几种超前地质预报技术在复杂地质隧道的综合应用

所属栏目:交通运输论文 发布日期:2012-11-20 09:18 热度:

  摘要:以广乐高速公路长基岭隧道为工程实例,通过综合应用TSP法、高密度电法和超前钻孔法,对相应的不良地层地段(YK90+990~YK91+030)做超前地质预报,较为准确地掌握了富水带和节理密集带的位置及规模。综合应用这几种超前预报方法能够解决各单一方法的缺陷,得到更准确的预报结果,为隧道掘进提供相应的对策和必要的安全防范措施。

  关键字:超前地质预报,高密度直流电法,TSP,超前钻孔,长基岭隧道

  0 引言

  近年来,随着我国隧道建设的大力发展,各类突发地质灾害造成的安全事故十分频繁。若能对隧道掌子面前方的地质条件及水文地质条件,如掘进前方是否有岩溶、断层破碎带、富水区域等不良构造进行准确预测,且根据预测结果合理地安排掘进进尺并修正施工方案,采取必要的防范措施,则可避免险情发生。目前,关于超前地质预报在隧道建设中的应用已有相应的研究。李乃旺等[1]应用高密度电阻率法,对宁淮高速公路南京老山隧道进行了超前探测,得到了隧道和断层破碎带相交处为浅部裂隙岩溶含水带中的优良导水带, 该处涌水的可能性很大, 其推断结果在施工中得到证实;余左清等[2] 应用高密度电法对戌街隧道进行了超前探测,结果表明该方法简单易行, 准确率高, 其结果与开挖后揭露的地质情况吻合较好;尹培林[3]应用TST方法,对桃园隧道进行了勘测,结果表明TST 技术采用空间观测系统有效地提高了速度分析精度和构造定位精度, 应用二维滤波技术有效地消除了面波和侧向回波, 保证了预报结果的真实可靠;高辉[4]等应用TSP技术对雁门关特长隧道进行了预报,得出该方法能够有效地防止工程事故的发生,加快工程进度,同时也能减少工程造价。

  针对目前的研究现状,还很少有综合TSP,高密度直流电法和超前钻孔法这几种方法对复杂地质条件下隧道掌子面前方岩体进行超前探测研究的。因此,本文将以广乐高速公路长基岭隧道为工程实例(该隧道所处的地层条件极其复杂,断裂带、岩溶、节理密集带、地下水等不良地质现象分布极其发育),通过综合应用TSP、高密度直流电法和超前钻孔法对掌子面前方岩体进行超前预报,探明了相应的不良地质现象的位置和规模,为施工前采取必要的安全防范措施提供了准确详实的科学依据。此外,通过几种方法的综合,可以解决单一超前地质预报方法的缺陷,优缺点互补,得到更为准确的结果。

  1 TSP法的原理及测线布置

  1.1 TSP法的原理

  TSP(Tunnel Seismic Prediction)是瑞士Amberg测量技术公司研制开发的一套隧道地震超前预报系统,采用地震方法对隧道地质情况进行探测,属多波多分量高分辨率地震反射波探测技术(图1)。与常规地震反射波探测技术不同之处,在于该系统是专门为长距离隧道施工地质超前探测而设计。该技术主要是在隧道的左边墙或右边墙上布置一定数量的炮孔,通过小药量激发产生地震波(弹性波),地震波在岩石中以球面波形式传播,地震波遇到岩石波阻抗差异界面(例如裂隙带、断层或岩层变化等),有一部分信号会发生反射,反射信号将被布置在隧道左右边墙上的2个高灵敏度的三分量加速度地震传感器(检波器)所接收并记录下来TSP系统利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方几百米范围内的地质条件和岩石特性变化。

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  图1 TSP超前预报原理示意图

  1.2 TSP法的测线布置

  测线布置如图2所示,在掌子面后方的边墙上依次布置爆破孔24个,孔间距1.5m,两个接收孔分别在布置在两侧边墙,均距离第一个爆破孔19m。

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  图2 TSP探测系统布置示意图

  1.3 TSP法的数据处理

  采集的数据采用TSPwin light2.1专用软件进行处理。处理时,首先正确输入隧道及炮点和接收点的几何参数。剔除质量差的记录道。基本处理流程包括11个主要步骤,即:数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。

  2 高密度直流电法的原理及测线布置

  2.1 高密度直流电法的原理

  电法勘探是以研究地壳中各种岩石、矿石电学性质(导电性、介电性、导磁性、激电性)之间的差异为基础,利用电场或电磁场(天然或人工)空间和时间分布规律来解决地质构造的一类地球勘探方法。该方法属于全空间电法勘探,供电电极A相对无穷远电极B可以看作为点电源,均匀介质中它所形成的电场可近似看作一个球体,如图3所示。根据电场球壳原理,任意等半径球面上的电位是相等的,两个等位面上的点M、N之间形成电位差ΔUMN,利用发射电流可计算出MN球环上的视电阻率。通过在巷道迎头后方布置电极,从而可探测出迎头前方的异常情况,其工作原理如图4所示。为了能够正确预报掌子面前方地质构造,采用三个供电电极交替供电分别测量的方式,利用几何交汇的原理(如图5所示),从而只探测掌子面前方的潜在危险部位,此即三级法超前探测。

  2.2 高密度电法的测线布置

  长基岭隧道进口左线供电点A1布置在距掌子面14m处,A2和A3电极布置在A1电极后,各供电电极间距为4m,电极布置如图5。测量电极MN向掌子面后方移动,每次移动间距为4m。MN间的距离为4m。通过移动测量电极MN,采集隧道周围岩石的视电阻率值,即可得到掌子面前方视电阻率[5]相关比值等值线图。

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  图5 几何交汇原理

  3 超前钻孔法

  超前钻孔法是迄今为止地质预报最为直接、最为可靠的方法,对规模较大的区域性断层、物探超前预报的异常段(可能的突涌水段),通过超前水平钻探(取芯)进一步确定断层的位置、破碎带的宽度、富水情况等不良地质状况。该方法对垂直隧道轴线的地质结构面预报效果较好,但与隧道轴线平行的结构面预报较差。由于超前钻探需占用较长的施工作业时间,且费用较高,因此,超前钻探一般只作为短期预报方法,且仅针对某些重点疑难问题进行验证预报。超前钻孔法的钻孔设计见图6,钻孔参数见表1。

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  4长基岭隧道地质条件概况[6]

  隧道区位于粤北凹褶束-韶关凹褶中的天门坳隆起区,地层复杂,断裂发育。地质调绘显示,该隧道共发育和穿过14条断层,其走向为北北东向和北东向,南北向。另外,隧道随处地层岩性复杂,构造复杂,岩溶发育,地质条件极其复杂。

  本次探测段所处的地层,为灰岩,中风化带,岩体较破碎,属于区域强岩溶段,小管道状岩溶泉,垂向分带为季节性变化带岩溶水,横向分带为补给径流区,在大约ZK91+100处见一处季节性岩溶泉,出露高程为301m处的洼地中,雨季流量5~20L/S,旱季断流,长年不干。该里程段物探勘测为3条断层,且三条断层均与隧道相交,切过沟系,极可能成为导水通道。另CSA7ZK5钻孔稳定水位位于高程313.71m、CSA7ZK4钻孔位于孔深99.6m处涌水,即标高为206m,说明在此高程处存在岩溶通道压力水,水一直上升至孔口溢出,因此,隧道开挖至该断层处时,将出现渗水或突水的可能性极大。

  5 预报结果及分析

  5.1 TSP法的预报结果及分析

  通过测量,钻孔,洗渣,放药,仪器连接,爆破和结果的解译,得到了相应的预报结果:

  在YK90+960~YK90+991段内(长度30m),岩体纵波波速为5410m/s,横波波速2940 m/s。为弱风化中厚层状灰岩。推测段内岩体较为破碎,受隧道顶部深处构造影响,节理密集,间距约为2~3m。

  在YK90+991~YK91+024段内(长度33m),岩体纵波波速低且跳跃打,发育破碎带,横纵波均有较强的反射现象,存在多组贯通性构造面,岩体完整性差。推测其为勘察资料中的WF109断层,段内存在多组反射面,推测岩体较为破碎。在YK91+010~YK91+020内,纵横波均变化为负反射,地下水含量较高。

  在YK91+024~YK91+055段内(长度31m),围岩为弱风化中厚层状灰岩,岩体节理发育,较为完整。

  在YK91+055~YK91+070段内(长度15m),岩体纵波波速为5500m/s,波速平稳。在055,064,068处节理密集,间距约1~2m,含水量有限。

  根据以上的预报结果,可以看到该段内岩体质量较差,节理发育,大部分富含地下水,但相应的断层破碎带的规模位置及富水区的情况,还需要高密度电法和超前钻孔法来进一步预报,以保证施工的安全。

  5.2 高密度电法的预报结果及分析

  针对TSP法预报的结果,在段YK90+991~YK91+024内可能为断裂带和富水区,因此应用高密度电法对该段内做进一步更为精确的预测,结果如图7所示。

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  图7 高密度直流电法的预报结果

  从预报结果可以看到,在YK90+995~YK91+000内,视电阻率较高,推测岩体的破碎程度相比较好一些;在YK91+000~YK91+014段内,视电阻率相对较低岩体相比较破碎些;在YK91+014~YK91+026段内,视电阻率普遍最小(80~90),推测该段内可能存在裂隙水,也有可能该处无水,但岩体相对破碎,为断裂破碎带范围,为明确富水情况,应用超前钻孔法对该段取芯做最终验证。

  5.3 超前钻孔法的探测结果

  通过掌子面钻孔取芯,对岩芯的分析,可以得到掌子面前方一定范围内岩体的地质情况和水文情况,其中4#孔的探测结果如下:

  在YK90+985~YK90+995.5段内,灰岩,中风化,岩体较破碎,属硬岩;在YK90+995.5~YK91+024.6段内,岩体破碎,属断层破碎带;在YK91+024.6~YK91+034.2段内,岩体较破碎;在 YK91+015~YK91+018.4段内出水,水量最大约0.1m3/h,后逐渐减小,水质澄清,与旱季施工阶段水量情况相符,要做好雨季期间围岩渗涌水情况监测,此段支护参数适当加强。

  通过采用超前钻孔,进一步验证了高密度电法和TSP法的预报结果,直观掌握了断层破碎带的规模位置及地下水的赋存情况及水量大小,弥补了几种单一方法的不足,进一步提高了预报准确性,对隧道掘进前方需采取的安全措施及对策制定有了明确指导,确保了施工安全。

  6 结论

  (1)TSP法的预报距离较长(100~150m),预报的结果宏观性大,主要探测掌子面前方的断裂破碎带和裂隙发育带,但细观位置和规模尤其是岩溶富水地质状态还需要其它方法来进一步互补预报。该方法成本低,但操作工序较多,对施工有略微影响(放炮时需要停工约1小时)。

  (2)高密度直流电法超前地质预报方法简单,具有操作方便、对施工影响小的优点,但其预报距离较短,大概30~50m,属于短距离预报。该方法可以对TSP预报分析的重点不良地段进行含水构造、水量规模和范围的预报,避免冒进产生的大规模突水涌泥事故。

  (3)超前钻孔法是最直接最可靠的预报方法,可以对高密度电法及TSP法预报结果解译的不确定区段及重点不良地质段内进行可靠直观的验证,是对这两种方法的一种完善和补充。但该方法有用时长、费用高的缺点。

  (4)综合应用TSP法,高密度直流电法和超前钻孔法几种方法,可以克服单一方法存在的不足,能够相互补充验证预报结果,提高预报结果的可靠性,为施工采取相应措施和应急预案提供依据。

  在地质条件复杂的隧道中,尤其是岩溶隧道,应综合运用多种预报方法,取长补短,结合地勘资料和地表调查分析,综合分析,能取得较好的地质预报效果。

  参考文献

  [1]李乃旺,李晓昭,徐鸣洁,梁清雨,钟凯.高密度电法在老山隧道勘察中的应用.地球科学与环境学报[J].2007,29(4) :412~415.

  [2]余左清,廖声林.高密度电法在隧道超前地质预报中的应用. 山西建筑[J]. 2010,36(20) :343~345.

  [3]尹培林.TST 在隧道超前地质预报中的应用.低温建筑技术 [J]. 2011,2:98~101.

  [4]高辉,王建辉. TSP地质超前预报在隧道建设中应用价值的探讨.山西交通科技[J]. 2006,3 :71~73.

  [5]YDZ(A)直流电法仪使用说明书[R].煤炭科学研究总院西安研究院.2007,10,3.

  [6]乐昌至广州高速公路坪石至樟市段第T10.D1册[R].中交第二公路勘察设计研究院有限公司.2011,1.

文章标题:几种超前地质预报技术在复杂地质隧道的综合应用

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