反映了裂面是否平直、连反映了裂面是否平直、连续续;在穿越裂隙的过程中会产生在穿越裂隙的过程中会产生绕射、散射、波形杂绕射、散射、波形杂乱、波幅变化大乱、波幅变化大，反映出裂隙内充填物的不均匀性。，反映出裂隙内充填物的不均

14、匀性。3.5 tsp/tgp3.5 tsp/tgp法法采用采用tsp/tgptsp/tgp进行超前地质预报，其原理主要应用震动波的回声原进行超前地质预报，其原理主要应用震动波的回声原理，现场实施时先在隧道左侧或者右侧布置理，现场实施时先在隧道左侧或者右侧布置18182424个爆破点，各爆个爆破点，各爆破点孔深破点孔深1.5m1.5m，间距，间距1.5m1.5m，成直线排列，作为爆破震动声源，并在，成直线排列，作为爆破震动声源，并在爆破点以外距离爆破点以外距离20m20m处布设接收炮孔，接收孔深处布设接收炮孔，接收孔深2.0m2.0m，与爆破孔成，与爆破孔成一条直线，接收孔可在隧道一侧或双侧进行

15、设置，如下图所示。爆一条直线，接收孔可在隧道一侧或双侧进行设置，如下图所示。爆破孔及接收孔布置好后，在爆破孔内安放雷管进行爆破以激发震动破孔及接收孔布置好后，在爆破孔内安放雷管进行爆破以激发震动声源，在接收孔内安放接收器以采集岩体内的震动波传播情况，整声源，在接收孔内安放接收器以采集岩体内的震动波传播情况，整个数据采集过程均由专业软件进行。个数据采集过程均由专业软件进行。采用采用tsp/tgp法进行地质超前预报的设备法进行地质超前预报的设备tsp系列系列tgp 206tgp 212tgp系列系列tsp 200tsp 203tsp 203 plus进口进口国产国产tsp203 plustsp20

16、3 plustsp/tgp使用步骤：使用步骤：（1）布设炮孔，埋设检波器）布设炮孔，埋设检波器（2）起爆，记录地震波数据）起爆，记录地震波数据（3）数据处理，给出预报结果）数据处理，给出预报结果泊松比泊松比密度密度弹性模量弹性模量检波器检波器l 数据记录数据记录预报距离预报距离200m预报距离预报距离100m纵波偏纵波偏移图移图纵波反射层面提取图纵波反射层面提取图tgp 206测试结果围岩物性参数围岩物性参数纵波偏移图纵波偏移图岩石节理面提取成果岩石节理面提取成果tsp 203测试结果3.6 3.6 涌水预报涌水预报涌水视频l 涌水压预报涌水压预报ph 折减系数围岩渗透系数10-210-310

17、-410-510-610-7折减系数0.9-0.80.8-0.70.7-0.30.3-0.10.1-00l 涌水量预报涌水量预报 1)水理统计法水理统计法: 将河流枯水期单位流域集水面积上之径流量视为是隧道通过地区地下水的单位面积径流量,且在此范围内之地下水都流入隧道内,因此隧道之总涌水量可以近似地认为等于隧道集水面积乘以枯水期地表水之径流量。此法在有河流枯水期流量记录处最为适用。 2)水平衡法水平衡法 该法为水文和环境分析中最常用的工具和手段根据水平衡原理,查明隧道施工期水平衡各收入、支出部分之间的关系进而获得施工段的涌水量。当施工地段地下水的形成条件较简单时,采用水平衡法有良好的效果,如分

18、水岭地段、小型自流盆地等。但是,使用水平衡法计算时,由于天然水平衡场受到矿坑采动等因素的影响,使渗入系数、均衡期、最大涌水量起峰期等参数难于确定。3）解析法）解析法 利用地下水动力学原理地下水动力学原理计算隧道涌水量，包括稳定稳定流理论和非稳定流理论流理论和非稳定流理论，主要在基岩地区采用。此外，根据这些理论,人们研究出了许多隧道涌水量预测的经验公式,具有快速实用的特点。4）比拟法）比拟法 比拟法应用类似的隧道水文地质资料来计算,立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致。比拟法适用于已开工隧道,通过导坑开挖的实测涌水量推算主坑涌水量通过导坑开挖的实测涌水量推算主坑涌水量,或用主坑已开用主坑已开挖地段之实测涌水量推算未开挖地段之涌水量挖地段之实测涌水量推算未开挖地段之涌水量的方法。此法系在地质比较均匀,比拟地段的水文地质条件相似,且涌水量与隧道体积成正比的条件下进行的。数值分析法数值分析法地下径流模数法地下径流模数法非线性理论方法非线性理论方法5）其他方法）其他方法降水入渗法降水入渗法地下径流深度法地下径流深度法地球物理化学法地球物理化学法l 涌水位置预报涌水位置预报1）界面位置预报及地质分析法）界面位置预报及地质分析法 施工期涌水往往与含水构造有关（