隧道工程地質(zhì)災(zāi)害防治與應(yīng)急及超前地質(zhì)預(yù)報

隧道工程地質(zhì)災(zāi)害及超前地質(zhì)預(yù)報匯報人：

劉龍飛匯報內(nèi)容第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害

第二部分隧道超前地質(zhì)預(yù)報的物探方法第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害宜萬鐵路云霧山段巖溶突水宜萬鐵路云霧山段隧道突泥第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害納黔路羊咡巖隧道隧道出口端突泥現(xiàn)場廣大鐵路楚雄段坍塌第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害四川紫荊隧道巖爆成都五洛路1號隧道瓦斯爆炸第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害(1)圍巖的變形、失穩(wěn)破壞軟巖(軟質(zhì)巖、斷層泥、粘土質(zhì)巖溶充填物)變形失穩(wěn)坍方。弱巖（節(jié)理密集發(fā)育巖體、斷層及其影響帶破碎巖體、結(jié)構(gòu)面不利組合構(gòu)成的不穩(wěn)定塊體）失穩(wěn)坍方、塌落。(2)隧道涌水節(jié)理密集發(fā)育巖體富水。斷層及其影響帶破碎巖體地下水儲存運移通道。充水巖溶（溶隙、溶縫、溶管、溶洞、地下巖溶暗河等）。(3)隧道洞內(nèi)泥砂石流（涌泥涌沙）飽水?dāng)鄬悠扑閹Ш惩疗扑閹r坍塌。飽水全、強風(fēng)化巖脈坍塌。飽水粘土質(zhì)、粘土夾塊石巖溶充填物坍塌、揭穿。第一部分隧道工程地質(zhì)災(zāi)害(4)巖爆深埋隧道中脆性、高強度、完整性極好巖體。淺埋隧道地表地形突變位置脆性、高強度、完整性極好巖體。(5)有害氣體突出、燃燒、爆炸主要是與煤層、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖有關(guān)的瓦斯氣體突出、燃燒、爆炸。(6)高地溫(7)地表生態(tài)環(huán)境災(zāi)害(地表塌陷、地表水源枯竭等)主要與隧道洞內(nèi)坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有關(guān)。第二部分隧道超前地質(zhì)預(yù)報的物探方法1、物探方法的定義物探方法:利用物理學(xué)的原理和專門的探測儀器,觀測并綜合分析探測空間物理場的分布特征,確定被探測體的形態(tài)和性質(zhì)的探測方法。工程物探:應(yīng)用于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探和工程質(zhì)量無損檢測、物性參數(shù)測試等的物理探測方法,簡稱“工程物探”。隧道超前地質(zhì)預(yù)報的物探方法屬于工程物探領(lǐng)域。2、物探方法的應(yīng)用條件被探測對象與相鄰介質(zhì)應(yīng)存在一定的物性差異(如:電阻率、波阻抗、介電常數(shù)等),并具有可被探測的規(guī)模(需滿足一定徑深比)，滿足一定的信噪比。3、工程物探方法的分類直流電法:電測深法、電測剖面法、高密度電法、自然電場法、充電法、激發(fā)極化法等。電磁波法:可控源音頻大地電磁波、地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法等。彈性波法:地震波法(直達波法、折射波法、反射波法、瑞雷波法、彈性CT法)、聲波法等。磁法:探測鐵磁性埋設(shè)物體和磁性巖(礦)體。放射性法:探測具有放射性的物體和巖(礦)體。測井:電測井、聲速測井、放射性測井、超聲成像測井等

。紅外探測法：工程質(zhì)量無損檢測:樁基小應(yīng)變檢測、樁基大應(yīng)變檢測、樁基聲波透視檢測、隧道襯砌雷達檢測等。4、隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報綜述隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報內(nèi)容隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報原則隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報形式隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報方法斷層、巖脈及破碎帶、大裂隙、有害氣體、水文地質(zhì)、圍巖類別、地應(yīng)力及巖爆。預(yù)報其位置、規(guī)模、富水性及充填物的狀態(tài)等;在堅持：規(guī)范、全程、適宜、及時的總原則,以及/以地質(zhì)方法為基礎(chǔ),地質(zhì)方法與物探方法相結(jié)合、長距離超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報與短距離超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報相結(jié)合、物探先行鉆探驗證的隧道超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報方法選擇原則。長距離：80~200m/工程地質(zhì)調(diào)查法、斷層參數(shù)預(yù)測法和TSP短距離：15~30m/、掌子面編錄預(yù)測法、地質(zhì)雷達法口頭通知：直接法：地質(zhì)法和鉆孔探測法。間接法：亦稱物探法,主要有隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)(TSP)、地質(zhì)雷達(GPR)法、紅外探水法、水平聲波剖面(HSP)法和陸地聲納法等。其它方法：有超前導(dǎo)坑法、斷層參數(shù)預(yù)測技術(shù)和掌子面地質(zhì)編錄預(yù)測法等。4.1TSP的的探探測測原原理理4.1.1理論論基基礎(chǔ)礎(chǔ)TSP是是采采用用淺淺孔孔微微型型爆爆破破作作為為震震源源,激激發(fā)發(fā)的的地地震震波波以以直直達達波波和和反反射射波波的的形形式式傳傳到到傳傳感感器器。。與與反反射射波波相相比比,直直達達波波的的傳傳播播時時間間明明顯顯偏偏小小因因此此傳傳感感器器可可以以根根據(jù)據(jù)接接收收到到的的直直達達波波的的時時間間來來計計算算地地震震波波的的速速度度;在在已已知知地地震震波波傳傳播播速速度度的的情情況況下下,通通過過測測得得的的反反射射波波傳傳播播時時間間推推導(dǎo)導(dǎo)出出反反射射界界面面與與接接收收傳傳感感器器之之間間的的距距離離及及其其在在隧隧道道前前方方的的位位置置。。4.1TSP的的探探測測原原理理4.1.1理理論論基基礎(chǔ)礎(chǔ)產(chǎn)生生反反射射波波是是因因為為介介質(zhì)質(zhì)的的物物性性發(fā)發(fā)生生了了變變化化。。當(dāng)當(dāng)?shù)氐卣鹫鸩úㄔ谠趥鱾鞑ゲミ^過程程中中遇遇到到波波阻阻抗抗差差異異面面，，一一部部分分地地震震波波在在波波阻阻抗抗分分界界面面處處便便被被反反射射回回來來。。反反射射波波的的能能量量大大小小與與反反射射界界面面的的反反射射系系數(shù)數(shù)有有關(guān)關(guān)；；反反射射系系數(shù)數(shù)的的大大小小是是由由界界面面兩兩側(cè)側(cè)波波阻阻抗抗的的差差值值決決定定的的:注：為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的密度；v1,v2為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的地震波速度。若兩側(cè)介質(zhì)波阻抗差值的絕對值越大，則反射系數(shù)r就越大,反射波的能量也就越大；反之則反射信號就弱。當(dāng)形成負反射時（r<0），表明地震波將要穿越較疏松的介質(zhì)（如軟巖、破碎帶）；形成正反射時（r>0），此時表示地震波將要入射到致密介質(zhì)中（如硬巖）。4.1.2探測測原原理理關(guān)于于反反射射面面對對稱稱4.1.3TSP的的解解譯譯準(zhǔn)準(zhǔn)則則正反反射射振振幅幅表表明明硬硬巖巖層層，，負負反反射射振振幅幅表表明明軟軟巖巖層層;負負反反射射與與正正反反射射的的組組合合表表明明該該位位置置有有斷斷裂裂(斷斷層層)。。若S波波反反射射較較P波波強強，，則則表表明明巖巖層層飽飽含含水水。。Vp/Vs增增加加或或泊泊松松比比突突然然增增大大，，常常常常由由于于流流體體的的存存在在而而引引起起。。若Vp下下降降，，則則表表明明裂裂隙隙或或孔孔隙隙度度增增加加。。4.1.4影響響TSP數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集的的主主要要因因素素接收收孔孔的的布布置置：：不要要布布置置在在空空腔腔位位置置，，要上上傾傾以以便便易易于于將將孔孔內(nèi)內(nèi)水水排排出出，，建建議議布布置置兩兩個個接接收收孔孔。炮孔孔深深度度：：太淺淺，，易易導(dǎo)導(dǎo)致致掌掌子子面面附附近近TSP數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)缺缺失失，，一一般般炮炮孔孔深深度度至至少少要要大大于于1.1m。。電雷雷管管：：為瞬瞬發(fā)發(fā)電電雷雷管管，，如如果果電電雷雷管管延延遲遲嚴(yán)嚴(yán)重重，，波波形形無無規(guī)規(guī)律律，，則則需需重重測測。。炸藥藥藥藥量量：：要適適中中，，根根據(jù)據(jù)圍圍巖巖情情況況現(xiàn)現(xiàn)場場確確定定。。圍圍巖巖完完整整性性差差時時(如如ⅣⅣ和和ⅤⅤ級級圍圍巖巖)，，對對遠遠偏偏移移距距加加大大藥藥量量；；圍圍巖巖完完整整性性較較好好時時(如如ⅢⅢ級級圍圍巖巖)，，對對近近偏偏移移距距減減少少藥藥量量。。避免免將將接接收收孔孔與與炮炮孔孔布布置置在在大大型型的的不不良良地地質(zhì)質(zhì)體體(如如溶溶洞洞、、軟軟夾夾層層和和破破碎碎帶帶等等)兩兩側(cè)側(cè)。。4.1.4影響響TSP數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集的的主主要要因因素素4.1.5TSP在在不不同同地地層層中中的的探探測測效效果果分分析析地質(zhì)質(zhì)體體的的規(guī)規(guī)模模規(guī)模模較較大大的的斷斷層層、、破破碎碎帶帶等等,帶帶內(nèi)內(nèi)波波速速很很低低,可可以以形形成成很很強強的的反反射射波波信信號號,不不管管是是在在軟軟巖巖或或硬硬巖巖中中都都能能探探測測清清楚楚。。軟巖巖本本身身的的波波阻阻抗抗較較小小，，致致密密的的硬硬巖巖的的波波阻阻抗抗大大。。圍巖巖巖巖性性介質(zhì)質(zhì)對對波波吸吸收收系系數(shù)數(shù)的的大大小小主主要要取取決決于于巖巖石石的的粘粘滯滯性性。。地震震波波的的頻頻率率地層層相相當(dāng)當(dāng)于于一一個個低低通通濾濾波波器器,對對波波的的高高頻頻成成分分吸吸收收較較大大,致致密密堅堅固固介介質(zhì)質(zhì)的的吸吸收收系系數(shù)數(shù)與與頻頻率率成成線線性性關(guān)關(guān)系系,而而疏疏松松介介質(zhì)質(zhì)的的吸吸收收系系數(shù)數(shù)與與頻頻率率的的平平方方成成正正比比。。4.2TST隧道地地質(zhì)超前預(yù)報報技術(shù)TST技術(shù)（（TunnelSeismicTomography）是隧道地地震CT成像像技術(shù)的簡稱稱，是對SP203技術(shù)術(shù)缺陷進行改改進的基礎(chǔ)上上發(fā)展起來的的。TST技術(shù)除除了在掌子面面超前探測之之外，還可以以沿隧道向側(cè)側(cè)面或沿地表表向下方探測測。處理軟件采用用中文Windows界界面，圖像直直觀，使用方方便,TST的接收系統(tǒng)統(tǒng)采用具有內(nèi)內(nèi)置放大器的的專用IC檢檢波器，大大大地提高了信信噪比，加大大了探測能力力。TST超前前地質(zhì)預(yù)報技技術(shù)在貴州巖巖溶地區(qū)的應(yīng)應(yīng)用TST技術(shù)術(shù)在某隧道超超前地質(zhì)預(yù)報報中的應(yīng)用TST隧道超超前預(yù)報系統(tǒng)統(tǒng)在頂效II號隧道中的的應(yīng)用TST在隧道道超前地質(zhì)預(yù)預(yù)報中的應(yīng)用用4.2.1散射掃描成像像技術(shù)采用反射與散散射的混合模模型（見圖2），根據(jù)據(jù)反射波及散散射波的傳播播規(guī)律，分別別將反射波和和散射波進行行偏移歸位，，得到隧道掌掌子面前方的的真實地質(zhì)情情況。4.2.2TST數(shù)據(jù)處處理結(jié)果的解解釋原理4.2.3TST在不同地層中中的探測效果果分析4.2.3TST在不同地層中中的探測效果果分析4.3地質(zhì)雷達法4.3.1地質(zhì)雷達工作作原理由地質(zhì)雷達的的發(fā)射天線向向被探測體內(nèi)內(nèi)發(fā)射高頻電電磁波，當(dāng)高高頻電磁波傳傳至被探測體體內(nèi)兩種不同同介質(zhì)的分界界面（如：界界面、空洞、、不密實帶等等）時，由于于兩種介質(zhì)的的介電常數(shù)不不同而使電磁磁波發(fā)生反射射，反射波的的傳播遵循反反射定律，反反射波返回被被檢測體的表表面，并由地地質(zhì)雷達的接接收天線所接接收，形成雷雷達圖像。圖15-2地質(zhì)雷達測線線布置示意圖圖和SIR3000現(xiàn)場探測照片片4.3.2地質(zhì)雷達圖像像的讀取破碎斷裂帶常出現(xiàn)同向軸軸不連續(xù)，波波幅衰減快，，反射界面錯錯亂等現(xiàn)象。。溶洞的波形常常表表現(xiàn)為同向軸軸呈拋物線形形。含水層的圖像常常表表現(xiàn)為同向軸軸連續(xù)性較好好，波形振幅幅較小，由于于水的介電常常數(shù)較大，電電磁波在穿透透含水層時經(jīng)經(jīng)過多次反射射，電磁波能能量大部分被被吸收，因此此，含水層的的電磁波快速速衰減，并在在富水區(qū)可能能出現(xiàn)繞射、、散射等現(xiàn)象象。4.3.3電磁波反射法法的應(yīng)用效果果電磁波反射波波信號較平靜靜，無明顯反反射信號，能能量亦呈正常常衰減趨勢。。⑴完整圍巖的地地質(zhì)雷達圖象象⑵溶蝕破碎帶的的地質(zhì)雷達圖圖象有明顯的電磁磁波反射信號號，反射信號號同相軸較連連續(xù)，并且反反射的電磁波波信號較強，，分析認(rèn)為在在掌子面后面面5～10米深度范圍內(nèi)內(nèi)存在不良地地質(zhì)體，結(jié)合合現(xiàn)場的圍巖巖巖性為灰?guī)r巖情況綜合分分析認(rèn)為掌子子面前方為溶溶蝕破碎帶（（經(jīng)開挖驗證證結(jié)論準(zhǔn)確））。(3)溶洞的地質(zhì)雷雷達圖象有明顯的電磁磁波反射信號號，在7～19米范圍內(nèi)由近近似拋物線的的反射波軸頂頂點包羅的區(qū)區(qū)域為粘土充填型溶洞范圍(經(jīng)開挖驗證結(jié)結(jié)論準(zhǔn)確)。(4)溶洞的地質(zhì)雷雷達圖象左圖中有明顯顯的非常強的的電磁波反射射信號，在9～29米范圍內(nèi)形成成非常強的能能量團塊,為充水型溶洞范圍(經(jīng)開挖驗證結(jié)結(jié)論準(zhǔn)確)。4.4紅外探測技術(shù)術(shù)4.4.1紅外探測技術(shù)術(shù)基本原理地下巖體、水水體每時每刻刻都在向外界界發(fā)射紅外波波段的電磁波波，形成紅外外輻射場，物物體的紅外輻輻射能量與其其溫度的四次次方成正比，，當(dāng)探測前方方存在不良地地質(zhì)情況(斷斷層水、巖溶溶水、瓦斯)時，其與周周圍圍巖的溫溫度有一定的的差異，紅外外探測儀就是是依據(jù)紅外輻輻射能量的差差異來推斷前前方不良地質(zhì)質(zhì)的情況。階躍突變。當(dāng)掘進掌子子面測點中最最大場強和最最小場強的能能量差≥