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隧道物探预报实施方案

发表时间:2020-12-28 09:40作者:东华理工大学勘察设计研究院武汉分院

1、地质预报的意义和目的

隧道超前地质预报是以TSP-203、地质雷达、超前地质钻孔等仪器,并辅以其它地质调查方法,对隧道工作面前方围岩尤其是隧道掌子面前方一二百米或数十米内围岩的工程地质和水文地质情况的性质、位置和规模进行比较准确、全面、系统的探测和判断,确定不良地质体的空间位置和危害程度,结合监控量测数据,综合考虑围岩和主动支护因素,及时地调整支护参数,提出措施和建议,指导隧道施工,有效控制地质灾害的发生,防止在正常施工下避免工作面开挖出现不测事故(诸如出现断层、破碎带、采空区、溶岩、含水集水区、高应力地带、岩爆、瓦斯溢出等不良地质现象),确保隧道的安全和可靠。根据隧道地质的具体情况,超前地质预报主要内容如下:

l   隧道穿越不稳定岩层较大断层预测;

l   出现涌水地段预测;

l   软岩出现内鼓、掉块地段预测;

l   岩体突然开裂或原裂隙逐渐增宽等危害性预测;

l   位移变形加快影响围岩稳定预测;

l   可能出现塌方、滑动影响预测;

l   浅埋段下沉裂缝对施工影响程度预测;

l   地质条件变化对施工影响程度预测;

l   岩爆预测;

l   瓦斯预测。

1.1地质预报的方法

TSP超前地质探测

TSPTunnelSeismic Prediction)是一种快速、有效、无损的反射地震探测技术,它是专为隧道超前地质预报设计的。

TSP和其它反射地震波方法一样,采用了回声测量原理。地震波在指定震源点用小药量激发产生,震源点通常布置在隧道的左边墙或右边墙,一般24个炮点布成一条直线,接收点和炮点在同一水平面。地震波以球面波的形式在岩石中传播,当遇到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时,一部分地震信号将反射回来,一部分折射进入前方介质。反射地震信号将被高灵敏度检波器接收,反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比,因此可确定界面的位置。通过TSPwin软件处理,可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果,及反射层在探测范围内的空间分布。

TSP方法特点:

预报范围大,可从100m200m

施工时间短,完成全部外业施工仅需2小时左右,可现场处理资料提交成果,也仅需3-6小时;

成本低廉,同时对施工基本无影响,可对全隧道开展;

无须面对掌子面,对掌子面状况无要求;

可提供岩石动力学参数,划分围岩类别;

可确定地质体空间位置。

GPR(地质雷达)超前地质探测

GPRGround   Penetraing Radar)方法是一种用于确定地下介质分布的电磁波法,类似反射地震勘探技术,是一种高分辨率探测方法。该方法是通过天线向地下发射高频电磁波,电磁波在地下传播,对于不同介质,由于电磁性质不同,传播特点不一样,当遇到存在电性差异介质的界面时,便发生反射,并返回为接收天线接收。电磁波在介质中的传播时间与距离成正比,因此可计算出界面位置,并可根据反射波的振幅、频率特征推测地质体的性质。溶洞、断层破碎带、含水带、结构面等都于周围岩石存在较大的电性差异,用GPR方法进行超前地质探测正是基于这一前提。

现场探测时,可在掌子面布设字型测网。当区域构造走向与隧道轴线大致平行时,应在隧道侧壁布置一些测线。采用连续观测方式,用RADANⅢ专用软件对采集的数据进行处理。在资料处理的基础上,分析地质雷达图象,识别反射信号,确定电磁波在岩石介质中的传播速度、反射波到达时间,计算反射界面的位置,通过分析反射波的振幅、频率,结合前期勘察资料推断地质体性质。

GPR方法是基于介质电磁性差异的高频电磁波法,具有以下特点:

频率高,衰减快,探测距离短,20米为宜;

分辨率高,可探测围岩内的软弱结构面;

对岩溶、富水带探测效果好;

施工方便、成本低廉,对隧道施工无影响。

2、锚杆锚固无损检测原理

  锚杆锚固体系是由钢筋、水泥砂浆和围岩构成的,当出现砂浆灌注不饱满、空腔等质量问题时,钢筋与砂浆、砂浆与围岩之间就存在波波阻抗突变的界面,因此,采用声频应力波对锚杆锚固质量进行无损检测具备检测物理条件。

3.1方法原理

 全长粘结砂浆锚杆的水泥砂浆的灌注饱满与否,是锚杆能否按设计要求起作用的重要指标。传统的测试方法是用抗拔力来检验,但这种方法并不能完全确定其施工质量。试验证明,对于高强锚杆,当锚固长度达到锚杆直径的42倍时,握裹力不再随锚杆长度的增加而增加,因此仅用抗拔力来检验施工质量不完整。采用声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测和抗拔力试验有机地结合并进行综合分析,才能对锚杆的锚固质量进行很好地分析和评价,其原理如下:

当工程的锚杆构件的尺寸为圆柱体且其直径d远远小于其长度L时,即L>>d,则此锚杆可以作为弹性波中的一维杆件理论分析处理。锚杆是钢筋与混凝土胶结在一起,与周围围岩存在较大的弹性波波阻抗差异,因此,应用弹性波理论对锚杆进行无损检测,可以视锚杆为一维弹性杆件。

应力波在锚杆中传播时考虑粘滞性阻尼力的一维弹性波波动方程为

   在由锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的体系中,由锚杆端部发射的声波经杆体向四周传播,在锚杆与砂浆、砂浆与围岩等界面发生入射、系分别为Z=cA

从上述公式可以看出,当杆中某一截面面面积或材料性质发生改变时,入射波将在该截面处发生反射和透射,其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。与变截面杆相类似,在锚杆体系中锚杆、砂浆、和围岩三者之间浇灌均匀密实时,应力波的能量大部分透射到围岩体中,只有小部分能量反射回来,且反射信号极有规律。当砂浆浇灌不均匀、密实时,在砂浆中出现空穴,在空穴处将出现不同程度的波阻抗变化面。表现在原有的信号中迭加了强度不同的反射信号,或在不应出现反射波处有反射信号,根据反射波位置和反射信号的强弱,就可以确定锚杆锚固质量并为其分级。

3、地质雷达衬砌无损检测原理

3.1探地雷达探测原理

探地雷达的探测原理与探空雷达相似,探地雷达是用一对天线进行工作的,如图1a所示由发射天线T向地下介质中发射一定主频的电磁脉冲波,电磁脉冲波在地层介质中传播时,遇到地下介质中的物性介面(主要指电阻率和介电常数的差异分介面)时,发生波的反射和透射;被反射的电磁波传回地面,被接收天线R所接收,电脑和仪器控制并接收从接收天线经电路和光缆传回的地下反射回波信息,在电脑中存储每一测点上波形序列的振幅及波的旅行时间,沿测线等间隔移动天线,在每一观测点上可获得一个波形序列,对于整条测线就可形成一条雷达剖面(见示意图1b)。由于不同的介质不仅会引起电磁波的反射,而且还会使电磁波发生衰减和相位等特征的变化,高速铁路隧道衬砌为层状结构,均为非磁性介质,各层介质的介电常数有明显的差异,它们之间能形成良好的电磁反射界面。当结构层发生破损(如出现空洞、裂隙、脱空等),在雷达资料中便会出现明显的特征反射,如脱空时将产生夹层反射,空洞会产生绕射等,当结构层因透水性问题而使某层含水量量增大,或同现软弱夹层时,介电常数将明显增大,在资料中就可以得到高含水性的反射,且探地雷达具有极高的探测精度,因此在铁路隧道衬砌结构层划分、病害检测、隐患调查中具有良好的检测效果。

4、项目成员

项目组人员共计7人,由东华理工大学勘察设计研究院武汉分院刘前程高级工程师为组长组成的物探检测组,成员包括物探工程师、地质工程师、隧道工程师、测量工程师、结构工程师等。

5、拟投入本项目的仪器与设备

投入本项目使用的仪器设备表

序号

仪器设备名称/型号

型号、规格

数量

仪器、设备性能

1

TSP

TSP-203

1

良好

2

地质雷达

SIR2000

1

良好

3

锚杆无损检测仪

/

2

良好

4

声发射仪

/

2

良好

5

电脑

/

3

良好

6

打印机

/

3

良好

6、物探探测依据

1、《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB10223-2004

2、《铁路混凝土与砌体施工及验收规范》TB10210-2003

3、《铁路隧道工程质量检验评定标准》TB10417-2003

4、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》铁建设[2005]160

5铁路工程岩土分类标准TB10077-2001);

7、各阶段方案和工作流程

本项目隧道共5座,分别为******

7.1地质预报方案

7.1.1前期准备工作方案

前期准备工作主要有两项内容:

(1) 研究既有区域地质、工程地质资料,必要时到地表补充测绘,以达到对整个地区地质情况有一个比较全面和深刻的认识,如可溶岩分布情况、构造发育情况、地表水系发育情况、当地最低侵蚀基准面标高等。

(2) 通过对这些资料的分析和把握,制定预报预案,针对不同地段的地质情况进行地质预报重要性分级,不同级别的地段采取不同的预报手段,以达到既预报准确又节省有限预报资源的目的。

地质灾害分级

地质灾

害等级

地质灾害等级对隧道

施工安全的危害程度

预报方式

A

存在重大地质灾害隐患的地段,如大型暗河系统,可溶岩与非可溶岩接触带,软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带,特殊地质地段,重大物探异常地段,可能产生大型、特大型突水突泥地段,诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯、天然气问题严重的地段以及人为坑洞等。

采用地质分析法、TSP隧道地震波反射法、地质雷达手段进行综合预报。首先以地质分析法进行长距离预测预报,然后采用中长距离TSP和一种或几种短距离物探方法相结合进行预报,同时进行多孔超前钻探探查。

B

中、小型突水突泥地段,较大物探异常地段,断裂带等。

采用地质分析法、TSP,辅以红外探测、地质雷达,进行必要的超前水平钻孔。当发现局部地段工程地质条件较复杂时,按A级要求实施。

C

水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带,发生突水突泥的可能性较小。

以地质分析法为主。对重要的地质(层)界面、断层或物探异常地段可采用TSP进行探测,必要时采用红外探测和超前水平钻孔。

D

非可溶岩地段,发生突水突泥的可能性极小。

采用地质分析法。

7.1.2现场施工方案

现场施工方案遵照长期预报与短期预报相结合、物探手段与钻孔直接预测相结合、区域性地质预报与掌子面地质预报相结合三结合原则,全面正规、贯穿全程。做到有疑必探、先探后掘,充分发挥多种手段综合预报的优势,通过各种方法相互对照、相互补充,相互配合,提高物探成果解译水平,提高地质预报精度。根据隧道地质预报工作特点,制定如下工艺流程图2

2 综合超前地质预报工艺流程

(1)   TSP超前地质预报系统

l   准备工作

TSP-203地质超前预报系统测线设在工作面附近的边墙上,由两个接收器孔和24个炮孔组成。两个接收器孔对称分布在两侧边墙,24个炮孔等间距分布在一侧边墙。在数据采集前,钻孔、接收传感器套管的安装,以及接受气孔、炮孔的倾向、倾角和各控基准点的测量可先期完成。这些准备工作不影响正常施工,可与隧道施工作业同时进行。注意依据工程地质力学的知识,正确选择和设定解译的搜索角和调谐角。

l   相关参数

爆破点沿着隧道一侧洞壁平行于隧道底面呈直线排列,孔距1.5m,孔深1.5m2.0m.距最后一个爆破点15m20m设接收点,接收点孔深2.0m,孔口距隧底约1.0m与炮孔等高。接收器孔向上倾斜5o10o,炮孔向下倾斜15o20o。根据围岩软硬和完整破碎程度以及接受器位置的远近,每个炮孔装药50g100g。炸药为高爆速炸药,雷管采用零延时电雷管。

l   现场测量

接收器孔内置接收传感器.探测时逐次引爆炸药,制造出小型地震波.这些地震波遇到节理面、地质界面和破碎带、溶洞、暗河等不良地质界面时会产生反射波。反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、距接收点的距离。

(2)   地质雷达

l   准备工作

使用地质雷达采集数据时,易受到测线附近的构造物、金属物体、电磁干扰,应将其记录在册,并标出位置,在这样的区域探测时应重复观测,排除干扰因素。

l   布设雷达参数

雷达天线使用100Hz天线,探测距离1525m范围一般连续测量,视条件也可以点测,一般点距为0.51.0m,探测断层或含水裂隙面,采用十字探测法,开挖工作面凹凸不平不符合条件时,采用点测法,有条件时可选用支架进行探测。

l   布设测线

使用地质雷达超前预报探测时,以掌子面前方为检测目标,以拱顶为中心,以字形或十字形布置2条雷达天线,若探测面较宽时,可以井字形布置4条雷达测线。必要时加密雷达测线以提高探测结果的准确性。

7.1.3技术支持方案

(1)    数据处理分析

l   TSP超前地质探测的数据处理分析

TSP超前地质探测结果通过TSPwin软件处理,可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果,以及反射层在探测范围内的空间分布。利用TSPwin软件按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的步骤进行数据处理。

TSP处理成果的动力学特征解释遵循下述原则:

  正反射振幅表明岩层,负反射振幅表明软岩层;

  S波反射较P波强,则表明岩层含水;

  P波速度与S波速度之比增加或泊松比突然增大,表明有流体存在。

  P波速度下降,则表明裂隙或者孔隙度增加

l   GPR(探地雷达)超前地质探测的数据处理分析

现场探测时,可在掌子面布设字型测网,为了得到较好的观测效果,掌子面最好平整、直立。当区域构造走向与隧道轴线大致平行时,应在隧道侧壁布置一些测线。为了获得丰富的信息,应采用连续观测方式。用RADANⅢ专用软件对采集的数据进行增益、滤波、反褶积、希尔伯特变换等处理,突出异常。在资料处理的基础上,分析地质雷达图像,识别反射信号,确定电磁波在岩石介质中的传播速度、反射波的到达时间,计算反射界面的位置,通过分析反射波的振幅、频率,结合前期勘察资料推断地质体性质


(2)    超前地质预报成果应用

l   对照原勘察设计文件,复核围岩类别

现今大多数隧道的支护参数设计仍然是以工程经验类比为主,仅对处于软弱围岩地段的初期支护钢拱架、二次衬砌辅以必要的强度验算。围岩类别是工程类比设计施工的基础。原勘察设计文件的围岩类别仅是根据地表的物探工作及少量的钻探工作量的结果来划分,受勘探工作量、场地条件及工作方法的限制,设计阶段所划分的围岩类别往往实际存在一定的差别,据此施工经济与安全难以保正。

l   预报不稳定岩层、断层破碎带分布里程,避免盲目施工

通过超前地质探测,预报不稳定岩层、断层破碎带分布里程,以便设计、施工及时变更施工方法,准备应急措施,避免盲目施工。

l   预报富水带的分布里程,及时采取处理措施

对溶洞、暗河的分布、规模进行预报,避免因突泥、涌水危及人员、设备安全的事故发生。

l   GPR超前地质探测成果

根据数据处理输出的资料结合前期勘察资料、现场地质调绘综合分析提交以下成果:

岩性分界面里程;

是否存在断层,断层破碎带分布里程;

富水带的分布里程;

溶洞、暗河等不良地质体规模、分布里程;

软弱结构面的分布;

6绘制沿隧道轴线方向的工程地质、水文地质综合剖面图。

施工时地质预报由专门的地质专业工程师负责,其它施工、质检人员予以配合,进行资料收集、统计、分析和编制信息预报成果,由主管技术人员予以复核,并报设计、监理单位。为变更设计、修改施工方法提供依据,经分析、整理的地质资料作为施工技术资料存档。


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