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各位隧道超前地质预报方法优缺点分析

发表时间:2020-12-28 09:48作者:李玉

各种隧道超前地质预报方法优缺点分析

隧道超前地质预报是在施工前期地质勘查成果的基础上,进一步查明掌子面前方一定范围内围岩的地质条件。超前探测地层岩性、软弱层的位置、岩体完整程度、断裂带位置及宽度、围岩富水性等不良地质以及隐伏的重大地质问题。为隧道信息化设计、支护参数变更及施工方案优化提供依据,指导施工顺利进行,确保施工安全。中交路桥科技有限公司专业从事隧道超前地质预报,小乔接下来将为您介绍目前工程上主要用到的超前地质预报方法:地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法、数码成像技术等。

1、地质调查法

地质调查法是根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描,通过地层层序对比、地层分界线及构造线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,利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等,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。

优点:地质调查法不占用施工时间,该方法设备简单(地质罗盘)、操作方便、预报效率高、效果好、费用低,且能为整座隧道提供完整的地质资料。

缺点:对与隧道交角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报,对操作人员地质知识水平要求较高,一般要求专业地质人员来完成。


2、物探法

2.1 电磁波反射法

电磁波反射法超前地质预报主要采用地质雷达法。中交路桥科技有限公司拥有多套地质雷达,地质雷达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。

优点:将发射天线和接收天线集于一体,具有分辨率高、快速、无损、连续检测、实时显示等特点。在地表探测5~30m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空隙等)反射信号还是比较明显的,也是一种比较理想的手段。

缺点:仪器密封性差,洞内不易防水、防潮、防尘,易造成仪器损坏,特别是没有专门的天线,操作起来费时费力,且效果不好;探测距离太短,一次只能探测5~30m。

隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础——半无限空间不吻合,加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响,探测结果一般不太理想。

2.2 地震波反射法

利用地震波在不均匀地质体中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,可以检测出掌子面前方岩性的变化,可以在钻爆法或TBM开挖的隧道中使用,而不必接近掌子面。该法有效预报距离100~200m。

优点:适用范围广,适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。

预报距离长,能预报掌子面前方100~200m范围内的地质状况,围岩越硬越完整,预报长度就越大。

对隧道施工干扰小,它可在隧道施工间隙进行。

提交资料及时,在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。

缺点:其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的,由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。

预报断层、软弱结构面等面状结构反射信号较为明显,对小型溶洞反映不明显。

2.3 高分辨直流电法

高分辨直流电法是以岩石的电性差异(电阻率差异)为基础,在全空间条件下建立电场,电流通过布置在隧道内的供电电极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,并根据视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。

优点:适用于探测地层中存在的地下水位置及含水量大小。

2.4 瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种时间域的电磁探测方法,介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流,在脉冲间断期间涡流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率。因此,可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态,了解异常体的空间分布。


优点:由于施工效率高,纯二次场观测以及对低阻体敏感,使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法;

瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法,且无地形影响;

采用同点组合观测,与探测目标有最佳耦合,异常响应强,形态简单,分辨能力强;

剖面测量和测深工作同时完成,提供更多有用信息。

2.5 红外探测法

一切物质,每时每刻都在向外部辐射红外电磁波,并形成红外辐射场。物质在向外部发射红外辐射的同时,必然会把它内部的信息传递出来,因而根据辐射场的变化,即探测曲线上所出现的异常,可提前发现隐蔽的灾害实体,从而预防灾害的发生。红外探测就是将红外辐射场理论应用于隧道地质预报中,当隧道外围空间和掘进前方存在隐伏水体或含水构造时,隐伏水体或含水构造产生的异常场就要叠加到正常场上,使隧道内的正常场产生畸变,根据拱顶、隧底、边墙、掌子面探测曲线、测量数据的变化就能确定隐伏水体或含水构造所在空间方位。
红外探水仪

优点:红外探测能准确判断出探测点前方有无水体存在及其方位。对水体的探测有较高的准确率,属于新技术。

缺点:不能对水量、水压等重要参数进行预报。对数据采集点的条件要求高,探测数据受影响程度较高,如:受喷射作业后水泥水化热影响;爆破作业后测线范围内温差明显的影响;测线范围内存在高能热源场(如电动空压机等)的影响。

3、超前钻探法

在隧道内安放水平钻机进行水平钻进,根据隧道中线水平方向上钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。地质情况可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况综合判断。
超前钻探施做

优点:可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度与地下水情况。与物探方法相比,它具有直观性、客观性,不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。

缺点:费用高、占用隧道施工时间长,且资料只是一孔之见(理论上讲,由于溶洞发育的复杂性、多变性,几个钻孔也难百分之百地把掌子面前方的管道、岩溶提前揭露预报出来)。

遇软弱岩层取芯困难,对岩溶隧道布孔位置带有偶然性,在复杂地质条件下很难预测到掌子面前方的小断层和贯穿性大节理。

4、超前导坑预报法

超前导坑法是在隧道正洞中某个部位开挖一个断面较小的导坑以探明地质情况的方法。该方法较平行导坑法更直接、更准确。正洞导坑可作为隧道施工工法的一种,既开挖了隧道,又探明了地质,超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。

优点:平行导坑超前的距离越长,预报也越早,施工中就有充分的准备时间,可以增加工作面,加快施工进度,还可以起到排水减压作用,改善通风条件和探明地质构造条件的作用。采用超前平行导坑进行预报比较直观,精度高,预报的距离长,便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导坑布置在正洞中,其作用与平行导坑相比,效果更好。

缺点:无论是平行导坑或者是正洞导坑费用都很高,有时候需要全洞进行平导开挖。在构造复杂地区准确度不高。

5、数码成像技术

这是一项具有高科技含量和发展前景的技术。它可利用掌子面超前钻孔或隧洞已开挖段坑壁的画象情报,用计算机数值处理等方法,进行相关处理,就能进行施工阶段围岩级别的判定、掌子面前方地质情况预测。

该方法设备简单,仅仅需要一台或几台较高分辨率的数码相机及相应的附属配件。该项技术在我国尚处于研究阶段。


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