[变质岩地区隧道超前预报技术应用研究] 超前地质预报技术在隧道中的应用

来源:PS教程 发布时间:2019-03-12 03:54:45 点击:

  摘要 本文结合贵广铁路变质岩地区长大隧道的超前地质预报,介绍了地质调查法、隧道地震预报(TSP)法、地质雷达法及水平超前探孔等各种预报方法的原理及应用实例,构建了在变质岩地区的超前预报综合预报体系,实践证明该体系是成功的。
  关键词 超前预报 变质岩地区 综合预报体系 应用研究
  
  引言
  
  随着我国国民经济和社会的快速发展,铁路、公路交通、水电等基础设施迎来了建设的高峰期,隧道工程施工规模也越来越宏大,面临的地质情况更为复杂。隧道超前地质预报技术因此应运而生,它可以提前准确预测前方的地质情况,为设计与施工单位正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据,并为预防隧道涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息,对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。
  当前隧道超前地质预报技术主要采用物理探测方法和地质钻探方法。物理探测方法可采用的手段主要地震波反射法、地质雷达法等。结合使用各种探测手段在许多工程实际中取得了很好的应用成果,特别是地震波反射波法及地质雷达法在岩溶地区的综合应用,为预防隧道的涌水、突泥做出了较为精确的预测预报。变质岩作为隔水岩层,施工中并不存在大规模的突、涌水施工风险,但断层破碎带的赋水,也是施工中的重、难点问题。笔者结合新建贵广铁路某标段施工实际,重点探讨隧道超前地质预报技术在变质岩地区的应用。
  
  1 工程地质概况
  
  贵阳至广州线GGTJ-3标段地处贵州高原向广西丘陵盆地过渡的斜坡地带,为强烈切割的剥蚀、低山区,地面由西向东呈阶梯状降低,主要山峰、河谷走向与主要地质构造线一致,北东向展布的背斜宽缓形成山岭,向斜狭窄形成河谷,为典型的隔槽式褶皱山区。山剥蚀地貌占据主导地位,在靠近分水岭、构造影响强烈处形成尤如侵蚀地形一般的v型峡谷。出露的地层主要为前震旦系清水江组变质岩,岩性主要为粉砂质板岩、变余砂岩、凝灰质板岩等。工程区青白口系至第四系地层发育残缺不全,且分布极不均匀。沿线地表水系发达,降水丰富,补给充足。全线地下水主要有:裂隙水(主要分布于节理、裂隙发育的基岩中)、孔隙水(松散岩类孔隙水,多为孔隙潜水)等类型。
  
  
  2 一地质预报技术方法
  
  2.1地质调查法
  地质调查法是根据隧道已有勘察设计资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描,通过地层对比、地层分界线及构造线地表地下相关分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等,利用常规地质理论、地质作图和趋势分析,推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法。
  
  2.2隧道地震预报(TSP)法
  隧道地震预报(TSP)法采用回声测量原理,利用地震波在不均匀地质体中传播产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。地震波在岩石中以球面波形式传播,当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面,例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,另一部分信号透射入前方介质。反射回来的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比,故能提供一种直接的测量。反射信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向相应的不良地质体的性质和分布紧密相关的。TSP法一般能预报隧道开完前方0~150m范围内及周围临近区域地质状况,包括地层岩性界面、构造破碎带、岩溶发育等不良地质体,确定其位置、规模及大致产状。
  
  2.3地质雷达法
  地质雷达(Ground Penetrating Radar)是短距离预报的主要方法之一,它是利用电磁波束的反射来探测掌子面前方地质情况,当其工作时发射天线向地下介质定向发射一定强度的高频短脉冲宽频带电磁波,电磁波遇到不同电性反射界面后振幅和相位发生变化,介质电性差异大小决定了电磁波反射的振幅强弱程度和其相位的正负。岩石破碎程度及其含水量情况是影响其电性常数的主要因素,从而根据测量结果判定掌子面前方的围岩变化情况。
  
  
  2.4水平超前探孔
  超前钻探是利用钻机在隧道掌子面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。采用隧道内安放的水平钻机在隧道中线水平方向上钻孔,以推断隧道前方的地质情况。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯编录、钻孔冲洗液的颜色、流量变化、气味、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度及地下水发育情况等。
  
  3 超前地质预报体系
  
  通过实践,我们建立了以地质分析为基础、物探方法为手段,宏观预报(地质调查)、中长距离预报(地震反射波法预报)、重点预报(地质雷达及水平超前探孔)相结合的综合预报体系,如图1所示。
  
  4 工程实例
  
  4.1应用实例(1)
  高兴隧道全长8986.279m,是贵阳至广州线GGTJ-3标的重要控制性工程之一,该隧道地表属剥蚀低山岩溶峰丛地貌,地形起伏较大,地表植被主要是灌木丛,部分山体有高大乔木及松林,岩性以中厚层粉砂质板岩夹绢云母板岩为主、偶夹变余凝灰质板岩。通过地表调查,得知在DK213+900~DK210+800段地表发育两条冲沟,岩层走向与洞线呈40°左右夹角,冲沟与洞线近平行发育,该段埋深20~70m,隧道从强风化岩体中通过,围岩破碎。为了保证施工安全,在DK213+914掌子面里程时采用由瑞士安伯格测量技术公司自主研发的新一代超前地质预报系统TSP203plus超前地质预报系统,施做了TSP预报,经过对采集到的数据处理分析,得出TSP预报处理成果图(如图2所示)。
  据TSP超前地质预报系统探测成果来看,在DK213+914~DK213+890段岩体的各种物理力学参数都比较平稳,没有大的起伏,推测此段与开挖段类似,裂隙较发育,岩体较破碎,围岩级别推测为Ⅳ级;在DK213+890~DK213+814段纵波波速有明显降低,密度及静态杨氏模量也有显著降低,推测此段岩体质量较差,整段裂隙发育,局部密集,岩体较破碎,局部夹泥,围岩稳定性差,施工中极易发生掉块及坍塌,有渗滴水,局部或呈线状,围岩级别推测为V级。
  实际开挖中,在DK213+900里程岩石质量逐渐转差,岩性由中厚层状的砂质板岩过渡为薄层状、薄片状呈压碎状的砂质板岩,局部层间夹泥,围岩极易失稳,多处发生了掉块及坍塌,偶有少量的渗滴水,基本与预报情况一致,所以TSP对岩体破碎带的定位和预报的精度是可以保证的。
  
  4.2应用实例(2)
  加会隧道全长4877.869m,地表地形起伏 较大,沟谷、山地及水田均有分布,地表植被茂密,以松林、灌木居多,岩性以中厚层变余砂岩、砂质板岩为主,岩层产状变化不大。通过地表调查,得知在DKl95+400~DKl95+840段地表有断层通过,倾小桩号,倾角为75°,岩层倾大桩号,倾角20~40°,受构造影响,岩体破碎,施工中易掉块、塌方,且有较大面积渗滴水,局部集中线状水。而在实际施工中,在DK195+300里程岩体质量已逐步变差,为保证施工安全,在掌子面DK195+325里程时施做了TSP预报,经过对采集到的数据的处理分析,得出TSP预报处理成果图(如图3所示)。
  据TSP超前地质预报系统探测成果来看,DK195+325~DK195+390段岩体的密度、静态杨氏模量逐步有所降低,纵横波速比、泊松比局部有所升高,推测此段岩体裂隙及层理发育,局部顶板及两壁可能出现掉块,洞身围岩有渗滴水情况;DK195+400~DK195+450段密度、静态杨氏模量均显著降低高,围岩纵波波速也有所降低,推测此段裂隙发育,岩体挤压较破碎,成洞条件差,施工中易掉块、塌方,且有较大面积渗滴水,局部或有集中线状水。
  同时,为了进一步探测此段的围岩情况,在掌子面为DK195+340、DK195+370和DK195+400里程时分别设置了超前探孔,从钻孔编录资料分析,DK195+340~DK195+405段钻进中孔口返水呈深灰色,水量无明显变化,推测岩性为薄至中厚层砂质板岩,岩体新鲜,但裂隙发育,岩体较破碎至破碎,未揭露含水裂隙及赋水层带;DK195+405~DK195+435段钻进中孔口返水呈灰色、灰黄色,水量局部有所增加,局部有卡钻现象,判断出此段岩体质量较差,推测已处于断层影响带内。
  实际开挖中,在DK195+350里程围岩已进入断层影响带,围岩破碎,呈薄片状砂质板岩,遇水崩解,多处发生小规模塌方,有线状出水,与预报情况极为吻合。
  
  结论
  
  (1)地质调查在隧道超前预报中起到宏观预报的作用,对不良地质体的预报起到先导作用,在隧道地质构造不太复杂的变质岩地区有较高的准确性。
  (2)TsP超前地质预报系统作为新技术、新方法,对于软弱岩层分布、断层影响带及破碎带、含水情况、围岩级别等可以进行较准确的探测和预报。
  (3)超前探孔可以非常直观地揭露钻孔经过部位的地层岩性、岩体完整情况、含水情况等,但其占用施工时间较长,可作为辅助预报手段。
  (4)地质雷达在有明显介电差异的洞段有良好的应用效果,但其探测易受隧洞内机械、电线、电缆等的干扰。
  通过在该变质岩地区使用多种综合的超前预报方法,证明在变质岩地区采用以地质调查法为宏观预报指导,TSP法为常规预报手段施做中长距离预报,遇到有较大不良地质现象再采用超前探孔预测、验证及地质雷达作为重点预报的综合预报体系是成功有效的,为施工安全提供了有力保证。
  
  参考文献:
  1 谭天元、张伟,《深埋特长隧道超前地质预报体系综合技术研究》,水力发电,2008
  2 何发亮等,《隧道地质超前预报》,成都:西南交通大学出版社,2006

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