TSD系统在隧道超前地质预报中的应用（精选8篇）
TSD系统在隧道超前地质预报中的应用
指出TSD隧道超前预报系统是用地震原理对隧道进行超前探测的系统,该系统采用了速度型检波器进行数据采集,数据采集和处理系统高度智能化,使用该系统对安徽某隧道(ZK55+488里程)进行地质预报,结合实际开挖证实了该套系统预报的可行性和准确性.
作 者：宋广明 刘志凯 刘瑞臣 SONG Guang-ming LIU Zhi-kai LIU Ru-chen 作者单位：天津华勘有限公司,天津,300181刊 名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE年，卷(期)：35(18)分类号：U452.1关键词：TSD 隧道 超前预报
1 TSP203超前预报系统基本原理
在隧道隧洞内,人工制造一系列有规则排列的轻微震源;震源发出的地震波遇到地层界面、节理面,特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时,将产生反射波,它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关,并通过不同数据表现出来;通过设备设置的震源反射波的数据采集系统(传感器和记录仪),将这些递增数据经微机处理后储存起来。然后,将数据输入带有特制软件的电脑,经过电脑进行复杂数学计算。最后形成反射波(纵波)波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图,供工程技术人员解译。
TSP(Tunnel Seismic Prediction,隧道地震波勘探)设备是由瑞士安伯格开发、生产的,是当前国内外最先进的隧道隧洞长期超前地质预报设备,也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。它与其他超前地质预报的设备相比,最大优点是:探测距离远,分辨率高,抗干扰能力强,影响施工很少。
一般地说,TSP203解译效果较好,探测精度较高。但它的解译技术要求高,较适合解译水平较高的技术人员使用,不便推广应用,所以又称专家型。
2 TSP203应用实例
2.1 工程概况
南山隧道位于延边朝鲜族自治州和龙市境内,全长7 566 m,进口里程DK68+928,出口里程DK76+494,隧道位于直线上,纵向坡度为9.5‰的下坡。
2.2 超前预报过程
掌子面里程DK69+935,接收器里程DK69+883,用瞬发电雷管、岩石乳化炸药,炸药用量30 g～50 g,洞内布置的TSP203预报系统接收器和爆破孔在掌子面附近的边墙上,钻1个接收器孔和21个爆破孔,最后一个爆破孔距掌子面约15 m,爆破孔间距1.5 m,孔深1.5 m,孔径35 mm～38 mm,孔口距隧底约1 m,向下倾斜约10°。接收器距掌子面约55 m,与第一个爆破孔间距20 m,接收器孔深2 m,孔径43 mm～45 mm,孔口距隧底1.0 m,向上倾5°～10°,预测前检查所有孔的孔深、孔径是否达到要求,孔是否顺直,有没有坍孔和阻塞物,达不到要求的必须进行处理,然后测量所有已钻好的炮孔、接收孔的孔深、倾角、间距、孔口到隧底的高度等参数并做好记录,以备数据处理时用。
测试时隧道暂停施工,并做好以下准备工作:1)接触断层前,先做超前地质探测,按100 m左右预测一次。2)TSP预报探明有可能须进行超前注浆的地段,实施超前钻孔5 d前要做好注浆准备工作。3)TSP预报可能出现大流量的涌水(或涌泥)地段,涌水点前方50 m范围内要用水平地质空芯钻钻取岩芯。4)TSP预报可能出现高压地下水的地段,超前钻探时必须采取必要的钻孔固定措施以及孔口管装置,确保能够有效地控制高压地下水。
2.3 TSP203预测结果(K69+935～DK70+094)
2.3.1 DK69+935～DK69+946(11 m)
工程地质特征:局部多水、有小断层破碎带和密集节理带分布的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:可见4条小断层破碎带和2个水带。走向NW295°,与隧道近于直交,左壁、右壁对应。各带在两壁具体位置、规模和特征是:1)左右壁935～940;带宽5 m,由4条小断层破碎带组成,稍破碎,少水。2)左右壁940～942;带宽2 m,一般多水带。3)左右壁944～946;带宽2 m,一般多水带。围岩级别评价:总体围岩稍破碎,且多水,稳定性稍差～较差,易掉块～坍塌,估计总体为Ⅱ级偏弱围岩。
2.3.2 DK69+946～DK69+954(8 m)
工程地质特征:少水,较完整的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:无。围岩级别评价:总体围岩较完整,且少水,稳定性较好,估计总体为Ⅱ级围岩。
2.3.3 DK69+954～DK69+970(29 m)
工程地质特征:局部多水,有规模较大的断层破碎带分布的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:可见4条断层破碎带和1个水带。走向NW295°,与隧道近于直交,左壁、右壁对应。各带在两壁具体位置、规模和特征是:1)左右壁954～960;带宽6 m,由1条中型断层破碎带组成,较破碎,少水。2)左右壁963～970;带宽7 m,由3条断层破碎带组成中型断层破碎带,围岩破碎,多水。易坍塌～塌方,加强防范,小心施工,超前加固。水带位于破碎带的中部,即左右壁966～968。围岩级别评价:总体围岩破碎,且多水,稳定性较差～差,易掉块～坍塌,估计总体为Ⅳ级偏弱围岩。
2.3.4 DK69+970～DK69+994(24 m)
工程地质特征:局部多水、有少量小断层破碎带分布的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:可见1条小断层破碎带和2个水带。有走向NW295°,与隧道近于直交,左壁、右壁对应;也有走向NNW345°,与隧道成45°角斜交,始见右壁,终于左壁。各带在两壁具体位置、规模和特征是:1)左右壁972～974;带宽2 m,走向295°,一般多水带。2)右壁981～985,左壁987～991;带宽4 m,走向345°,由1条小断层破碎带组成,稍破碎,少水。3)右壁992～994;带宽2 m,走向345°,一般多水带。
围岩级别评价:总体围岩稍破碎～较完整,局部多水,稳定性较好,估计总体为Ⅱ级围岩。
2.3.5 DK69+994～DK70+019(25 m)
工程地质特征:局部多水,有小断层破碎带和密集节理带分布的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:可见3条小断层破碎带。走向NW295°,与隧道近于直交,左壁、右壁对应。各带在两壁具体位置、规模和特征是:1)左右壁994～999;带宽5 m,由1条小断层破碎带组成,较破碎,少水。2)左右壁005～009;带宽4 m,由1条小断层破碎带组成,稍破碎,少水。3)左右壁012～019;带宽7 m,由1条小断层破碎带组成,稍破碎,多水。水带位于破碎带的后部,由2个一般多水带组成;即左右壁014～016和左右壁017～019。
围岩级别评价:总体围岩稍破碎,且多水,稳定性稍差～较差,易掉块～坍塌,估计总体为Ⅱ级偏弱围岩。
2.3.6 DK70+019～DK70+030(11 m)
工程地质特征:少水,较完整的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:无。
围岩级别评价:总体围岩较完整,且少水,稳定性较好,估计总体为Ⅱ级围岩。
2.3.7 DK70+030～DK70+094(64 m)
工程地质特征:总体多水～富水、有少量小断层破碎带分布的花岗闪长岩区段。
主要不良地质:可见1条小断层破碎带和8个水带。有走向NW295°,与隧道近于直交,左壁、右壁对应;也有走向NNW345°,与隧道成45°角斜交,始见右壁,终于左壁。各带在两壁具体位置、规模和特征是:1)左右壁030～032;带宽2 m,走向295°,一般多水带。2)左右壁036～038;带宽2 m,走向295°,一般多水带。3)右壁044～055,左壁050～061;带宽11 m,走向345°,由1条富水小断层破碎带组成,可能有较大的涌水,加强防范,小心施工,超前探水。4)左右壁056～062;带宽6 m,走向295°,富水带。可能有较大的涌水,加强防范,小心施工,超前探水。5)左右壁063～072;带宽9 m,走向295°,富水带。可能有较大的涌水,加强防范,小心施工,超前探水。6)左右壁074～078;带宽4 m,走向295°,一般多水带。7)左右壁081～085;带宽4 m,走向295°,一般多水带。8)左右壁092～094;带宽2 m,走向295°,一般多水带。
围岩级别评价:总体围岩稍破碎～较完整,但总体多水～富水,估计总体为Ⅱ级偏弱围岩。
2.4 预测效果验证
我们根据TSP203 超前地质预报结果采取了有针对性的施工方案和措施,顺利通过了该段不良地质,为确保总工期奠定了基础。我们把预测结果与施工过后的实际围岩作了比较,预报不良地质体位置的精度达93%,有效预报距离为掌子面前方100 m～150 m。
3 结语
1)隧道施工前应认真收集隧道地区的地质、水文资料,整体上对工程所处区域有个感性认识,然后,根据设计地质资料结合实际地质调查进行初步的地质分析,对隧道的地质情况分段(按100 m～200 m)进行评价和预测以指导施工,确定什么地段需加密进行地质超前预报的测试工作。
2)南山隧道地质复杂多变且具有代表性,应用TSP203地质超前预报系统作地质预报是成功的,可以推广应用到其他需要超前地质预报的项目中;在工期紧、任务重且地质状况复杂多变的项目中用TSP203超前预报系统进行预测将比用其他单一方法预测效果明显。当然,如有条件,用地质雷达、TSP203、超前钻孔相结合的方法相互验证,效果会更好。
摘要：结合工程实例,分析了TSP超前预报系统的基本原理,介绍了TSP超前地质预报系统的应用过程,对预报结果作了分析,得出了预报结果,提出了相应的施工建议,顺利通过了该不良地质,从而推广TSP203超前预报系统的应用。
关键词：隧道,施工,地质预报,TSP203
参考文献
[1]周运祥.TSP203地质超前预报系统在乌鞘岭特长隧道不良地质中的应用[J].铁道建筑技术,2004(1):45-46.
关键词：激发极化法；超前探测；地质勘测
1.引言
目前，国内外地质勘探的主要方法为钻探。但是，该种方法无法勘探埋深较大的地层。近年来逐渐兴起的电法勘探具有现场操作简单、绿色环保、勘探深度较高等优点，具有广阔的发展前景。
电法勘探是通过研究和观测电流的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件的。刘盛东等人进行了三维并行电法勘探技术在矿井水害探查中应用的研究，通过多个矿井工作面的探采对比客观地反映了隐伏水源的空间位置[1]；贺检桥进行了电法勘探在湖南煤田勘探中的应用研究，提高了地质填图工作精度，并为地质预算煤炭储量提供了计算依据[2]。
本文自主研发了一种新型电法勘探——激发极化法勘探，并将其应用于祥和隧道地质勘测中。
2.工程概况
广通至大理改建铁路项目祥和隧道位于祥云南至大理东区间，穿越大理市五里坡、马厂箐、荞麦地、小三家村及黑土山顶等村落，于迎风村附近出洞，全长10220米，最大埋深约720米。
隧址区地表上覆第四系全新统堆积层粉质粘土，冲积层粉质粘土，坡残积粉质粘土；下伏基岩为泥盆系下统青山组灰岩、康郎组白云质灰岩、白云岩。
3.激发极化法超前预报原理
激发极化法（Induced Polarization，简称IP）方法是电法勘探的一个重要分支，在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象：在向地下供入稳定电流的情况下，测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，而是随时间而变化，经过一段时间后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在最初的一瞬间很快下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。这种发生在地质介质中因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场的物理化学现象，称为激发极化效应。图1为时间域激发极化现象的示意图。
通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，为进行超前地质预报提供重要的参考。
4.极化法测线布置
本次测量采用自主研发的激发极化超前预报仪器，主要采集了电阻率、半衰时差等参数，激发极化的测量电极布置为：掌子面布置2排测量电极，上下间距1.5m，左右间距1m，每排5个，共计10个。供电电极布置为：边墙布置供电电极环，每环电极4个（A1、A2、A3、A4），共5环，共计20个电极，電极环分别与掌子面距离为0m、2m、10m、20m与30m。
5.激发极化法探测结果
本次探测的激发极化三维成像图如图3与图4所示，其中X方向表示竖直方向，Y方向表示掌子面宽度方向，Z方向表示开挖方向，坐标原点为掌子面中心位置，反演区域为Y（-9m，9m）、X（-11m，11m），掌子面坐标为Y（-4.05m，4.05m）、X（-3.7m，3.7m），图中掌子面洞径范围外部分仅供参考，综合分析如下：
（1） PDK152+630—PDK152+645段落：三维反演图像中掌子面范围掌子面左右两侧电阻率值较低，尤其是掌子面右侧出现低电阻率区域，结合掌子面地质分析，且二电流半衰时之差为正值，推断掌子面左侧及右侧围岩破碎富水，发育导水构造，开挖易出现股状涌水。
（2） PDK152+645—PDK152+660段落：三维反演图像中该段落电阻率相对较低，且二电流半衰时之差为正值，结合地质情况，可推断该段落围岩较破碎，裂隙发育且富水，富水情况较上一段落减弱或变化不大。
综合地质分析与二电流半衰时之差信息，推断探测范围内水量约为1500m3。
6.结论
采用激发极化法对祥和隧道进行地质测量，通过对电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可得出以下结论：
（1）PDK152+630—PDK152+645段落掌子面左侧及右侧围岩破碎富水，开挖易出现股状涌水；
（2）PDK152+645—PDK152+660段落围岩较破碎，裂隙发育且富水。
参考文献：
[1]刘盛东，吴荣新，张平松. 三维并行电法勘探技术与矿井水害探查[J]. 煤炭学报，2009，34（7）：927-932.
1．1TSP隧道地震波探测超前地质预报方法
隧道地震超前预报测量系统简称TSP(TunnelSeismicPredic-tion)，是我国20世纪90年代从瑞士安伯格(AMBEＲG)测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统，也是我国目前应用较为广泛的一种。TSP和其他的反射地震波方法一样，采用了回声测量原理:地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发产生，产生的地震波在岩石中以面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面，例如断层，岩石破碎带，岩性突变等)时，一部分地震信号返回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器(一般左边墙和右边墙各一个)接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断空洞断层，岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数。
1．2红外探水超前地质预报方法
对地球表层岩体的温度起到主导作用的是地球地热场。在一定深度范围内，深度方向每增加1km，地热场的温度则相应的增加30℃，而与其垂直的水平方向，地热场的温度变化却非常小，由此得出结论，在一定深度下，开挖隧道的岩体，可将其看做位于一恒定温度场中，为一常温场，温度的变化几乎为零。所以，当预计即将开挖的掌子面后方存在含有水的岩层，如溶洞、裂隙水等，且该含水岩层与开挖岩体存在一定的温度差时，岩体中会产生相应的热传导和对流作用，那么温度场即不再为恒温场，故而会产生一定的温度异常场，由于这种异常的存在，故掌子面上会存在着温度的差异，所以利用红外辐射测温法测定这种温度变化差异，就可预报掌子面前方的含水层情况。这种方法就是红外探水超前地质预报方法。
1．3其他几种超前预报方法
超前预报法除了上述介绍的几种之外，还包括HSP水平声波刨面法、声波CT技术等几种方法，相对而言，这几种方法运用较少。以下简要的介绍这几种方法的原理:
1)HSP水平声波剖面超前地质预报方法。由于波的传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理，故该方法的原理是建立在弹性波理论的基础之上。HSP水平声波剖面超前地质预报方法有其局限性，探测时的前提条件是岩溶洞穴及充填物与周边地质体间存在较明显的声学特性差异。预报时，在隧道的施工掌子面或边墙处发射低频声波信号，同时，在隧道内其他地点接收反射波的信号，通过对探测到的反射波信号进行时域、频域等方法的分析，就可以了解掌子面前方岩体的变化情况。
2)声波CT超前地质预报方法。声波CT超前地质预报方法的基本原理与医学CT技术原理相同，在做预报时也有相应的物理前提，即物性差异不同的介质，在其内部声波的传播速度也不同，通过这种预报方法，在密集对穿的测试方式下，可以通过声波在不同介质中传播速度的不同来计算模拟出物体内部不同物性的具体性质，再通过现场收集到的地质资料的分析，从而达到对预报的掌子面前方的岩体内部的地质体进行三维图像的直观展示。
2常用隧道探测方法的特点
2．1TSP超前地质预测预报法的特点优点:
1)该方法适用的范围比较广，适用于各类地质情况;
2)对掌子面前方的距离预报较长，能预报掌子面前方达500m深度;
3)不影响隧道施工，只是在接收信号时短暂停止施工即可;4)用时短，每次的探测时间约为45min;
5)投入费用较少，单位长度隧道的超前地质预报费用非常低;
6)成果报告快，仅需要一天时间即可完成成果报告。缺点:
1)存在部分因断层、大型节理带与掌子面角度为钝角时，活隧道因开挖空腔挡住地震震源产生的地震波，使其无法穿透，不能经过反射镜面反射，使得待接收装置无法接收，而导致局部断层等不被识别。
2)TSP的成果质量受到现场起爆点、接收点钻孔的位置、长度以及角度等的影响非常严重。
3)因为所使用的设备均为进口设备，所以成本较高，在普通隧道施工中应用较少。
2．2红外探水超前地质预报法的特点
优点:预测速度快，占用施工时间较少;数据分析快，预测工作结束时，就可以得到初步结论。缺点:仅仅可以预测出含水岩体的大致方位，不能给出含水岩体的具体位置及所含水量及水压等详细数据。
3结语
超前地质预报为施工建设提供施工前方的地质条件, 成为确定工程开挖对策、防护措施的关键, 是工程施工安全的前提, 是控制和合理运用工程投资的重要方面。地质雷达超前地质预报预测为短距离探测。雷达探测精度较高, 操作简单快速, 实用性较强, 在隧道超前地质预报中得到广泛的应用。
1 超前地质预报的方法
隧道地质超前预报主要有以下十类:①工程地质调查、推断和分析方法, 包括地面地质调查法、地质素描法、利用节理裂隙统计分析预测和钻孔测速法;②地质雷达 (简称GPR) 检测方法;③隧道内反射地震预报方法;④超前导坑法、水平钻机超前探测法;⑤地震负视速度法;⑥TRT反射地震层析成像方法;⑦TSP超前预报技术;⑧水平声波反射法 (HSP) ;⑨高频地震法 (陆地声纳法) ;⑩红外探水法。
2 基本原理
物体的电性决定了电磁波的传播, 物体的电性主要有介电常数ε和电导率μ, 在电导率适中的情况下, 介电常数决定着电磁波在该物体中的传播速度, 电导率影响电磁波的探测深度。所谓电性介面通常情况下是指电磁波传播的速度介面。在不同电性的地质体的分界面上, 都会产生回波, 因为, 不同的地质体 (物体) 具有不同的电性。
在勘查中地质雷达的基本参数描述如下:
①电磁脉冲波行程需时:t= (4z2+x2) 1/2/v
式中:x-发射、接收天线的距离 (式中因z>x, 故X可忽略) ;z-勘查目标体的埋深;v-电磁波在介质中的传播速度。
②电磁波在介质中的传播速度v=c/ (εrμr) 1/2
式中c、εr、μr分别代表电磁波在真空中的传播速度 (0.29979m/ns) 、介质的相对介电常数、介质的相对磁导率 (μr≈1) 。
③电磁波的反射系数。对于电磁波来说, 在遇到相对介电常数明显变化的地质现象时, 通常情况下, 在介质中进行传播时, 往往会产生反射、透射现象, 异常变化界面的电磁波反射系数影响并制约着反射和透射能量的分配:
式中, r、εr1、εr2分别代表界面电磁波反射系数、第一层介质的相对介电常数、第二层介质的相对介电常数。
④地质雷达记录时间和勘查深度的关系Z=1/2 vt
式中, z、t分别代表勘查目标体的深度、雷达记录时间。如果已知地下介质的波速, 可以根据测到的t值, 同时结合对反射电磁波的频率和振幅等进行分析, 在一定程度上可以求得目标体的位置、深度等。
3 现场工作方法和技术
隧道超前预报开始前, 需要收集、了解以下资料:
①工程勘察设计资料。了解隧道工程的一般状况, 重点了解隧道段的地层、岩性、构造断层、水文地质等情况, 特别关注可能出现险情的地段。②现场踏勘, 实地了解现场施工条件。为保障地质雷达隧道超前预报现场检测工作的顺利进行、尽量减小对隧道施工作业的影响, 距离下次预报位置前3~5m, 施工方提前通知, 确定下次具体预报时间。适宜现场检测的时间为初支喷浆完成、地面清理平整后, 至开挖台车推进之前;或掌子面爆破后出渣完成、地面清理平整后, 至台车推进之前。
地质雷达超前地质预报探测深度一般设计为20~30m/次, 断层、破碎带等地质条件复杂地段依据现场情况适当加密, 调整探测距离和探测参数。
地质雷达超前预报探测以隧道开挖掌子面前方为检测目标, 以拱顶为中心, 水平布设一条测线;条件许可时按“十”字形布置2条雷达测线;若探测面较宽时, 可以按照“井”字形布置4条相应的雷达测线, 通过对雷达测线进行加密, 进一步提高探测结果的精确性。
现场工作开始前需要注意以下几点, 确保现场安全和数据采集效果:
1) 掌子面要求平整、无明显松动、碎石;围岩稳定性较差时, 视情况采取喷浆固结等措施;掌子面前2m范围内尽量平整、无积水, 便于检测通行;5m范围内无施工台车、挖机等大型设备, 以避免干扰;掌子面上距离地面1.0~1.5m位置, 从左到右, 每隔1m用红色喷漆做一个“点状”或“短竖条”标记;每5m处的标记为“十字”;现场安排技术人员, 尤其是测量人员, 落实掌子面的准确里程;现场安排2~3名工人协助设备搬运、配合现场检测。采集数据品质和探测效果的精度受地质雷达的参数设置的影响, 对系统参数进行优化设置时必须根据探测任务和现场情况。
2) 工作频率的选择:通常情况下, 工作频率就是所采用天线的中心频率。主要由具体探测任务所要求的分辨率及勘探深度来决定采用何种中心频率的天线, 同时, 需要重点考虑目标体周围介质的不均匀性引起的杂乱反射在雷达记录中形成的干扰。必须采用较低中心频率的天线才能获得较大的勘探深度, 这样虽然降低了地质雷达记录的空间分辨率, 但是可以保证探测的深度。在选择工作频率的过程中, 需要遵守的原则是:在确保勘探深度前提下, 需要进一步提高空间的分辨率, 选用较高中心频率的工作天线。
3) 采样时间窗口选取:最大探测深度与电磁波在介质中的传播速度决定了采样时窗口。时窗 (W) 的选择:取最大探测深度 (H) 和电磁波波速 (ν) 之比的2倍, 再增加30%的余地, 以满足地层速度与目标体埋深的变化。时窗通常设置为400~500ns。根据现场情况, 采用时间出发连续检测方式, 人工打标定位, 在检测工作面每隔1m进行标记, 当天线中心通过标记点时进行标记定位。
4) 数据处理与解译。需要仔细处理采集到的地质雷达数据, 才能获得良好的效果。有两类基本的资料处理的方式。第一种方法:直接去除干扰来提取有效信号;第二种方法:设法提取干扰信号, 将提取的干扰信号进行相位取反叠加原始信号, 从而达到去噪目的。地质雷达数据处理包括预处理和处理分析, 其目的在于以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波, 突出有用的异常信息 (包括电磁波速度, 振幅和波形等) 来帮助解译。检测区域地球物理特征是雷达检测成果解释的重要依据。检测区域内各目标物的地球物理特征决定了电磁波在其中传播的形态, 电磁波的反射、折射及透射随不同的传播媒介呈现出不同的形态。其中, 目标物的介电常数ε是雷达数据解释的重要依据, 介电常数差异形成的电磁波反射特征正是划分围岩层面、破碎带等内部缺陷的主要依据。雷达记录资料中, 同一连续界面的反射信号形成同相轴, 依据同向轴的时间、形态、强弱等进行解释判断是地质解释最重要的基础。不同介质有不同的结构特征, 内部反射波的频率特征明显不同;表面松散土电磁性质比较均匀, 反射波较弱。
4 结束语
地质雷达被认为是目前用于隧道超前预报分辨率最高的地球物理方法, 但还不是很成熟, 随着实践经验的积累和技术水平的提高, 我们有理由相信地质雷达探测技术在未来将更加成熟, 并势必在隧道超前预报中发挥出更加重要的作用。
摘要：本文从地质雷达原理入手, 简要阐述了地质雷达在隧道超前预报应用方面的方法技术, 数据处理与解译的方法和现场需要注意的事项, 使广大工程技术人员对地质雷达超前预报技术有个基本的认识。
关键词：地质雷达,超前预报,隧道
参考文献
[1]李诚明.超前地质预报在圆梁山隧道施工中的应用[J].山西建筑, 2009, 35 (15) :297-298.
[2]董延朋, 孔祥春.影响地质雷达工作的因素分析[J].物探装备, 2007, 17 (2) :130-133.
关键词：地质雷达,隧道超前预报,测量,掌子面
随着社会经济的不断发展, 人们对交通运输的需求不断提高, 促进了公路工程建设的发展。在公路建设中, 隧道施工是难以避免的, 由于隧道通常是位于地底或山体中的, 与平地施工有很大不同, 因此做好隧道超前预报, 准确掌握地质情况, 可以有效减小施工风险, 对隧道施工的经济效益、安全效益有着重大意义。所以, 对地质雷达进行研究, 提高隧道超前预报水准, 有着重要现实意义。
1 地质雷达概述
地质雷达是根据对空雷达的原理, 通过比较脉冲电磁波直达波 ( 沿空气与岩体分界面传播) 、回波 ( 在另一种电性不同介质传播, 如溶洞、其他岩体) 接收时间的差异, 来判定另一种介质的存在, 并计算出其大小、埋藏深度等。
在地质雷达应用中, 目标位置、埋深h的计算公式为:其中, X, V, T分别为发射天线与接收天线间距、介质中电磁波传播速度以及电磁波发射到接收的时间间隔。
在地质雷达工作中, 其前提条件是探测对象与周围介质有较大典型差异, 在介质中, 雷达波的传播速度会受介质电磁性参数影响, 其关系为:其中, V为介质中雷达波传播速度; c为真空光速; ε, μ 分别为介质的相对介电常数和导磁率[1]。
地质雷达技术具有分辨率高的特点, 其使用的地磁波频率较高, 大约为1 MHz ~ 1 GEiz, 在电性差异界面处会发生电磁波反射, 通过处理接收到的数据, 分析反射电磁波的时间、频率、振幅等特征, 就能够得到地下介质的位置、深度、几何形态以及结构性质等, 确定隧道工作面前方的围岩特性和水文情况, 比如节理发育程度、岩层均一性以及岩层破碎情况等。
但是, 地质雷达技术也存在一定不足, 包括预报距离相对较短、容易受到外接干扰源影响等, 在一定程度上限制了其应用。
2 地质雷达在隧道超前预报中的实践应用
2. 1 工程概况
以某隧道工程为例, 隧道设计为双向四车道, 左、右线分别为5 215 m, 5 300 m, 受地形地质条件影响, 隧道为分离式双洞, 在双洞间设有横向车行和人行通道。
隧道建筑限界的单洞高、宽分别为5. 00 m和12. 50 m, 砌筑断面采取三心圆内轮廓, 隧道净高为7. 45 m; 车行横洞净宽和限高分别为4. 50 m, 5. 00 m, 人行横洞净宽和限高分别为2. 00 m, 2. 50 m。
在此隧道施工中, 预测纵向20 m范围内存在影响隧道施工安全的不良地质, 采取地质雷达来超前预报掌子面前方地质情况, 为隧道施工提供指导, 需要预报的内容包括软弱岩层分布情况、断层发育情况以及影响带、地下水赋存情况等。
2. 2 实践应用方法
1) 根据隧道掌子面的实际情况, 选择合适的探测剖面, 探测剖面应设置在掌子面的水平方向上, 数量为2 个, 2 个探测剖面间需保持平行; 选择可靠的探地雷达系统, 为确保探测精度, 需要适当提高天线主频, 来对掌子面近端进行高精度探测[2]。
2) 设置合理的雷达参数。在探地雷达应用时, 需要先选择合适点数的手动增益, 并通过左右移动后, 检查增益是否合适, 以为数据采集的准确性提供保障, 通常来说, 介质常数应设置为7 m, 100 m和400 m, 天线时窗分别为500 ns, 100 ns, 采样点数量为1 024 个[3]。
3) 测量数据的采集。在测量过程中, 需要使雷达天线与掌子面贴紧, 两者间要保持垂直, 按照从左到右的顺序进行移动, 移动速度在3 km/h ~ 4 km/h, 保证测量的连续性。同时, 还要掌握各种影响测量数据准确的因素, 比如金属物干扰会造成雷达波振幅增大、频率降低; 雷达天线移动受现场条件影响, 出现离开掌子面情况, 会发生明显干扰异常, 表现出振幅增大、波形震荡情况; 在遇到这些情况时, 需要做好相应记录, 采取点测来解决连续测量的不足。
4) 雷达图像的分析。雷达图像分析是地质雷达超前预报的一个重要环节, 需要分析人员充分掌握雷达图像的各种特征, 准确分析雷达图像, 判断地质情况。常见的雷达图像特征主要有:第一, 雷达图像出现明显正相位强波反射组, 表示的是岩层岩性变好; 第二, 雷达图像出现明显反相位强波反射组, 表示的是岩层岩性变坏; 第三, 反射波信号与介质电常数之间成正相关关系, 即介质电常数越大, 反射信号越强, 水、干燥地质和空气的相对介电常数分别是81, 10 和1, 所以, 通过比较反射波的反射强度, 可以对反射界面的岩性特征作出准确判断, 比如雷达图像中发现明显的反射波信号时, 可以判断反射界面处有水流渗透或者溶洞, 然后通过对该地段相对介质电常数的测试, 就可以准确计算出反射层与掌子面间的距离[4]。
5) 地质雷达应用的注意事项。在地质雷达应用过程中, 为减少不良干扰因素、提高测量结果精度, 还要注意以下几点事项:a. 在应用地质雷达前, 需要先对系统进行检测, 确保系统部件连接的准确, 然后再接通电源、开机; 如果需要更换部件, 需要在无电情况下进行, 即先关闭电源后再行拆换。b. 在地质雷达使用中, 要保持天线长轴方向与电缆之间的垂直, 电缆不能从天线的上下方经过, 也不能平行于天线; 主机系统与电缆位置间隔要保持在3 m ~ 5 m, 避免电流的干扰; 电缆不能有绕圈情况, 以免出现交变电磁场, 对地质雷达造成影响[5]。c. 在地质雷达出现信号微弱等不良情况或者怀疑仪器有问题时, 需先关闭电源, 然后再检查电缆与主机、天线的接头是否连接正确, 是否有脱离情况等, 在确认无误后再接通电源, 开机继续测量。d. 对于地质雷达的天线系统, 应该做到轻拿轻放, 避免系统稳定性受影响, 在实际测量时, 要避免出现长时间震荡情况, 保证天线系统工作的正常。e. 整套地质雷达系统附近不应该有高压线缆, 预防强电磁对仪器系统产生的干扰、损伤; 当掌子面附近出现渗水等情况时, 需要对天线、电缆接头等进行防水处理, 比如防水布等来有效保护地质雷达工作的安全、可靠。f. 在实际探测中, 经常会出现雷达天线离开掌子面等突发情况, 造成测量中断, 所以, 必须做好现场记录, 确保测量数据的准确、可靠。g. 在雷达图像的分析过程中, 测试人员的素质水平会影响到分析结果的可靠度, 所以, 必须加强对测试人员的培训, 提高其对地质雷达相关知识的了解水平, 做好地质相关资料的收集、掌子面地质的编录等相关工作, 为雷达图像分析提供依据。
2. 3 实践应用效果
在本工程中, 地质雷达隧道超前预报测量的分别是左线出口LK23 + 181 掌子面、右线出口RK23 + 310 掌子面, 经后续软件处理后, 比较100 m天线和400 m天线的雷达图像情况。
从雷达图像中分析可知, 在该隧道左线出口处, 掌子面的左侧到中部可能存在强化膨胀岩; 在右线出口处, 掌子面的左侧岩体可能较为破碎, 含水率相对较高, 所以, 在施工中, 需要加强对地下水的重视, 采取合理的降水、排水措施, 减小地下水对隧道施工安全造成的威胁; 同时, 还要采取预应力锚固、超前支护等支护方式, 来减小落石、坍塌安全风险。
经后期对掌子面实际开挖过程的追踪调查, 围岩的实际开挖状况基本与地质雷达超前预报结果保持一致, 表明地质雷达在隧道超前预报中有着良好的应用效果。
3 结语
隧道超前预报是隧道施工中的一项重要内容, 得到人们越来越多的重视, 隧道超前预报的技术手段也越来越多, 对隧道施工安全提升起到了极大作用。地质雷达是隧道超前预报中经常使用的一种方式, 其操作方便、图像直观等优点使地质雷达有着广泛的应用前景。所以, 了解地质雷达工作的基本原理, 掌握地质雷达相关的计算公式, 熟悉地质雷达实践应用的流程与要点, 在超前预报中准确应用地质雷达, 做好数据采集与雷达图像分析, 可以得到隧道掌子面前方地质的准确信息, 为隧道施工提供准确指导。
参考文献
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1 高密度电阻率法原理简介[2]
高密度电阻率法 (简称高密度电法) 是一种阵列勘探方法, 也称自动电阻率系统, 是直流电法的发展, 其功能相当于四极测深与电剖面法的结合, 其工作系统见图1。通过电极向地下供电形成人工电场, 其电场的分布与地下岩土介质的电阻率ρ的分布密切相关, 通过对地表不同部位人工电场的测量, 了解地下介质视电阻率ρs的分布, 根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质结构。该方法对围岩的含水情况特别敏感, 围岩破碎含水, 其视电阻率明显降低, 完整、坚硬岩土的视电阻率明显高于断层带或破碎带和富水带围岩的视电阻率。这种方法原理清晰, 图像直观, 是一种分辨率较高的物探方法。近年来随着计算机数据采集技术的改进, 使勘探效率大大提高, 增大了剖面的覆盖面积和探测深度, 在强干扰的环境下也能取得可靠数据, 大大地提高了信噪比, 可准确地探测地质体。本文高密度电法测量选用的是工程勘察中最常用的温纳装置 (见图2) 。测量时, AM=MN=NB=AB/3为一个电极间距, 探测深度为AB/3, A, B, M, N逐点同时向右移动, 得到第一层剖面线;接着AM, MN, NB增大一个电极间距, A, B, M, N逐点同时向右移动, 得到另一层剖面线;这样不断扫描测量下去, 得到倒梯形地质断面。
2 工程实例
戌街隧道位于楚雄州元 (元谋) —双 (双柏) 二级公路4合同姚新村段, 分界段里程为K22+365～K23+287, 分界段全长922 m。测区属构造剥蚀长垣状中低山地形地貌, 地形切割较强烈, 地势起伏较大, 地表植被稀少。1) 地形地貌。戌街隧道位于云南省牟定县戌街乡水桥村境内, 地处姚兴村与地石么村之间的山梁部位, 系龙川支流姚兴村河与古岩河的分水岭, 属构造剥蚀长垣状中低山地形地貌, 穿越低中山、中山区, 属剥蚀构造低中山、中山地貌, 植被不发育, 地形纵坡起伏较大, 自然坡度一般多在30°～40°之间, 局部大于45°, 坡面冲沟很发育, 切割较强烈, 为山岭重丘区。2) 地层岩性。隧道线路区内出露的地层岩性自上而下为:a.第四系残坡积 (Q
3 工作布置及完成工作量
1) 工作布置。
在隧道上方地表 (K22+355～K23+300) 沿隧道轴线布置了1条高密度电阻率法成像探测剖面。测线有效长度945 m, 布置有效电极190个。电极距5 m, 采集30层, 测深150 m。共两个排列, 排列间重复100 m。
2) 完成工作量。
本次工作实际完成的工作量为:高密度电法剖面1条, 剖面有效长945 m, 测深点190个。
4 高密度电法勘察成果
K22+355～K22+612段:视电阻率值较低, 小于500 Ω·m;推测围岩为全～强风化花岗岩, 节理裂隙很发育, 岩体破碎呈角 (砾) 碎 (石) 状松散结构, 含风化裂隙水, 开挖后无支护时拱顶易发生坍塌, 围岩稳定性较差, 拱顶若无及时并加强支护, 会出现坍塌、侧壁失稳。围岩级别为V级。K22+612～K22+812段:视电阻率值相对较低, 大多在500 Ω·m～1 500 Ω·m;推测围岩为中风化花岗岩, 节理裂隙发育, 岩体呈块碎～碎石状压碎结构, 含少量裂隙水, 自稳能力较差, 开挖后无及时支护时拱顶易掉块, 拱顶无支护会出现掉块和小坍塌, 侧壁稳定性一般。围岩级别为Ⅳ级。K22+812～K22+934段:视电阻率值较高, 大多在1 000 Ω·m～5 000 Ω·m;推测围岩为中～微风化花岗岩, 节理裂隙稍发育, 岩体较完整, 岩质坚硬, 岩体呈块 (石) 碎 (石) 状镶嵌结构, 含少量裂隙水, 自稳能力较好, 开挖后无及时支护时拱顶有掉块可能或可产生小坍塌, 侧壁稳定性较好。围岩级别为Ⅲ级。K22+934～K23+030段:视电阻率值相对较低, 大多在1 000 Ω·m～1 800 Ω·m;推测围岩为中风化花岗岩, 节理裂隙发育, 岩体呈块碎～碎石状压碎结构, 含少量裂隙水, 自稳能力较差, 开挖后无及时支护时拱顶易掉块, 拱顶无支护会出现掉块和小坍塌, 侧壁稳定性一般。围岩级别为Ⅳ级。K23+030～K23+147段:视电阻率值较高, 大多在1 800 Ω·m～3 000 Ω·m;推测围岩为中～微风化花岗岩, 节理裂隙稍发育, 岩体较完整, 岩质坚硬, 岩体呈块 (石) 碎 (石) 状镶嵌结构, 含少量裂隙水, 自稳能力较好, 开挖后无及时支护时拱顶有掉块可能或可产生小坍塌, 侧壁稳定性较好。围岩级别为Ⅲ级。K23+147～K23+300段:视电阻率值较低, 小于1 500 Ω·m;推测围岩为全～强风化花岗岩, 节理裂隙很发育, 岩体破碎呈角 (砾) 碎 (石) 状松散结构, 含风化裂隙水, 开挖后无支护时拱顶易发生坍塌, 围岩稳定性较差, 拱顶若无及时加强支护, 会出现坍塌、侧壁失稳。围岩级别为Ⅴ级。
4.1 勘察结论
综合地质调查和高密度电法视电阻率图像内容, 得出如下结论:1) 隧道经过区岩性相对较为简单, 主要为花岗岩, 受区域性断裂及区内层间褶曲影响, 整体上岩体较为破碎, 完整性相对较差。2) 此次电法探测的不利地段 (共4处, 特别是K22+375～K22+470, K22+540～K22+610段视电阻率值低) , 隧道开挖至上述地段时, 为防出现突发性地质灾害, 应提前采取预防措施, 确保施工质量和进度。3) 隧道进出口端视电阻率值相对较低, 岩体极为破碎, 围岩级别多为V级。开挖无支护时易发生崩塌。
4.2 施工建议
1) 隧道进出口端开挖时应及时做好支护及排水工作, 防止坍塌。2) 此次电法探测的不利地段 (共4处, 特别是K22+375～K22+470, K22+540～K22+610段视电阻率值低) , 隧道开挖至上述地段时, 为防出现突发性地质灾害, 应提前采取预防措施, 确保施工质量和进度。
5 结语
本文通过实例, 展示了高密度电法在隧道地质超前预报中快速、经济、准确、直观的特点。须指出, 高密度电法作为以岩土体的电性差异为基础的物探方法, 在实际工作中野外方法技术选择上应根据不同的勘探目的, 合理布置勘探剖面, 采用合适的装置、电极距, 才能达到最好的应用效果。在高密度电法资料解释上, 一定要结合现场地质情况, 并结合其他物探方法, 或钻孔资料进行综合分析[2], 以达到准确解决不同地质问题的目的。
摘要：通过介绍高密度电法的原理, 结合具体工程实例, 就高密度电法在隧道超前地质预报中应用的基本思路及勘察成果作了探析, 结果表明:该方法简单易行, 准确率高, 其结果与开挖后揭露的地质情况吻合较好。
关键词：隧道,高密度电法,超前地质预报
参考文献
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近年我国基础设施建设投入不断增大, 全国各地的高速铁路、公路和地铁建设进入一个新的时期, 而这当中隧道工程数量巨大。隧道施工时, 掌子面前方的断层、软弱岩层、溶洞等不良工程地质条件都是很常见的工程地质问题。
隧道开挖前, 利用有效物探方法作超前预报是解决问题的有效途径。目前隧道超前预报采用较多的是地震波、雷达探测与地质研究相结合的办法。地震预报距离为掌子面前100 m左右, 地质雷达预报在20 m～30 m范围内。地震法通常都要放炮作为震源, 相比之下地质雷达设备简单、测量快速、精度高、抗干扰能力强。
础上, 结合通风量考察, 本节对15号煤层大采长、双尾巷高瓦斯易燃煤层综放面K8202风量进行优化。
根据工作面实际情况, 结合工作面历史风量分配和瓦斯浓度情况, 利用最优化软件求解并分析得出工作面风量优化结果。K8202工作面2009年6月4日～2009年7月14日的最大风量、最小风量、平均风量、最大瓦斯浓度、最小瓦斯浓度、平均瓦斯浓度统计结果见表1。
K8202工作面最小瓦斯涌出量为50.32 m3/min, 最大瓦斯涌出量为167.05 m3/min, 平均瓦斯涌出量为123.37 m3/min, 平均瓦斯抽放率为89.98%。
工作面瓦斯涌出量计算公式:
其中, Q为工作面瓦斯涌出量, m3/min;
按上式计算, 工作面K8202的瓦斯涌出量为172.72 m3/min。
根据工作面的历史瓦斯数据和风量数据, 结合矿井实际情况对工作面风量进行优化。
按最优化软件的要求, 结合工作面风量优化基础数据, 采用全局最优化软件对其进行优化, 优化结果见表2。
5 结语
1) 在考虑瓦斯涌出量的不均匀性, 结合巷道允许的最大瓦斯浓度进行工作面风量优化, 所取参数符合现场实际情况, 优化结果是合理的。2) 根据K8202工作面煤最短自然发火期与氧化带到工作面的距离可以得出, 保证综放面自燃防治安全的最低月推进度为56 m。3) 工作面自燃防治与瓦斯治理相反, 工作面风量只要不高于该风量, 就能达到煤层自燃防治效果。4) 增大工作面的风量, 会增加采空区、支架顶煤及尾巷附近松散煤体的自燃危险性, 应加强自燃预测预报和防治工作。
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