复杂长大隧道地质预报技术

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,超前地质,预测预报系统技术研究,岩溶发育地区隧道施工中合理利用超前地质预报系统技术是避免施工风险的有效技术手段。以*铁路内资十三标段*隧道为例，详细介绍隧道施工中如何合理、经济利用超前地质预报的各种方法避免施工风险，同时最大可能减少对施工进度影响。,前言,1 超前地质预测预报系统技术概述,1.1,实施超前地质预报的意义,1.2 地质预报方法分类、工作原理和常用仪器,1.1,实施超前地质预报的意义,随着国民经济的发展，近年来我国大力发展基础设施建设，特别是中西部开发的深入，在道路等地下工程的施工中遇到深埋、长大、地质条件复杂的隧道工程越来越多。,隧道工程在设计阶段勘察的地质资料都是在地表获取的，对于覆盖在地下较深的或地质条件复杂的特别是碳酸岩地区，受到地表方法和成本的限制往往设计资料与实际情况误差较大。,深埋不良地质体的性质、规模变化无常不能及时、准确、提前掌握其特性，但是它们往往给施工带来不便，甚至带来灾难性后果。如：渝怀铁路圆梁山隧道、*铁路马鹿箐隧道隧道发生特大的突泥、突水事件。,解决以上问题的有效关键必须依靠施工中开展深入细致的,超前施工地质预测预报,工作,（续上业）,*线实施施工地质预报的必要性：,*线沿线碳酸岩出露面积占测区面积的70，岩溶特别发育，规模宏大，该区有“地质博物馆”之称。主要不良地质有：岩溶、岩溶水、断层破碎带，普遍存在软岩大变形和岩爆、煤系地层及瓦斯，使得*线长大隧道的地质问题和地质灾害更为复杂化。,而我们承建的*隧道以上不良地质均有存在，为*线八座高风险隧道之一。（*隧道地质情况见下页）,*隧道处于大路坡复向斜构造内，它由大路坡向斜、尖山岭背斜、穿心坪向斜组成三个蓄水构造。,*隧道遇到7条主要断裂。,地表岩溶强烈发育，漏斗、落水洞密布，地下暗河发育。,大路坡向斜核部位于地下水水平循环带附近地下水丰富，可能发生大规模的突水、突泥。牛鼻子暗河、凉水井暗河在向斜核部可能通过各种通道与隧道连通,1.2,地质预报方法分类、工作原理和常用仪器,1.2.1 地质预报方法分类,按工作原理分类主要包括：,地质方法：,是以构造地质学理论为基础，通过对岩石露头等直接进行观察的方法。主要方法有地质勘察、地质素描、经验推断法和断层分析法,物探方法（地球物理方法）：,指以各种地球物理场的理论为基础，凭借仪器对不均匀体或介质引起的地球物理异常进行观测，而不是直接观测不均匀体或介质本身，因此是一种间接的方法。,以介质弹性差异为基础，研究弹性波场变化规律的称为弹性波法主要为地震勘探和声波勘探，在工程上使用的地震法主要是反射法。主要方法有陆地声纳法、,TSP203、,TGP12(,国内新开发的)、,HSP,等。,以介质电（磁）性差异为基础，研究天然或人工电场（或磁场）变化规律的称为电法勘探（或磁法勘探）。,主要方法有,瞬变电磁法（多频电磁仪）、地质雷达,、红外探水仪等。,钻探方法,：,常用水平钻机对未开挖岩体进行钻探，通过岩芯、孔内,CT、,观测数据来判断开挖岩石的信息。,主要方法有水平钻孔、超长炮孔法。,按工作距离分类主要包括：,长距离地质预报,：预报距离为60200米，主要有,TSP203、,陆地声纳、,TGP12,等方法。,中距离地质预报：,预报距离为3060米，主要有,HSP、,60米水平钻等方法。,短距离地质预报：,预报距离为530米，主要有地质雷达、瞬变电磁法（多频电磁法）红外探水法、1030米水平钻,510,米超长炮孔等方法。,2 *隧道开展超前预报的目的、内容、方法,2.1 开展超前预报工作的目的：,避风险,解决目前地面勘探技术无法解决的地质问题,查明安全隐患，保障运营安全,2.2 超前预报的主要工作内容：,探测前方不良地质体的空间位置,查明已揭露不良地质体的规模、水文地质特征,查明隧底不良地质体的位置、规模和对安全的影响,2.3,超前预报采用主要方法：,地质预报实施原则：,“,物探先行，钻探验证,”.,即物探、钻探相结合，长距离探测与短距离探测相结合、勘探与地质资料的综合分析的综合探测方法。,主要方法有：地质素描、,TSP、,陆地声纳、地质雷达、红外探水、水平钻探和超前炮孔等,2 *隧道开展超前预报的目的、内容、方法,3*隧道不同地质分级对方法的要求,3.1 复杂隧道地质分级的依据（设计）：,地面的物探异常,断层、和暗河发育情况,地表溶蚀规模、岩溶按规律向深部发育趋势,岩性变化,隧道所处地下水变化位置,3,*隧道不同地质分级对方法的要求,3.2 复杂隧道地质级别划分：,A、A+,级：可能存在重大地质灾害的地段，如可能遭遇大型暗 河系统，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层；存在重大物探异常；可能发生大特大型突水突泥；并可能诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严重的地段。,B,级：主要针对可能发生中小型突水突泥地段，存在较大物探异常、断裂带等地段。,C,级：主要针对岩溶水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段，发生突水突泥的可能性较小,。,3,不同地质分级对各方法的要求,3.3,A,级地质分级对各方法的要求,3,不同地质分级对各方法的要求,3.4,A,级地质分级对各方法的要求,3,不同地质分级对各方法的要求,3.5,B,级地质分级对各方法的要求,3,不同地质分级对各方法的要求,3.6,C,级地质分级对各方法的要求,4 物探法,4.1 物探参数,4.1.1 弹性波法（,TSP203、,陆地声纳）,泊松比：,=2（+）；=00.5（,水0.5）,VpVs,：,与,非线性关系,密度,、,孔隙度,与,VpVs,非线性关系,频率,f（,低频远）,振幅,A、,能量,E,4 物探法,4.1 物探参数,4.1.2 电磁波法（地质雷达）,相对介质电常数,（,空气1，石灰岩围48，水80）,Vc,（,相对介质电常数）,R (,1,-,2,）,(,1,-,2,）,4 物探法,4.2 物探法判释方法,4.2.1 参数法，如：,TSP203,正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；,若,S,波反射较,P,波强，则表明岩层饱含水；,Vp,/Vs,增加或,突然增大，,，常常由于流体的存在而引起；,若,Vp,下降，则表明裂隙或孔隙度增加。,4.2.2 能量法，如：,TSP203、,陆地声纳、地质雷达,反射波能量越强，说明围岩越破碎,4.2.3 相位法：如：,TSP203、,陆地声纳、地质雷达,遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续,异常：,TSP203,（1）参数异常,若,Vp,下降，则表明裂隙或孔隙度增加,Vp,/Vs,增加,突然增大,孔隙度,增加,+425405出现异常，422溶腔高压水，发生突水,+960970的异常,异常：,TSP203,陆地声纳,（2）能量、相位异常,反射波能量越强，说明围岩越破碎,相位法,遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续,强反射面,横洞与正洞交汇处即,DK108+865,附近围岩破碎带,异常：地质雷达,（2）能量、相位异常,反射波能量越强，说明围岩越破碎、有水（产生多次反射，之后信号同相轴教规矩）,相位法,遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续,PDK108+105+097,范围存在强反射异常区，推测该段岩体破碎夹泥，可能渗水,在,DK108+310+280,掌子面中间和右侧5米20米深度上，反射波能量较强，该段里程内岩体较破碎，裂隙发育，可能发育溶槽，空间充泥和水,特殊异常：地质雷达,绕射形成双曲线为溶洞反射波形图,5、钻探方法,5.1 水平钻、超长炮孔法,超前钻探是比较成熟的技术，特点是简单、直观、无需专业知识,水平钻（1030米、3060米）超长炮孔（510米）,传统方法：超前钻探是比较成熟的技术，过去常用水平钻机对未开挖岩体进行钻探，通过岩芯来判断开挖岩石的信息。,高科技方法：近年来引进的国外先进的传感器设备，可通过钻速、钻进压力、扭距等判断前方岩体的特性，并可以通过加入了钻孔声波、水压力、孔内,CT,摄影等技术，预测涌水量和涌水压力，能够较为完整和准确地提示地质状况，并且在孔口还可以进行有害气体的监测。,5、钻探方法,5.2 钻探法效果,PDK106+025,超长炮,孔探测涌泥水,*进口平导,PDK104+702,水平钻孔涌水,6 地质预报总结,6.1 地质预报在*隧道结果统计,工程名称,不良地质,里程,预报方法,备注,进口平导,涌水1,PDK104+702,水平钻,陆地声纳未发现,进口平导,涌水2,PDK106+025,超长炮孔,TSP203,未发现,进口平导,涌泥,PDK106+075,超长炮孔,TSP203、,水平钻未发现,进口正洞,溶洞,DK104+702,超长炮孔,TSP203,未发现,出口横洞,溶洞,HDK0+101,地质雷达,判释为两条裂隙，陆地声纳未发现,出口正洞,裂隙水,DK108+320280,地质雷达,TSP203,未发现,出口正洞,F6,断层破碎带,DK108+630570,物探均发现,上表统计说明，物探方法只有雷达对岩溶水、溶洞能探测到，钻探只要实,施能直接探测到岩溶不良地质，长距离物探方法在探测断层破碎带方面容,易判释、定性,7 结论,地质预测预报是岩溶地区隧道施工中避免地质高风险的必需、有效手段。,在地质预报中，物探方法,TSP203,或陆地声纳长距离预报和短距离地质雷达预报需全程实施，因为物探方法均有其局限性，准确率、直观性差，需要专业技术人员才能判释。,钻探方法超前水平钻探和超长炮孔纳入工序管理，具有成本低、干扰少、直观、无需专业判释，该预报方法应为地质预报首选技术手段。但是，钻探方法是以点代面，也有局限性，需结合物探技术实施，应在物探预报的基础上实施1个超前水平钻探和35个超长炮孔进行地质预报，可以相互印证，才能确保准确率和提高地质预报的功效。,为了提高预报的准确率，同时减少对施工的干扰，在对隧道围岩进行地质等级分级的基础上，只有合理的将弹性波法与电磁波法结合、物探和钻探方法结合、长距离与中短距离预报结合使用，才能在提高预报准确率和功效同时，大大减少对施工的干扰。,