公路隧道超前地质预报方法简介

超前地质预报方法有地质调查法、超前地质钻探法、物探法和超前导坑预报法。隧道超前地质预报实施前,根据隧道工程地质与水文地质条件、隧道地质复杂程度,将对隧道进行分段,针对不同地质情况,选择不同的方法和手段。

(一)地质调查法

地质调查法是根据隧道已有勘察资料,利用地质罗盘、地质锤、放大镜、数码相机或摄像机等工具,通过踏勘、现场调查,开展地表补充地质调查和隧道内地质素描,经过地层层序对比、地层分界线及构造线在地下和地表相关性分析、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,推测开挖掌子面前方可能揭示的地质情况的一种超前地质预报方法。

1.隧道地表补充地质调查

(1)对已有地质勘察成果的熟悉、核查和确认。

(2)地层、岩性在隧道地表的出露及接触关系,特别是对标志层的熟悉和确认。

(3)断层、褶皱、节理密集带等地质构造在隧道地表的出露位置、规模、性质及其产状变化情况。

(4)地表岩溶发育位置、规模及分布规律。

(5)煤层、石膏、膨胀岩、含石油天然气、含放射性物质等特殊地层在地表的出露位置、宽度及其产状变化情况。

(6)人为坑洞位置、走向、高程等,分析其与隧道等空间关系。

(7)根据隧道地表补充地质调查结果,结合设计文件、资料和图纸,核实和修正超前地质预报重点区段。

2.隧道内地质素描

隧道内地质素描是将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置,以及出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表,隧道内地质素描包括以下内容:

(1)工程地质。

①地层岩性:描述地层时代、岩性、层间结合度、风化程度等。

②地质构造:描述褶皱断层、节理裂隙特征、岩层产状等,断层的位置、产状、性质,破碎带的宽度、物质成分、含水情况及与隧道的关系,节理裂隙的组数、产状、间距、充填物、延伸长度、张开度及节理面特征、力学性质,分析组合特征、判断岩体完整程度。

③岩溶:描述岩溶规模、形态、位置、所属地层和构造部位,充填物成分、状态,以及岩溶展布的空间关系。

④特殊地层:煤层、沥青层、含膏盐层和含黄铁矿层等应单独描述。

⑤人为坑洞:影响范围内的各种坑道和洞穴的分布位置及其与隧道的空间关系。

⑥地应力:包括高地应力显示性标志及其发生部位,如岩爆、软弱夹层挤出、探孔饼状岩芯等现象。

⑦塌方:应记录塌方部位、方式、规模及其随时间的变化特征,并分析产生塌方的地质原因及其对继续掘进的影响。

⑧有害气体及放射性危害源的存在情况。

(2)水文地质。

①地下水的分布、出露形态及围岩的透水性、水量、水压、水温、颜色、泥沙含量测定,以及地下水活动对围岩稳定的影响,必要时进行长期观测。地下水的出露形态可分为渗水、滴水、滴水成线、股水(涌水)、暗河。

②水质分析,判定地下水对结构材料的腐蚀性。

③出水点和地层岩性、地质构造、岩溶、暗河等的关系分析。

④必要时进行地表相关气象、水文观测,判断洞内涌水与地表径流、降雨的关系。

⑤必要时应建立涌突水点地质档案。

(3)围岩稳定性特征及支护情况。记录不同工程地质、水文地质条件下隧道围岩稳定性、支护方式及初期支护后的变化情况。详细分析、描述围岩失稳或变形发生的原因、过程、结果等。

(4)围岩分级。核查和确认隧道围岩分级。

(5)影像。对隧道内重要的和具代表性的地质现象应进行拍照和录像。

3.地质调查法工作要求

(1)隧道地表补充地质调查应在洞内超前地质预报前进行,并在洞内超前地质预报实施过程中根据需要随时补充,做好现场记录,并及时整理

(2)地质素描图应采用现场绘制草图、室内及时誊清的方式完成,实时记录现场实际揭露情况。地质素描原始记录、图、表应及时整理。

(3)隧道地表补充地质调查和洞内地质素描资料应及时补充绘制在隧道工程地质平面图和纵断面图上。

(4)采集的标本应及时整理。

(二)超前地质钻探法

超前地质钻探法是利用钻机在隧道开挖工作面进行水平钻探,获取开挖前方地质信息的一种超前地质预报方法。在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂的地段必须采用。超前地质钻探主要采用冲击钻和回转取芯钻,为提高预报准确率和钻探速度、减少占用开挖工作面的时间,通常两者交替使用。

(1)冲击钻:不能取芯样,可通过冲击器的响声、钻速变化、岩粉及颜色、钻杆振动、冲洗液流失变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地下水发育情况等。由于钻进速度快、耗时少,故一般情况下多采用冲击钻。

(2)回转取芯钻:可取芯样,鉴定准确可靠,地层变化里程可准确确定。由于钻进速度慢、耗时多,故一般只在特殊地层、特殊目的地段使用。如煤系地层、溶洞及断层破碎带物质成分的鉴定、岩土强度试验取芯等。

超前钻探法主要是利用专门钻机进行超前地质钻探,也可采用局部加深炮孔进行探测。

1.超前地质钻探钻孔要求

(1)孔数。

①断层、节理密集带或其他破碎富水地层每循环可只钻一孔。

②富水岩溶发育区每循环宜钻3～5个孔,揭示岩溶时,应适当增加,以满足安全施工和溶洞处理所需资料为原则。

③煤层瓦斯地层,先在距离煤层15～20m(垂距)的开挖工作面钻1个超前钻孔,初步探明煤层位置,在距离初探煤层位置10m(垂距)开挖工作面,钻3个以上超前钻孔。

(2)孔深。

①不同地段、不同目的钻孔应采用不同的钻孔深度。

②钻探过程中应进行动态控制和管理,根据钻孔情况可适时调整钻孔深度,以达到预报目的为原则;煤层瓦斯超前钻孔深度应根据探测煤层情况确定。

③当需要连续钻探时,前后两循环钻孔应重叠5～8m。

(3)孔径。钻孔直径应满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求。

(4)钻孔布置。钻孔起孔位置一般位于开挖面中下部,有多个钻孔时,可在开挖面下部两侧和拱部位置两侧,以及拱部。钻孔的终孔位置,一般需要位于隧道开挖轮廓线以外的富水岩溶发育区。超前钻探终孔位置应于隧道开挖轮廓线以外5～8m。

2.加深炮孔探测钻孔要求

加深炮孔探测是利用局部炮孔加深凿孔过程获取地质信息的一种方法。

(1)探测炮孔孔深较设计爆破孔(或爆破循环进尺)深3m以上。

(2)孔数、孔位应根据开挖断面大小和地质复杂程度确定。

(3)钻到溶洞和岩溶水及其他不良地质时,应视情况采用超前地质钻探和其他探测手段继续探测。

3.超前地质钻探技术要求

(1)实施超前地质钻探的人员应经技术培训和考核,考核合格后方可上岗。

(2)钻探前地质技术人员应进行技术、质量交底。

(3)钻探过程中应有专业地质工程师跟班。

(4)应做好钻探记录,包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、孔探、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化等。

(5)及时鉴定岩芯、岩粉,判定岩石名称,对于断层带、溶洞填充物、煤层、代表性岩土等应拍摄照片备查,并选择代表性岩芯整理保存。

(6)在富水地段进行超前钻探时必须采取防突措施,并测定水压。

(7)应编制探测报告,内容包括工作概况、钻孔探测结果、钻孔柱状图,必要时应附有钻孔布置图、代表性岩芯照片等。

(三)物探法

物探法包括弹性波反射法、电磁波反射法(地质雷达探测)、瞬变电磁法、高分辨直流电法、红外探测法等。

1.弹性波反射法

弹性波反射法是利用人工激发的地震波、声波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方地质情况的一种物探方法,它包括地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和极小偏移距高频反射连续剖面法(简称“陆地声呐法”)等方法,目前最常用的为地震波反射法。

下面主要介绍地震波反射法。

(1)探测原理。地震波反射法是通过小药量爆破所产生的地震波信号在隧道开挖工作面前方不同岩层中以球面波的形式、以不同的速度传播,在地质界面处被反射,并被高精度的接收器接收。通过后处理软件得到各种围岩构造界面、地层界面与隧道轴线相交所呈现的角度及与掌子面的距离,并可初步测定岩石的弹性模量、密度、动泊松比等参数,以进一步分析隧道前方围岩性质、节理裂隙密集带分布、软弱岩层及含水状况等。此方法适用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围。地震波反射法探测原理如图4.7-1所示。

图4.7-1　隧道地震波反射法预测原理示意

(2)探测仪器。隧道地震波反射法通常采用TGP或TSP隧道超前地质预报系统,由主机、检波器(探头)、信号线及后处理软件组成。

(3)探测方法。

①观测系统的设计。根据隧道施工情况及地质条件,确定检波器(探头)和炮点在隧道左右边墙的位置,接收器和炮点位置应在同一高度。

②现场标志。在隧道现场,根据设计的观测系统确定所有接收点和炮点的位置,并做出相应的标志。

③钻孔。

a.应按设计要求钻孔(位置、孔深、孔径、倾角等)。

b.一般情况下,钻孔位置不应偏离设定的位置;特殊情况下,以设定的位置为圆心,可在半径0.2m的范围内移位。

c.孔身应平直顺畅,能确保耦合剂、套管或炸药放置到位。

d.在不稳定的岩层中钻孔时,采用外径与孔径相匹配的薄壁塑料管或PVC管插入钻孔,防止塌孔。

④安装套管。用环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆作为耦合剂,安装接收器套管。

⑤填装炸药。

a.用装药炮杆将炸药卷装入炮孔底部。

b.在激发前,炮孔应用水或其他介质填充,封住炮孔,确保激发能量绝大部分在地层中传播。

⑥仪器安装与测试。

a.用清洁杆清洗套管内部。

b.将检波器(探头)插入套管,并应确保接收器的方向正确。

c.采集信号前应对接收器和记录单元的噪声进行测试。

⑦数据采集。(www.xing528.com)

a.设置采集参数:采集参数主要包括采样间隔、时窗长度、采集数传感器分量(应为X、Y、Z三分量接收)及接收器数量等,按实际情况进行设定。

b.背景噪声检查:背景噪声过大会影响采集数据的准确性。因此,在数据采集前,应进行背景噪声检查,采取压制干扰的措施,尽可能减少仪器本身及环境产生的背景噪声干扰。

c.数据记录:放炮时,准确记录隧道内炮点号,在放炮过程中采用炮序号递增或递减的方式进行,确保炮点号与采集数据一一对应。

⑧质量控制。在每炮记录后,应显示所记录的地震道,通过检查显示地震道的特征,据此对记录的质量进行控制。

a.用直达波的传播时间来检查放炮点的位置是否正确,以及使用的雷管是否合适。

b.根据信号强度,检查信号是否过强或过弱,若直达波信号过强或过弱,则应将炸药适当减少或增加。

c.根据初至波信号的特性,对信号波形进行质量控制,若初至后出现鸣震,表明接收器单元没有与围岩很好耦合或可能由于套管内严重污染造成,这时,应清洁套管和重新插入接收器单元,直至信号改善为止。

d.根据每炮记录特征,了解存在的噪声干扰,必要时应切断干扰源,同时检查封堵炮孔的效果。

e.对记录出现X、Y、Z三分量接收器接收存在某一分量不工作或工作不正常;初至波时间不准或无法分辨;信噪比低,干扰波严重影响到预报范围的反射波;记录序号(放炮序号)与炮孔号对应关系错误的地震道时,应重新装炸药补炮,接收和记录对应的地震道信号。

(4)数据分析与解释。

①准确输入现场采集参数,包括隧道、接收器和炮点的几何参数等。

②剔除不合格的地震道,只有合格的才能参与处理。

③根据预报长度选择恰当的时间窗口;带通滤波参数合理,避免波形发生畸变;提取的反射波,应确保其强度足够;速度分析时,建立与预报距离相适应的模型;反射层提取时,根据地质情况和分辨率选择提取反射层的数目。

④数据解释应结合隧道地质勘察资料、设计资料、施工地质资料、反射波成果分析显示图及岩体物理力学参数等进行。综合上述成果资料,推断隧道开挖掌子面前方围岩的工程地质与水文地质条件,如软弱夹层、断层破碎带、节理密集带等地质体的基本状况、规模和位置等。结合岩体物理力学参数、围岩软硬、含水情况、构造影响程度、节理裂隙发育情况等资料,参照有关规范对围岩级别进行判定和评估。

(5)预报距离。地震波反射法连续预报时前后两次预报距离宜重叠10m 以上,预报距离应符合下列要求:

①在软弱破碎地层或岩溶发育区,每次预报距离宜在100m左右。

②在岩体完整的硬质岩地层每次预报距离宜在150m内。

③隧道位于曲线上时,应根据曲线半径大小,按上述原则合理确定预报距离。

2.电磁波反射法

(1)探测原理。电磁波反射法超前地质预报主要采用地质雷达法。地质雷达法探测是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射,根据传播速度、反射走时和波形特征进行超前地质预报的一种物探方法。地质雷达法适用于探测浅部地层、岩溶、空洞、不均匀体,具有快速、无损伤、可连续、可单点方式探测、实时显示等特点。

(2)探测仪器。地质雷达探测系统由发射单元、接收单元天线、主控器、专用笔记本电脑、信号线、数据采集软件、后处理软件等组成。

(3)探测方法。

①通过试验选择雷达天线的工作频率确定相对介电常数。当探测对象情况复杂时,应选择两种及以上不同频率的天线;当多个频率的天线均能符合探测深度的要求时,应选择频率相对较高的天线。

②测网密度、天线间距和天线移动速度应反映出探测对象的异常,测线宜用十字或网格形式布设。

③选择合适的时间窗口和采样间隔,并根据数据采集中的干扰变化和效果及时调整探测工作布局或工作参数。

④掌子面超前地质预报常采用单点探测方式,同时,可结合连续探测方式进行比对。

⑤探测区内不应有较强的电磁波干扰,场测试时应清除或避开探测区附近的金属物等电磁干扰物;当不能清除或避开时应在记录中注明,并标出位置。

⑥支撑天线的器材应选用绝缘材料,天线操作员应与工作天线保持相对固定的位置。

⑦测线上天线经过的表面应相对平整,无障碍,且天线易于移动;在测试过程中,应保持工作天线的平面与探测面基本平行,距离相对一致。

⑧现场记录应注明观测到的不良地质体与地下水体的位置与规模等。

⑨重点异常区应重复探测,重复性较差时应查明原因。

○10质量控制检查时,重复探测的记录与原探测记录应具有良好的重复性,波形一致,没有明显的位移。

(4)数据分析与解释。

①参与数据分析与解释的雷达剖面应清晰。

②数据分析包括编辑、滤波、增益等处理。情况较复杂时,还宜进行道分析、F滤波、正常时差校正、褶积、速度分析、消除背景干扰等处理。

③数据解释应结合地质情况、电性特征、探测体的性质和几何特征综合分析,必要时应考虑影响相对介电常数的各种因素,制作雷达探测的正演和反演模型。

(5)预报距离。地质雷达工作天线频率越低,波长越大,能量衰减越慢,预报距离就越大,但相应的分辨率会降低。另外,预报距离还取决于介质的衰减系数、接收器的信噪比和灵敏度、发射器发射功率、系统总增益、目标的反射系数、几何形状及其产状等。因此,地质雷达法在一般地段预报距离宜控制在30m以内,在岩溶发育地段的有效预报长度则应根据雷达波形判定。连续预报时前后两次重叠长度宜在5m以上。

3.高分辨直流电法

(1)探测原理。高分辨直流电法是以岩石的电性差异(电阻率差异)为基础,电流通过布置在隧道内的供电电极时,在围岩中建立起全空间稳定电场,通过研究地下电场的分布规律,并根据电阻率分布图预报开挖工作面前方储水、导水构造分布和发育情况的一种直流电法探测技术。现场采集数据时必须布置三个以上的发射电极,进行空间交汇,区分各种影响,并压制不需要的信号,突出隧道前方地质异常体的信号,该方法也称为“三极空间交汇探测法”。高分辨直流电法适用于探测地层中存在的地下水体位置及定性判断含水量,如断层破碎带、溶洞溶隙、暗河等地质体中的地下水。

(2)探测仪器。高分辨率直流电法探测系统由主机、电极、多道电极转换器、多芯电缆、发射电源、数据采集软件、后处理软件等组成。

(3)探测要求。

①发射、接收电极应布置在同一直线上。

②发射、接收电极接地良好。

③发射、接收电极间距应测量准确。

④数据重复测量应具有良好的重复性,否则应检测电极和电源是否正常、工频干扰是否过大等。

(4)数据处理与解释。

①数据处理应采用增强有效信号、压制干扰信号等手段,使视电阻率等值线图能够清晰成像。

②数据解释时地质异常体(储、导水构造)判断标准应以现场多次采集分析验证的数据为依据,同时总结规律,找出隧址区异常标准值。

(5)预报距离。高分辨率直流电法有效预报距离不宜超过80m,连续探测时宜重叠10m以上。

4.瞬变电磁法

(1)探测原理。瞬变电磁法是一种时间域的电磁探测方法。瞬变电磁法超前地质预报的探测原理是在隧道掌子面布设一定波形电流的发射线圈,向掌子面前方发射一次脉冲磁场,并在掌子面前方低阻异常带产生感应电流;在一次脉冲磁场间断期间,感应电流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场;通过掌子面接收线圈接收二次磁场的变化,就可以判断前方低阻异常带电性要素,并推断出前方地质异常体的位置和规模,进而推断围岩破碎、含水、地质构造等情况。总之,前方地质体的导电性越好,二次磁场(瞬变场)的强度就越大且热损耗就越小,故衰减越慢,延迟时间越长。

(2)探测仪器。瞬变电磁法探测系统由发送机、接收机放大器、发送线圈(回线)、接收探头(回线)、发送机电源、接收机电源、系统采集软件和后处理软件等组成。

(3)探测要求。

①探测时间:应选择在爆破及出渣完成之后将开挖台车、喷浆机等金属物体向掌子面后移至20m以外进行,且避免电磁场信号干扰。

②测线布置:应在隧道掌子面底板位置沿隧道环向平行于掌子面布置测线测点,线框主要按直立、恰当的仰角和俯角沿测线进行探测。

③数据重复测量应具有良好的重复性,否则应检查线框和仪器电源是否正常、工频干扰是否过大等。

④应做好探测测线、探测方向等原始记录,并绘制各测线的多测道剖面图和视电阻率剖面图。

(4)数据处理与解释。完成现场数据采集后,对探测测线及探测方向进行整理,通过专用处理软件打开原始数据后先进行有效性分析,然后进行预处理,包括时间道设置和滤波处理,再计算视电阻率,绘制各测线的多测道剖面图和视电阻率剖面图,结合现有地质资料进行定量或定性解释。一般情况下,视电阻率较高,曲线比较规则,表明围岩完整性较好,含水率低;视电阻率较低,曲线不规则,变化较大,表明围岩完整性较差,含水率高。

(5)预报距离。瞬变电磁法每次有效预报距离宜在100m左右,由于采用该方法进行探测时会存在20m以上的盲区,因此连续探测时宜重叠30m以上。

5.红外探测法

(1)探测原理。红外探测是根据红外辐射原理,即一切物质都在向外辐射红外电磁波的原理,通过接收和分析红外辐射信号,探测局部地温异常现象,判断地下脉状流、脉状含水带、隐伏含水体等所在的位置进行超前地质预报的一种物探方法。红外探测适用于定性判断探测点前方有无水体存在及其方位,不能定量给出水量大小等数据。

(2)探测仪器。采用专用的红外探水仪。

(3)探测要求。

①探测时间:应选择在爆破及出渣完成之后进行。

②测线布置:需在拱顶、拱腰、边墙、隧底位置沿隧道轴向布置测线、测点。

③做好数据记录,并绘制红外探测曲线图。

④以下情况所采集的探测数据无效:

a.仪器已显示电池电压不足,未更换电池而继续采集的数据。

b.开挖掌子面炮眼、超前探孔等钻进过程中采集的数据。

c.喷锚作业后水泥水化热影响明显的部位所采集的数据。

d.爆破作业后测线范围内温差明显时所采集的数据。

e.测线范围内存在高能热源场(如电动空压机等)时所采集的数据。

(4)数据处理与解释。

①先认真检查探测数据的可靠性。

②根据探测数据绘制探测曲线。

③分析解释时应先确定正常场,再确定异常场,由异常场判定地下水的存在,再结合现场的工程地质和水文地质条件分析与判定。

④在分析单条曲线的同时,还应对所有探测曲线进行对比,例如,两边墙探测曲线的对比、顶底探测曲线的对比,依此确定隐蔽水体或含水构造相对隧道的所在空间位置。

⑤沿隧道轴向的红外探测曲线与开挖掌子面红外探测的数据最大差值,两者应结合分析,在实践中不断总结经验,做出符合实际的分析判断。

⑥通过探测与施工开挖验证,总结出正常场的特点,以提高对异常场的分辨准确率。

(5)预报距离。红外探测法有效预报距离宜在30m 以内,连续预报时前后两次重叠长度宜在5m以上。

(四)超前导坑预报法

超前导坑预报法是将超前导坑中揭示的地质情况,通过地质理论和作图法预报正洞地质条件的方法。超前导坑预报法可分为平行超前导坑法和正洞超前导坑法。线间距较小的隧道可互为平行导坑,以先行开挖的隧道预报后开挖的隧道地质条件。根据超前导坑揭露的地质情况推测隧道未开挖地段地质条件,预报内容主要包括以下六项:

(1)地层岩性、地质构造的分布位置及范围等。

(2)岩溶的发育分布位置、规模、形态、充填情况及其展布情况。

(3)采空区及废弃矿巷与隧道的空间关系。

(4)有害气体及放射性危害源的分布层位。

(5)涌泥、突水及高地应力现象出现的隧道里程段。

(6)其他可以预报的内容。

根据分析预报结果,按1∶100～1∶500比例绘制超前导坑地质与隧道地质关系平面简图、导坑工程地质纵断面图,以及按1∶100～1∶200比例绘制地质横断面图。

(五)综合超前地质预报法

对于断层、岩溶、煤层瓦斯等各种不良地质条件,宜综合运用上述两种或两种以上方法进行预报,综合分析,以达到长短结合、取长补短、相互印证、提高预报准确性的目的。