超前地质预报技术在棋盘山隧道中的应用

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1、 超前地质预报技术在棋盘山隧道中的应用 张柯 （中铁十四局集团公司贵广铁路项目部 贺州 ）摘要： 介绍超前地质预报基本知识 总结岩溶隧道突泥突水的原因及规律 分析如何用超前地质预报技术分辨溶洞或者断层关键词：超前地质预报技术 TSP 地质雷达 棋盘山隧道 1工程概况 棋盘山隧道位于广西壮族自治区贺州市平桂区境内，全长2378m，起点里程DK568+902,终点里程DK571+280。本隧道地层主要为粉质粘土、粘土、灰岩、白云质灰岩等，共发育F1F5共5个断层，受构造影响，隧道大部分裂隙发育，岩体破碎，地表低洼处岩溶洼地、岩溶漏斗发育，地表水易通过构造带渗入地下，雨季施工易产生季节性涌水。 2

2、超前地质预报技术简介 2.1地质雷达检测所用SIR-20型地质雷达由主机（包括液晶屏）、收发器、收发天线、变压器、信号线、电源线、打标器连接线及系统软件、后处理软件、专用笔记本微机等组成。适合于隧道中的地质超前预报。图2-1-1地质雷达实物图地质雷达法通常是一种地下甚高频到微波段电磁波反射探测法。其发射器通过发射天线向隧道衬砌与围岩中定向发射电磁波，通过反射波信号进行一系列的后处理后，计算出反射目标深度。再根据反射波的强度、形状及其在在竖向和环向上的变化情况来判别反射目标的性质，如断层、空洞及破碎带等。图2-1-2地质雷达原理图2.2红外探水红外探测就是根据红外辐射场曲线的异常来确定隐伏的灾害

3、源。在隧道掘进现场当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会迭加到围岩的正常辐射场上仪器显示屏上的曲线会产生数据突变，而当掌子面前方没有含水构造时，所测的红外辐射场为正常场值，数据曲线近似为一条直线。可在掌子面上自上而下布置探点，见图2-2-1利用探测面判断含水构造，同时在掌子面位置向其后方每隔5m对四壁探测一次见图2-2-3、2-2-4根据红外线的异常可判断是否存在含水构造图2-2-1掌子面探点示意图 图2-2-2隧道四壁探点示意图图2-2-3纵向探点示意图由红外探测数据记录表可制作如下红外探测曲线图，以更加直观图2-2-4红外探测曲线图2.3 TSP超前探测TSP203仪器

4、主要由三分量检波器、记录单元及起爆装置组成。在掌子面边墙一定范围内布置激发孔激发地震波（如图1-3-1）当围岩波阻发生变化时一部分震荡波反射回来由高精度接收器接收并传递到主机形成地震波记录（如图1-3-2）来预报隧道掌子面前方地质情况。图2-3-1 TSP法工作原理示意图 图1-3-2 TSP法波形记录3.棋盘山隧道地质超前预报实施方案 3.1 地质超前预报管理模式 成立了以局指挥部、项目部二级项目经理为组长，总工程师及安全长为副组长的超前地质预报领导小组，现场设地质预报预测办公室，配足超前地质预报设备及仪器，并严格将长、中、短期地质预报及地质灾害临近报警纳入工序管理，贯穿于整个开挖工作面，根

5、据“定人、定职责、定标准、定考核办法、定奖罚措施的原则”，制定了切实可行的综合超前地质预报实施细则，严格实行定期考核及奖罚制度。 3.2 超前地质预报实施方案隧道施工过程的地质超前预报预测，主要是根据地表和已经开挖的隧道的地质调查和各种探测方法取得的资料，以及地质推断法预测开挖工作面前方一定长度范围内围岩的工程地质条件。如：地面地质调查法、洞身地质素描法、钻速测试法、综合物法、超前导坑法、钻探孔法、涌水量观测、有害气体预测、岩体结构面量测和围岩变形观测。物探测试主要有TSP法、地质雷达法。预测时根据地质条件的不同，采用一种或几种方法组合综合预报，以工程地质法（包括图析法及地质素描法）进行超前宏

6、观预报为前提，结合TSP203超前地质预报系统、地质雷达、红外线探测仪、超前探孔、超前导洞、经验法等综合手段，分长期预报、中期预报、短期预报三个阶段对隧道岩体特征、断层、涌水等不良工程地质进行超前预测预报:采用TSP系统与地质分析法相结合进行长期（长距离）（80m范围）地质预报；采用仪器和钻孔进行3080m距离的中期地质预报；利用台车钻孔和地质雷达、红外探测仪相结合，进行距离小于30m的短期地质预报；采用在钻爆循环中加深（4m）35个炮孔进行掌子面前方4m范围的下一循环的探测。结合掌子面地质素描预测法进行掌子面作业影响区域内的当前地质预报。对物探异常区采用钻孔进行验证，以便指导施工。4.棋盘山

7、隧道DK570+021DK570+039处溶洞探测实例 根据图纸设计资料，棋盘山隧道DK570+021DK570+039段，围岩较完整，无裂隙、溶洞，然而2010年8月24日，掌子面施工至DK570+43.5处，根据3个超前炮孔，线路左侧下方钻杆钻进4m处遇到泥层，线路右侧及拱部正常。超前地质预报小组立即通知停止掌子面掘进。采用地质雷达及TSP和红外探水对该段进行了检测。 4.1地质雷达检测 现场采用美国GSSI公司的SIR-20型地质雷达，由第三方西北科学研究院有限公司进行检测，检测波型图如下： 图4.1.1 掌子面测线1波形图 图4.2.2 掌子面测线2波形图 根据波形图，结合地形地貌，地

8、质分析和洞内地质调查资料，在掌子面前方，节理溶蚀裂隙发育，岩体相对较破碎，尤其在DK570+026DK570+021段，雷达信号反射强烈，推测发育有较大溶洞。综合歌测线探测结果，推测掌子面在DK570+034处溶洞垂直向上发育，纵向影响力约为DK570+041DK570+021。该段施工易发生涌水突泥事故等不良地质灾害。4.2 TSP检测 为了验证地质雷达数据准确性，超前预报领导小组采用TSP在断面DK570+145处进一步进行探测， 检测数据图像如下： 图4-2-1 X/Y/Z分量原始记录表 图4-2-2 二维成果显示图利用TSPWIN软件处理可知P波于S波波长分布基本规律，通过数据调整-带

9、通滤波-首波拾取-拾取处理-炮能量平衡-直达波损耗喜好Q估算-反射波提取-P波S波分离-速度分析-纵向深度平移-反射界面提取等分析处理过程，最终显示掌子面前方与轴线相交的反射同向轴及地质翻译的二维成果图，如图4-2-2所示。从二维成果图分析，DK570+026DK570+021段存在反射界面，而且柏松比及Vp/Vs数值增大,且相对变化明显,故判定该段地质异常,围岩完整性较差，节理裂隙发育，岩石较破碎，可能存在岩层破碎带或者溶洞，存在岩溶水。4.3水平钻孔验证 经过地质雷达和TSP物探检测,为了进一步探明前方地质及水量情况，为下部施工及结构安全提供依据，在掌子面布设了5个30m水平钻孔，如图4-

10、3所示。 图4-3 超前水平钻孔位布置图 通过5个超前水平钻孔显示，孔1、孔3处在DK570+021DK570+041段围岩完整性较差，含大量夹层及充填物，在DK570+026DK570+021段存在空腔，粘土充填，且从孔3向孔1方向发展。4.4成果分析及验证 超前地质预报小组通过以上检测方法，充分判定前方围岩完整性差，且存在一较大向上发展溶洞，存在少量溶隙水，故及时采取措施，调整支护措施，并通知设计勘察及建设、监理单位，做相应变更措施以便继续施工。由以后掌子面开挖掘进实践证明，该位置确实存在该较大溶洞。如图4-4-1，4-4-2所示。 图4-4-1 DK570+030处掌子面 图4-4-2

11、DK570+022处断面5.地质超前预报成绩 贵广铁路棋盘山隧道自2009年4月开工至2010年9月底贯通，TSP及地质雷达、红外探水和30m超前炮孔均全洞贯通检测，成功的预测了大小溶洞20余处、F1F5共计5个断层。对异常地质情况预测准确度达到80%以上，为后续的施工提供了宝贵的数据，规避了风险，既保证了施工人员的安全，也保证了施工进度和质量。6.总结 1.在岩溶隧道施工中，有效运用隧道超前地质预报技术，不但规避和化解了地质灾害的发生，而且为提前制定可靠合理的施工方案提供了可靠依据。 2.综合地质预报各种方法都存在各自局限性和适用性。在实际使用中，必须结合现场实际情况，合理稳妥的选用预报方案，才能保证预报准确性。 参考文献：1. TZ231-2007 铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南 铁道部经济规划研究所出版2. 铁路隧道超前地质预报技术指南 铁建设【2008】105号 中国铁道出版社3. TZ204-2008 （铁路隧道工程施工技术指南） 中国铁道出版社4. 李庚让 综合超前地质预报技术在复杂岩溶隧道施工中应用 各产品过程检验的检验时机应在操作者对首件加工完成后自检，并判定合格。再由车间依据计划将需进行专检的部件填写报检单报检，在报检后首先由检验人员应检查车间是否按程序文件的规定开展了自检，然后接受报检进行检验、记录及判定。