一、超前地質預報工作是隧道施工信息化管理的需要

1、隧道施工常見不良地質

由于隧道工程的地質條件和水文條件復雜多變,使得隧道開挖極具風險。

隧道施工常見的不良地質大致有以下幾種:

·巖溶、巖石破碎、斷層、裂隙發育

·巖體變形、巖爆、塌方、涌水突泥

·有害氣體的突然溢出,產生爆炸或高放射性

·高地溫和高寒地區的凍融災害。

2、不良地質容易造成的災害(后果)

·巖爆、高地應力等→隧道周圍的圍巖變形或垮塌

·巖石破碎、小煤窯等→局部塌方或大范圍垮塌

·巖溶、斷層、裂隙等→涌水突泥

·瓦斯、天然氣、二氧化硫等→有害氣體溢出、燃燒或爆炸

最終,造成機械設備損壞、人員傷亡、工程停工、工程成本大增等等。

3、隧道施工信息化管理

減少或避免隧道施工中的各種災害發生,降低各類風險;加強安全質量的管控。

隧道施工信息化管理是地下工程施工中必須實施項目。它可以隨時向管理部門提供地下工程施工中的各種信息,使施工過程處于監控狀態。

隧道超前地質預報就是隧道施工信息化管理的重要內容之一。

4、隧道超前地質預報概述

隧道超前地質預報是保證隧道施工安全、優化工程設計、實現施工信息化的重要基礎。

隧道超前地質預報是在施工隧道掌子面上或其附近采用適當的方法(地質、鉆探和物探等)對掌子面前方的地質狀況進行準確預報,科學地指導下一道施工工序,降低或避免機械設備損壞、人員傷亡、工程停工等現象的發生。

二、隧道地質風險等級劃分

根據隧道不同段落的地質復雜程度,通常將隧道的地質風險分為以下四級:

1、復雜:存在重大地質災害隱患的地段,如:大型暗河系統,可溶巖與非可溶巖接觸帶,軟弱、破碎、富水、導水性良好的地層和大型斷層破碎帶,特殊地質地段,重大物探異常地段,可能產生大型、特大型突水突泥地段,誘發重大環境地質災害的地段以及高地應力、瓦斯、天然氣嚴重的地段等。

2、較復雜:中型突水突泥地段,較大物探異常地段,斷裂帶等。

3、中等復雜:水文地質條件較好的地段、小型斷層破碎帶,發生突水突泥的可能性較小。

4、簡單:工程地質條件和水文地質條件較好,發生地質災害的可能性極小。

三、隧道超前地質預報技術發展現狀

1、早在國外(如:英、法、日、德等國家)均將該方法列為隧道工程建設的重點研究內容。

2、我國的隧道超前地質預報研究始于二十世紀50年代末,但真正應用于隧道工程(或其它地下工程)建設是在二十世紀70年代,到了二十一世紀初期,它得到了大量應用和發展。

3、從采用的預報方法來看,一般采用地質、鉆探和物探三大類。

4、從物探的應用來看,我國鐵一院的曾兆璜在1991年提出地震負視速度法。后來,瑞士安伯格技術公司研制了TSP202、TSP203和TSP303超前預報技術,美國又研制了TRT與TRT6000超前預報技術,國內一些學者又將地陸地聲納法、聲波HSP水平剖面法、TGP206超前預報技術、TST隧道超前預報技術、雷達方法、瞬變電磁法和紅外探測方法等應用到隧道超前地質預報中。

5、目前,各工程項目建設中,因種種原因,采用預報方法各不相同,預報工作模式也千差萬別,其預報的效果也各不相同。

四、鐵路隧道超前地質預報工作模式

1、方法選擇:全隧道采用地質調查法,全隧道采用彈性波反射法(TSP),復雜段常和異常段落輔以地質雷達方法、紅外探測法、瞬變電磁法和鉆探法(瓦斯隧道例外)。

2、解釋原則:堅持多種物探相結合,堅持物探與地質、鉆探相結合的解釋原則,提高預報準確率。

3、工作模式:

·收集資料:前期的地形、水文、地質資料,前期鉆探資料,前期物探資料,隧道施工設計資料等。

·對全隧道進行地質風險等級劃分。

·超前地質預報方法的確定。

復雜:在地質調查法的基礎上,以超前鉆探法和加深炮孔探測為主,并綜合彈性波反射法(TSP)長距離預報、地質雷達法和紅外探測法的短距離預報相結合的方式進行預報。

較復雜:以地質調查法為基礎,以彈性波反射法(TSP)為主,輔以紅外探測法和地質雷達探測法,必要時采用超前鉆探法驗證。

中等復雜:以地質調查法為基礎,以彈性波反射法(TSP)為主,當TSP探測發現前方存在異常時,采用紅外探測法和地質雷達探測法對前方的地質情況進行探測,必要時采用水平鉆法驗證。

簡單:以地質調查法為基礎,以彈性波反射法(TSP)探測為主,當TSP發現前方存在節理裂隙密集帶時,采用紅外探測法和加深炮孔法對前方的地質情況進行探測。

資料解釋與預報成果提交:快報(1天內),正式報告(3天內)。

信息反饋:鉆探資料和開挖資料收集→對比分析物探預報成果→提高下一次預報準確率。

五、探地雷達技術在隧道超前地質預報中的應用

1、基本原理

采用地質雷達方法對施工隧道掌子面前方進行超前地質預報時,由發射天線向掌子面前方的巖體內發射電磁波,當電磁波傳至兩種不同介質的分界面(如:斷層、洞穴和巖層分界面等)時,由于兩種介質的介電常數存在差異而使電磁波在界面處會發生反射、折射和透視等現象,入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律,反射波返回被接收天線所接收,形成雷達圖像。

 

圖5.1 電磁波在空洞和巖層分界面處反射示意圖

 

如圖5.1所示,由發射天線(T)將電磁波送入掌子面前方巖體內,電磁波在傳播過程中遇到洞穴后,一部分波反射后返回掌子面被接收天線(R)接收,電磁波旅行時間為:

    

(5.1.1)

在(5.1.1)式中,X為發射天線與接收天線之間的距離,h為掌子面前方洞穴的埋深,為電磁波從掌子面傳播至洞穴反射回來的雙程時間,v 為電磁波在掌子面前方介質中的傳播速度。對于自發自收天線,發射天線(T)與接收天線(R)間的距離很小,相對探測深度而言,可以認為天線距x →0,則有: t=2h / v,即:

                        

(5.1.2)

由(5.1.2)式可以計算掌子面前方洞穴的深度。

2、探地雷達法在隧道掌子面上的工作特點

·異常圖像直觀、工作效率和分辨率高→廣泛應用到隧道超前地質預報探測中。

·分辨率高→對異常探測準確。

·天線→一般采用100MHz屏蔽天線。

·掌子面的工作范圍小→測線長度短、條數少。

·掌子面平整度差→天線與掌子面耦合不理想。

·探測深度有限→一般探測15~20米,巖層好的硬質巖可達30米。

3、測線布置

由于掌子面空間有限,在掌子面上分別沿水平方向和豎直方向各布3~4條測線(如圖5.2所示)。一般采用連續測量方式,不能連續測量的可采用點測方式。

圖5.2 掌子面上測線布置示意圖

4、采集參數設置

·A/D轉換、掃描樣點數、掃描率。(省略)

·設置時窗:目前,主要采用主頻為100MHz屏蔽天線,探測深度設計為15~30米。結合探測深度和分辨率,設置時窗時可參照下列公式:

                  

(5.3.1)

式中:t 為時窗長度(ns),為探測目標體深度或距離(m),r為介質的相對介電常數,為時窗調整系數,一般取1.5~2.0。

·設置濾波參數:設置濾波參數是為了改善記錄質量。濾波分為垂向濾波和水平濾波。垂向濾波分高通和低通。

美國的SIR系列天線,在設置高通濾波參數時,應選天線中心頻率的1/4;在設置低通濾波參數時,應選天線中心頻率的2倍。

瑞典的RAMAC系列天線, 在設置高通濾波參數時,應選天線中心頻率的1/6;在設置低通濾波參數時,應選天線中心頻率的3倍。

5、在掌子面上進行數據采集

·為了避免測線編號和采集方向記錄的混亂,建議在雷達數據采集時,按照事先設計的順序依次進行。比如:先水平測線后豎向測線(或先豎向測線后水平測線);在水平測線采集時,各測線從上至下依次進行,天線移動最好都從左向右;在豎向測線采集時,各測線從左至右依次進行,天線移動最好都從上向下。

·在天線移動過程中,盡量保持天線與掌子面緊密接觸,勻速移動。記錄下測線布置示意圖和干擾異常位置。

·對掌子面及其附近的特征做好記錄或照相。

6、數據(圖像)處理技術

目前,地質雷達的數據處理主要借助地震勘探數據處理方法進行,數據處理技術可以參考地震勘探數據處理方法原理的相關內容。我們應該根據不同的探測目的采用不同的處理方式。其主要處理流程為:將原始數據→調整測量方向→核定測量標記→切除廢段記錄→水平距離均衡→零點效正→數字濾波→偏移處理→能量均衡→文件標注→時深轉換→輸出雷達深度剖面圖。雷達深度剖面圖便是資料解釋的基本圖件。(省略)

7、資料(圖像)解釋

根據雷達時間(或深度)剖面圖上的反射波組、能量分布差異和雙曲線等特征,結合地質資料,對掌子面前方的地質情況做出判斷。分述如下:

·均勻巖體:在雷達時間(或深度)剖面圖上,不會出現反射波組和其它反射信號,能量分布均勻,圖5.3所示。

圖5.3 均勻巖體的雷達圖像

·巖體分界:在兩種巖體分界面出會出現強反射波組特征,見圖5.4所示。

圖5.4 巖體分界的雷達圖像

·巖體內存在空洞:在雷達時間(或深度)剖面圖上,會出現雙曲線或強能量團特征,見圖5.5所示。

圖5.5 空洞的雷達圖像

·巖體內存在充填洞穴:充填溶洞的充填物大多數為粘土或土夾石,且含水豐富,電磁波的能量在充填溶洞內被大量吸收而損耗,因此,在雷達圖像中,溶洞區域內的圖像色彩明顯偏暗,類似光學中的黑洞現象,看不見洞底反射。但充填溶洞的頂板會出現雙曲線或繞射弧特征,見圖5.6所示。

圖5.6 充填洞穴的雷達圖像

·巖體內存在局部破碎帶:破碎帶在探地雷達圖像中常常呈現強能量反射特征,就是說在均勻的背景場中出現強反射能量團,見圖5.7所示。

圖5.7 破碎帶與裂隙的雷達圖像

·巖體內存在裂隙:一般沿裂隙發育方向形成線狀強反射信號,一般情況下,裂隙的發育方向與巖層的傾向一致,見圖5.7所示。

·斷層:在雷達時間(或深度)剖面圖上,斷層破碎帶的反射能量比較強,強能量的寬度反映了斷層破碎帶的大致寬度,強能量團的延伸方向反映了斷層的傾向,見圖5.8所示。

圖5.8 斷層的雷達圖像

·巖體內含水:在隧道開挖中,含水帶往往引起巖體塌方,造成工程事故。一般情況下巖體中的含水帶是不均勻的,巖體中水與巖體的介電常數具有較大的差異,因此,含水巖體在雷達圖像中最為顯著的特點是呈現一系列雜亂的強反射,波形沒有明顯的同相軸。此外,含水帶的反射與空洞的反射不同,它是以低頻成分為主,沒有多次波,見圖5.9所示。

圖5.9 含水帶的雷達圖像

六、采用探地雷達方法進行隧道超前地質預報工程實例介紹

1、實例一:采用探地雷達方法對巖層破碎和溶洞的探測

·工程地質概況

滬昆客專貴州段黎陽隧道位于貴州省安順市平壩縣。起止里程為D1K761+986~D1K762+718,隧道長732m,洞身最大埋深約105m。隧址單斜構造,地質構造簡單。隧道穿越的巖性為灰巖,巖溶化程度強烈,地下巖溶水發育。

 

D1K762+037掌子面地質雷達探測圖像

·雷達圖像分析與預報結論

掌子面里程為:D1K762+037。

預報里程范圍為D1K762+037~+062段(即掌子面前方25m)。

預報結論為:

D1K762+037~+042段,巖層完整均勻;

D1K762+042~+046段,巖層破碎有裂隙;

D1K762+046~+054段,巖層完整均勻;

D1K762+054~+062段,該段電磁波反射同相軸紊亂,出現交叉弧狀繞射同相軸,推測該段圍巖破碎、巖溶中等發育,存在溶洞或溶蝕裂隙,特別在D1K762+054附近掌子面右側位置可能存在溶洞,需引起重視。

·驗證情況

開挖到掌子面D1K762+037處,巖石呈輕微破碎,D1K762+037~+040段,巖層完整均勻;

D1K762+040~+045段,巖層破碎有裂隙;

D1K762+045~+052段,巖層完整均勻;

上臺階施工到D1K762+052處,發現兩個空溶洞,分別位于上臺階左坑底及右側拱腰處,其中:左坑底溶洞約距開挖邊緣1m, 溶洞橫向約0.6米,縱向約1m, 向外向下夾角約40度,向隧道斷面外延伸長度不詳,溶洞在拱部發展到D1K762+057位置,并繼續有向上和向前延伸的趨勢;而在右側拱腰處溶洞縱向長約5米,自上臺階底面向上高度約5米,向隧道斷面外側和下臺階延伸不詳, 溶洞內有少量粘土填充物,大部分為空腔。

 

2、實例二:采用探地雷達方法對巖溶和地下水的探測

·工程地質概況

云桂鐵路石林隧道(平導)位于云南省石林縣境內,是著名的巖溶地區。巖性:灰巖。巖溶中等發育,地下水豐富。

·雷達圖像分析與預報結論

掌子面里程為:PDK653+362

預報范圍:PDK653+362~+392(30米)

預報結論與建議:

PDK653+362~+368段圍巖較破碎,巖溶弱發育,存在溶蝕裂隙。

PDK653+368~+387段圍巖較破碎~破碎,巖溶中等發育,存在溶蝕破碎帶,多有填充物或溶洞。建議在施工時,提前加強支護,防止坍塌,采用加深炮孔法驗證。

PDK662+387~+392段圍巖較破碎,巖溶弱發育,存在溶蝕裂隙。

PDK653+362掌子面地質雷達探測圖像/PDK653+362掌子面地質雷達探測圖像

·驗證情況

后來施工開挖驗證了雷達探測結果與實際開挖基本吻合。但在PDK662+387~+392在掌子面右測含水豐富。