超前地质预报在某岭隧道施工中的应用

超前地质预报在XX岭隧道施工中的应用摘要XX岭隧道通过地段岩溶发育、水流量大、断层破碎带，地质条件极其复杂。隧道施工在不同的地质段需要采取不同的施工方案和措施，因此超前地质预报在施工中占有重要的位置。本文对XX岭隧道超前预报的必要性，预报的手段和工作原理进行了阐述，并提出了一些在预报中应注意和解决的问题，为隧道施工起到一定的指导作用。1、前言XX高速公路XX岭隧道属于特长大隧道，右线长10007米，左线长9962米，XX高速的重点工程的控制性工程。XX岭隧道穿越15条断层破碎带，破碎带分布长度大，尤其是隧道进、出口段，强构造损伤区FX1、F3断层破碎带分布长度占隧道总长的8.4%。XX岭隧道地下水量十分丰富，K53＋804~K63＋766段隧道的总涌水量为26600m3/d，K53＋804~K58＋650段隧道的涌水量为17161m3/d。XX岭隧道地质情况极其复杂，为保证隧道的安全正常顺利施工，及时有效地采取针对性措施，为动态设计和施工提供理论性指导和依据，必须充分做好超前地质预测预报工作。在XX岭隧道施工中主要采取四种地质超前预测预报手段，即TSP超前地质预测预报、地质雷达超前地质预测预报、超前探水孔钻探和地质描述综合判断。2、采用地质超前预报技术的必要性a.保证隧道施工安全，由于管道岩溶发育的不确定定性和揭露管道岩溶产生大量突泥、涌水而带来的危害性要进行超前地质预报。b.为施工措施提供必要的参数，如地下水压力、水量、管道岩溶的大小、方位及含煤地层的瓦斯参数等。c.地质超前预报可以为隧道施工提供相应的施工参数依据，避免施工参数过大过小造成成本浪费。3、TSP超前地质预报技术TSP隧道地震勘探(隧道超前地质预报系统)引进中国以后，主要应用于铁路、公路隧道和水电系统的导流洞、泄洪洞等隧洞施工中的长期(长距离)超前地质预报工作，应用效果较好，取得的经济效益明显。3.1基本原理与技术状况TGP12是由瑞士安伯格开发生产的，主要用于探测隧道及其他不良地质的地下工程。其基本原理如图1所示：首先，在隧道内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源，震源发出的地震波(主要是P波)遇到地层界面、节理面，特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波(主要是p波的反射波)；反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统(传感器和记录仪)，将这些数据收集，经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反应相关界面或地质体反射能量的映象点图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。该设备主要用于超前预报隧道掌子面前方、上方和下方不良地质的性质、位置和规模，最大探测距离为掌子面前方300～500m(与使用的炸药爆速和探测岩层的岩石力学性质有关)，最高分辨率为≥1m的地质体。图1－TSP隧道地震反射波探测原理示意图3.2实际应用解决的技术问题和指标3.2.1能够解决的技术问题a.能够探测和解译掌子面前方存在的断层、特殊软岩、煤系地层中的煤层、富水砂岩和煤系地层与其他岩层的界线，还可以探测和解译掌子面前方存在的溶洞、暗河、岩溶陷落柱和淤泥带等不良地质体。b.主要是查明上述不良地质的位置和规模，也可以概略地判断不良地质体的围岩级别；但是，围岩级别的准确判断，尚需其它地质工作综合评价才能做到。3.2.2可以达到的技术指标a.对不良地质性质的判断，精度一般可达到基本准确。b.对不良地质位置的判断，精度一般可达90%以上。c.对不良地质规模的判断，精度一般可达85%～90%以上。3.3工程应用中应注意的问题由于探测炸药包爆炸所产生的应力波，在介质中的传播形式及其能量的分配额是不同的(如图2所示)：在靠近爆源3～7倍药包半径的距离内,以冲击波的形式出现，占爆炸能量的60%以上；在距爆源120～150倍药包半径的距离内，以压缩波的形式出现，占爆炸能量的30%以上；直到超过药包半径150倍的距离后，才以地震波的形式出现，只占爆炸能量的10%左右。图2－爆炸应力波及其分布作用范围虽然地震波在介质中的传播稳定，衰减较慢，但由于本身的能量很小，由其所形成的反射波的能量就更微弱，同时地震波在传播的过程中遇到诸如节理、断层、层理或不同性质岩石的交界面等结构面时，只会有其中一部分波从结构面反射回来，另一部分则透射过结构面进入第二种介质继续向前传递。而且地震波在反射时又会再度派生成纵波（Ｐ波）和横波，因此要有效准确地接受到远距离传回来的这部分能量微弱的反射纵波(Ｐ波)，除了传感器本身须具有极高的灵敏度外，在整个探测过程中，传感器还必须采取最佳的接受方式和展布角度（搜索角δ）才能实现。所以必须利用构造地质学和波的播理论，确定传感器正确的位置和接受角度。因此我们现场施工操作中要注意以下几点：a.一个地区空间角γ可通过下式公式计算:γ=|主体地质构造走向优选产床-施工隧道中轴线走向产状|，而搜索角和空间角有如下的关系:δ=900-γ；因此要确定一个地区的合理的搜索角，就必须首先确定该地区的主体结构的优选产状，然后根据它们与施工隧道中轴线的交角求出其特有的空间角，进而确定该地区的合理的搜索角，还应保证将传感器安置在结构面与隧道掌子面前进方向夹角ф大于900的隧道壁一侧。这样就可以最大程度地接受到所要探测的结构面的反射波，尽可能多地采集探测信息，提高探测的距离和精度；b.在进行超长距离准确清晰的探测预报工作时，要延长系统的采样时间和提高地震波在岩石介质中的传播速度。通常的采样间隔时间为：Δt=40µs,采样数目：N=4096；而在超长距离（大于400m）探测中，则将采样时间参数调整为：Δt=80µs，N=4096，则相对应的采样时间为：T=Δt×N=0.3276s。这样就可以为传感器收集更远距离处的结构面反射的P波提供了充足的等待、记录时间；c.要根据现场岩石力学性质，选取合适的探测炸药种类和用量。炸药的爆轰产生的爆轰波在岩石介质中的传播速度为：Ｖ=Ｖ0×Ｋ/（Ｋ+1）；其中V为爆轰在岩石介质中的速度；Ｖ0为炸药爆轰速度；K为绝热指数，对于工业炸药来说，一般为2.8~3.6，多取为3。在规定的时间内，探测距离为：L=V×(T-t0)/2SF-2D；其中L为探测距离；V为爆轰波在岩石介质中的波速；T为采样时间；t0为一段毫秒电雷管的最大起爆时间，一般取0.005s；D为传感器距掌子面的距离，一般取50m；SF为速度折减系数，一般取1.3；在工程施工中可参考表1选取相关的参数。表1不同炸药在不同岩性中的速度与最大探测距离岩石名称炸药实测爆速炸药理论爆速最大探测距离炸药用量（g//孔）V/(m/s))Ｖ0/(m/s))Lmax/m前9个孔后9个孔石英岩605080606502030大理岩580077306202030玄武岩561074805902030花岗岩3970~611005290~81130390~65002030石灰岩3050~611004060~81130280~65002535片麻岩4730~555806300~74440480~59003040片岩455060604603545板岩3660~444504880~59930350~46003545砂岩2440~422703250~56690200~43003040页岩1830~399702440~52290130~390040503.4TGP12较TSP-202、TSP-203的优越性TGP12测量系统是安伯格测量技术公司在TSP-202及TSP-203测量系统基础上研制开发的增强型产品，也是TSP家族中的最新产品。该产品吸取了TSP-202及TSP-203测量系统的丰富经验并对其硬件和软件作了改进和更新，主要表现为以下几个方面：1、TGP12是集放大、转换、采集、存储、控制为一体的全密封防水防震的物探设备；优于利用微机与机箱装配式结构的仪器，TGP12适合在恶劣的隧道环境中使用。2、TGP12的三分量速度型检波器具有高灵敏度，指向性强和较宽的频带响应等特点，拾取的地震波信号具有高的质量品质。TGP12孔中接收检波器采用黄油耦合，方便、经济、快捷。3、TGP12的地震波采集触发是开路触发方式，即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断，信号线同时开路触发仪器采集，仪器采集无延时差，保证定位的准确性。4、TGPWIN隧道地震波处理分析软件充分考虑弹性波在三维空间的传播特点，以及根据TGP12仪器采集的数据格式编写。5、地震反射波极性与衰减参数的综合利用。6、成果的可靠性与原生记录的质量密切相关。7、构造面的产状定位与权重分析功能。8、多重相关分析与适时监测预报功能系统。3.5TGP12现场测试实例在隧道右线YK54＋440～YK54+590段进行了TGP超前地质预报，预报由同、对侧纵横波偏移成果图显示的结果，推测该段围岩较差，裂隙与地下水均较发育，岩体成块状结构，地下水局部存在淋雨状；其中在YK54＋460～YK54+550之间存在断层破碎带，并可能存在有股状涌水。在隧道YK54＋724～YK54+746段进行了TGP超前地质预报，预报同、对侧P波合成位图显示该段波速变化频率大，推测此段围岩较破碎，掌子面岩体多成碎块镶嵌状，次生裂隙发育。且在YK54＋735处波速变化较快，推测在YK54＋735~YK54+746段岩体破碎，同时反射界面图中在YK54＋736处存在反射界面，推测在该处可能存在局部破碎带、岩体节理发育。实际开挖揭示，在YK53＋450－YK53+460段围岩结构破碎，节理裂隙发育，YK54＋460处开始出现断层、在YK54＋495处出现突水。在YK54＋735处岩体破碎，施工到YK54+755后岩体开始区域稳定，目前已通过了该地段施工。预报结果与实际情况基本相同。4、地质雷达超前地质预测预报4.1预报原理地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，利用电磁波以宽带脉冲形式，通过T天线发射电磁波，经由介电性质不同的介质产生反射，由R天线接受并被仪器所记录。根据反射信号的变化特征来推测异常体的几何形态和性质（参见图3）。图3－地质雷达探测原理示意图4.2优缺点及使用范围目前国内还没有为隧道超前地质预报而专门设计制作的地质雷达，仪器密封性差，洞内不易防水、防潮、防尘、易造成仪器损坏，特别是没有专门的天线，操作起来费时费力，且效果不好。探测距离太短，一次只能探测5～30m，与目前隧道每天开挖接近10～20m的速度极不匹配。隧道内的地质环境条件与地质雷达的理论基础——半无限空间不吻合，加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、等金属构件的影响，探测结果一般不太理想。就目前的技术水平而言，地质雷达采用高频率的天线作为隧道混凝土衬砌质量无损检测的手段仍是比较合适的。地质雷达在地表探测5～30m范围的地下地层或地质异常体（溶洞、土洞、断裂、孔隙等）反射信号还是比较明显的，也是一种比较理想的手段；灰岩地区隧道铺底前采用中～低频率的天线作为探明隧道底隐伏岩溶洞穴底手段仍是大家经常采用的。岩溶重点发育地段，有时也用地质雷达对掌子面前方和边墙外侧岩溶洞穴进行探测。5、超前探水孔钻探5.1预报原理超前地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方法。5.2优缺点可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位地地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等。煤系地层可进行孔内煤与瓦斯参数测定，采取适宜防止措施，防止煤与瓦斯突出危险性。与物探方法相比，它具有直观性、客观性。不存在物探手段经常发生地多解性、不确定性。费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见，理论上讲，由于溶洞发育地复杂性、多变性，几个钻孔也难100％地把掌子面前方地管道岩溶提前揭露预报出来。6、地质述描综合判断地质述描综合判断是根据已开挖的地质状况，并结合红外线超前探水预测预报、TSP超前地质预测预报以及超前探水预测预报等技术手段，并参照设计单位提供的地质资料，经综合分析得出相应的可靠性结论，从而有效地对施工进行指导。7、超前地质预测预报手段的比较针对TGP12超前地质预测预报、红外线超前地质预测预报、超前探水孔钻探等技术手段，结合以往的应用，对三种预测预报手段的特点及适用性比较如表2。表2三种超前地质预测预报手段的比较预测手段优点缺点TSP超前地质质预报适用范围广能