隧道工程地质灾害防治与物探

隧道工程地质灾害及超前地质预报第一部分隧道工程地质灾害

第二部分隧道超前地质预报的物探方法第一部分隧道工程地质灾害宜万铁路云雾山段岩溶突水宜万铁路云雾山段隧道突泥第一部分隧道工程地质灾害(1)围岩的变形、失稳破坏软岩(软质岩、断层泥、粘土质岩溶充填物)变形失稳坍方。弱岩（节理密集发育岩体、断层及其影响带破碎岩体、结构面不利组合构成的不稳定块体）失稳坍方、塌落。(2)隧道涌水节理密集发育岩体富水。断层及其影响带破碎岩体地下水储存运移通道。充水岩溶（溶隙、溶缝、溶管、溶洞、地下岩溶暗河等）。(3)隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）饱水断层破碎带含粘土破碎岩坍塌。饱水全、强风化岩脉坍塌。饱水粘土质、粘土夹块石岩溶充填物坍塌、揭穿。第一部分隧道工程地质灾害(4)岩爆深埋隧道中脆性、高强度、完整性极好岩体。浅埋隧道地表地形突变位置脆性、高强度、完整性极好岩体。(5)有害气体突出、燃烧、爆炸主要是与煤层、炭质泥岩、炭质页岩有关的瓦斯气体突出、燃烧、爆炸。(6)高地温(7)地表生态环境灾害(地表塌陷、地表水源枯竭等)主要与隧道洞内坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有关。第二部分隧道超前地质预报的物探方法1、物探方法的定义物探方法:利用物理学的原理和专门的探测仪器,观测并综合分析探测空间物理场的分布特征,确定被探测体的形态和性质的探测方法。工程物探:应用于工程地质、水文地质勘探和工程质量无损检测、物性参数测试等的物理探测方法,简称“工程物探”。隧道超前地质预报的物探方法属于工程物探领域。2、物探方法的应用条件被探测对象与相邻介质应存在一定的物性差异(如:电阻率、波阻抗、介电常数等),并具有可被探测的规模(需满足一定径深比)，满足一定的信噪比。3、工程物探方法的分类直流电法:电测深法、电测剖面法、高密度电法、自然电场法、充电法、激发极化法等。电磁波法:可控源音频大地电磁波、地质雷达法、瞬变电磁法等。弹性波法:地震波法(直达波法、折射波法、反射波法、瑞雷波法、弹性CT法)、声波法等。磁法:探测铁磁性埋设物体和磁性岩(矿)体。放射性法:探测具有放射性的物体和岩(矿)体。测井:电测井、声速测井、放射性测井、超声成像测井等

。红外探测法：工程质量无损检测:桩基小应变检测、桩基大应变检测、桩基声波透视检测、隧道衬砌雷达检测等。4、隧道超前地质灾害预报综述隧道超前地质灾害预报内容隧道超前地质灾害预报原则隧道超前地质灾害预报形式隧道超前地质灾害预报方法断层、岩脉及破碎带、大裂隙、有害气体、水文地质、围岩类别、地应力及岩爆。预报其位置、规模、富水性及充填物的状态等;在坚持：规范、全程、适宜、及时的总原则,以及/以地质方法为基础,地质方法与物探方法相结合、长距离超前地质灾害预报与短距离超前地质灾害预报相结合、物探先行钻探验证的隧道超前地质灾害预报方法选择原则。长距离：80~200m/工程地质调查法、断层参数预测法和TSP短距离：15~30m/、掌子面编录预测法、地质雷达法口头通知：直接法：地质法和钻孔探测法。间接法：亦称物探法,主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、地质雷达(GPR)法、红外探水法、水平声波剖面(HSP)法和陆地声纳法等。其它方法：有超前导坑法、断层参数预测技术和掌子面地质编录预测法等。4.1TSP的探测原理4.1.1理论基础TSP是采用浅孔微型爆破作为震源,激发的地震波以直达波和反射波的形式传到传感器。与反射波相比,直达波的传播时间明显偏小因此传感器可以根据接收到的直达波的时间来计算地震波的速度;在已知地震波传播速度的情况下,通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接收传感器之间的距离及其在隧道前方的位置。4.1TSP的探测原理4.1.1理论基础产生反射波是因为介质的物性发生了变化。当地震波在传播过程中遇到波阻抗差异面，一部分地震波在波阻抗分界面处便被反射回来。反射波的能量大小与反射界面的反射系数有关；反射系数的大小是由界面两侧波阻抗的差值决定的:注：为反射界面两侧介质的密度；v1,v2为反射界面两侧介质的地震波速度。若两侧介质波阻抗差值的绝对值越大，则反射系数r就越大,反射波的能量也就越大；反之则反射信号就弱。当形成负反射时（r<0），表明地震波将要穿越较疏松的介质（如软岩、破碎带）；形成正反射时（r>0），此时表示地震波将要入射到致密介质中（如硬岩）。4.1.2探测原理关于反射面对称

4.1.3TSP的解译准则正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层;负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层)。若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起。若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。4.1.4影响TSP数据采集的主要因素接收孔的布置：不要布置在空腔位置，要上倾以便易于将孔内水排出，建议布置两个接收孔。炮孔深度：太浅，易导致掌子面附近TSP数据缺失，一般炮孔深度至少要大于1.1m。电雷管：为瞬发电雷管，如果电雷管延迟严重，波形无规律，则需重测。炸药药量：要适中，根据围岩情况现场确定。围岩完整性差时(如Ⅳ和Ⅴ级围岩)，对远偏移距加大药量；围岩完整性较好时(如Ⅲ级围岩)，对近偏移距减少药量。避免将接收孔与炮孔布置在大型的不良地质体(如溶洞、软夹层和破碎带等)两侧。4.1.4影响TSP数据采集的主要因素4.1.5TSP在不同地层中的探测效果分析地质体的规模规模较大的断层、破碎带等,带内波速很低,可以形成很强的反射波信号,不管是在软岩或硬岩中都能探测清楚。软岩本身的波阻抗较小，致密的硬岩的波阻抗大。围岩岩性介质对波吸收系数的大小主要取决于岩石的粘滞性。地震波的频率地层相当于一个低通滤波器,对波的高频成分吸收较大,致密坚固介质的吸收系数与频率成线性关系,而疏松介质的吸收系数与频率的平方成正比。4.2TST隧道地质超前预报技术TST技术（TunnelSeismicTomography）是隧道地震CT成像技术的简称，是对SP203技术缺陷进行改进的基础上发展起来的。TST技术除了在掌子面超前探测之外，还可以沿隧道向侧面或沿地表向下方探测。处理软件采用中文Windows界面，图像直观，使用方便,TST的接收系统采用具有内置放大器的专用IC检波器，大大地提高了信噪比，加大了探测能力。TST超前地质预报技术在贵州岩溶地区的应用TST技术在某隧道超前地质预报中的应用TST隧道超前预报系统在顶效II号隧道中的应用TST在隧道超前地质预报中的应用4.2.1散射扫描成像技术采用反射与散射的混合模型（见图2），根据反射波及散射波的传播规律，分别将反射波和散射波进行偏移归位，得到隧道掌子面前方的真实地质情况。4.三2.三2TS三T数三据处三理结三果的三解释三原理4.三2.三3TST在不三同地三层中三的探三测效三果分三析4.三2.三3TST在不三同地三层中三的探三测效三果分三析4.三3地质三雷达三法地质三雷达三工作三原理由地三质雷三达的三发射三天线三向被三探测三体内三发射三高频三电磁三波，三当高三频电三磁波三传至三被探三测体三内两三种不三同介三质的三分界三面（三如：三界面三、空三洞、三不密三实带三等）三时，三由于三两种三介质三的介三电常三数不三同而三使电三磁波三发生三反射三，反三射波三的传三播遵三循反三射定三律，三反射三波返三回被三检测三体的三表面三，并三由地三质雷三达的三接收三天线三所接三收，三形成三雷达三图像三。图15三-2地质三雷达三测线三布置三示意三图和SI三R3三00三0现场三探测三照片4.三3.三2地质三雷达三图像三的读三取破碎三断裂三带常出三现同三向轴三不连三续，三波幅三衰减三快，三反射三界面三错乱三等现三象。溶洞的波三形常三常表三现为三同向三轴呈三抛物三线形三。含水三层的图三像常三常表三现为三同向三轴连三续性三较好三，波三形振三幅较三小，三由于三水的三介电三常数三较大三，电三磁波三在穿三透含三水层三时经三过多三次反三射，三电磁三波能三量大三部分三被吸三收，三因此三，含三水层三的电三磁波三快速三衰减三，并三在富三水区三可能三出现三绕射三、散三射等三现象三。4.三3.三3电磁三波反三射法三的应三用效三果电磁三波反三射波三信号三较平三静，三无明三显反三射信三号，三能量三亦呈三正常三衰减三趋势三。⑴完整三围岩三的地三质雷三达图三象⑵溶蚀三破碎三带的三地质三雷达三图象有明三显的三电磁三波反三射信三号，三反射三信号三同相三轴较三连续三，并三且反三射的三电磁三波信三号较三强，三分析三认为三在掌三子面三后面5～10米深三度范三围内三存在三不良三地质三体，三结合三现场三的围三岩岩三性为三灰岩三情况三综合三分析三认为三掌子三面前三方为三溶蚀三破碎三带（三经开三挖验三证结三论准三确）三。(3三)溶洞三的地三质雷三达图三象有明三显的三电磁三波反三射信三号，三在7～19米范三围内三由近三似抛三物线三的反三射波三轴顶三点包三罗的三区域三为粘土三充填三型溶洞三范围(经开三挖验三证结三论准三确)。(4三)溶洞三的地三质雷三达图三象左图三中有三明显三的非三常强三的电三磁波三反射三信号三，在9～29米范三围内三形成三非常三强的三能量三团块,为充水三型溶三洞范围(经开三挖验三证结三论准三确)。4.三4红外三探测三技术红外三探测三技术三基本三原理地下三岩体三、水三体每三时每三刻都三在向三外界三发射三红外三波段三的电三磁波三，形三成红三外辐三射场三，物三体的三红外三辐射三能量三与其三温度三的四三次方三成正三比，三当探三测前三方存三在不三良地三质情三况(三断层三水、三岩溶三水、三瓦斯三)时三，其三与周三围围三岩的三温度三有一三定的三差异三，红三外探三测仪三就是三依据三红外三辐射三能量三的差三异来三推断三前方三不良三地质三的情三况。阶跃三突变。当三掘进三掌子三面测三点中三最大三场强三和最三小场三强的三能量三差≥三10三W三/c三m2三，可三判定三前方三存在三含水三构造三体，三否则三不存三在含三水体三构造三。红外三线超三前探三水法三的判三据红外三线超三前探三水测三线的三布置轴向三测线三布置从隧三道开三挖面三后方三6三0三m三处向三掘进三方向三每隔三5三m三对隧三道周三边探三测三1三次(三图三1三)三，每三次探三测顺三序依三次为三左边三墙脚三、左三边墙三、拱三顶、三右边三墙、三右边三墙脚三和隧三底中三线，三每个三断面三的测三点布三置示三意见三图三2，三共探三测三12三个三断面三，这三样沿三隧道三轴线三方向三共形三成三6三条探三测曲三线，掌子三面测三点布三置在开三挖面三上水三平方三向自三上而三下布三置三4三条测三线，三每条三测线三上布