超前地质预报技术

1、 隧道超前地质预测预报技术隧道超前地质预测预报技术及其应用及其应用一、超前地质预测、预报的重要性一、超前地质预测、预报的重要性二、超前地质预测、预报的常用技术二、超前地质预测、预报的常用技术三、超前地质预测、预报的应用三、超前地质预测、预报的应用工程实例工程实例四、结论四、结论1、由隧道工程的本身的特点及社会的发展决定（以人为本）2、由当前隧道工程的水文地质条件决定3、由隧道技术发展条件决定 1） 隧道工程地质的不可探明性 2）当前隧道工程的施工现状 隧道施工的难度越来越大 隧道施工的要求越来越高 隧道施工的工期越来越紧 隧道施工的单价越来越低 隧道的施工离不开超前地质预测、预报，隧道施工需要

2、高水平的超前地质预测、预报技术 隧道工程的工程地质环境和水文地质环境越来越复杂（突破隧道工程禁区宜万铁路突破隧道工程禁区宜万铁路）复杂地质条件下隧道的各种地质灾害越来越频发隧道事故造成的人员物质损失越来越严重（宜宜万线（万线（1 1）20062006年马麓箐隧道年马麓箐隧道1111人；（人；（2 2）20072007年野山关年野山关9 9人；（人；（3 3）20082008年马年马麓箐隧道麓箐隧道5 5人人） 为了防治地质灾害，保证施工安全，需要高水平的超前地质预测预报 成熟的传统工程地质方法 对于工作区的岩石、构造、地下水有一个初步的了解。 各种先进的超前预报设备 主要有包括TSP、TGP、

3、地质雷达、超前水平钻、红外探水、地表浅层物探技术在内的设备大量使用。 日益完善的超前地质预报体系 主要是各种解译技术、分析技术的成熟。1、工程区内的宏观地质调查 主要是常规的工程地质工作2、伴随工程的超前地质预报 TSP超前预报技术 TGP超前预报技术 地质雷达探测技术 超前水平钻 隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报， 以深入的地面地质调查为基础， 通过区域不良地质分析方法， 宏观预报洞体施工可能遇到的不良地质类型、 规模、大约位置和方向， 宏观预报施工地质灾害的类型和发生的可能性。 宏观预报是施工地质灾害超前预报不可或缺的基础、是第一道工序。这其中设计资料是十分重要的。 地层地质调查 地质构造

4、调查 水文地质调查 岩溶地质调查 煤系及软弱底层地层调查 岩浆岩侵入体调查 地层岩石方面的标志 地下水方面的标志 构造方面的标志 物探方面的标志 为下一步的超前地质预报工作打下一个坚实的基础 1）TSP-203+TSP-203+超前地质预报探测超前地质预报探测 TSPTSP（Tunnel Seismic PredictionTunnel Seismic Prediction，隧道地震勘探）。，隧道地震勘探）。 最大优点最大优点： （1 1）探测距离远（可达隧道隧洞掌子面前方探测距离远（可达隧道隧洞掌子面前方300300500500米米, ,有有效预报距离效预报距离100100150150米）；

5、米）； （2 2）分辨率高（最高分辨率为）分辨率高（最高分辨率为1 1米）；米）； （3 3）抗干扰能力强（基本不受干扰）；抗干扰能力强（基本不受干扰）； （4 4）影响施工很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时）影响施工很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅用间仅用4545分钟）。分钟）。 工作原理：工作原理：地震反射波技术（地震反射波技术（Tunnel Seismic PredictionTunnel Seismic Prediction）即）即TSPTSP技术。如光波在镜面发生反射一样，岩体中传播的技术。如光波在镜面发生反射一样，岩体中传播的地震波在断层构造破碎带、不同岩性接触带、软

6、弱岩层地震波在断层构造破碎带、不同岩性接触带、软弱岩层带、以及岩溶发育带等界面发生反射、绕射和散射，发带、以及岩溶发育带等界面发生反射、绕射和散射，发生波型变换、衰减、干涉等现象。生波型变换、衰减、干涉等现象。现有的设备有代表性的有：现有的设备有代表性的有： TSPTSP（202202、203203、203+203+）超前预报系统、目前，）超前预报系统、目前，TSPTSP共开发出共开发出TSP-201,TSP-202TSP-201,TSP-202和和TSP-203TSP-203共三个系列，其中共三个系列，其中TSP-202TSP-202和和TSP-203TSP-203在国内外最为普及。在国内外

7、最为普及。TSP-202TSP-202和和TSP-TSP-203203的最主要区别在于成果的解译手段和精度。的最主要区别在于成果的解译手段和精度。 TSP-203： 为智能解译型，又称“普及型”。它首先通过设备软件求得各种不良地质体的不同的物理参数，然后通过解译人员对各种不良地质体相对可能具有的物理参数之理解，对成果图反映的不良地质体的性质、类型，位置和规模进行解译；由于物理参数不可能完全、准确地反映不良地质体的性质、类型；所以，一般地说，解译效果一般，预报的精度偏低。但它具有解译技术要求低的优点（类似智能型相机），所以较适合解译水平一般的技术人员使用；因此，又称“普及型” TSP能解决的主要

8、技术问题： 预报掌子面前方的断层破碎带、软岩、岩溶陷落柱等不良地质体的性质、位置和规模； 预报涌水量大于5米3/h以上的富水地质体和老窑、老崆等采空区的存在、位置和规模； 预报煤系地层的边界和其中的煤层、富水砂岩； 粗略地预报围岩级别（类别）； 定性地预报发生塌方、突泥突水等施工地质灾害的危险性。 TSP的主要技术指标： 探测距离一般为掌子面前方300500米，最大可达1500米；但有效预报距离一般为掌子面前方100米，水平水平较高者，可达150 200米。 最高分辨率为1米地质体； 水平较高者，预报不良地质体位置的精度可达90%以上； 水平较高者，预报不良地质体规模的精度可达85%以上。2）

9、TGP206 仪器系统仪器系统 当前国内普遍采用的当前国内普遍采用的TGP206隧道地质隧道地质超前预报系统超前预报系统(TGP即即Tunnel Geology Prediction的英文缩写，以下简称的英文缩写，以下简称TGP206)是北京市水电物探研究所专门为隧道及地下是北京市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的技术成果。工程施工超前地质预报研制开发的技术成果。该仪器同进口该仪器同进口TSP203相比具有操作简单，相比具有操作简单，耗材价廉，可准确预报隧道掌子面前方耗材价廉，可准确预报隧道掌子面前方150m范围内的不良地质条件。范围内的不良地质条件。 2）TGP20

10、6 仪器系统仪器系统 工作原理工作原理 2）TGP206 仪器系统仪器系统 探测方法原理：隧道地震波超前预报方法是利用地震波在不隧道地震波超前预报方法是利用地震波在不均匀、不连续地质体界面产生反射，实现隧道地质超前预报的均匀、不连续地质体界面产生反射，实现隧道地质超前预报的目的。目的。地震波震源采用小药量炸药在隧道边墙的风钻孔中激发产生，激发炮孔在洞壁一侧沿直线布置，一般采用24个炮孔激发，激发炮点的数量与采集的地震波信息量有关。地震波的接收器安置在孔中，采取左右洞壁各布置一个接收器的原则。地震波在岩体中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗存在差异的界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或

11、岩溶发育带等，一部分地震信号会反射回来，一部分信号会透射进入前方介质继续传播，在传播过程中重演着反射与透射的不断过程，陆续反射回来的地震波信号被高灵敏度的地震检波器接收。地震反射波信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成地震反射波信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过采集地震，分析各种波型的传播的时间、波形反比，因此通过采集地震，分析各种波型的传播的时间、波形特征和强度变化，实现预报隧道掌子面前方地质条件的目的。特征和强度变化，实现预报隧道掌子面前方地质条件的目的。 2）TGP206 仪器系统仪器系统。TGP206隧道超前地质预报系统包括仪器设备、配件和处理软件三部分。

12、 采集与控制的电路安装在防静电、防电磁干扰、防水的美国采集与控制的电路安装在防静电、防电磁干扰、防水的美国进口精密仪器箱体内。具有强抗干扰和适应隧道恶劣环境的性能进口精密仪器箱体内。具有强抗干扰和适应隧道恶劣环境的性能TGP12TGP12型预报仪器主机型预报仪器主机国外安伯格国外安伯格 TSP203TSP203 TGP12 TGP12隧道地质超前预报系统的接收传感器隧道地质超前预报系统的接收传感器三分量精密高保真的性能，保证地震波信息采集三分量精密高保真的性能，保证地震波信息采集TGP TGP 型预报仪器采用进口减震包装箱型预报仪器采用进口减震包装箱TGP TGP 型预报仪器采用进口减震包装箱

13、型预报仪器采用进口减震包装箱 TGPTGP观测布置与采集技术观测布置与采集技术4 4个接收孔的布置个接收孔的布置2 2个接收孔的布置个接收孔的布置炮检互换方式炮检互换方式空间相关归位空间相关归位TGPTGP采集技术采集技术 激发激发少量炸药开路触发方式少量炸药开路触发方式克服雷管延时误差克服雷管延时误差安装炸药爆炸孔水柱激发孔充水激发孔充水产生高频波产生高频波激振力强激振力强降低管波干扰降低管波干扰（1）原始三分量地震波记录图现场原始三分量地震波记录的质量是软件数据处理和获得高质量预报成果的关键基础。对原始三分量地震波记录质量的评价。 安装炸药主要从以下4个方面进行分析： 有效地震波是否具有高

14、信噪比； 三分量接收器采集的纵波与横波是否清晰和具有良好的分离特征； 原始地震波采集的触发时间误差； 原始记录中干扰波的分布与类型。 （2） 相关偏移归位图 相关偏移归位的处理原则是基于隧道地震波观测装置的布置方向，与探查界面为非平行，而且为大角度关系，因此在界面上反射段长度很短，处理中采用等效点状的绕射波归位方法具有合理性。偏移归位的图形在足够宽度内形似月牙状，由于成果图尺寸的关系往往呈现出半月牙图形。半月牙图形的颜色用不同色差，利用色差浓度强来寻求反射段（点）的位置。 半月牙图形色差浓度的强点位置表示反射段（点）的位置，由强点位置作月牙弧形的切线与隧道轴线相交，交点表示反射面在隧道的位置，

15、切线表示反射面（例如：地质构造面、结构面或岩溶发育的洞壁）与隧道的夹角关系。 相关偏移归位图由两种类型的波（纵波与横波），经过处理获得。分别是：纵波Vp全断面偏移图；横波Vsh全断面偏移图；横波Vsv全断面偏移图。纵波偏移成果和横波偏移成果对于同位置段地质界面的反应，来源于地质界面附近岩体介质的物性。 安装炸药（3） 综合地质构造产状成果图相关偏移归位成果让预报人获得了反射面与隧道的夹角关系，和反射面延展到隧道围岩的里程位置。 安装炸药（3） 综合地质构造产状成果图相关偏移归位成果让预报人获得了反射面与隧道的夹角关系，和反射面延展到隧道围岩的里程位置。 安装炸药（3） 综合地质构造产状成果图相

16、关偏移归位成果让预报人获得了反射面与隧道的夹角关系，和反射面延展到隧道围岩的里程位置。 安装炸药 3）地质雷达超前探测）地质雷达超前探测 地质雷达地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称简称GPR)方法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技方法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。一套完整的地质雷达通常由雷达主机、超宽术。一套完整的地质雷达通常由雷达主机、超宽带收发天线、毫微秒脉冲源和接收机以及信号显带收发天线、毫微秒脉冲源和接收机以及信号显示、存贮和处理设备等组成。示、存贮和处理设备等组成。 4）超前水平钻）超前水平钻 1、强风化带可溶性岩中隐伏含水构造预测 2、

17、可溶性岩中隐伏含水溶洞预测 3、不可溶性岩地区含水构造裂隙预测 由于右线发生突泥事故，为了保证左线的施工安全，特对左线掌子面前方进行超前地质预报。 采用的手段： 工程地质调查 TSP-203超前预报探测 物质场空间场分析法 根据上述超前预报结果，现场采用了相应的处理措施，避免了突泥事故的再次发生，减少施工支出1700万元。 在隧道掘进超前水平钻探测的过程中，发现了含有黑色细纱地下水喷射而出，为了保证隧道施工的安全，对掌子面前方进行了超前地质预报。 采用的手段： 工程地质调查 TSP-203超前预报探测（多个掌子面进行） 超前水平钻 由地表和隧道围岩均为可溶性岩石，结合该地区的地质构造，可初步推

18、断该地区具备隐伏岩溶发育条件。 由超前水平钻资料超前水平钻探获得的含有表面被黑色腐殖质包裹的细沙的地下水，可以初步断定掌子面前方有外源性的地下水，且地下水的赋存空间较大，积水较深。 由TSP-203超前预报探测资料可以探得再掌子面前方，隧道中线的下10m的范围内，发现3个较大型椭圆形波速降低区，降低幅度达到21%30%，初步推断为岩溶不良地质构造，且均与隧道斜交 ，其距离掌子面的距离和超前水平钻的距离折算后相吻合。 、现在迂回导坑进行注浆止水，然后观测正洞和平导的出水情况。 、然后再在平导进行注浆止水，然后观测正洞和迂回导坑的出水情况。 由此方法断定该溶洞的水流方向是由平导经正洞流向迂回导坑。 根据上述超前预报结果，现场采用了相应的处理措施，避免了突水事故的发生，减少施工支出2300万元。 苍岭隧道于隧道左线发生的突水。突水首先在掌子面的左上拱角的施工钻孔处发生，具有一定的承压性，水质清澈，无泥沙等物质。为了保证隧道施工的安全，对掌子面前方进行了超前地质预报。 采用的手段： 工程地质调查 TSP-203超前预报探测 超前水平钻 根据现场工程地质调查，该段围岩是不溶于水的凝灰岩。 控制性的构造是在现代构造应力场的作用下，发生张性变化的、延伸很长的剪性节理。 超前钻孔中涌出