隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理及新方法應(yīng)用實(shí)例實(shí)用教案

1、四、物探方法在隧道超前地質(zhì)四、物探方法在隧道超前地質(zhì)(dzh)(dzh)預(yù)報(bào)中的預(yù)報(bào)中的重要性重要性 1、隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的必要性 由于隧道深埋于地下，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，而目前地質(zhì)勘察工作又受技術(shù)、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道圍巖的狀態(tài)、特性，特別是要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道施工中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模和性質(zhì)是十分困難的； 由于地質(zhì)災(zāi)害體的存在，僅依靠施工揭露再行處理的辦法，帶有很大的盲目性，常常發(fā)生各種突發(fā)事故，造成投資增加、人員和施工設(shè)備傷害、工期延誤等諸多問(wèn)題。 因此，采用科學(xué)的、先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法來(lái)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)隧道所通過(guò)范圍內(nèi)的不良(bling)地質(zhì)體

2、的性質(zhì)、規(guī)模和狀態(tài)是非常必要的。第1頁(yè)/共24頁(yè)第一頁(yè)，共24頁(yè)。 2 2、物探方法在隧道、物探方法在隧道(sudo)(sudo)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的重要性超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的重要性 按照鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南鐵建設(shè)【2008】105號(hào)中的規(guī)定： 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)采用地質(zhì)調(diào)查(dio ch)與勘探相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)與短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合、超前導(dǎo)坑與主洞相結(jié)合的指導(dǎo)思想，通過(guò)對(duì)各種方法的預(yù)報(bào)結(jié)果綜合分析解釋?zhuān)嗷ビ∽C，有利于提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，積極為隧道的安全施工提供必要的技術(shù)支撐。 根據(jù)上述規(guī)定可以看出：物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中占有非常重要的地位，再加上物探方

3、法具有施測(cè)快捷、預(yù)報(bào)結(jié)果提供及時(shí)、費(fèi)用低（相對(duì)超前鉆探而言）等特點(diǎn)，物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用。第2頁(yè)/共24頁(yè)第二頁(yè)，共24頁(yè)。 根據(jù)鐵路隧道(sudo)的開(kāi)挖方式、工期要求和各物探方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我院認(rèn)為:隧道(sudo)內(nèi)的物理探測(cè)應(yīng)采用長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)（彈性波反射法）和短距離預(yù)報(bào)（地質(zhì)雷達(dá)法或紅外探測(cè)法）相結(jié)合的綜合物探方法。 根據(jù)隧道(sudo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和不良地質(zhì)情況采用不同的綜合物探預(yù)報(bào)方法，具體規(guī)定如下表（表-）。 第3頁(yè)/共24頁(yè)第三頁(yè)，共24頁(yè)。 隧道隧道(sudo)(sudo)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用綜合物探方法一覽超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用綜合物探方法一覽表表 表表- -序號(hào) 適

4、用條件 適用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 物探類(lèi)型 采用物探方法 1軟弱夾層，非可溶巖接觸帶，地表物探異常帶、差異風(fēng)化帶及可能出現(xiàn)其它不良地質(zhì)體。含炭（煤）地層。 坍方風(fēng)險(xiǎn)及變形風(fēng)險(xiǎn)為中度。WT-1 地震反射波法（TSP） 2非可溶巖地段斷層及其破碎帶、可溶巖巖溶中度發(fā)育地段、可能出現(xiàn)的節(jié)理密集帶。風(fēng)險(xiǎn)為高度、突水突泥風(fēng)險(xiǎn)為中度及以上。WT-2 以地震反射波法（TSP）為主、紅外探測(cè)法為輔的綜合物探預(yù)報(bào)方法3可溶巖巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶等可能出現(xiàn)溶洞、溶蝕破碎帶及富水節(jié)理密集帶。 突水突泥高度風(fēng)險(xiǎn)、地表失水高度風(fēng)險(xiǎn)、坍方高度風(fēng)險(xiǎn)。WT-3 以地震反射波法（TSP）為主、地質(zhì)雷達(dá)法或紅外探測(cè)法為輔

5、的綜合物探預(yù)報(bào)方法4巖溶發(fā)育（極強(qiáng)烈）地段；煤層采空區(qū)。高壓富水?dāng)鄬印?水突泥極高風(fēng)險(xiǎn)、地表失水極高風(fēng)險(xiǎn)、坍方高度風(fēng)險(xiǎn)。WT-4 以地震反射波法（TSP）為主、地質(zhì)雷達(dá)法或紅外探測(cè)法為輔的綜合物探預(yù)報(bào)方法 第4頁(yè)/共24頁(yè)第四頁(yè)，共24頁(yè)。 按照鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南鐵建設(shè)【2008】105號(hào)中的劃分(hu fn)，隧道內(nèi)的物理探測(cè)方法有以下四類(lèi)： 彈性波反射法； 電磁波反射法； 紅外探測(cè)法； 高分辨直流電法。 下面按上述分類(lèi)探討物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的原理及方法。第5頁(yè)/共24頁(yè)第五頁(yè)，共24頁(yè)。第二部分第二部分 隧道隧道(sudo)(sudo)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的物探方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的

6、物探方法原理與法原理與 施作要點(diǎn)施作要點(diǎn) 一、彈性一、彈性(tnxng)(tnxng)波反射法波反射法 二、電磁波反射的法二、電磁波反射的法 三、紅外探測(cè)法三、紅外探測(cè)法 四、高分辨直流電法四、高分辨直流電法第6頁(yè)/共24頁(yè)第六頁(yè)，共24頁(yè)。一、彈性一、彈性(tnxng)(tnxng)反射波法反射波法 彈性波反射法是利用人工激發(fā)的地震波、聲波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)情況的一種物探方法，它包括地震波反射法、水平聲波反射法、負(fù)視速度法和極小偏移距高頻反射連續(xù)剖面法等方法。 由于地震波反射法相對(duì)其它三種方法應(yīng)用相對(duì)普遍和成熟，且從預(yù)報(bào)距離、探測(cè)精度和預(yù)報(bào)復(fù)雜(fz)

7、不良地質(zhì)問(wèn)題的適應(yīng)性幾方面綜合考慮，本次只介紹地震波反射法。 目前，采用地震波反射法進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的儀器主要有：TSP(瑞士)、 TRT(美國(guó))、 TGP(中國(guó))、TST(中國(guó))等，由于目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中使用最多的儀器是瑞士Amberg公司生產(chǎn)的TSP系列儀器，所以下面以TSP203儀器為例介紹地震波反射法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用情況。 第7頁(yè)/共24頁(yè)第七頁(yè)，共24頁(yè)。1 1、TSPTSP的基本原理的基本原理圖圖1-1 TSP法工作法工作(gngzu)原理示意圖原理示意圖第8頁(yè)/共24頁(yè)第八頁(yè)，共24頁(yè)。圖圖1-2 1-2 儀器儀器(yq)(yq)：瑞士：瑞士TSP-203 TS

8、P-203 第9頁(yè)/共24頁(yè)第九頁(yè)，共24頁(yè)。圖圖1-3 1-3 儀器：瑞士?jī)x器：瑞士(ru sh)TSP-203(ru sh)TSP-203現(xiàn)場(chǎng)工作照片現(xiàn)場(chǎng)工作照片第10頁(yè)/共24頁(yè)第十頁(yè)，共24頁(yè)。2 2、TSPTSP的應(yīng)用效果的應(yīng)用效果(xiogu)(xiogu)小型溶洞預(yù)報(bào)實(shí)例小型溶洞預(yù)報(bào)實(shí)例隧道地質(zhì)情況隧道地質(zhì)情況: 某鐵路隧道全長(zhǎng)某鐵路隧道全長(zhǎng)2066m，本次預(yù)報(bào)，本次預(yù)報(bào)里程范圍內(nèi)隧道埋深里程范圍內(nèi)隧道埋深40109m，由，由二疊系茅口棲霞組灰?guī)r組成，屬堅(jiān)硬二疊系茅口棲霞組灰?guī)r組成，屬堅(jiān)硬巖類(lèi)，裂隙較發(fā)育，巖體為中厚層狀巖類(lèi)，裂隙較發(fā)育，巖體為中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整。地下水位于

9、洞身結(jié)構(gòu)，巖體較完整。地下水位于洞身以下，該段隧道主要位于垂直滲流帶以下，該段隧道主要位于垂直滲流帶內(nèi)，巖溶以垂直向巖溶裂隙、溶槽、內(nèi)，巖溶以垂直向巖溶裂隙、溶槽、溶溝發(fā)育為主，少量水平向巖溶裂隙，溶溝發(fā)育為主，少量水平向巖溶裂隙，地下水以季節(jié)性股狀及淋雨?duì)畛雎?。地下水以季?jié)性股狀及淋雨?duì)畛雎?。預(yù)報(bào)結(jié)論預(yù)報(bào)結(jié)論: 本次預(yù)報(bào)時(shí)檢波器里程為本次預(yù)報(bào)時(shí)檢波器里程為K19+327,掌子面（即隧道開(kāi)挖工作面）里程為掌子面（即隧道開(kāi)挖工作面）里程為K19+266，預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)在檢波器前方，預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)在檢波器前方65m附近存在一個(gè)低速異常區(qū)域（見(jiàn)附近存在一個(gè)低速異常區(qū)域（見(jiàn)圖圖6中藍(lán)色顯示），另外結(jié)合二維成中藍(lán)色

10、顯示），另外結(jié)合二維成果圖（見(jiàn)圖果圖（見(jiàn)圖7）中的）中的K19+259處楊處楊氏模量數(shù)值突然降低氏模量數(shù)值突然降低(jingd)（代（代表圍巖強(qiáng)度降低表圍巖強(qiáng)度降低(jingd)），泊松），泊松比數(shù)值突然升高（代表圍巖流塑性增比數(shù)值突然升高（代表圍巖流塑性增加）綜合分析：推測(cè)在加）綜合分析：推測(cè)在K19+259K19+251段巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，存在溶段巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，存在溶洞。洞。紅色代表掃描的速度值高速(o s)區(qū)域藍(lán)色代表掃描的速度值低速區(qū)域圖6 SV波速度掃描圖像圖7 某鐵路隧道TSP反射層位及物理力學(xué)參數(shù)二維成果圖開(kāi)挖遇到溶洞的位置第11頁(yè)/共24頁(yè)第十一頁(yè)，共24頁(yè)。開(kāi)挖驗(yàn)證情況: 隧道開(kāi)

11、挖掌子面到達(dá)K19+259時(shí)，在掌子面上出現(xiàn)一個(gè)小型溶洞，內(nèi)部(nib)充填物為塊石土。后經(jīng)揭示發(fā)現(xiàn)該溶洞占據(jù)了整個(gè)掌子面，沿隧道軸向發(fā)育長(zhǎng)度為35m。掌子面開(kāi)挖遇到溶洞的照片見(jiàn)圖8所示。圖8 K19+259處揭示(jish)的巖溶照片第12頁(yè)/共24頁(yè)第十二頁(yè)，共24頁(yè)。暗河暗河(n h)(n h)實(shí)例實(shí)例圖13 *隧道(sudo)TSP二維成果圖開(kāi)挖驗(yàn)證情況: 開(kāi)挖揭示大型暗河,其位置示意圖見(jiàn)圖14 。該例說(shuō)明: TSP法雖能預(yù)報(bào)暗河,但對(duì)具有復(fù)雜(fz)形態(tài)的暗河或大型不規(guī)則溶洞是不能預(yù)報(bào)它們的具體形態(tài)和三維空間位置。預(yù)報(bào)結(jié)論:1、DK922+670+606段：圍巖破碎，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，存

12、在中大型溶洞（或暗河）;2、DK922+606+568段：圍巖較破碎，巖溶弱發(fā)育。圖14 *隧道暗河位置示意圖二維成果第13頁(yè)/共24頁(yè)第十三頁(yè)，共24頁(yè)。二、電磁波反射二、電磁波反射(fnsh)(fnsh)法法 1 1、電磁波反射法的原理、電磁波反射法的原理(yunl)(yunl) 電磁波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用地質(zhì)電磁波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)。雷達(dá)法探測(cè)。 第14頁(yè)/共24頁(yè)第十四頁(yè)，共24頁(yè)。 由于地質(zhì)雷達(dá)法具有異常圖像直觀、工作效率及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)(yudin)，該方法可應(yīng)用在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的短距離(1530m)預(yù)報(bào)。工作原理示意圖見(jiàn)圖15-1所示。圖15-1

13、地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖第15頁(yè)/共24頁(yè)第十五頁(yè)，共24頁(yè)。圖圖15-215-2地質(zhì)地質(zhì)(dzh)(dzh)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖和雷達(dá)測(cè)線布置示意圖和SIR3000SIR3000現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)照片現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)照片第16頁(yè)/共24頁(yè)第十六頁(yè)，共24頁(yè)。2 2、電磁波反射、電磁波反射(fnsh)(fnsh)法的應(yīng)用效果法的應(yīng)用效果完整圍巖的地質(zhì)雷達(dá)圖象完整圍巖的地質(zhì)雷達(dá)圖象 左圖為在完整圍巖上采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，可見(jiàn)電磁波反射波信號(hào)較平靜，無(wú)明顯反射信號(hào)，能量亦呈正常衰減(shui jin)趨勢(shì)。圖16 完整(wnzhng)圍巖的地質(zhì)雷達(dá)法圖象第17頁(yè)/共24頁(yè)第十七頁(yè)，共24頁(yè)。溶蝕破碎帶的地質(zhì)溶蝕破碎帶的

14、地質(zhì)(dzh)(dzh)雷達(dá)圖象雷達(dá)圖象 左圖中有明顯的電磁波反射信號(hào)，反射信號(hào)同相軸較連續(xù)，并且反射的電磁波信號(hào)較強(qiáng)，分析(fnx)認(rèn)為在掌子面后面510米深度范圍內(nèi)存在不良地質(zhì)體，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的圍巖巖性為灰?guī)r情況綜合分析(fnx)認(rèn)為掌子面前方為溶蝕破碎帶(經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)論準(zhǔn)確)。圖圖17 溶蝕破碎溶蝕破碎(p su)帶的地質(zhì)雷達(dá)法圖象帶的地質(zhì)雷達(dá)法圖象 第18頁(yè)/共24頁(yè)第十八頁(yè)，共24頁(yè)。溶洞溶洞(rngdng)(rngdng)的地質(zhì)雷達(dá)圖象的地質(zhì)雷達(dá)圖象 左圖中有明顯的電磁波反射信號(hào)，在719米范圍內(nèi)由近似拋物線的反射波軸頂點(diǎn)包羅(bolu)的區(qū)域?yàn)檎惩脸涮钚腿芏捶秶?(經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)論準(zhǔn)確

15、)。圖18-1 粘土充填(chn tin)型溶洞的地質(zhì)雷達(dá)法圖象 第19頁(yè)/共24頁(yè)第十九頁(yè)，共24頁(yè)。溶洞溶洞(rngdng)(rngdng)的地質(zhì)雷達(dá)圖象的地質(zhì)雷達(dá)圖象 左圖中有明顯的非常強(qiáng)的電磁波反射信號(hào)(xnho)，在929米范圍內(nèi)形成非常強(qiáng)的能量團(tuán)塊,為充水型溶洞范圍 (經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)論準(zhǔn)確)。圖18-2 充水型溶洞的地質(zhì)(dzh)雷達(dá)法圖象 第20頁(yè)/共24頁(yè)第二十頁(yè)，共24頁(yè)。三、紅外探測(cè)三、紅外探測(cè)(tnc)(tnc)法法 1 1、紅外探測(cè)法的原理、紅外探測(cè)法的原理 地質(zhì)體地質(zhì)體( (如含水體如含水體(shu t)(shu t)每時(shí)每刻都在每時(shí)每刻都在向外部發(fā)射紅外能量，并形成紅

16、外輻射場(chǎng)。地質(zhì)向外部發(fā)射紅外能量，并形成紅外輻射場(chǎng)。地質(zhì)體由內(nèi)向外發(fā)射紅外輻射時(shí)，必然會(huì)把地質(zhì)體內(nèi)體由內(nèi)向外發(fā)射紅外輻射時(shí)，必然會(huì)把地質(zhì)體內(nèi)部的信息以紅外電磁場(chǎng)的形式傳遞出來(lái)。紅外探部的信息以紅外電磁場(chǎng)的形式傳遞出來(lái)。紅外探測(cè)法就是通過(guò)接收和分析紅外輻射信號(hào)進(jìn)行超前測(cè)法就是通過(guò)接收和分析紅外輻射信號(hào)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種物探方法。地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種物探方法。 第21頁(yè)/共24頁(yè)第二十一頁(yè)，共24頁(yè)。 野外施測(cè)時(shí)采用：在掌子面后方60米處，朝掌子面方向每隔5m對(duì)隧道周邊探測(cè)一次,每次探測(cè)順序依次為左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻和隧底中線(zhngxin)，共探測(cè)12個(gè)斷面，這樣沿隧道軸線方向共形成6條探測(cè)曲線，分別為左邊墻探測(cè)曲線、左拱腰探測(cè)曲線、拱頂探測(cè)曲線、右拱腰探測(cè)曲線、右邊墻探測(cè)曲線和隧底中線(zhngxin)探測(cè)曲線。 依據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)繪制沿隧道軸向的探測(cè)曲線，如果開(kāi)挖工作面前方存在儲(chǔ)水構(gòu)造，在靠近開(kāi)挖工作面一端曲線會(huì)出現(xiàn)明顯下降或上升。第22頁(yè)/共24頁(yè)第二十二頁(yè)，共24頁(yè)。2 2、紅外探測(cè)法的應(yīng)用、紅外探測(cè)法的應(yīng)用(yngyng)(yngyng)效果效果 從圖19-2的探測(cè)所得的場(chǎng)值數(shù)據(jù)