超前地质预报在歌乐山隧道施工中的应用

1、.超前地质预报在歌乐山隧道施工中的应用 第19卷第1期2008年3月 地质灾害与环境保护 JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservation Vol.19,No.1March 2008 文章编号:1006-4362(2008)01-0109-04 祝云华,刘新荣,黄明 (重庆大学土木工程学院,重庆400045) 隧道在施工中不可避免地会遇到诸如溶洞、突水、坍塌等常见的地质灾害,为了将地质灾害影摘要: 响程度降到最低,施工前进行超前地质预报是十分必要的。详细介绍了TSP超前预测预报方法的原理,并以歌乐山隧道为例子,针对该隧道复杂的地质条件,施

2、工过程中采用超前预测预报和红外线探测技术相结合,成功地预报了掌子面前方的地质信息以及隧道涌水情况,工。 关键词:隧道;TSP;施工;超前地质预报 中图分类号:P588.3;U452:1引言 隧道工程设计的基本依据是地质勘察资料,而隧道施工的依据主要是设计文件。大量的隧道工程建设实践表明,由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制,根据地质勘察资料作出的设计与实际不符的情况屡有发生,如岩溶突水、软弱围岩大变形、塌方、沉陷、岩爆、瓦斯突出等,而这些灾害性地质灾害一旦发生,轻则影响施工进度,增加工程成本,重则损毁机械设备,甚至危及施工人员的生命,而且事故发生后的处理工作难度较大,因此给隧道施工带来严重的

3、影响1。近几年,随着隧道工程数量的增加,规模的扩大,遇到的地质条件越来越复杂,这一问题变得更加突出。为了尽量避免和减少地下工程施工中可能出现的地质灾害,在做好地质勘察的同时,采用工程地质方法和超前预报方法相结合,对地下工程前方的地质条件及时和准确地预测是防止施工中突发性灾难、保证施工工期和施工质量的有效措施。 歌乐山隧道属于渝怀高速公路建设中的一个控制性工程,地质条件比较复杂。根据工程地质勘察,该隧道在施工中存在岩溶涌水、断层破碎带界面和围岩局部失稳的可能性。为了保障隧道施工的顺利实施,减少可能出现的地质灾害,在歌乐山隧道复杂地段施工过程中,采用地质调查和物探相结合的超 收稿日期:200720

4、7226改回日期:2007211220 前预测技术,取得了满意的施工效果。 2TSP超前地质预报系统 TSP超前地质预报系统(TunnelSeismicPre2 dictionSystem),是由瑞士安伯格测量技术公司专 门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的,是目前国内外在这个领域最先进的科技成果,属于地球物理探查方法的一种。它具有以下特点:适用范围广,即适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况,探测断层、大的岩性界面等平直地质界面效果较好;预报距离长,理论上能预报掌子面前方500m,考虑地震波干扰等因素能准确预报掌子面前方100350m;对隧道施工干扰小,它只要求在接收信号时为减少噪音干扰

5、作短暂停工;探测时间短,一次完整的探测仅仅需要45min,加上探测前的准备工作和探测以后系统清除所用的时间也不过2h;节约投资费用,据国外隧道施工经验估计,采用TSP法比不进行预报节省费用是全部工程的15%。由于以上等优点,TSP适合长期、长距离和复杂地质条件下超前预报24。2.1预报原理 TSP根据地震波的回波原理制成,人工制造一系列有规则排列的轻微震源,形成一个地震源断面,同时, 三维地震波接收器在计算机的监控下采集这 110 地质灾害与环境保护2008 年 些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遇不良地质体(如地层层面、节理面,特别是断层破碎带界面和溶洞、暗河等)被反射返回的地震波

6、数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的。在一定间隔距离内连续多次采用上述方法,可以得到前方地层的地质力学参数,如杨氏模量和横向变形系数等。现场工程技术人员结合相关的地质资料可以准确地预知前方及周围地质变化状况56。TSP测量原理见图1 。 =1-rAi2v2+1v1 (4) 式中,Ai为入射波振幅;Ar,At为反射波和透射波 振幅;v1,v2为反射界面两侧介质的速度;1,2为反射界面两侧介质的密度;r为界面的反射系数。 当入射波振幅Ai一定时,反射波振幅Ar与反射系数r成正比,而反射系数与反射界面两侧介质的波阻抗v有关,且主要由界

7、面两侧介质的波阻抗差决定,波阻抗差的绝对值越大,则反射波振幅Ar就越大。当介质的波阻抗大于介质的波阻抗,即地震波从较为疏松的介质传播到较为致密的介质时,反射系数r>0,此时,反射波振幅和入射波振幅的符号相同,反射波和入射波具有相同的极性;反之,如果地震波从较为致密的介质传播到较为疏松的介质,此时反射系数r<0,则反射波振幅和入射波振幅符号相反,911。(面向掌子面)的同一水平 图1TSPFig.1ofTSPGeology ForecastSystem 线上从外向里布置一个传感器钻孔和20个炮孔,传 感器钻孔距第一个炮孔20m,炮孔间距15m左右,炮孔高度1m,如图2

8、所示 。 2.2TSP预报方法理论基础 由微弱爆破引发的地震波信号分别沿不同的路径以直达波和反射波的形式到达传感器,与直达波相比反射波需要的传播时间较长78。TSP地震波数据处理的第一步是由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算地震波的传播速度: Vp= T1 (1) 图2TSP测线布置 Fig.2ThemeasurelinedisposeofTSP 式中,X1为爆破孔到传感器的距离(m);T1为直达波的传播时间(s)。 在已知地震波的传播速度,就可以通过测得反射波传播时间来推导出发射事件与接收传感器的距离以及与隧道端面的距离,整个推导过程可由式(2)导出: T2 = VpVp (2)

9、3隧道工程概况 3.1工程地质条件 渝怀铁路歌乐山隧道是渝怀线控制工程之一, 位于重庆市郊,起迄里程为DK1+560DK5+610。隧道全长4050m,大致是东西向展布,地质 式中,X2为爆破孔与反射事件的距离;X3为传感器与反射事件的距离;T2为反射波的传播时间。 地震反射波的振幅与反射界面的发射系数有关,在简单情况下,当平面简谐波垂直入射到平面反射面上时,其上的反射波振幅和透射波振幅分别为: (3)=r Ai2v2+1v1 情况复杂,难以预见因素多,堪称“地质博物馆”。歌 乐山隧道穿过由观音峡背斜形成的中梁山山脉,地层以三叠系嘉陵江灰岩为主,分布于观音峡背斜褶皱两翼,总宽约1100m,其次

10、为三叠系雷口坡组顶部灰岩。嘉陵江组灰岩和雷口坡组顶部灰岩岩层倾角陡立,层间滑动明显,层间滑动断层、构造节理发 111 育,为岩溶的发育提供了有利条件,施工中极有可能出现突泥、涌水、围岩失稳、岩爆、瓦斯等地质灾害,隧道最大理深约280m。3.2隧道水文地质 隧道近垂直穿越中梁山背斜,地层岩性以砂岩、灰岩为主。分布于背斜两翼的嘉陵江组灰岩为强岩溶地层,总长1119m。隧道穿越地区地表漏斗、洼地、溶洞、落水洞、溶沟等溶蚀现象发育。地表有两个较大的水体,分东西两区,东区内主要为大面积水田,南侧有一暗河入口,西区主要为大面积浅水湖泊,有一中型水库与其连通;南侧有一暗河入口。由于地层倾角较陡,地下水与地表

11、出露的泉眼、暗河相互连通,因此地下水极其丰富,施工时最大涌水量达5.3×104m3/d,地下水位高,在洞顶以上220280m,涌水压力最大达2.2MPa。 歌乐山隧道应用TSP2202进行超前地质预测,经历了基本准确(个别点判断错误或漏报)到较为准确的过程。这是因为TSP2202超前地质预测,是通过反射层面的纵波和横波的反射强度的对比,来判断反射层面是否富含水,只能探测到水的存在,而不能体现出水的规模,对前方岩溶水的规模预测还需要通过开挖对比验证分析,来不断修正,以提高预测的准确率。 根据TSP探测结果,掌子面前方150m范围内,围岩纵波平均速度大于2400m/s,密度为1.862.

12、58g/cm3,泊松比为0.230.27。在预报的DK4+560DK4+675段稳定性较差,容易塌方。表1为部分隧道实际开挖揭示的地质情况与超前地质预报结果,从表中可以看出,超前预报与实际施工的地质情况对比分析,采用TSP2202探测系统结果准确,。,超前地质。 ,主要。以歌乐山隧道出口DK4+557+637段为例,采用HY2303红外线探测技术,其探测曲线见图3,从图中可以看出:在距掌子面15m处场强开始出现突变点,越临近掌子面,场强呈较陡的斜率上升,可以据此推断,前方可能富水,而实际开挖情况为掌子面前方5m处有0150.8m宽断层泥,全掌子面富水,水压达1.8MPa,与探测情况基本吻合。

13、4歌乐山隧道超前地质预报分析 歌乐山隧道掘进施工过程中,涌水,通常需建立远期、中长期、络。,TSP2202地震波进行中长期预报,H2303红外线预测进行临前预报,再采用3050m超前探水孔进行准确勘测,探明前方出水点的精确位置,涌水压力、大小,泥沙含量,围岩工程特性等,为制定堵水方案以及设定注浆堵水参数提供全面准确的水文地质资料。 表1TSP超前地质预报与实际开挖情况对照表 Table1ThecomparisonofgeologicconditionbetweenTSPGeologicforestandtheactualexcavation TSP地质预报结果 DK4+708+716灰岩为主,

14、破碎饱水围岩 DK4+605+617围岩稳定性较差,岩溶裂隙型富水带DK4+556+598灰岩为主,岩溶裂隙型富水带DK4+483+507围岩节理发育,富水断层破碎带DK4+405+432围岩较破碎,富水断层破碎带DK4+407+422灰岩为主,局部有渗水 DK4+390+412灰岩为主,围岩完整性较好,有水DK4+365+382,实际开挖情况 DK4+708+716节理发育,围岩破碎,但无裂隙水存在 DK4+616处有0.50.8m宽断层泥,有大股水流出,水压达1.8MPa DK4+574+570段拱部富水,围岩不稳定 DK4+486+484为富水断层破碎带段碎,有大股水流出,水压达1.9M

15、PaDK4+412处有0.50.8m宽断层泥,有大股水流出,水压达2.0MPaDK4+407+422灰岩,右侧拱腰有渗水。围岩级DK4+390+412灰岩与千枚岩互层,围岩较坚硬,有小量水涌出 DK4+365+382,1.9MPa 5结论 地质超前预报包括隧道所在地区地质分析与宏观预报、隧道洞身及围岩不良地质体超前地质预报和重大施工地质灾害临近警报。详细的勘察工作是建立宏观预报的基础,在充分研究勘察设计阶段地质资料的基础上,应考虑其具体的地质情况,采用地质调查和物探等合适的技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行预测。将各种方法与技术有 机结合,合理确定地质超前预测、预报的方法,建立地质超

16、前预测预报系统。只有在宏观预报的指导下,才能发挥各种地质超前预报方法的技术优势,准确、有效地实施洞内不良地质体超前预报和施工地质灾害监测以及临近警报等后续预报工作。 同时,隧道的水文地质条件是制约特长隧道施工的关键,通过歌乐山超前地质预报的工程实践来看,地质超前预报不应要求、也不可能达到完全准确。而且,也不能把超前地质预报全部依靠某一种 112 地质灾害与环境保护2008 年 图3HY2303红外线探测曲线图 Fig.3Thedetectiongraphofray先进的预报方法或者仪器上,或仪器都有其局限性。但是,法,报,有可能的。 参考文献 1赵永贵,刘浩,孙宇.隧道地质超前预报研究进展J.

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