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1、公路 隧道 2 0 1 1 年第 2期 总第 7 4期 复杂地质条件下 隧道施 工地质 灾害预报技术探讨 刘光福 曹大明 成都畅达通地下工程科技发展有限公司 成都6 1 0 0 4 1 摘 要隧道施工地质灾害预报技术在隧道工程施工技术中是十分重要的技术 本文对隧道施工地质灾害预报 技术的重要性与原则进行了探讨 着重对相关地质灾害预报的各种技术方法进行了分析对比 认为预报技术各有 优缺点和局限性 应该取长补短 综合分析预报 根据现场实际情况确定应该采用的技术方法及其组合 关键词隧道复杂地质灾害预报技术 1 隧道施工地质灾害预报技术现状 1 1 隧道施工地质灾害预报技术的重要性 隧道施工地质灾害预
2、报技术于 2 O世纪 中后期 从 国外引进 是地质工程的一个分支 我国 2 O世纪 7 0年代后期逐步重视该项技术研究及应用 中科院 地质研究所孙广 忠 院士等作 出大量 的贡献 进入 2 1世纪 随着西部大开发战略 的实施 交通 水 电基 础建设项目如雨后春笋 等级公路 高速公路 高速 铁路 水电站修建遍布西部 因隧道长度 埋深等多 方面因素的影响 地质条件越来越复杂 隧道施工中 遇到的问题也越来越多 不可预料 的地质灾害如塌 方 涌泥 涌水等成为困绕隧道施工的主要难题 近 年来 隧道施工技术有了很大的发展 为了保证在隧 道施工时的安全和高效 地质灾害预报技术研究显 得越来越重要 1 2 隧
3、道施工地质灾害预报技术的社会效益 保证隧道施工 的顺利进行 关键是预防隧道施 工中的各种地质灾害 如在施工 中的塌方是制约快 速施工的最主要 因素之一 而断层 断层破碎带 岩 溶及地下水是隧道隧洞开挖过程中最常见的不 良地 质现象 也是引起隧道塌方的重要 因素之一 由断 层及断层破碎带 岩溶 陷落柱及地下水等引起 的隧 道隧洞塌方 占塌方 总数 的 8 5 以上 赋存于断层 及破碎带中的溶洞 暗河 淤泥带是隧道隧洞突泥突 水等地质灾害的最主要根源 断层破碎带是诱发瓦 斯爆炸和煤与瓦斯突出等地质灾害的最主要地质因 素之一 断层破碎带还与岩爆的发生和产生密切相 关 可以说 隧道隧洞施工中发生的地质
4、灾害 几乎 都与断层 岩溶及地下水有关 鉴于断层破碎带 岩 溶对隧道施工的巨大影响 因此进行断层破碎带 岩 溶及地下水地质灾害预报技术的研究具有极其重要 的意义 依据隧道隧洞开挖掌子面前方隐伏断层及 破碎带 岩溶及地下水规模准确定位和评价 采取准 确而有效 的防治 工作 不仅能减少 隧道塌方 突泥 突水等灾害的发生 加快施工进度 而且为施工单位 节约大量成本 显著提高经济效益 既可产生 巨大 的经济效益 又具有广泛的社会效益 2 隧道施 工地质 灾害预报技术 隧道长距离地质灾害预报的技术方法主要有地 面地质调查法 断层参数预报法 T S P和 HS P等仪 器探测方法 隧道中 短距离地质灾害预
5、报的技术方 法主要有掌子面地质编 录预测法 不 良地灾前兆法 和陆地声纳 地质雷达 瞬变电磁及红外线超前探水 等仪器探测法 各种预报技术手段和技术方法都有 其各 自的适用范围和特点 其中 TS P探测是 目前预 报距离最长 适用范围最广 预报效果最好的超前预 报手段和技术方法 2 1 综合地质灾害预报技术体系 地质灾害预报的理论基础是地质控制论 地 质构造控制论 岩 土 体结构控制论 岩溶控制论 地质环境控制论 因此 地质灾害预报以地质为 中 枢 实行长距离 中距离 短距离超前地质预报三结 合 同时结合地球物理探测 水平钻探的成果 经地 质综合分析后作出符合实际的地质灾害预报 以指导 隧道施工
6、的顺利进行 成都畅达通地下工程科技发展公司多年从事地 下工程地质灾害预报和监控研究工作 由实践结合 理论 总结 出隧道施 工地质灾 害预报技术 体系 图 1 该技术体系经实践检验切实可行 效果 良 好 该技术体系扼要概括如下 以地质为中枢 加强 隧道地质工作 将地质综合分析贯穿到长期 中期 短期 临兆超前地质预报 4个 阶段 中 实行地质 物 3 3 公路 隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 探 钻探三结合 优化物探组合 综合应用 确保隧道 安全 快速 优质施工 不留后患l 4 图 1 进 f 1 临兆预报 图 1 综合超 前地质预 报技术体 系 2 2 T S P探测技术系统 T
7、 S P Tu n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 是瑞士安伯 格测量技术公司于 2 0世纪 9 0年代初期开发研制的 一 套预测预报系统设备 该系统采用地震波反射原 理 能长距离预报隧道施工前方的地质变化 如断层 破碎带和其它不 良地质带 其准确 预报范 围为掌子 面前方 1 0 0 1 5 0 m 现在 TS P超前地质探测系统 在世界发达 国家隧道施工 中已经得到 了广泛 的应 用 尤其是在采用 TB M 施工 时 利用 TS P进行超 前探测地质情况 更是在隧道施工 过程 中不可缺少 的工序 引 近年来 TS P技术也越来越得到我国的工程技
8、 术人员广泛认同 并成功地应用于乌鞘岭铁路隧道 浙江苍岭隧道 重庆摩天岭隧道工程 四川锦屏水电 站交通辅助洞和引水洞 某军事洞库等几十个工程 中 在隧道工程施工实践 中也发挥了重要作用 2 3 T G P预报技术系统 地震反射波技术的一种应用 犹如光波在镜面 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 软弱岩层带 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 该系统详细分析解译这些地质信 息 实现对上述不 良地质的超前地质预报 隧道 内地震波的传播环境为三维条件 隧道 内 的反射波传播远比地面复杂 需要采用全波列震相 分析 偏振归位
9、与空间归位等多项新处理技术 实现 界面成像 采集与控制 的电路安装在 防静 电 防 电 3 4 磁干扰 防水的美 国进 口精密仪器箱体 T GP超前 预报系统采用三分量精密高保真 的接收传感器 采 取弹性波偏移归位 极化偏振 和空 问等相关技术提 取地质信息 通过分析反射点的分布形态判 断地质 病害的类型 通过纵 横波资料 的差异性 分析地质 病害的性质 结合隧道施工地质调查 总结规律 提 高预报准确性 3 结合隧道施工地质调查 总结规律 提高预报准 确性 T GP型隧道地质预报系统在云南冷水溪 隧道 宜万铁路王家岭隧道 凉风垭隧道 武广客运专线大 瑶山隧道 重庆地区数条公路隧道等T程使用 获
10、得 满意的预报效果 2 4 其他常用预测预报技术 除了上述 3种预报技术方法系统外 在实际工 作中 为了增加地质超前预报的精度 还有其他一些 直接性的预报技术手段 1 地质法 隧道洞内外地质调查结果及相关分析结论进行 的预报技术 包括洞 内掌子面地质素描 结构面产状 量测 节理裂隙统计分析 构造相关性分析 地质作 图等 是隧道施工地质灾害预报中最基本和常用的 技术方法 具体为 地质体延伸预测 原理是在隧 道长期地质灾害预报得出的不 良地质体厚度的基础 上 依据掌子面已揭露不 良地质体 的产状和单壁始 见的位置 经过一系列三角函数运算 求得条带状不 良地质在隧道掌子 面前方消失 的位置 岩层岩性
11、 地质综合分析 刘光福 等 复杂地质条件 下隧道施工地质 灾害预报技术探讨 及地层位预测 原理是在掌子面 和隧道两壁出露的 岩层与地表某段岩层证实为 同一标志层 的前 提下 用地表岩层 的层序预报 掌子面前方将要 出现 的岩 层 引 2 炮孔超前钻探法 超前钻探法是运用钻孔台车从 隧道掌子面向前 打孔时钻进速度 的变化 并结合岩粉和泥浆颜 色来 预测打孔深度范围内的地质情况 该方法能最直接 地揭示隧道掌子面前方的地质特征 所以准确率很 高 此法如果辅 以数码成像 钻孔声波测试 还可对 孔 内及掌子面地质情况进行摄影成像并获取岩石波 速 这样不仅有利于完成掌子面地质素描 地质展布 图 而且有利于
12、对导洞进行地质预报等 3 导坑 平行导坑 隧道 法 导坑 平行导坑 隧道 法也称超前导坑法 它 是在隧道中线附近利用平行导坑先期贯通一个综合 性地质探洞 隧道 以便对主洞作出直观 精确的地 质超前预报 同时还可为 主洞施工提供输水 排水 施工通风 施工运输的方便条件 4 陆地声纳法 陆地声纳法 I a n d S o n a r 也叫高频地震波反射 法 该方法是钟世航教授 1 9 9 2年提 出的 其实质是 垂直地震反射法 它采用极小偏移距 锤击激发 高 频超宽带接收反射弹性波进行连续剖面探测 基本原理 陆地声纳法是 陆上极小震零检距高频宽带 性反射连续剖面法 的简称 它在被测对象表面用 锤击
13、产生震动弹性波 弹性波在岩体中传播 遇到波 速和密度不同的界 面可产 生反射 波 图 2 用锤击 点近旁设置的检波器接受这一 系列反射波 沿测线 上许多点逐一测取后 将各点 的记录 时间曲线 汇 成一张距离一时间剖 面图 从 图中可连成一条线 的 同一反射面的反射波 结合前述地质分析 就可判断 出各反射界面的性质 从其反射时间At 以及在岩 体表面测得的弹性波 速 v 即可计算 出反射面深度 距离 计算公式 h v X t 2 图 2 陆地声纳在掌子面上作超前地质预报示意图 技术特点 陆地声纳系统具超短余振 即每一反射面仅为 一 个周期 的波 而声波法为多个波 3 5 个 为一波 组 互相干扰
14、 相 比起来 陆地声纳图象更容易识别 本方法可激发并采集 到较高频率的弹性反射 波 现场工作 提高中期超前地质预报的准确度 进行隧道 围 岩的弹性波波速测试 它是 陆地声纳用于超前地质 预报技术 的最重要参数 实际工作 中不断对其核实 修正 调整 适应其变化 在开挖面上 向前方探测 也可在隧道边墙 向隧 道两侧探测 在隧道拱部 向上探测 在隧道底板向下 探测 用十字剖面布置方法作反射体的空间定位 采 用锤击震源 不 固着检波器 不打孔 沿掌 子面布设一条水平测线 和一条垂直测线 按 2 5 3 0 c m 的距离布设一个测点 必要 时布置多 条测线 记录测线在隧道中的准确位置和测线间的几何 关
15、系 通过激发杆 用锤击法在测点 n上激振 n 一 1 2 3 其两侧测点 n 一1 和 n 1 设 检波器 每一测点应激振 2 3次作垂直叠加 1 应用 陆地声纳软件对现场采集数据进行放大 滤波等处理后 可得 出测线 的时间剖面 如 图 3所 示 图中绿色所示为开挖 揭示后不 良地质体 的位 置 琢报 x l C l 2譬 一 盘 一 歼 挖 结 果 B l c l 蕾 砗 带 一一 L 一 一 图 3 某隧道 陆地声纳解释成果及开挖对 比 陆地声纳法优点 a 探测距离达 1 0 0 1 2 0 m b 主要 探测 预报对 象为断层 及破 碎带 大 节 理 岩脉 陡倾角岩体分界线 以及岩溶 洞
16、穴等 C 探测时间短 探测一次约 3 0 4 5 mi n 占用掌 子面时间短 探测一次费用低廉 d 现场工作时用锤击激发震动波 避免 了钻孔 装药爆破震动的麻烦和可能对隧道初衬产生的不利 影响 e 通过多次 实验对 比 L DS比 TS P分辨率更 3 5 一 Il Ij c 一 辩 0 I 0 公路隧道 2 0 1 1 年第 2 期 总第 7 4期 高 如图 4 吕 季 事 导 辛 争 季 辛 争 晕 莩 j b a a T S P 常范围 l lD S 砰常范嘲 图 4 I DS TS P对 比试 验 成 果 图 5 地质雷达法 探地 雷 达 法 也 叫 地 质 雷 达 法 简 称 G P R Gr o u n d P e n e t r a t i n g R a d a 该方法 利用发射 天线 将高频电磁波以脉冲形式 由隧道掌子面发射至地层 中 经地层界面反射返 回隧道掌子面 由另一天线接 收回波信号 进而通过对接收的回波信号进行处理 分析解释 达到对短距离进行超前预报的 目的 2 地 质雷达技术大量地应用在隧道超前预报 工程场地勘 查 地下管网探测 工程质量检测 金属矿化带
