TRT6000在隧道超前预报检测中的应用

TRT6000在隧道超前预报检测中的应用（精选6篇）

TRT6000在隧道超前预报检测中的应用篇1

在隧道施工过程中,由于不良地质因素的不确定性,为了在工程施工过程中,减少工程隐患和避免工程事故,可以通过TRT6000超前预报系统进行隧道地质超前预报,从而来描述隧道掌子面前方的`地质情况,对隧道的施工方法提供科学的依据.本文介绍了TRT6000超前预报系统的工作原理、现场检测,并结合工程实例对检测数据进行分析,从而有效的的探测掌子面前方的地质情况.

作者：赵才作者单位：山东广信工程试验检测有限公司,山东济南,250002 刊名：中国科技博览英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY REVIEW 年，卷(期)：2010 “”(11) 分类号：U452.1 关键词：TRT6000超前预报系统地质预报隧道施工

TRT6000在隧道超前预报检测中的应用篇2

隧道是地下工程中最具有隐蔽性、变化性、复杂性和不可预见性的工程实体。其一, 隧道周围及掌子面前方的工程地质和水文地质情况对隧道施工的质量和安全关系重大。不良的地质条件极易引起隧道坍方、突泥涌水, 不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难, 也常常因突发事故导致人身伤亡、设备损失、工期延误, 从而造成巨大的经济损失其二, 由于普通工程地质勘察手段的局限性 (如地表沉降观测、地表钻探、地表水文地质调查等) , 无法完全准确的查明洞身围岩状况, 导致围岩划分的不准确, 无法准确知道施工。其三, 对已开挖段隧道围岩的地质分析、沉降观测、收敛观测也只能是通过当前的围岩岩性对前方围岩岩性的推测, 真实性不容易把握。只有结合超前地质预报的科学性检测和通过对围岩、支护的时空变形、应力、压力的量测数据分析, 才能对隧道支护状态进行评价, 预报险情、评定设计的合理性, 反馈设计, 及时变更设计。

2 超前地质预报的结合

2.1 地质与物探、钻探结合

地质分析工作是超前地质预报工作的基础和重要环节, 在较好了解地质情况的基础上, 才能使物探的解释结果更接近真实情况, 大大减少物探多解性带来的难题, 离开了地质的物探极易偏离真实的地质, 离开了物探的地质就很难将施工超前地质预报工作细化。

2.2 洞内外结合

野外地质调查与洞内地质素描和洞内预报成果相结合, 即宏观地质分析与具体的施工超前预报相结合。

2.3 长短及不同物探方法结合

长期超前预报探测距离较长, 但准确性稍差, 短期超前预报探测距离较短, 但准确性较高, 两者的结合可以取长补短, 有效提高超前地质预报的准确性;另外, 各种物探方法各有千秋, 单独采用一种方法往往精度达不到要求。而不同物探方法的结合, 则可以互相取长补短, 有效提高超前地质预报的准确性。

2.4 贯穿全程、因地制宜

由于隧道围岩地质的隐蔽性、复杂性, 认真的地质工作必须贯穿于施工的全过程, 这样才能从根本上保证隧道施工的安全、快速进行。同时为了达到经济、合理的目的, 则需要因地制宜地在不同的围岩中采用不同的隧道超前地质预报方法, 如在围岩地质较好的地段中采用结构面调查法就可以对施工中隧道周边岩块稳定性进行较准确的判定等;有较严重地质灾害风险的地段则可能要运用多种物探方法相结合, 以达到较准确判断不良地质体的目的。

3 超前地质预报原理及方法

针对要重点预报的不良地质情况, 应采取合理的搭配方案, 才能取得最好的预报效果。各种不良地质体适用的预报手段和各种物探方法的特点。

(1) 地质分析法:可以随时进行, 不干扰施工, 通过对资料的分析, 可以推断和预报隧道施工前方的工程地质和水文地质情况, 但地质分析的结果较为宏观, 不能做到精确的判断, 需要与物探方法相结合。 (2) 超前水平钻探法:这种方法可以反映岩体的大概情况, 比较直观, 施工人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工组织。但该方法也存在不足之处: (1) 在复杂地质条件下预报效果较差, 很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理, 特别是与隧道轴线平行的结构面, 其预报效果差; (2) 钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。 (3) TSP超前预报方法:可以对岩体的参数进行定量的显示, 对工作面前方遇到与隧道轴线近垂直的不连续体 (节理、裂隙、破碎带、溶洞等) 的界面, 其结果比较可靠, 但如果不连续体的界面形状不规则, 准确预报的难度较大。 (4) 陆地声纳法:陆地声纳法是探查溶洞、溶槽以及破碎岩体的较好方法, 目前的主要问题是无法准确的测定各层岩体的波速, 影响预报的精度。 (5) 地质雷达法:地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化, 对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力, 但是探测的距离较短, 大约在20~30m之间, 同时雷达记录易受干扰。 (6) 瞬变电磁法:能够探查掌子面前方的低阻体 (即含水体) , 目前精确定位的计算问题尚待深入研究, 在隧道中探测易受干扰的影响。 (7) 红外探水法:能估算掌子面前方15~25m岩体含水情况, 但受干扰较大。

工程地质法:全洞段预报采用工程地质知识技术原理适用于预报围岩类别、涌水、断层、地温、高应力、有害气体。

超前钻探:可预测前方30m采用勘探法原理适用于预报围岩类别、涌水、断层、高应力、有害气体等。

TSP:可预测前方150m采用地震波法原理适用于预报断层、溶洞和富水带的位置和规模。

陆地声纳:可预测前方100m采用弹性波法原理适用于预报中小型溶洞和破碎带。

地质雷达:可预测10~25m采用电磁波原理适用于预报地下水体、断层、溶洞和富水带的位置和规模。

瞬变电磁:可预测50m采用电法原理适用于预报地下水体、预测断层、溶洞和富水带的位置和规模。

红外探水:可预测25m采用红外线法原理适用于预报地下水、富水带, 但易受干扰。

针对隧道岩层种类繁多、岩溶发育、地下水丰富的特点, 按照“安全第一, 预防为主”的原则, 超前地质预报以地质分析, 长距离宏观预报与短距离精确预报相结合, 超前探孔与物探相结合, 多种物探方法相互补充验证、定性与定量相结合的综合预报方案, 实施方案主要采用以下几种方法:

3.1 TSP203 Plus地质预报系统

3.1.1 TSP预报原理

TSP203Plus地质预报系统利用地震波的反射原理, 预报范围长 (200米) , 结论相对可靠;测量时间小于90分钟, 操作简单, 对施工干扰小。

TSP测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的, 爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播, 其中一部分向隧道前方传播, 当波在隧道前方遇到异面时, 将有一部分波从界面处反射回来, 界面两侧岩石的强度差别越大, 反射回来的信号也越强。放射信号经过一段时间后到达接受传感器, 被转换成电信号并进行放大。从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的, 通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来;同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

为达到探测隧道前方和周围地质情况的目的, 在TSP测量系统中使用了三对高敏加速度传感器, 三对加速度传感器通过一根金属杆连接在一起, 分别以平行和垂直隧道轴线的方向定位在专门的传感器钻孔内, 传感器的这种布置方式能保证接收有各种不同角度反射回来的反射信号, 使用三对水平和垂直布置的传感器还能有效地减少干扰信号的影响。

由传感器采集到的振动信号经过模数转换器转换后存储在一台小型计算机上, 整个测量过程也是通过这台计算机来完成的。

测量工作结束后将存储在小型计算机上的地震信号作进一步的分析处理之用。TSP测量系统配备有专门的分析软件, 分析软件的主要任务之一是对测量信号进行各种数值滤波、选择放大等, 以获得清晰的反射图像。

分析软件的另一功能是将反射波图像所提供的信息与隧道的空间坐标结合起来, 通过一系列的数学运算求出反射事件本身的空间位置以及与隧道的相对位置。这些数学运算的结果和解释正是TSP地质超前预报的最终结果。

3.1.2 测线测点布置

TSP-203超前地质预报是利用振动波的反射来进行探测的。振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生, 一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点, 爆破点平行于隧道底面呈直线排列, 孔距1.5m, 孔深1.5m, 炮孔垂直于边墙向下倾斜15~200, 以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15~20m处设接收器点 (在一侧或双侧) , 接收器安装孔的孔深2m, 内置接收传感器。

3.1.3 TSP现场实施流程

TSP预报流程:钻孔装药爆破采集

3.1.4 资料分析与处理

采集的TSP数据, 通过TSPwin软件进行处理, 获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。

在成果解释中, 以P波资料为主对岩层进行划分, 结合横波资料对地质现象进行解释。解释中, 遵循以下准则:

(1) 正反射振幅表明硬岩层, 负反射振幅表明软岩层。

(2) 若S波反射较P波强, 则表明岩层饱含水。

(3) Vp/Vs增加或δ突然增大, 常常由于流体的存在而引起。

(4) 若Vp下降, 则表明裂隙或孔隙度增加。

探测结果以报告的形式提交, 根据分析结果对掌子面前方岩体进行分段描述, 包括岩性的变化、含水情况、是否存在不良地质体等。

3.2 红外遥感技术

红外遥感技术作为一种短距离超前预报的方法, 主要在隧道施工中探测掌子面前方30m~50m范围内进行较为准确的预报。

主要采用HY-303红外线探测仪。施工中, 通过测试掌子面的场强分布值, 根据场强的变化规律预报掌子面前方可能出现的岩层, 已经临近的不良地质体的性质、位置、地下水的活动规律、地下水的压力、储量等含水构造。通过测试已开挖隧道纵向的场强分布值, 根据场强的变化规律预报开挖断面四周是否存在含水构造。

对于场强的分布, 根据掌子面的大小, 将掌子面划分为若干区域。每个区域设置一个测点。根据历次工程测试, 判别掌子面前方是否存在含水的标准为:当测点中最大场强值和最小场强值的差值不小于10u W/cm2时, 大致认为前方有可能存在诱发突水的地下构造。

3.3 超前水平钻探

由于前期工程地质勘察阶段钻孔数量有限, 即使加上必要的物化探手段也不可能涵盖所有地质信息, 因此在正式施工后也需要根据新奥法的基本理念:即通过反馈施工过程中遇到的重要信息达到动态的设计, 和施工协调一致, 良性互动。

在施工阶段, 几乎所有的地球物理探测技术 (物探) 的精度和准确性都有待提高, 在遇到地质构造复杂, 其他手段推测前方存在较大地质缺陷或者隐伏水体存在而又无法验证时, 超前水平钻探作为最为直观和有效的勘察手段显得尤为必要。

作为重要的地质资料的补充和收集手段, 超前水平钻探的重要性显而易见。通过超前水平钻进, 预报人员可以获取除物探信息以外的现场信息。经验丰富的钻机操作人员通过孔底钻压的异常波动可以预测前方岩体质量的好坏。如果前方有水体存在, 则钻进中会有更加明显的征兆。因此超前水平钻进除了补充验证物探预测的正确性, 自身的作用也不容忽视。

对规模较大的岩溶发育区、物探异常段、可能的突涌水段, 通过超前水平钻探可以进一步确定不良地质体的位置、规模、富水情况等。

上述为结合江西赣崇高速尖峰岭隧道及我公司其它隧道实际施工中综合超前探测技术的应用做的一些总结和分析。隧道综合超前探测技术是为了全面保证施工的安全性, 对施工技术体系提供理论依据, 为施工规避潜在危险提供先前预警, 综合预报体系的实施大幅度克服单一预报方案的局限性, 能够有效指导施工。

参考文献

TRT6000在隧道超前预报检测中的应用篇3

随着隧道的深度和长度不断增加, 如何快速进行快速有效的隧道施工就成为了本世纪隧道工程界重点研究的问题。隧道工程的特点是具有非常高的复杂性和不可预见性, 在现有的技术水平下, 如何做好隧道施工过程中各类地质灾害的预测和治理就成为了复杂地质环境下铁路、公路隧道施工中的主要任务之一, 其中, 对于隧道施工过程中地质灾害的提前预报是国内外相关领域的研究瓶颈, 虽然得到了很多关注, 但是并没有很好的解决方案。

TSP系统是专门为隧道超前地质预报而设计开发的, 该系统可以对隧道工作面前方的围岩地质体的位置、规模和性质进行预测, 并计算出相应的物理力学参数, 为合理的选择支护参数提供了科学依据, 从而保证了隧道工程的质量和施工安全。目前, 我国引进的TSP系统主要为TSP-202和TSP-203, 曾成功的运用于晓南煤矿、山西雁门关公路隧道、兰武二线、云南元磨高速公路、青海公伯峡水电站导流洞、渝怀铁路部分隧道工程、株六铁路复线、秦岭铁路隧道等几十个工程项目中, 得到了工程技术人员的广泛认可和好评, 本文主要以TSP-203系统为例对其在隧道超前地质预报中的作用进行讨论。

2 TSP-203系统简介

2.1 T SP-203系统的基本原理

TSP-203系统主要利用了地震波的反射波原理, 详见图1。

特定位置进行的小型爆破产生了地震波, 爆破布局为24个爆破点沿着一侧隧道壁排列成直线, 炮孔深度和间距均为1.5m。地震震源面由人工制造的一系列按照一定规则排列的轻微震源组成, 当由这些震源发出的地震波遇到淤泥带、岩溶陷落柱、暗河、溶洞、断层破碎带界面等不良的地质界面时, 就会产生反射波。这些反射波会被设置在隧道壁上的传感器接收并传递给记录单元。由于反射波的到达时间与不良地质界面的距离成正比关系, 因此反射信号的强度大小就与界面的产状和性质密切相关, 通过对数据记录的分析, 就能够得出隧道结构剖面及其周围岩石结构的物理力学参数。

2.2 系统组成及其技术特点

1) 记录单元:12道24位MD转换, 采样间隔为62.5μs和125μs, 动态范围120dB, 记录带宽8000、4000Hz, 最大记录长度1808.5m s。

2) 接收器 (传感器) :三分量加速度地震检波器, 共振频率为9000Hz, 平率范围为0.5~5000Hz, 灵敏度为1000m V/g±5%, 横向灵敏度>1%, 操作温度为0~65℃。

3) TSPw in PLUS 2.1软件:能够同时进行数据的采集、处理和评估。

2.3 仪器参数及数据采集

在进行数据采集时, 采用的是X—Y—Z三分量同时接收, 间隔时间为62.5s, 采样数为7218, 记录长度为451.125m。采用无爆炸延迟的瞬发电雷管激发地震波, 所使用炸药为防水乳化炸药, 1~10炮的激发药量为15O克, 11~24炮的激发药量为200克, 在引爆之前以注水方式封堵炮孔。共记录地震数据24炮, 实发24炮, 所记录的数据质量较高, 可以用于后续的数据处理和评估。

2.4 数据处理

采集到的数据均通过TSPwin PLUS2.1专用软件进行处理, 基本流程主要为11步, 分别为设置数据、带通滤波、初至拾取、处理拾取、炮能量均衡、Q估计、反射波提取、P波S波分离、速度分析、深度偏移、提取反射层。数据处理得到的结果为反射层二维分布、岩石物理力学参数、提取的反射层、深度偏移剖面、SV波的时间剖面、SH波和P波。

3 应用实例

本次检测实例为某隧道工程出口部分, 开挖掌子面里程为YDK513+328, 设计围岩等级为Ⅲ级, 属第四系堆积层以及三叠系下统嘉陵江组地层, 青灰一深灰色, 成块状构造, 地表属强风化, 裂隙较发育, 有厚度为12m左右的破碎岩石层。深部为弱风化, 围岩具有较高的稳定性。设计YDK512+984前后各有一层压扭性断层, 表现为硅化带, 影响宽度约为88m。

3.1 对于结果的解释与评估

评估方法主要基于以下地震勘探准确:

1) 波阻抗和反射系数的差别与反射振幅的强度成正比。

2) 红色部分为正反射振幅, 表明坚硬岩层;蓝色部分为负反射振幅, 表明软弱岩层。

3) 如果纵波的反射小于横波, 则说明岩层含水量较大。

4) 如果横纵波的泊松比或速度突然增加, 则说明有流体的存在。

5) 如果纵波的速度降低, 说明孔隙度和裂隙密度增加。

3.2 探测结果

该隧道出口的TSP探测结果见图2。

3.3 探测成果解释及评估

对于探测结果的解释和评估见表1、2。

3.4 相关建议

预报段范围内YDK513+328~300、YDK513+290~277以及YDK5I3+24541段的围岩强度低, 情况较差, 因此在施工前应做好充足的安全防范和地质勘查工作, 并注意加强支护。其它段的围岩情况较为稳定, 各项指数无明显变化, 无明显断层。

4 结语

1) TSP是一种专门为地下工程研发的反射地震探测技术, 在投入使用后, 已经成功的对很多隧道工程施工过程中存在的不良地质问题进行了预报, 为提高工程质量, 保证施工安全做出了巨大的贡献。但也应注意到, TSP技术还只是一项仍在不断探索、研发和改进的隧道地质超前预报技术, 虽然在成果解释和技术方法方面已经较为成熟, 但是在对不同类型围岩的超前预报中, 还存在一些尚未解决的问题, 例如判断检测数据的有效性和强弱特征等、

2) 应以施工所在区域的地质勘查报告为基础, 对隧道施工现场的地质情况进行宏观预报, 再将宏观预报所得出的结论作为进行隧道超前地质预报的指导原则, 同时, 注意使用长短距离相结合的隧道施工不良地质超前预测预报技术, 以便充分发挥它们各自的优势, 使各项数据更加充分, 便于技术人员对有关地质情况做出更加合理的解释。

3) 在隧道施工前进行超前地质预报已经得到了工程技术人员广泛的关注和认可, 并成为了保证工程质量和施工安全的重要措施和手段, 是绝大多数隧道工程的第一道工序。加强对该技术的使用, 能够进一步增强施工的目的性, 最大程度的降低可能发生的安全事故。在使用过程中, 隧道超前地质预报的重点应放在那些容易导致地质灾害的如围岩坍塌、突泥、突水等不良地质问题上。

4) TSP系统能够对施工前方的地质变化情况 (如软弱岩层、断层破碎带等) 进行长距离的预测, 在掌子面前方100~150m范围内的准确率最高, 在绝大多数岩层结构中, 其有效预测范围都能达到100m左右, 并且整个测量工作对正常施工的干扰微乎其微。

5) TSP系统虽然得到了不断的改进和完善, 但到目前为止还无法对岩层中水的含量及出水地点进行准确预测, 另外, 炮点激发的误差、地震波波速与围岩的影响、测线排序和信号接受等问题还值得进一步的探索和研究。

隧道工程的涉及面广、系统性强, 隧道超前地质预报只是其中的一个子系统, 因此需要参与工程各方的协同配合才能有效开展。工程实践表明, 超前地质预报能够有力保障施工安全和工期, 具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]林才奎.复杂地质条件下隧道施工安全和保障技术[M].北京:人民交通出版社, 2010.

[2]邓荣贵.泥巴山深埋特长隧道岩体工程问题研究[M].成都:西南交通大学出版社, 2010.

[3]张庆贺.隧道及地下工程灾害防护[M].北京:人民交通出版社, 2009.

TRT6000在隧道超前预报检测中的应用篇4

隧道穿越区域中, 如遇隐伏岩溶、断层等较大不良地质区段, 会导致施工过程中突水、突泥、坍塌、区域沉陷、有害气体突出等地质灾害或不良的环境影响, 并给隧道结构安全与今后的运营留下隐患。为规避施工风险, 科学组织武广客运专线隧道施工, 需要采取多种手段, 分级管理, 开展综合超前地质预报工作, 较准确地预报隧道地质情况, 制定可靠的处理方案和技术措施, 及时采取预防手段与应急预案, 确保隧道安全顺利地通过隧道不良地质区段。

1 隧道地质超前预报的内容

隧道地质预报在道路施工建设过程中发挥着至关重要的作用, 一方面能提高隧道施工的安全性, 另一方面还能提高施工质量, 是现代社会道路施工发展建设的主要手段之一。隧道地质超前预报要求工作人员通过地质推断法将岩石周围的地质变化趋势展现出来, 并利用物探方法预报前方围岩的实际状况, 预报工作人员结合自身专业经验和地质分析原理了解前方的地质状况和围岩的等级类别, 并判断可能出现事故的围岩类型和场所, 最后, 针对问题提出具有科学性的解决措施。不良地质体涉及范围非常广, 主要包括破碎带、溶洞、节理密集带以及富水带等, 以上各位置的性质、特点是超前预报的基础和主要依据, 并对超前预报的结果有至关重要的影响。另外, 地质原理分析和推断还存在着典型的成灾型, 这是地质超前预报中至关重要的环节, 此环节还会直接成为提出施工建议的主要依据。因此, 地质条件预报、灾害类型及可能性预报以及围岩级别预报和施工建议之间存在紧密联系, 其中, 地质条件预报直接决定灾害类型和人围岩级别预报, 在确定以上各参数后结合隧道施工实际状况制定科学合理的施工方案。

2 隧道施工中不良地质超前预报方法分析

2.1 常规地质超前预报法

2.1.1 地质素描法

在隧道超前地质预报中, 人们最早使用的方法便是地质素描法。地质素描法是利用地质理论和作图法, 准确地将隧道掌子面及其周边所揭露的地层构造、结构面产状、地下水出水情况等一一记录并绘制成图表, 然后, 与设计地质资料对比, 来预测隧道开挖面前方地质条件。在隧道开挖过程中, 每一开挖循环均要求作地质素描图来推断前方地质。地质素描图主要内容, 包括断层、破碎带的位置、产状、规模, 地下水出水点情况等。

2.1.2 超前导坑预报法

超前导坑预报法有平行导坑和正洞导坑法两种, 其中, 平行导坑法断面小, 在实施过程中要做必要的测试试验, 并同时做好相关记录, 对隧道穿越地层分布结构情况进行平面的展示, 做出地质素描图, 可以指导较小间距的平行隧道, 对隧道施工进行预报。正洞导坑法的精度优于平行导坑法, 它是先确定隧道的中心轴线, 沿隧道的正洞开挖出小导坑, 进行初步探测, 再将小导坑进行扩大为断面, 实现超前预报功能。我国的北京八达岭隧道施工就运用了这一方法。

2.1.3 超前水平钻孔预报法

这一预报方法是将钻机设备移入隧道之内, 按照水平方向钻进, 根据钻机钻进的速度测试、岩芯采取率、强度鉴定等数据, 来推断隧道掌子面前方的岩层节理构造、岩体的地形构造等大概情况, 隧道施工人员可以对这些检测数据进行分析, 如:对岩芯采取率的鉴定, 如果岩芯采取率低, 则表明有裂隙在形成和发育;如果岩芯采取率高, 则表示岩体没有裂缝, 完整性良好, 完成地质超前预报。但是, 这种超前水平钻孔预报方法也有其局限性, 即往往出现隧道施工中, 由于这种方法的“一孔之见”而导致不良地质体的漏报, 使之无法准确预报复杂的地质地形条件, 对隧道掌子面前方的小断层及与轴线平行的断面也无法进行准确预测, 还有待于更多的探索和实践应用。

2.2 地球物理超前预报方法

2.2.1 TSP预报法

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 是隧道地震波法的简称。TSP设备由瑞士安伯格研发生产, 采用回声测量原理, 在我国应用较广泛。TSP法的地震波信号通常由小量炸药爆炸产生, 其传播到不同的岩层界面时被反射, 产生的反射波被三维高灵敏度的地震检波器接收, 利用计算机软件对反射波进行解析, 可推断掌子面前方地质情况。在确定相关参数的准确性后, 预报人员通过反射波数据库的基本情况进行深入研究分析, 就可以准确判断相关隧道剖面及岩石的物理性质和基本力学参数, 隧道施工建设以此为依据便能在保障安全性和可靠性的同时在更短的时间内完成。

2.2.2 红外探水预报法

通常情况下, 在应用红外探水原理之前, 工作人员必须确定一个比较稳定的地质体, 并将该地质体作为探测对象所必须的场源, 由于探测对象所形成的红外场强度和场源本身的场强度几乎保持一致, 如果地质体中含有一定地下水, 此时, 地下水场源产生的红外场将直接影响地质体场源多产生的红外场。以围岩红外场的变化来预报前方是否含有水体, 并以隧道的走向为依据, 判断红外探水与场源强曲线之间的关系。最后, 在利用红外探水原理进行隧道超前地质预报的过程中还应该根据实际探测状况建立各监测点的场强与测点到掘进面的距离之间的函数关系, 并绘制函数关系示意图, 再结合函数图形的基本特点完成超前探水预报要求。

2.2.3 地质雷达预报法

地质雷达法简称GPR (Ground Pene-trating Radar) , 其利用发射天线向隧道掌子面前方地层发射脉冲形式的高频电磁波, 经地层界面反射回掌子面的回波信号由另一天线接收, 对回波信号进行分析, 可短距离预报掌子面前方地质。地质雷达法对含水带、破碎带等不良地质拥有较高的识别能力, 在富水地层以及溶洞发育地区和深埋隧道, 效果好, 应用较广泛, 具有操作速度快、对施工干扰小、探测精度高等优点。

3 隧道施工中超前地质预报方法的选择

上面介绍的预测方法, 各自有不同的运用情况, 应该选取合适的方法加以应用。首先在预报方法选取上要遵循一定的原则, 比如要保证施工时所用时间不能过长, 对施工产生的影响应该尽量小, 预报误差应该小于5%, 可以完整掌握地质结构、含水状况、破碎程度、完整性等。遵循这些原则, 选择合适的预报方法。另外预报方法的选取还应当充分考虑地质风险等级, 地质风险等级与预报方法的选取直接相关, 要在判断国风险等级之后再来选取预报方法。

根据公路隧道地质风险等级划分标准, 把地质风险等级划分成了四个等级, 分别是A级、B级、C级、D级, 四个等级代表的分别是特大型地质风险、大型地质风险、中~小型地质风险、局部小型地质风险, 除了这四个基本等级之外还可以根据工程地质状况在各个等级下面划分出亚级, 通过这种方式来反映那些介于其中两个等级之间的地质风险。当确定了地质风险等级之后, 可以参照《不同地质风险等级的预报方法选取标准》来确定预报方法。

结束语

总之, 综合物探方法在隧道超前地质预报过程中具有较高的应用价值, 工作人员必须结合施工现状, 从多方面着手, 为提高施工质量做出应有的贡献。众所周知, 隧道超前地质预报工作在隧道施工建设过程中具有重要的作用, 它一方面能引导施工人员准确掌控施工所在地的地质情况, 另一方面还能为施工人员的人身安全提供安全保障。

摘要：隧道所处地段地质条件复杂多变, 勘察设计人员很难对隧道的地质结构进行准确勘察。在进行隧道开挖过程中经常会遇到断层破碎带、富水带和岩溶等不良地质体, 这些不良地质体的出现大大增加了隧道开挖难度。因此, 对隧道地质构造进行超前地质预报工作, 是避免掘进过程中出现突水、突泥等灾害, 减少人员伤亡和经济损失的有力手段。

关键词：超前地质预报,隧道,施工,应用

参考文献

[1]戴前伟, 王鹏飞, 冯德山, 张富强.综合物探方法在隧道掌子面超前地质预报中的应用[J].工程勘察, 2012, 02 (08) .

TRT6000在隧道超前预报检测中的应用篇5

本文依托某隧道出口段工程, 采用物探方法 (地质雷达) 和超前钻探方法相结合的方式, 对某隧道的不良地质体进行了探测, 并结合探测结果与现场开挖情况进行对比分析。结果表明, 地质雷达和短距离钻探可较为精确预报岩溶区隧道的不良地质体, 能够避免和减少隧道施工中可能出现的地质灾害, 是防止施工中突发性灾难, 保证施工工期、施工质量和评判围岩稳定性的有效措施。

1 工程概况

某隧道左线起讫桩号ZK64+292~ZK68+157, 长3 865 m, 属特长隧道, 最大埋深约485.2 m, 进洞口走向方位角125°, 出洞口走向方位角143°;右线起讫桩号YK64+300~YK68+159, 长3 859m, 属特长隧道, 最大埋深约480 m, 进洞口走向方位角125°, 出洞口走向方位角143°, 单洞净空 (宽×高) :10.25 m×5.00 m。隧道地层为上白垩系罗镜滩组石灰质砾岩, 地表岩溶发育, 分布有大量的岩溶洼地、落水洞、漏斗, 大气降水直接通过落水洞、漏斗灌入地下, 并通过地下河排向深切河谷, 且发育有漏水洞, 为典型的强岩溶隧道, 施工风险极大。隧道开挖过程中可能出现岩溶发育、膨胀围岩、破碎断层等不良地质体问题, 有必要进行隧道超前地质预报工作, 以保障隧道施工安全。

2 探地雷达探测基本原理

探地雷达是利用频率介于106~109 Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。探地雷达基本原理如图1所示。

发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下, 电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体时, 就会发生反射和透射, 接收天线收到反射波信号并将其数字化, 然后由计算机以反射波波形的形式记录下来。对所采集的资料进行相应的处理后, 可根据反射波的传播时间、幅度和波形, 判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。

探地雷达是通过对反射波形特性分析来判断地下目标体的, 所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中, 目标体与介质间的电性差异越大, 二者的接口就越清晰, 表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说, 目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。

3 探地雷达超前探测

2013年8月, 对某隧道出口段ZK67+739工作面开展了1次短距离超前预报地质雷达探测工作。

3.1 探测方法

采用天线频率为100 MHz, 采集样本点为512。测线布置如图2所示。探测流程为: (1) 放平雷达天线, 连接并固定好电缆两端; (2) 打开主机并进入操作界面;根据隧道的围岩条件、探测目的及探测范围等信息综合设置“COLLECT”菜单下各参数取值, 调试增益“GAIN”幅度以达到最佳状态; (3) 完成雷达主机参数调试, 进行雷达超前地质预报。

3.2 数据解译

地质雷达图像剖面是地质雷达数据解释的基础, 只要工作面前方介质中存在电性差异, 就可以在雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应。雷达剖面图的识别主要是确定具有相同特征的反射波组的同相轴。通常来说, 构造断裂带在雷达剖面上的波形反映一般是与断裂带走势相同的一条曲线, 软弱夹层和岩溶洞穴的波形反映一般是由许多细小的拋物线组成的一块较大区域, 与周围的波形存在明显的差异。实践证明, 地质雷达对工作面前方含水、溶洞、断裂带等异常反映较好, 但预报范围将会相对缩短。因为水的介电常数ε=81, 电磁波能量会被水大量吸收, 探测距离相对缩短。电磁波在地层中传播时的能量消耗也很大, 也会对探测距离有一定的影响。雷达图像的判读除了在雷达剖面图上发现明显的信号异常之外, 还要注意观察工作面施工现场的地质情况, 结合地质方面的知识加以综合判断。

通过对“OUTPUT”菜单保存的雷达数据导入专业雷达处理软件“Reflexw”中进行处理与解译, 按照截波、零点漂移、直达波拾取、增益、横波滤除, 背景去除、高切、低切、平滑处理等步骤, 得到最终的雷达处理数据图像, 并根据图中信息对隧道前方地质进行准确判断。

3.3 结果处理分析

通过对工作面地质雷达探测结果的处理, 得到雷达探测结果如图3和图4所示。

工作面前方2 m内 (ZK67+739~ZK67+737段) 雷达信号反映强烈, 推测该段围岩较为破碎, 可能存在节理裂隙发育, 围岩自稳能力较弱, 开挖时围岩受扰动容易松散产生掉块。隧道工作面前方2~12 m (ZK67+737~ZK67+727段) 雷达信号反应较弱, 出现抛物线型区域, 且同相轴不连续, 推测该段节理裂隙发育, 充填物丰富, 泥质夹杂, 围岩强度较低, 完整性较差, 局部存在小型空腔。隧道工作面前方12~20 m (ZK67+727~ZK67+719段) 雷达信号出现异常, 且信号反应强烈, 推测此段围岩较为破碎, 围岩整体性较差, 可能有裂隙发育, 岩体胶结力较弱。

4 超前钻探

超前地质钻探是在工作面布设探孔, 采用水平钻机进行超前钻探, 根据钻机在钻进过程中的推力、扭矩、钻速、成孔难易及钻孔出水情况 (必要时提取岩芯进行分析) 来确定前方的地层和岩性, 同时进行涌水量、水压测试及水质分析, 判定工作面前方地层含水情况及性质的一种超前地质预报方法。

此次超前钻探采用YQ100E多功能潜孔钻机进行, 钻头Ø90 mm, 钻杆Ø50 mm。现场布置1个钻孔, 钻孔布设于工作面中部、距地面约1.2 m处。为了综合判断工作面前方围岩情况, 实施超前钻探工作前, 先在隧道Ⅲ级围岩处试钻一深2 m的钻孔, 以确定该钻机在Ⅲ级围岩中的钻进效率。Ⅲ级围岩中的钻进结果表明, YQ100E型多功能潜孔钻机在Ⅲ级围岩中钻进1 m的平均钻进时间为7 min 38 s。根据该钻进效率, 结合隧道工作面的实际施工情况以及现场地质调查和钻进过程全记录, 综合推断隧道出口左洞ZK67+739~ZK67+729段围岩情况。某隧道出口左洞超前钻探具体钻进过程记录见表1 (钻进长度均为1 m) 。

5 现场开挖情况对比验证

某隧道出口段左洞ZK67+736工作面左侧及中部以黄色泥质充填物为主, 局部夹杂强风化砾岩, 土质含水, 松散软弱;围岩较为破碎, 岩体风化严重, 工作面左下部存在小型无充填型溶洞, 岩体结构变形较大, 有较大的施工风险。

某隧道出口段左洞ZK67+736, 工作面围岩实际开挖揭露情况与地质雷达和超前地质钻探结果一致, 验证了采用此方式进行隧道超前地质预报的准确性。此段在开挖过程中易发生围岩大变形, 开挖扰动可能造成局部或整体小规模塌方。建议开挖前进行超前支护, 开挖后及时进行初期支护, 并做好监控量测工作。

6 结论

目前超前地质预报方法主要有:地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法等。超前钻探与物探法 (地质雷达) 相结合的方式, 能够准确探测隧道工作面前方较短距离的地质情况。通过超前地质预报发现隧道工作面ZK67+737~ZK67+727段可能含有较多泥质充填物, 围岩强度较低, 完整性较差, 局部存在小型空腔, 与实际开挖情况一致, 验证了文中所述方法具有工程实际应用价值。建议此段隧道在开挖前应施作超前支护, 开挖后及时进行初期支护, 并做好监控量测工作。

参考文献

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TRT6000在隧道超前预报检测中的应用篇6

天成山隧道左线全长3 372 m, 右线全长3 390 m, 属特长隧道, 为厦成高速项目控制性工程。隧址区位于构造剥蚀丘陵区, 属南亚热带海洋季风气候, 温暖湿润多雨, 每年5~9月为雨季。岩层属南园组凝灰岩及燕山期侵入花岗岩, 最大埋深260 m。该区域地质构造复杂, 发育有多条断层破碎带和节理密集带, 因此其富水性和导水性均较好。且其中的裂隙水相当丰富, 施工过程中出水量较大。

在天成山隧道右线施工中出现突泥涌水地质灾害, 判定该段为断层破碎带, 并推断该断层于左线连通。为探明该断层在左线的具体位置及规模, 避免左线施工中发生类似地质灾害, 隧道左线开挖中采用了多种预报方法相结合的综合法进行超前地质预报工作, 并取得了较好的预报效果。

2 突泥情况及形成机理

2.1 突泥概况[1]

天成山隧道右线YK22+136对应的地表地貌复杂多变, 右线地表天坑位置位于两条沟谷交汇处。天成山隧道右洞掌子面YK22+136上台阶开挖后进行初喷时, 上断面左侧拱腰出现突泥现象, 突泥体呈流砂状流出, 突泥量约450 m3。右洞掌子面在进行反压回填作业时, YK22+136处上断面左侧拱腰再次出现突泥现象, 突泥体呈流砂状流出, 突泥量约1 800 m3, 淤泥掩没至下台阶。右洞掌子面在进行回填作业平台时, 掌子面再次出现突泥现象, 突泥体呈流砂状流出, 突泥量约14 000 m3, 淤泥掩没长度超过160 m。

2.2 突泥形成机理分析

突泥形成机理分析如下: (1) 隧址区地质构造复杂, 发育有多条断层破碎带和节理密集带, 断层带内分布有大量全~强风化的花岗岩以及粗细砂颗粒, 这些成为了突泥涌水的携带物; (2) 该段连通性和导水性均较好, 容易形成突泥涌水的下泄通道; (3) 隧道发生突泥灾害时正值雨季, 由于连续的暴雨天气, 降水丰富, 地表水补给充足, 大量地表水沿节理裂隙下渗并储藏于山体当中, 构成了发生突泥涌水的外在条件。隧道开挖时打通了断层中地下水的下泄通道, 大量风化物质随地下水流涌出, 造成了隧道右线施工中出现突泥涌水。

由于隧址区断层发育, 推断该断层在隧道左、右线是相连通的, 在左线施工中极易发生类似突泥涌水现象。因而, 迫切需要对隧道左线进行超前地质预报工作。

3 综合超前地质预报的方法和内容

3.1 综合超前地质预报的主要方法

超前地质预报工作是实现隧道动态设计和信息化施工的重要保障, 正确的超前地质预报方法能够取得较好的预报效果, 保证地下工程施工安全、高效的进行[2]。

单一的地质预报方法具有其自身的局限性, 因此, 只有采取多种方法有机结合, 扬长避短、相互验证, 才能取得更好的预报效果[3,4,5]。本次预报工作以地质分析为核心, 洞内洞外相结合, 考虑物性参数互补。基于上述原则, 对天成山隧道突泥段进行了洞外地质调查和洞内掌子面地质观察, 应用地质雷达与瞬变电磁长短距离相结合, 并采用超前水平钻孔对隧道左线进行了超前地质预报工作。

3.2 超前地质预报内容

根据隧道右线突泥情况和隧道设计地质资料, 本次预报工作旨在探明隧道左线断层的位置、规模及富水情况。

4 超前地质预报成果分析

4.1 洞外地质调查

发生突泥灾害后, 对隧道地表进行地质调查, 隧道突泥部位埋深超过160 m, 隧道突泥引起的地表塌陷中心位置在YK22+136中线附近, 塌坑直径约35 m, 深度约15 m, 塌坑内为全风化花岗岩, 呈砂土状, 地表有股状水流入。塌陷处地貌为山间扇贝形山坳, 地表沟谷的走向主要有3种:与隧道近于平行、与隧道近于正交、与隧道约40°斜交。斜交方向沟谷贯穿隧道左右线, 这与隧道掌子面围岩节理裂隙走向一致。从地形地貌分析结合区域地质构造, 推断左线遇到断层的位置应在ZK22+200左右。经后期开挖验证, 地表沟谷方向反映了断层和节理密集带的位置。

4.2 掌子面地质情况

掌子面 (ZK22+200) 围岩主要以弱风化花岗岩为主, 岩质较硬, 节理裂隙发育, 岩体较破碎, 呈碎块状结构, 掌子面潮湿。掌子面围岩Ⅳ级。

4.3 地质雷达预报

4.3.1 地质雷达预报原理

地质雷达采用的是时间域脉冲雷达, 将宽频带的脉冲发射到地下介质中, 通过接收反射信号达到探测地下目标的目的, 雷达系统向被探测物发射电磁脉冲, 电磁脉冲穿过介质表面, 碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来, 根据电磁波的双程走时的长短差别, 确定探测目标的形态及属性, 结合工程地质理论分析达到对埋藏目标 (地质体) 的探测与判断。

4.3.2 地质雷达预报成果分析

地质雷达属于短距离超前地质预报方法, 对于隧址区破碎带、含水带有较好的识别能力, 对于天成山隧道断裂破碎带的预测较为适用。由于地质雷达是接受反射波的信息来探测目标体, 而反射信号的强弱取决于介电常数的差异。因此, 介电常数的差异是地质雷达应用的先决条件。根据现场实际测试情况结合掌子面地质情况, 本文介电常数值取7.0。

本次预报雷达测试图像如图1所示。

本次探测范围为ZK22+200~ZK22+230。雷达图像显示, ZK22+212~ZK22+230段雷达信号反射强烈, 有明显的散射和绕射现象, 波形杂乱, 电磁波能量快速衰减。这主要是由于该段内介质介电常数差异较大造成的。根据雷达图像和掌子面情况, 可以推断ZK22+212~ZK22+230段裂隙水丰富, 节理裂隙极发育, 围岩破碎, 整体性较差, 围岩强度低。

4.4 瞬变电磁预报

4.4.1 瞬变电磁预报原理

瞬变电磁法的测量原理是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场, 即在发射回线上供一个电流脉冲方波, 方波后沿下降的瞬间, 将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场, 在该磁场的激励下在地质体内产生涡流, 其大小取决于该地质体的导电能力, 导电能力强则感应涡流强。在一次场消失后, 涡流不能立即消失, 它将有一个过渡过程, 该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。在地表用接收线圈接收二次磁场, 该二次磁场的变化将反映地下介质的电性情况, 在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势, 得到二次场随时间衰减的特性。

4.4.2 瞬变电磁探测成果分析

瞬变电磁对地下水较为敏感, 对掌子面前方地下水的预报效果较好。利用CUGTEM-8瞬变电磁仪超前地质预报系统获得了左线进口 (ZK22+208~ZK22+348) 140 m范围内顺层 (隧道轴线) 方向、向上45°方向、向下45°方向各测点的电阻率分布图, 如图2所示。

瞬变电磁主要通过电阻率等值线的变化趋势来判断隧道前方围岩情况。当电阻率等值线较平整且稳步增加, 则可推断掌子面前方围岩变化较小。若掌子面前方存在富水溶洞则电阻率等值线急剧变化且出现闭合现象。

通过对不同测线测点电阻率的变化趋势可以得出, ZK22+208~ZK22+253里程段裂隙水丰富, 特别是开挖方向右侧水量明显增大, 该段围岩较破碎, 节理裂隙发育。图中所示电阻率20~40范围颜色表示富水区域。裂隙水分布情况也大体表明了断层走向。裂隙水对围岩软化作用明显, 岩体自稳能力差, 属软岩, 开挖过程中易产生突泥涌砂等地质灾害。

瞬变电磁预报作为对隧道富水情况的长距离预报, 其结果与地质雷达预报结果一致, 预报结果相互验证。

4.5 左线正洞超前水平钻孔成果分析

超前地质钻孔是采用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探来获得地质信息的地质预报方法。水平钻孔可以直观地反映钻孔段的岩层岩性、岩体破碎程度及含水情况, 预测结果较为客观。但是, 水平钻孔费用较高, 且占用施工时间较长。

左线掌子面ZK22+208处布设15号和16号水平取芯钻孔, 总进尺分别为51 m及44 m。其中16号钻孔位于隧道轴线偏左0.8 m, 距拱顶5 m位置;15号钻孔位于掌子面左侧距隧道轴线6 m位置, 与16号钻孔基本水平。

15号钻孔旨在探明之前已确定的掌子面前方大型断层带的具体规模。钻机钻进过程中钻进速度和钻孔回水情况表明, ZK22+232.1~ZK22+241.8段钻孔回水较大, 在钻机钻进过程中容易产生卡钻现象, 由此可推断该段岩体较为破碎;ZK22+241.8~ZK22+253段钻机钻进过程中出现卡钻现象, 钻孔回水较大, 回水浑浊, 岩芯完全风化成沙土状, 岩芯松散;ZK22+253~ZK22+257.5段为强风化花岗岩, 水钻取芯时岩芯成松散砂土状。结合前期资料, 可以确定ZK22+232.1~ZK22+257.5为该大型断层带影响范围。

16号钻孔旨在验证掌子面前方断层带的走向、倾向及规模与前期推断是否一致。根据钻进过程情况和钻孔岩芯, 结合前期钻孔及物探资料, 该断层规模及走向和最初推断基本吻合。ZK22+228.2~ZK22+250.4段主要为强、全风化花岗岩, 水钻取芯时岩芯成松散砂土状, 该段属于断层破碎带范围, 为断层带的主要区域, 该段岩层极可能在地下水作用下崩解软化, 形成流泥流砂状态。

经过初步计算, 断层走向与线路方向夹角在30°~50°, 断层向掌子面方向倾斜。断层宽度约为15~22 m, 断层对隧道左线影响范围大致在ZK22+208~ZK22+260。断层预测结果如图4所示。根据钻孔情况及物探结果推断, 此断层规模较大, 断层带内富水且压力大, 水量补给通道较多, 加之目前雨季影响, 断层带内裂隙水会得到很大补充, 施工时需特别注意做好超前支护加固措施及引排水工作。另外, 施工过程和引排水的扰动可能会扩大断层规模, 应予以考虑。

结合掌子面地质情况, 地质雷达和瞬变电磁的预报成果确定了断层影响范围, 认为隧道左线施工中会产生突泥现象。超前水平钻孔验证了地质雷达和瞬变电磁预报成果的正确性, 并确定了断层的走向。

5 综合分析与施工验证

根据综合预报成果, 天成山隧道左洞施工时将台阶法开挖改为双侧壁导洞法进行开挖, 并在原有掌子面处采用了止浆墙封堵、帷幕注浆加固、超前导管引排水等措施进行围岩预加固处理。为后期安全通过断层带打下了坚实的基础。经后续开挖验证, 断层带分布情况及规模与前期预报成果基本一致。目前已安全通过断层影响区域。

6 结论

通过对天成山隧道预报结果与现场开挖信息的对比分析, 得出以下结论:

(1) 采用综合超前地质预报手段, 对天成山隧道左洞工程地质条件进行了预测分析, 预报结果与实际开挖情况基本一致, 表明本文所采用综合超前地质预报技术的正确性和合理性;

(2) 超前地质预报技术可较好地反应掌子面前方工程地质条件, 避免了隧道施工中突水、突泥等地质灾害的发生, 保障隧道工程安全施工;

(3) 各种超前地质预报技术侧重点不同, 单一的超前地质预报技术有一定的局限性, 需要采取有效的组合手段, 相互验证、相互补充才能得到科学合理的预测结果。

超前地质预报工作技术性较强, 工程实践中应加强预测结果与开挖信息反馈分析、不断总结规律, 根据不同工程地质条件选择适用的预测手段和方法, 以期达到准确预报的目的。

参考文献

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