隧道工程地質災害防治與物探

隧道工程地質災害及超前地質預報第一部分隧道工程地質災害

第二部分隧道超前地質預報的物探方法第一部分隧道工程地質災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災害(1)圍巖的變形、失穩(wěn)破壞軟巖(軟質巖、斷層泥、粘土質巖溶充填物)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、結構面不利組合構成的不穩(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）飽水斷層破碎帶含粘土破碎巖坍塌。飽水全、強風化巖脈坍塌。飽水粘土質、粘土夾塊石巖溶充填物坍塌、揭穿。第一部分隧道工程地質災害(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、炭質泥巖、炭質頁巖有關的瓦斯氣體突出、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。第二部分隧道超前地質預報的物探方法1、物探方法的定義物探方法:利用物理學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)和性質的探測方法。工程物探:應用于工程地質、水文地質勘探和工程質量無損檢測、物性參數(shù)測試等的物理探測方法,簡稱“工程物探”。隧道超前地質預報的物探方法屬于工程物探領域。2、物探方法的應用條件被探測對象與相鄰介質應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：工程質量無損檢測:樁基小應變檢測、樁基大應變檢測、樁基聲波透視檢測、隧道襯砌雷達檢測等。4、隧道超前地質災害預報綜述隧道超前地質災害預報內(nèi)容隧道超前地質災害預報原則隧道超前地質災害預報形式隧道超前地質災害預報方法斷層、巖脈及破碎帶、大裂隙、有害氣體、水文地質、圍巖類別、地應力及巖爆。預報其位置、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/以地質方法為基礎,地質方法與物探方法相結合、長距離超前地質災害預報與短距離超前地質災害預報相結合、物探先行鉆探驗證的隧道超前地質災害預報方法選擇原則。長距離：80~200m/工程地質調查法、斷層參數(shù)預測法和TSP短距離：15~30m/、掌子面編錄預測法、地質雷達法口頭通知：直接法：地質法和鉆孔探測法。間接法：亦稱物探法,主要有隧道地震超前預報系統(tǒng)(TSP)、地質雷達(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：有超前導坑法、斷層參數(shù)預測技術和掌子面地質編錄預測法等。4.1TSP的探測原理4.1.1理論基礎TSP是采用淺孔微型爆破作為震源,激發(fā)的地震波以直達波和反射波的形式傳到傳感器。與反射波相比,直達波的傳播時間明顯偏小因此傳感器可以根據(jù)接收到的直達波的時間來計算地震波的速度;在已知地震波傳播速度的情況下,通過測得的反射波傳播時間推導出反射界面與接收傳感器之間的距離及其在隧道前方的位置。4.1TSP的探測原理4.1.1理論基礎產(chǎn)生反射波是因為介質的物性發(fā)生了變化。當?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中遇到波阻抗差異面，一部分地震波在波阻抗分界面處便被反射回來。反射波的能量大小與反射界面的反射系數(shù)有關；反射系數(shù)的大小是由界面兩側波阻抗的差值決定的:注：為反射界面兩側介質的密度；v1,v2為反射界面兩側介質的地震波速度。若兩側介質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。當形成負反射時（r<0），表明地震波將要穿越較疏松的介質（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中（如硬巖）。4.1.2探測原理關于反射面對稱

4.1.3TSP的解譯準則正反射振幅表明硬巖層，負反射振幅表明軟巖層;負反射與正反射的組合表明該位置有斷裂(斷層)。若S波反射較P波強，則表明巖層飽含水。Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起。若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。4.1.4影響TSP數(shù)據(jù)采集的主要因素接收孔的布置：不要布置在空腔位置，要上傾以便易于將孔內(nèi)水排出，建議布置兩個接收孔。炮孔深度：太淺，易導致掌子面附近TSP數(shù)據(jù)缺失，一般炮孔深度至少要大于1.1m。電雷管：為瞬發(fā)電雷管，如果電雷管延遲嚴重，波形無規(guī)律，則需重測。炸藥藥量：要適中，根據(jù)圍巖情況現(xiàn)場確定。圍巖完整性差時(如Ⅳ和Ⅴ級圍巖)，對遠偏移距加大藥量；圍巖完整性較好時(如Ⅲ級圍巖)，對近偏移距減少藥量。避免將接收孔與炮孔布置在大型的不良地質體(如溶洞、軟夾層和破碎帶等)兩側。4.1.4影響TSP數(shù)據(jù)采集的主要因素4.1.5TSP在不同地層中的探測效果分析地質體的規(guī)模規(guī)模較大的斷層、破碎帶等,帶內(nèi)波速很低,可以形成很強的反射波信號,不管是在軟巖或硬巖中都能探測清楚。軟巖本身的波阻抗較小，致密的硬巖的波阻抗大。圍巖巖性介質對波吸收系數(shù)的大小主要取決于巖石的粘滯性。地震波的頻率地層相當于一個低通濾波器,對波的高頻成分吸收較大,致密堅固介質的吸收系數(shù)與頻率成線性關系,而疏松介質的吸收系數(shù)與頻率的平方成正比。4.2TST隧道地質超前預報技術TST技術（TunnelSeismicTomography）是隧道地震CT成像技術的簡稱，是對SP203技術缺陷進行改進的基礎上發(fā)展起來的。TST技術除了在掌子面超前探測之外，還可以沿隧道向側面或沿地表向下方探測。處理軟件采用中文Windows界面，圖像直觀，使用方便,TST的接收系統(tǒng)采用具有內(nèi)置放大器的專用IC檢波器，大大地提高了信噪比，加大了探測能力。TST超前地質預報技術在貴州巖溶地區(qū)的應用TST技術在某隧道超前地質預報中的應用TST隧道超前預報系統(tǒng)在頂效II號隧道中的應用TST在隧道超前地質預報中的應用4.2.1散射掃描成像技術采用反射與散射的混合模型（見圖2），根據(jù)反射波及散射波的傳播規(guī)律，分別將反射波和散射波進行偏移歸位，得到隧道掌子面前方的真實地質情況。4.三2.三2TS三T數(shù)三據(jù)處三理結三果的三解釋三原理4.三2.三3TST在不三同地三層中三的探三測效三果分三析4.三2.三3TST在不三同地三層中三的探三測效三果分三析4.三3地質三雷達三法地質三雷達三工作三原理由地三質雷三達的三發(fā)射三天線三向被三探測三體內(nèi)三發(fā)射三高頻三電磁三波，三當高三頻電三磁波三傳至三被探三測體三內(nèi)兩三種不三同介三質的三分界三面（三如：三界面三、空三洞、三不密三實帶三等）三時，三由于三兩種三介質三的介三電常三數(shù)不三同而三使電三磁波三發(fā)生三反射三，反三射波三的傳三播遵三循反三射定三律，三反射三波返三回被三檢測三體的三表面三，并三由地三質雷三達的三接收三天線三所接三收，三形成三雷達三圖像三。圖15三-2地質三雷達三測線三布置三示意三圖和SI三R3三00三0現(xiàn)場三探測三照片4.三3.三2地質三雷達三圖像三的讀三取破碎三斷裂三帶常出三現(xiàn)同三向軸三不連三續(xù)，三波幅三衰減三快，三反射三界面三錯亂三等現(xiàn)三象。溶洞的波三形常三常表三現(xiàn)為三同向三軸呈三拋物三線形三。含水三層的圖三像常三常表三現(xiàn)為三同向三軸連三續(xù)性三較好三，波三形振三幅較三小，三由于三水的三介電三常數(shù)三較大三，電三磁波三在穿三透含三水層三時經(jīng)三過多三次反三射，三電磁三波能三量大三部分三被吸三收，三因此三，含三水層三的電三磁波三快速三衰減三，并三在富三水區(qū)三可能三出現(xiàn)三繞射三、散三射等三現(xiàn)象三。4.三3.三3電磁三波反三射法三的應三用效三果電磁三波反三射波三信號三較平三靜，三無明三顯反三射信三號，三能量三亦呈三正常三衰減三趨勢三。⑴完整三圍巖三的地三質雷三達圖三象⑵溶蝕三破碎三帶的三地質三雷達三圖象有明三顯的三電磁三波反三射信三號，三反射三信號三同相三軸較三連續(xù)三，并三且反三射的三電磁三波信三號較三強，三分析三認為三在掌三子面三后面5～10米深三度范三圍內(nèi)三存在三不良三地質三體，三結合三現(xiàn)場三的圍三巖巖三性為三灰?guī)r三情況三綜合三分析三認為三掌子三面前三方為三溶蝕三破碎三帶（三經(jīng)開三挖驗三證結三論準三確）三。(3三)溶洞三的地三質雷三達圖三象有明三顯的三電磁三波反三射信三號，三在7～19米范三圍內(nèi)三由近三似拋三物線三的反三射波三軸頂三點包三羅的三區(qū)域三為粘土三充填三型溶洞三范圍(經(jīng)開三挖驗三證結三論準三確)。(4三)溶洞三的地三質雷三達圖三象左圖三中有三明顯三的非三常強三的電三磁波三反射三信號三，在9～29米范三圍內(nèi)三形成三非常三強的三能量三團塊,為充水三型溶三洞范圍(經(jīng)開三挖驗三證結三論準三確)。4.三4紅外三探測三技術紅外三探測三技術三基本三原理地下三巖體三、水三體每三時每三刻都三在向三外界三發(fā)射三紅外三波段三的電三磁波三，形三成紅三外輻三射場三，物三體的三紅外三輻射三能量三與其三溫度三的四三次方三成正三比，三當探三測前三方存三在不三良地三質情三況(三斷層三水、三巖溶三水、三瓦斯三)時三，其三與周三圍圍三巖的三溫度三有一三定的三差異三，紅三外探三測儀三就是三依據(jù)三紅外三輻射三能量三的差三異來三推斷三前方三不良三地質三的情三況。階躍三突變。當三掘進三掌子三面測三點中三最大三場強三和最三小場三強的三能量三差≥三10三W三/c三m2三，可三判定三前方三存在三含水三構造三體，三否則三不存三在含三水體三構造三。紅外三線超三前探三水法三的判三據(jù)紅外三線超三前探三水測三線的三布置軸向三測線三布置從隧三道開三挖面三后方三6三0三m三處向三掘進三方向三每隔三5三m三對隧三道周三邊探三測三1三次(三圖三1三)三，每三次探三測順三序依三次為三左邊三墻腳三、左三邊墻三、拱三頂、三右邊三墻、三右邊三墻腳三和隧三底中三線，三每個三斷面三的測三點布三置示三意見三圖三2，三共探三測三12三個三斷面三，這三樣沿三隧道三軸線三方向三共形三成三6三條探三測曲三線，掌子三面測三點布三置在開三挖面三上水三平方三向自三上而三下布三置三4三條測三線，三每條三測線三上布