公路隧道超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)課件

1、公路隧道超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)主講人：汪 波西南交通大學(xué)2010年07月25日隧道地質(zhì)超前預(yù)報廣義：狹義：工程可行性階段、勘察設(shè)計(jì)階段和施工階段的預(yù)報。隧道施工期的超前地質(zhì)預(yù)報 根據(jù)隧道開挖揭示的洞身圍巖條件的變化趨勢和采用各種地球物理探測手段對隧道施工掌子面前方地質(zhì)情況的探測結(jié)果，結(jié)合洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查、掌子面素描結(jié)果和預(yù)報人員地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，對隧道前方可能遇到的不良地質(zhì)體及由此可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)、分布位置、規(guī)模的預(yù)測。隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報的定義：隧道地質(zhì)超前預(yù)報概論深埋長大隧道地質(zhì)復(fù)雜隧道水下隧道可能存在大斷層、巖溶、大量涌水涌泥、巖爆、瓦斯突出等工程地質(zhì)災(zāi)害的隧道覆蓋層太厚、植被良好不易進(jìn)行

2、地質(zhì)調(diào)查和勘探的隧道可能因開挖造成環(huán)境生態(tài)破壞的隧道 由于可行性研究階段和勘察階段投入的限制，依據(jù)既有地質(zhì)資料和有限的鉆孔地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料、物探資料及鉆孔巖石巖心物理力學(xué)試驗(yàn)資料做出的施工設(shè)計(jì)與實(shí)際不符的情況經(jīng)常出現(xiàn)，隧道地質(zhì)超前預(yù)報在下列情況下顯得尤為重要：預(yù)測地質(zhì)剖面實(shí)測地質(zhì)剖面隧道地質(zhì)超前預(yù)報的主要內(nèi)容包括：斷層及其影響帶和節(jié)理密集帶的位置、規(guī)模和性質(zhì)軟弱夾層（含煤層）的位置、規(guī)模及其性質(zhì)巖溶發(fā)育位置、規(guī)模及其性質(zhì)不同巖類間接觸界面的位置工程地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的位置及規(guī)模隧道圍巖級別變化及其分界位置不同風(fēng)化程度的分界位置不良地質(zhì)體（帶）成災(zāi)的可能性隧道涌水的位置、水壓及水量隧道圍巖級

3、別的變化及分布隧道地質(zhì)超前預(yù)報的主要方法有正洞地質(zhì)素描超前水平鉆孔法超前導(dǎo)坑法聲波測試紅外探水電磁波法彈性波法地質(zhì)類物探類地質(zhì)法超前地質(zhì)預(yù)報 該方法根據(jù)隧道洞內(nèi)外調(diào)查結(jié)果和隧道施工期掌子面地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果，如巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及發(fā)育情況、巖體破碎程度、巖石變質(zhì)程度等變化特征，通過地質(zhì)作圖及構(gòu)造相關(guān)性分析，由地面構(gòu)造產(chǎn)狀推測其在地下隧道穿越深度位置的出露位置，由掌子面巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及發(fā)育狀況、巖體破碎程度、巖石的變質(zhì)程度推測掌子面前方可能出現(xiàn)的構(gòu)造及其性質(zhì)，進(jìn)行超前預(yù)報。內(nèi)容包括：掌子面前面是否存在斷層、不同圍巖類間的接觸界面、隧道前方圍巖的穩(wěn)定性及失穩(wěn)破壞形式等。預(yù)報過程3.3 超前水平鉆孔 通過

4、鉆速測試、巖芯采取率統(tǒng)計(jì)、鉆孔巖芯鑒定等來確定掌子面前方地層的展布、巖石的軟硬程度、巖體完整性、可能存在的斷層、空洞的分布位置，從而進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報。鉆速高：軟質(zhì)巖低：硬質(zhì)巖卡鉆：節(jié)理裂隙發(fā)育或斷層破碎帶急劇加快：空洞巖芯采取率低：節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石完整系數(shù)低高：節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖石完整系數(shù)高確定不同巖性地層在掌子面前方的分布狀況，以及不同巖性地層在軸線上的長度。巖芯鑒定巖芯鉆機(jī)缺點(diǎn)：成本高速度慢影響工期探測結(jié)果僅為一孔之見，難以形成面遇軟弱巖層取芯困難對巖溶隧道布孔位置帶有偶然性遇水或瓦斯地層時會遇到意想不到的問題3.4 電磁波（地質(zhì)雷達(dá)）法 該法采用連續(xù)掃描電磁波反射曲線的疊加，利用電

5、磁波在掌子面前方巖層中的傳播、反射原理，根據(jù)測到的反射脈沖波走時計(jì)算反射界面距施工掌子面的距離。 地質(zhì)雷達(dá)法是目前分辨率最高的地球物理方法，但其預(yù)報距離短，且易受洞內(nèi)機(jī)器管線的干擾，目前多用于巖溶洞穴、含水帶和破碎帶的探測預(yù)報。巖溶探測 巖溶與其周圍的介質(zhì)存在著較明顯的物性差異，尤其是溶洞內(nèi)的充填物與可溶性巖層之間存在的物性差異更明顯。這些充填物一般是碎石土、水和空氣等，這些介質(zhì)與可溶性巖層本身由于介電常數(shù)不同形成電性界面。 當(dāng)有巖溶發(fā)育時，反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態(tài)的變化橫向上呈現(xiàn)出一定的變化。一般來說，溶洞雷達(dá)圖像的特征是被溶洞側(cè)壁的強(qiáng)反射所包圍的弱反射空間，即界面反射是強(qiáng)反射，且常

6、伴有弧形繞射現(xiàn)象;溶洞內(nèi)的反射波則為弱反射:低幅、高頻、波型細(xì)密，但當(dāng)溶洞中充填風(fēng)化碎石或有水時，局部雷達(dá)反射波可變強(qiáng)。巖溶帶雷達(dá)波形巖溶實(shí)際照片 富水帶是含水量大的巖體區(qū)域，在隧道開挖后很可能產(chǎn)生涌水現(xiàn)象，水的相對介電常數(shù)較大，當(dāng)巖體含水量較大時，介質(zhì)的介電常數(shù)有較大的增大，而電磁波在介質(zhì)中的傳播速度則會降低，這樣反射波表現(xiàn)較強(qiáng)的正峰異常，同出現(xiàn)強(qiáng)反射，有時亦會內(nèi)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，導(dǎo)致波形紊亂，頻率成分由高頻向低頻劇變。富水帶探測 在完整巖石與斷層破碎帶接觸界面的兩側(cè)，由于破碎帶內(nèi)巖石的孔隙度和含水率均比完整巖石要大，而孔隙度和含水率對介質(zhì)的介電參數(shù)等有較大影響，這就造成接觸帶兩側(cè)存在一定

7、的波阻抗差異，致使電磁波在穿過界面進(jìn)入破碎帶內(nèi)后其反射波能量增強(qiáng)、波形幅值增大，穿過破碎巖層時視其膠結(jié)程度而使得波形比較雜亂。 在雷達(dá)剖面上的波場特征為:地層反射波發(fā)育，同相軸錯斷，反射波振幅能量明顯增強(qiáng)，電磁波頻率發(fā)生變化，有時候會出現(xiàn)斷面波、繞射波。因此，根據(jù)地質(zhì)需達(dá)的波形特征及相關(guān)地質(zhì)資料，可以判明破碎帶的厚度以及它與完整巖石的界面。斷層破碎帶探測斷層破碎帶波形斷層破碎帶實(shí)際照片裂隙密集帶探測 裂隙密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，由于裂隙內(nèi)有不同成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性差異，因此具有采用地質(zhì)需達(dá)探測巖體中裂隙存在的地球物理基礎(chǔ)。 當(dāng)需達(dá)電磁波傳播到裂隙表面

8、時，會產(chǎn)生較強(qiáng)的界面反射波，同相軸的連續(xù)性反映了裂面是否平直、連續(xù);在穿越裂隙的過程中會產(chǎn)生繞射、散射、波形雜亂、波幅變化大，反映出裂隙內(nèi)充填物的不均勻性。3.5 TSP/TGP法采用TSP/TGP進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，其原理主要應(yīng)用震動波的回聲原理，現(xiàn)場實(shí)施時先在隧道左側(cè)或者右側(cè)布置1824個爆破點(diǎn)，各爆破點(diǎn)孔深1.5m，間距1.5m，成直線排列，作為爆破震動聲源，并在爆破點(diǎn)以外距離20m處布設(shè)接收炮孔，接收孔深2.0m，與爆破孔成一條直線，接收孔可在隧道一側(cè)或雙側(cè)進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示。爆破孔及接收孔布置好后，在爆破孔內(nèi)安放雷管進(jìn)行爆破以激發(fā)震動聲源，在接收孔內(nèi)安放接收器以采集巖體內(nèi)的震動波傳播

9、情況，整個數(shù)據(jù)采集過程均由專業(yè)軟件進(jìn)行。采用TSP/TGP法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報的設(shè)備TSP系列TGP 206TGP 212TGP系列TSP 200TSP 203TSP 203 PLUS進(jìn)口國產(chǎn)TSP203 PLUSTSP/TGP使用步驟：（1）布設(shè)炮孔，埋設(shè)檢波器（2）起爆，記錄地震波數(shù)據(jù)（3）數(shù)據(jù)處理，給出預(yù)報結(jié)果泊松比密度彈性模量檢波器 數(shù)據(jù)記錄預(yù)報距離200m預(yù)報距離100m縱波偏移圖縱波反射層面提取圖TGP 206測試結(jié)果圍巖物性參數(shù)縱波偏移圖巖石節(jié)理面提取成果TSP 203測試結(jié)果3.6 涌水預(yù)報涌水視頻 涌水壓預(yù)報折減系數(shù)圍巖滲透系數(shù)10-210-310-410-510-610-7折

10、減系數(shù)0.9-0.80.8-0.70.7-0.30.3-0.10.1-00 涌水量預(yù)報 1)水理統(tǒng)計(jì)法: 將河流枯水期單位流域集水面積上之徑流量視為是隧道通過地區(qū)地下水的單位面積徑流量,且在此范圍內(nèi)之地下水都流入隧道內(nèi),因此隧道之總涌水量可以近似地認(rèn)為等于隧道集水面積乘以枯水期地表水之徑流量。此法在有河流枯水期流量記錄處最為適用。 2)水平衡法 該法為水文和環(huán)境分析中最常用的工具和手段根據(jù)水平衡原理,查明隧道施工期水平衡各收入、支出部分之間的關(guān)系進(jìn)而獲得施工段的涌水量。當(dāng)施工地段地下水的形成條件較簡單時,采用水平衡法有良好的效果,如分水嶺地段、小型自流盆地等。但是,使用水平衡法計(jì)算時,由于天然

11、水平衡場受到礦坑采動等因素的影響,使?jié)B入系數(shù)、均衡期、最大涌水量起峰期等參數(shù)難于確定。3）解析法 利用地下水動力學(xué)原理計(jì)算隧道涌水量，包括穩(wěn)定流理論和非穩(wěn)定流理論，主要在基巖地區(qū)采用。此外，根據(jù)這些理論,人們研究出了許多隧道涌水量預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)公式,具有快速實(shí)用的特點(diǎn)。4）比擬法 比擬法應(yīng)用類似的隧道水文地質(zhì)資料來計(jì)算,立足于勘探區(qū)與借以比擬的施工區(qū)條件一致。比擬法適用于已開工隧道,通過導(dǎo)坑開挖的實(shí)測涌水量推算主坑涌水量,或用主坑已開挖地段之實(shí)測涌水量推算未開挖地段之涌水量的方法。此法系在地質(zhì)比較均勻,比擬地段的水文地質(zhì)條件相似,且涌水量與隧道體積成正比的條件下進(jìn)行的。數(shù)值分析法地下徑流模數(shù)法非線性理論方法5）其他方法降水入滲法地下徑流深度法地球物理化學(xué)法 涌水位置預(yù)報1）界面位置預(yù)報及地質(zhì)分析法 施工期涌水往往與含水構(gòu)造有關(guān)（充水巖溶如巖溶溶洞、溶管、地下巖溶暗河等，斷層破碎帶，含水地層），因此目前對隧道涌水位置的預(yù)測預(yù)報基本按不良地質(zhì)體預(yù)報的方法進(jìn)行，在確定不良地質(zhì)體位置的基礎(chǔ)上，通過對其地質(zhì)性質(zhì)的分析，確定含水構(gòu)造并預(yù)報可能發(fā)生