超前预报范文

超前预报范文（精选9篇）

超前预报 第1篇

超前地质预报技术是在隧道施工之前,将开挖掌子面前方的地质情况通过地质勘察理论推断和仪器探测提前预报出来,能为施工单位提供准确的地质资料,弥补设计的不足,从而减少施工的盲目性,减少地质灾害的发生,保证施工安全、顺利,降低施工成本。

1 超前地质预报的主要内容和方法

1.1 超前地质预报的主要内容

超前地质预报依据预报距离可分为长期(长距离)超前地质预报和短期(短距离)超前地质预报两类。

长期超前地质预报可以探明工作面前方250 m～300 m范围内规模较大,严重影响施工的不良地质体的性质、位置、规模及含水性。

短期超前地质预报,预报距离一般在15 m～30 m左右,依据工作面的特征,通过观测、鉴别和分析,结合长期预报成果,推断前方可能出现的地层岩性情况以及掌子面不良地质体的延伸情况,并提出适当的施工方法、超前支护和施工支护建议。

1.2 超前地质预报的工作方法

1.2.1 长期超前地质预报工作方法

1)前兆定量预测法。

根据断层形成的力学机制和地应力能量释放形成的基本理论可以推知:断层破碎带的厚度(宽度)与断层影响带内的两个异常带的厚度之间有必然的联系。这种联系可以用数学公式表达出来,这样就可以应用经验公式超前预报隧5 结语道工作面前方隐伏断层的位置和破碎带厚度(宽度),并且通过断层产状与隧道走向和隧道断面的高度和宽度资料,预测影响隧道的长度。该方法的关键在于断层影响带内强度降低带的辨认和始见点的位置确定,这要通过掌子面上大量的地质编录工作来实现。在此不再详述。

2)仪器探测法。

仪器探测法主要有地质雷达法、浅层地震反射法和TSP-202系统探测法。地质雷达法是属于电磁波勘探的一种物探方法,雷达波的发射是通过一领结状面天线向地下辐射,此种方法在石灰岩中应用最合适,探距可达30 m。浅层地震反射法原理与TSP-202系统大致相同,探测距离可达100 m。TSP-202超前地质预报系统是由瑞士来卡公司生产,探测距离为250 m～300 m,最高分辨率为1 m,探测空间为掌子面的前上方。TSP-202系统的解释主要是将探测后形成的图像结合地质实践、地质调查,确定不良地质体的位置、性质及大小等相关地质特征。

1.2.2 短期超前地质预报

短期超前地质预报是在地面地质调查和长期超前地质预报的基础上,结合它们的成果进行的一种更加准确的预报,预报范围一般在掌子面前方15 m～20 m,主要的技术手段有临近前兆预测法和掌子面编录推断法。

2 围岩地质条件与施工的关系

2.1 围岩地质条件对开挖方法的影响

隧道的开挖方法是根据隧道所处的围岩类别,施工机械化水平,以及断面大小等因素综合确定。施工中开挖面的围岩稳定与否与采用的开挖方法密切相关。若在开挖之前,能准确判定围岩的工程地质特征、岩体结构及完整程度、地下水特征等,然后选择正确的开挖方法,即使遇到的围岩类别较低,施工也能顺利进行,不致发生坍塌。

2.2 围岩地质条件对爆破技术的影响

目前钻爆法施工是隧道开挖的主要方法,提高隧道开挖的掘进速度,提高爆破质量,降低工程成本是目前钻爆法施工的主要任务。开挖中是否能取得较好的钻爆效果与炮眼布置密切相关。炮眼布置应根据岩石强度和地质特征综合考虑,根据地质状况,合理进行钻爆设计,既可提高爆破效果,加快施工进度,又可限制爆破对围岩的破坏和震动,从而避免进一步松弛岩体的结构而增大围岩压力,造成塌方。

2.3 围岩地质条件与施工支护

隧道开挖前,岩体中的初始压力处于平衡状态,开挖后,岩体中的应力将重新分布,洞室周围围岩发生变形。由于围岩岩性和岩体结构特征的不同,这个过程有快有慢。对于坚硬的岩石,洞室开挖后,围岩回弹变形快,采用开挖后及时支护的方法较为合适。对于软弱围岩来说,洞室开挖后围岩变形往往要经过一个较长的时期,选择支护方式时,应以柔性支护为主,既允许围岩有一定的变形,又要对其变形加以控制,防止松散和坍塌。

3 柳林隧道施工实践

3.1 工程概况

柳林隧道作为中交集团太中银铁路工程ZQ-Ⅱ标的重点控制性工程,工期紧、任务量大、施工难度大。隧道洞身所处地质条件极其复杂,隧道穿越华晋煤田及采空区,通过承压富水区,下穿水库,通过高瓦斯煤田等不良地质地段。隧道洞身通过段岩层产状水平且节理裂隙发育,地下水发育;岩层多为砂岩、页岩和泥岩互层,岩石软硬相间,成拱性差,超欠挖控制难度大。

3.2 隧道地面地质调查

1)断层及破碎带地面地质调查采用追索法和露头编录法进行,主要调查原设计中的F5,F5-1,F2,F7,F6,F9,F4断层在地表的位置产状、形迹特征、断层性质、破碎带组成和厚度等,并预测其在隧道中的位置。在调查中还新发现了两条规模较大的断层F新1和F新5。

2)地面地质调查主要探明暗河的出入口位置、成因、流经通道,以及推测其与隧道的关系,经调查后推测,两暗河均不与隧道直接相交,但暗河水有可能通过断层与隧道相遇。

3)该隧道的煤系地层全部位于冲沟中,上部为第四纪残坡积、冲击物掩盖,出露不好,无法进行地面调查。

3.3 长期超前地质预报

长期超前预报是在地面地质调查的基础上进行的,依据该隧道的地质条件和地质调查的结果,长期预报的重点应以断层及破碎带位置、煤系地层边界以及涌水位置为主,在长期地质预报中,分别应用了地质前兆定量预测法和TSP-202超前地质预报系统两种预测手段,两种技术手段相辅相成,相互验证,并与地面地质调查成果紧密结合,使预报精度大大提高。

TSP-202系统由于探测费用昂贵,在预报中,只对隧道的重点区段进行了探测(如构造复杂地段、暗河、溶洞可能存在的地段等)。

3.4 超前地质预报结果与实际施工情况比较

1)相比较而言,地面地质调查方法预测准确度偏低,但它能发现一些设计遗漏断层。2)地质前兆定量预测法精度最高,同时也能发现一些设计遗漏断层,但是,它对于构造复杂区,特别是煤系地层出现的纵横交错,频繁出现的断层有些无能为力。3)TSP-202探测精度较高,而且能发现所有设计中遗漏的断层,还适用于构造复杂区,是最理想的超前地质预报的手段。但它的解释难度大,特别是没有地质前兆定量预测法和地面地质调查相配合,要想做到准确解释是很难的。

4 结语

超前地质预报技术通过在新倮纳隧道的实践应用,证明其为一种行之有效,非常实用的地质施工技术,它能准确地预报施工工作面前方一定范围内的地质状况及不良地质体的确切位置,为隧道施工提供准确的地质资料,为隧道开挖选择合理的支护措施提供了依据,使施工做到心中有数,防患于未然,避免了塌方等地质灾害的发生,为隧道的安全、顺利施工提供了有利的保障。新倮纳隧道整个施工期间,在超前地质预报的指导下,顺利通过了20余条断层、几个较大的溶洞、两个大的塌方体地段、365 m的瓦斯渗透区和300 m的集中涌水地带,并依据超前预报提供的施工和支护方法进行施工,保证了施工安全,避免了一些不必要的支护措施,取得了较好的经济和社会效益,实践证明超前地质预报技术是一种值得推广应用的施工地质新技术。

参考文献

[1]刘成宇.土力学[M].北京:中国铁道出版社,2001:238-251.

[2]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993:36-58,60-90.

[3]蒋爵光.隧道工程地质[M].北京:中国铁道出版社,1991:28-48.

[4]李隽蓬.铁路工程地质[M].北京:中国铁道出版社,1995:53-73.

[5]万天丰.构造应力场地质学[M].北京:中国地质大学出版社,1992:58-71.

[6]刘志刚,林松清,赵理中.煤矿构造学[M].北京:世界图书出版社,1990:168-238.

[7]冯卫星.铁路隧道设计[M].成都:西南交通大学出版社,1998:58-68.

隧道施工超前地质预报探析 第2篇

本文介绍了隧道施工超前地质预报的目的、内容及方法,探析了各种地质超前预报方法的机理及特点,分析了隧道施工超前地质预报的`发展方向,以其为工程研究与应用提供借鉴.

作 者：张春玲 张晶 王亮  作者单位：张春玲,张晶(辽宁省工程技术学校,辽宁,沈阳,110034)

王亮(辽宁省交通高等专科学校,辽宁,沈阳,110122)

刊 名：中国新技术新产品 英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS 年，卷(期)：2009 “”(14) 分类号：U4 关键词：隧道   超前地质预报   目的   内容   方法  

浅析矿井巷道超前预报技术 第3篇

根据生产中出现的问题与需要, 巷道超前预报的任务与类型是多种多样的, 如在迎头前方探测断层破碎带、陷落柱、采空区、冲刷带、含水体、瓦斯富集区等。在巷道生产过程中, 若遭遇事先未预测到的隐伏地质异常体, 会严重影响巷道的设计布置与采掘工作的顺利开展, 导致的废巷及误工会给煤矿安全高效生产造成巨大的经济损失;若遇到含水老空区、含水陷落柱、含水构造, 可能导致严重的突水事故, 会出现重大的人员事故及财产损失;若揭露瓦斯富集区, 瓦斯爆炸事故同样会造成重大破坏。因此, 及时准确地探明采掘前方的隐伏地质异常体, 对合理采掘布置、保障安全高效生产有着十分重要的意义。

2 超前预报技术

目前在矿井生产过程中对掘进头前方的地质异常的预测预报仍然以钻探为主, 钻探具有精度高、可靠性强的优点;但由于钻探效率低, 钻探为一孔之见, 探测范围有限, 且钻探操作不当可能导致安全事故, 故仅利用钻探进行超前预报已经不能满足现代化矿井安全掘进的需要。因此, 急需寻求高效、快捷、较可靠的超前预报技术, 其中超前地球物理勘探技术满足实际需求。目前在巷道中采用的超前地球物理探测方法较多, 具有为三大类: (1) 矿井地震类, 包括:矿井地震勘探、槽波地震勘探、瑞雷面波技术、震波层析技术、声波及微震技术; (2) 矿井电磁法类, 包括:矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、地质雷达; (3) 其他类, 包括:红外探测技术、电磁辐射法等。通过对相关文献资料对比分析表明[1,2,3], 目前应用最多、效果最理想的技术, 如下:

2.1 矿井地震波超前探测技术。

矿井地震波超前探测技术 (Mine Seismic Prediction) 是在TSP、HSP、TRT等超前探测方法的基础上, 开发出的超前探测技术。该方法应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体 (存在波阻抗差异) 时会发生反射的原理, 结合巷道的特点, 设计的沿巷道后方任意布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件的观测系统;数据处理采用叠前偏移方法, 获取前方地质界面信息, 是一种多波多分量联合地震勘探技术。可以获得反映巷道迎头前方的P波、S波的深度偏移剖面、提取的反射层。并通过与巷道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置, 并根据反射波的组合特征及其动力学特征、岩石物理力学参数等资料来解释地质体的性质。

2.2 矿井巷道电阻率超前探测技术。

矿井巷道电阻率超前探测技术 (Mine Resistivity Prediction) 是以三极测深法为基础, 结合并行电法技术, 超前探测时以迎头为中心, 在巷道中有规则地布置多达64个电极, 从而形成立体直流电法超前探测。其中A电极从巷道迎头依次向后滑动, 而B则置于无穷远, 该测试系统在巷道迎头进行一次性布极, 供电电极和测量电极可任意布置。由于多极供电叠加观测系统获得的数据量大, 可对前方地质异常进行叠加运算, 使得结果准确率大大提高, 通过三维立体直流电阻率反演获得探测区间三维电阻率分布结果, 为巷道前方岩层富水性判定提供依据。

2.3 地质雷达超前探测技术。

地质雷达超前探测技术是一种超前预报前方地质异常界面的广谱电磁技术, 其原理与常规地震勘探相同。发射机发射超高频脉冲电磁波信号, 当电磁波信号遇到隐伏地质异常界面时, 由于两种不同介质存在波阻抗差异, 因此电磁波会反射, 接收机通过接收超高频脉冲电磁波反射信号, 根据反射信号到达滞后时间及目标物体平均反射波速, 可以大致计算出探测目标的距离。该技术能清楚地显现巷道前方近距离内的断层、陷落柱等地质异常体的分布情况和岩性变化情况。

2.4 瑞利波超前探测技术。

瑞利波是在激发界面附近传播的面波, 瑞利波超前探测技术工作方法是在迎头附近激发和采集瑞利面波的信号, 从已采集的瑞利面波资料中, 经过处理得出不同频率面波相对应的速度和波长, 并绘制其频散分布曲线, 进而通过反演得出迎头前方不同深度岩层的地质解释。瑞利波勘探, 可采用不同激发采集方式, 目前有瞬态法和稳态法两类。瞬态法由于激振器笨重使用困难, 在煤矿井下无法采用;现在巷道中常用的是瞬态瑞雷波法。瑞雷波超前探测技术在近距离范围内对煤岩层与构造分辨较好, 可弥补矿井巷道矿井地震波超前探测技术迎头附近分辨能力的不足。

3 综合超前预报体系

3.1 不同超前探测技术特点分析。

每一种方法有自己的应用条件和特点, 比如不同方法探测距离也不尽相同, 矿井地震波、矿井巷道电阻率、矿井瞬变电磁超前探测技术探测距离可探测100m范围内异常体, 而地质雷达及瑞利波超前探测技术由于受到技术本身影响, 探测距离通常小于60m。同时, 不同方法探测目标体的优势具有差异, 譬如, 矿井地震波、地质雷达、瑞利波超前探测技术三种方法对地质异常的界面探测敏感, 探测精确精度高, 但预报前方赋水性存在劣势;而矿井巷道电阻率、矿井瞬变电磁超前探测技术属于电磁类方法对前方隐伏地质灾害的富水性探测灵敏, 可有效进行断层破碎带、陷落柱等富水情况评价, 但针对地质构造探测效果有限, 且电磁法探测精度易受到电磁干扰影响。

3.2 综合探测的必要性。

3.2.1由于钻探的区域局限性、物探的多解性以及地质情况的复杂性, 单一方法对地质异常的准确度并不十分可靠, 同时不同方法探测分析效果也不尽相同。为了提高准确性和精确度, 必须开展综合探测研究。3.2.2综合探测的思想在隧道等地下工程领域应用广泛, 但是在矿井巷道超前探测方面, 少有涉及。而且现在综合探测多强调几种方法的综合运用, 缺乏针对地质对象探测准确性评价, 容易造成一哄而上的局面。3.2.3目前, 在实际工作中, 缺乏对钻探、各种物探方法的选择、搭配及互相配合应用的综合物探方法研究, 缺乏将地质工作、钻探、物探技术的成果结合起来进行地质异常综合判定的研究。

3.3 综合预报思路。

目前对于融合综合地球物理信息超前探测, 可以根据岩石地球物理性质差异, 提取出地震、电磁波反射能量界面、电磁法的电阻率、电阻率变化率等多种属性参数, 利用不同物性参数联合解释。联合解释过程中, 遵循如下准则:利用弹性、电磁波能量的异常进行构造界面的断定, 运用视电阻率响应差异进行岩层富水性判别。

同时, 在断层破碎带、含水体、采空区、陷落柱等多灾害源超前预报过程中, 可总结出综合预报体系:在充分收集勘探资料及掌握工程地质及水文地质条件基础上, 运用综合地球物理信息对前方异常体预测预报, 针对异常区域打钻验证, 排除隐患后方可掘进, 即综合超前物探先行、钻探验证这一技术思路, 以便保障复杂地质条件下巷道安全、高效生产。

参考文献

[1]何樵登.地震勘探原理和方法[M].北京:地质出版社, 1986.

[2]刘盛东, 张平松.地下工程震波探测技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.

超前预报 第4篇

2.1.1 超前钻机在隧道掘进施工过程中,通过隧道掘进机中的超前钻机和超前地质探测仪,可以准确预报施工地段的超前地质情况,同时根据施工地段的岩石裸露情况、掘进参数的变化情况和掘进过程中出现的异常情况,综合分析判断超前地质情况,从而采取有效的处理措施,确保隧道掘进机的顺利运行。超前钻机的经济成本比较高,施工时间较长,因此适用于短距离的超前地质预报工作。

2.1.2 超前水平钻超前水平钻在隧道掘进超前地质勘探预报中的应用比较广泛,能够根据超前水平钻的钻头压力、岩心编录、钻速、涌水和漏水情况以及转动力矩等多方面参数建立准确的超前地质综合柱状图,能够实现连续取芯,具有较快的钻进速度;同时,可以通过双重管钻进、反循环冲洗钻进和套管护壁方法解决超前水平钻施工过程中出现的埋钻、卡钻等情况,能够提高水分含量较多的施工地段超前勘探工作的准确性,避免隧道内发生泥石流灾害。超前水平钻操作工作量较少、预报距离长,而且工作条件比较好。

2.1.3 超深风钻孔超深风钻孔是通过钻孔台车在钻炮眼前钻 15 m 长的孔,然后根据推力、旋转力矩、返水量、浓度变化、钻速、转速、给水量、返水颜色等,配合切面图、素描图、剖面图和掌子面观察情况,准确预报施工前方的不良地质条件,可以利用最小施工进尺实现控制范围的最大化。超深风钻孔操作简单、预报准确性高、施工时间少。

2.1.4 超前钻孔取芯法采用取芯钻机钻探取芯,通过全面分析岩芯情况判断施工地段前方的不良地质条件。超前钻孔取芯法耗费施工时间较长、经济成本高,因此主要适用于地质条件较为复杂的地段,可以通过各种室内试验,选择出有效的支护方法、施工手段和防水处理措施。

2.2 地球物理探测法

2.2.1 地质预报系统隧道掘进超前地质预报系统是根据反射地震波的处理和接收情况,在掌子面后方相应位置的钻孔内进行微型爆破,发射出声波信号,声波信号按照球面的方式在岩体中传播,当声波信号在隧道中遇到界面时会反射,隧道两侧岩石等级差距较大,反射的声波信号比较强,经传感器接收信号,再转换成电信号放大,最后通过模数转换器进行转换和存储,并由专用软件分析、处理信号,由此准确勘探预报施工前方的地质条件。

2.2.2 地质雷达法地质雷达法是用发射天线将电磁波从掌子面发射到地质层中,经接口反射到掌子面中,通过另一侧的天线接收信号,并分析、处理回波信号,从而准确预报施工前短距离的地质条件。

该方法主要适用于岩体性隧道建设中,预报准确性较高,在隧道掌子面超前地质勘探预报工作中得到了广泛应用。

2.2.3 陆地声呐法陆地声呐法其实是通过垂直地震波反射原理进行预报,主要采用锤击激发声波,由高频超宽带接受反射波,采用极小的偏移距离超前预报隧道的地质情况,最远距离可达 80 m 左右。

2.2.4 水平声波剖面法通过水平声波剖面法进行探测不会占用隧道的掌子面,在隧道两侧的浅孔内设置发射源、信号接收器,形成水平声波剖面。隧道内不同检测点的反射波采用相同路径,反射波的界面形态和组合形态相同,反射图形简单清晰。水平声波剖面法对反射界面的倾斜角要求较低,适用范围比较广泛。

2.2.5 红外探水法隧道中岩体的红外辐射场强度受地下水影响较大,利用红外探水设备接收和分析隧道岩体的红外辐射强度,根据岩体的红外辐射场强度的变化情况勘探、预报隧道前方的不良地质条件。这种探测方法只适用于含有地下水地质条件的预报。

3 结束语

隧道施工超前地质预报探析 第5篇

1 隧道超前地质预报的目的

超前地质预报的目的就是要通过超前预报措施, 及时发现异常情况, 查明掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水特性, 为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据, 预防隧道施工中可能形成的灾害性事故, 保证施工安全, 提高施工效率, 缩短施工工期, 节约投资等。

2 隧道超前地质预报的内容

2.1 围岩类别预报

预报掌子面前方的围岩类别, 软弱围岩及不同类别围岩的界面, 判断前方围岩的稳定性, 与设计文件进行比较, 随时为修改设计、调整支护类型参数、确定二次衬砌时间提供可靠的数据。

2.2 水文地质预报

预报洞内涌水量的大小, 涌水压力及其变化规律, 评价其对环境地质、水文地质的影响。

2.3 不良地质体预报

预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆, 查明其范围、规模、性质, 提出有效的施工措施或建议;预报断层破碎带或软弱夹层的位置、宽度、产状、性质和填充物的状态, 判定其稳定性, 提出科学合理的施工方案。

2.4 隧道附近地质异常体预报

隧道施工中有些未被揭露或小部分揭露出的地质异常体有可能影响后期的隧道施工安全及今后的运营安全, 所以有必要探明隧道附近未被揭露的隐伏地质异常体的性质和分布情况, 评估其对隧道结构后期的危害程度, 做出是否处理及如何处理的方案, 实现隧道结构耐久性和安全运营的目标。

2.5 有害气体预报

探明煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件及采空区状况, 预测隧洞内有害气体成分、含量及动态变化情况。

3 隧道施工超前地质预报技术

超前地质预报的方法很多, 根据实施方法可分为常规地质法和工程物理探测法。物探法是目前应用较为广泛的方法, 常规地质预报经常是在物探法怀疑前方有不良地质体时采用。

3.1 常规地质法

3.1.1 水平超前钻孔

用钻探设备向掌子面前方钻探, 直接揭示隧道掌子面前方几十米地层的岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料, 比较直观, 还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标, 适用于已经基本认定的主要不良地质区段。但在复杂地质条件下预报效果较差, 很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理, 与隧道轴线平行的结构面以及钻孔与钻孔之间的地质情况也反映不出来。

3.1.2 超前导坑

超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正洞, 断面小而且与正洞之间有一定的距离, 在施工过程中通过对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况绘制地质素描图, 对正洞的地质条件进行预报。

超前平行导坑法最为直观, 精确度高, 预报距离长, 施工单位可提前了解隧道开挖断面的地质情况, 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。采用超前导坑的缺点是成本高, 影响施工进度。

3.1.3 地质素描

地质素描是利用所见已开挖段的地质情况, 预报前方可能出现的不良地质条件。素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护方法等。地质素描法预报不占用施工时间, 设备简单, 不干扰施工, 出结果快, 预报的效果好, 而且为整个隧道提供了完整的地质资料。但地质素描对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报, 对于向掌子面前方倾斜的结构面因为先在顶部出现, 预报时效果相对较差。

3.2 工程物探法

3.2.1 红外探测

地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化, 当隧道掌子面前方及周边介质单一时, 所测得的红外场为正常场;当前方存在隐伏含水构造或有水时, 所产生的场强会叠加到正常场上, 从而使正常场产生畸变。据此可判断掌子面前方一定范围内是否有隐伏的含水体。该方法测量快速, 施工干扰小, 有较高的定性判别准确率, 但无法预报水量和含水体前方具体位置等定量指标。

3.2.2 声波探测

声波对裂隙反应很敏感, 声波探测利用声波遇到裂隙即发生介面效应 (反射、折射和绕射) , 耗损波能, 使波形变得复杂, 波速减缓的特性, 通过探测反射信号, 求得其传播特征后, 即可了解工作面前方的岩体特征。用于探测划分隧道围岩级别, 划分地层界线, 探测隐伏断层、破碎带, 探测岩溶、地下洞穴, 测定含水层分布, 查找地质构造, 探测不良地质体的厚度和范围等。

3.2.3 电磁波法

电磁波法是利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行地质预报工作的, 目前常用的方法有地质雷达法 (GPR) 。地质雷达法通常是一种地下甚高频至超高频段电磁波反射探测法, 该方法主要是配合地震反射法 (负视速度法) , 通过测定与岩溶含水性有关介电常数的变化来探测充水地质体, 探测距离一般小于30m, 在潮湿含水层中小于10m, 广泛用于探测隐伏断层、破碎带;探测地下岩溶、洞穴;探测地层划分、岩性界面等。试验表明, 采用地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好, 结合超前平导应用可对正洞起到超前预报的作用。

3.2.4 地震波法

常用的地震波法包括隧道地震超前预报系统 (TSP) 、负视速度法 (TVSP) 和水平声波剖面法 (HSP) 等。TSP法是我国20世纪90年代从瑞士安伯格 (AMBERG) 测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统, 也是我国目前应用较为广泛的一种方法。TSP法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波设计的震源点 (通常在隧道的左墙或右墙处, 大约24个炮点) 常由小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面 (如断层、破碎带和岩性变化等) 时, 一部分地震信号反射回来, 另一部分信号透射进入前方介质, 反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析, 便可推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩土力学参数。通常地质条件下, TSP203超前地质预报系统可以预报150m～250m的距离, 在地质条件较好时, 可以预报更长的距离。

4 隧道超前地质预报展望

尽管隧洞施工超前预报已引起国内外隧洞工程界的重视, 也做了许多卓有成效的工作, 但到目前为止还没有一套系统的普遍适用的方法, 国内外隧洞工程的重大地质灾害仍时有发生。因此, 准确预报开挖前方的地质条件是隧洞建设者们的迫切要求。加强隧道超前地质预报理论研究, 加强探测新技术、新方法的研究和先进仪器的研制与开发, 同时建立不良地质界面的特征识别模式和不良地质体的判定指标, 以及岩体类别划分的定量化指标, 充分利用常规地质预报和不同物探设备各自的特点, 相互配合验证, 实施综合超前地质预报等方面是隧道超前地质预报工作亟待进一步发展和解决的问题。

5 结语

地质超前预报在隧道施工中具有重要的指导意义, 它在很大程度上消除了施工的盲目性, 确保了施工的安全进行。隧洞施工超前预报是一项复杂而艰难的任务, 需在工程实践中不断创新、优化、总结、完善和提高, 隧洞施工超前预报工作任重而道。

摘要：本文介绍了隧道施工超前地质预报的目的、内容及方法, 探析了各种地质超前预报方法的机理及特点, 分析了隧道施工超前地质预报的发展方向, 以其为工程研究与应用提供借鉴。

关键词：隧道,超前地质预报,目的,内容,方法

参考文献

[1]李坚.TSP法在铁路客运专线隧道超前预报工作中的应用前景.铁道勘察, 2005.12 (6) 45-48

[2]杨林果, 杨立伟.隧道施工地质超前预报方法与探测技术研究.地下空间与工程学报, 2006.8 (4) :627-630, 645

[3]刘祖德, 伍颖.高速公路隧道地质超前预报方法比较.工业安全与环保, 2005.11 (11) :51-52

[4]荆志东.特长隧道地质超前预报方法研究.铁道勘察, 2005.6 (3) :46-48

超前预报 第6篇

隧道超前地震预报技术 (Tunnel Seismic Prediction ahead, TSP) 在目前隧道地质不良体超前预报中得到了较广泛的应用[1], 对其重视程度进一步提高。TSP技术对工作面前方遇到与隧道轴线近垂直的不连续体 (如节理、裂隙、断层破碎带等) 的界面, 其预测结果将是相当准确可靠的, 但如果不连续体的界面形状不规则, 准确预报的难度较大[2]。TSP对溶洞体的尺寸较大, 且呈近平面状有可能探测到, 但信号反映的效果较差[3]。

我国煤矿水文地质条件较为复杂, 国有重点煤矿中, 水文地质条件属于复杂或极复杂的矿井占27%, 属于简单的矿井占34%。国有重点煤矿水害造成的威胁和煤矿突水事故呈上升趋势。

笔者通过TSP技术在隧道工程中对含水层、溶洞和断层等不良地质体的成功预报实例结果分析, 探讨了该技术预报煤矿井下突水的可行性。

1 TSP技术基本原理

TSP技术主要利用岩体波速的变化对探测成果进行解译。采用TSP技术进行现场探测中, 地震波在指定的震源点 (通常在隧道的左边墙或右边墙, 大约24个炮点布成1条直线) 用小量炸药激发产生。各炮点 (激发点) 到接收器 (接收点) 的距离是确定的, 每一炮点的直达波到达接收器的时间可以测出, 这样便可计算出岩体的平均波速, 利用岩体的平均波速和波到达反射面的时间就可以计算出反射界面的位置。以纵波为例给出计算公式:

$v{}_{\text{Ρ}}=\frac{L{}_1}{t{}_1}(1)$

式中:L1为爆破孔与传感器的距离, m;t1为直达纵波的传播时间, s。

在式 (1) 中, L1已知, t1可以通过设备测出, 故可求出爆破孔与传感器之间的平均岩体纵波速度vP。求出纵波速度后, 可通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接收传感器的距离以及与隧道掌子面的距离。反射波的传播时间按下式计算:

$t{}_2=\frac{L{}_2+L{}_3}{v{}_{\text{Ρ}}}=\frac{2L{}_2+L{}_1}{v{}_{\text{Ρ}}}(2)$

式中:L2为爆破孔与反射事件的距离, m;L3为传感器与反射事件的距离, m;t2为反射波的传播时间, s。

根据式 (2) 即可分别得到爆破孔与反射界面的距离和传感器与反射界面的距离:

$L{}_2=\frac{t{}_{2}v{}_{\text{Ρ}}-L{}_1}{2}(3)$

$L{}_3=\frac{t{}_{2}v{}_{\text{Ρ}}+L{}_1}{2}(4)$

2 探测数据解译

2.1 解译一般原则

数据采集完成后, 利用该系统附带的信号分析软件TSPWin对原始数据进行分析处理。分析步骤:数据建立, 带通滤波, 初始拾取, 起跳点信号处理, 炮能量平衡, Q估计, 反射波提取, PS波分离, 速率分析, 深度偏移, 反射面提取。利用TSPWin并经过这11步处理后, 即可得到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2D或3D空间分布图。根据上述得到的分析成果后, 再运用地质知识、地球物理知识和实践经验进行TSP处理成果的解释, 解释中遵循以下准则:① 正反射振幅表明硬岩层, 负反射振幅表明软岩层;② 若S波反射较P波强, 则表明岩层饱含水;③ vP/vS增加或泊松比突然增大, 通常是由于流体的存在而引起;④ 若vP下降, 则表明裂隙或孔隙度增加。

2.2 含水层的解译

利用岩体波速来解译含水层, 主要是依据纵横波对流体介质的不同反映而确定的。纵波对含水介质反映明显, 在其中的传播速度将发生明显变化, 一般表现为有所提高, 而横波几乎不受含水介质的影响。主要通过以下参数来确定含水层的存在:① 利用vP/vS值, 若该值突然增加, 表明存在含水层;② 利用基于纵、横波计算得出的泊松比, 其值增大, 表明可能有水;③ 利用纵、横波分布图, 若图中呈现纵、横波变化走势不同步, 表现为纵波增加而横波几乎不变, 则表明在该范围可能含水。根据这些结果综合判别, 可较准确地判断含水层的存在。

2.3 断层破碎带解译

断层破碎带由于结构面发育, 岩体松散、破碎或泥化而具有较差的力学性质。与此相对应, 断层破碎带的岩体波速较之两侧围岩低得多。然而, 仅利用TSP系统给出的岩体波速及其分布图是不能确定断层破碎带的存在的, 必须和其他TSP解译成果相印证, 结合其他地质分析方法, 才可较为准确地判断掌子面前方探测范围内断层破碎带的有无。可见, 利用岩体波速来判译断层破碎带, 只能确定断层可能的位置和宽度, 精确定位尚需其他手段相配合。在实际操作中, 可先根据岩体波速定性判断几处可能出现断层破碎带的里程, 然后再利用深度偏移图像及2D, 3D 图像加以确认或排除, 最后再根据地质资料和地质力学分析确认, 形成关于断层破碎带的地质超前预报。

3 TSP技术在隧道超前水文地质预报中的应用实例

近几年来, TSP技术在隧道施工超前水文地质预报中得到了越来越多的应用, 取得了一系列的预报成果, 为隧道的掘进工作提供了有力的技术支持, 减少或避免了重大、恶性事故的发生。TSP技术在乌鞘岭特长隧道[4]、铁峰山2号公路隧道[5]和齐岳山隧道大型溶洞[6]超前地质预报中均取得了成功, 预报结果及实际揭露情况对比见表1。

通过表1中TSP的预报结果与隧道施工时岩层的实际揭露结果表明:TSP技术能够较准确地探测隧道工作面前方的水文地质情况, 为隧道的安全施工提供了有力的技术支持。

4 TSP技术在煤矿水害预报中的探讨

TSP技术在隧道超前水文地质预报中获得了成功的运用, 但该技术在煤矿地质灾害的预警预报中的应用还很少[7]。造成煤矿井下发生突水事故的根本原因在于:突水水源和通道。如果在煤矿生产过程中能够预先发现存在的水源及其进入到井下的通道, 对其采取处理措施, 将有效地避免这些重大事故的发生。TSP技术用于预警预报煤矿水害的可行性分析如下:

1) 煤矿地下岩层的赋存状态。一般情况下, 隧道所处的位置在山区、距离地表的深度较浅, 在地质运动中山脉形成时各岩层会产生不连续、节理裂隙发育、岩石破碎, 在其形成后的漫长历史过程中又受到各种物理、化学作用的影响使其构造变得更加复杂;而煤矿开采深度一般较大, 地下岩层不会受到如隧道岩层那样的不良影响, 其总体赋存状态优于隧道的地质情况。因此, 从岩层的赋存状态角度看, 利用TSP技术预报煤矿井下地质灾害是可行的。

2) 突水水源。煤矿井下发生突水的水源主要包括:老窑 (空) 水、含水层水、溶洞水和地表水等。TSP技术用于探测地下水源的可行性从理论上是可以实现的, 并已在隧道工程中得到了验证。因此, 完全可以应用于煤矿地下水源的探测。

3) 突水通道。造成煤矿井下突水的通道包括断层、陷落柱、浅部废弃的井巷和溶洞等。TSP技术在隧道工程中已经成功地对断层、溶洞等地质体进行了预报;在探测煤矿井下断层中也有成功应用的报道[7]。因此, 该技术也可以用来探测煤矿井下断层等各种可能造成煤矿突水的通道。

5 结语

煤矿地质条件与隧道有着较大的相似性。通过TSP技术在隧道工程中对含水层、溶洞和断层等不良地质体的成功预报实例, 证明了该技术在预报煤矿井下突水水源和突水通道方面也是可行的。积极探索该技术在煤矿地质灾害预警预报中的应用, 不但可以为实现国家“十一五”安全生产的目标提供有力的安全科技保障, 还可以为工程人员制订施工方案、采取相应措施提供可靠的地质资料。

参考文献

[1]肖书安, 吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报, 2004, 1 (2) :159-165.

[2]Klose, C.D.Fuzzy rule-based expert system for short-range seismic prediction[J].Computers and Geosciences, 2002, 28 (3) :337-386.

[3]Inazaki T, Isahai H, Kawamura S, et al.Stepwiseapplication of horizontal seismic profiling for tunnelprediction ahead of the face[J].The Leading Edge, 1999, 18 (12) :1429-1431.

[4]申飞, 王法岭, 雷军.TSP203系统在乌鞘岭特长隧道超前地质预报中的应用[EB/OL].http://www.stec.net/roadtube/RoadTube_detail.asp?id=903.

[5]李丹, 刘涛, 杜国平, 等.TSP203在重庆铁峰山隧道涌水段超前地质预报中的应用[J].工程勘察, 2006 (5) :71-75.

[6]李术才, 李树忱, 张庆松, 等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (2) :217-225.

煤层断层透水风险的物探超前预报 第7篇

1 断层构造的特点及类型

走向、倾向和倾角是用来描述地质构造在空间的位置。岩体受地壳运动的作用, 受力变形达到一定程度后, 在其内部产生了许多断裂面, 使岩石丧失了原有的连续完整性, 称为断裂构造。断裂构造可分为两种类型:节理和断层。岩体受力断裂后, 如断裂面两侧的岩块发生了显著位移, 则这种构造现象称为断层。断层规模大小不一, 相对位移也不相同。

1.1 断层要素

1.1.1 两侧的岩体发生相对位移的断裂面, 称为断层面。

地壳中的断裂变动, 往往不是局限在一个断层面上进行的, 而是沿着许多破裂面运动, 因此, 断层面不是一个面, 而是一个带 (即断层带) 。断层规模越大, 这个带就越宽, 破坏性质越复杂, 破坏程度也越严重。大断层带有时可宽达数十米至数百米, 它的长度差别也很大, 长者可达数公里至数千公里。在断层面上常可找到一些断裂错动的证据, 例如断层擦痕、断层泥、断层角砾岩、糜棱岩等。

1.1.2 断层线是断层面与地面的交线, 表示断层的延伸方向。

1.1.3 断层面两侧的两个断块, 其中位于断层面之上的称为上盘, 位于断层面之下的称为下盘。

1.1.4 断距是断层两盘沿断层面相对移动开的距离。

1.2 断层的基本类型

断层的分类方法很多。根据断层两盘相对错动的情况, 可以分成以下三种:

1.2.1 正断层, 即上盘沿断层面相对下降, 下盘相对上升的断层。

正断层一般是由于岩体受到水平张应力及重力作用而成, 断层面倾角较陡, 常大于45°。

1.2.2 逆断层, 即上盘沿断层面相对上升, 下盘相对下降的断层。逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力作用而成。

1.2.3 平推断层, 是由于岩体受水平扭应力作用, 使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。

平推断层的倾角很大, 断层面近于直立。

2 煤层断层透水超前物探设备及方法

煤层断层构造已经给煤炭资源的开采带来极大地不便, 如果断层构造中富含水, 则会给煤矿的安全生产造成更大的危害。因此, 进行煤层透水超前预报意义重大。

2.1 地质雷达

地质雷达简称GPR, 是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。其工作原理为:高频电磁波以宽频带脉冲形式, 通过发射天线被定向送入地下, 经过存在介电常数电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面, 由接收天线接收。电磁波在介质中传播时, 其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而变化, 所以对接收信号进行分析处理, 可判断地下的结构或理藏物等。地质雷达技术优点是无损探测、精度较高, 在浅层地质勘探中效果显著, 广泛应用于地面以下采空区和断层等的探测。在煤矿下断层或溶洞水体的勘探中也有使用, 但由于受雷达数据采集接收天线接收能力和抗干扰能力所限, 在深埋矿井中应用效果并不明显。

红外探水是利用地下水的活动会引起岩体红外辐射场强变化的原理, 使用红外线探水仪接收岩体红外辐射场强, 根据围岩红外辐射场强的变化幅值来确定巷道前方或四周是否有隐伏的含水体, 有效探测距离达20~30m。该方法对与隧道轴线呈大角度相交的面状软弱带、断层带以及地层的分界面等探测效果较好, 缺点不能判断或定量分析含水构造的确切距离、赋存形态、出水量、出水压力等。

2.3 高密度电法探测仪

高密度电阻率法就其基本原理而言, 与传统的电阻率法完全相同, 是以岩 (矿) 石的导电性差异为基础的一类电探方法, 研究在施加电场作用下, 地中传导电流的发布规律, 从而达到勘测地质体的目的。高密度电阻率法工作时, 是将电极一次性布设完毕, 每根电极既是供电电极, 又是测量电极。通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔, 从而完成野外数据的快速采集。对某一极距而言, 其结果相当于电阻率剖面法;而对同一记录点处不同极距的观测又相当于一个测深点;所以高密度电阻率法实际上就是电阻率剖面法和电阻率测深法的综合。

2.4 电磁感应法探测仪

电磁感应法是以岩 (矿) 石的导电性、导磁性和介电性的差异为物质基础, 应用电磁感应原理, 通过观测和研究人工或天然源形成的电磁场的空间分布和时间 (或频率) 的变化规律, 从而寻找良导矿床或解决有关的各类地质问题的一组电法勘查的重要分支方法。人们在所要探测的区域内, 由发射线圈供应脉冲电流, 在断电时, 一次场突然消失, 如果地下存在着良导体, 则感应出二次电流, 产生二次磁场。常用的设备主要是EH4电磁成像系统。

3 断层超前探水技术

3.1 超前浅孔探水

岩性破碎或较软的地区不宜布置浅孔超前探水工程。其主要目的是在含水层极不均匀或经中深孔探水后仍有突水可能时, 利用浅探水孔对每个掘进面进行加密控制。其孔深为5-40m, 孔径要求为46-73m, 有时由于取芯或其他要求孔径也可以适当加大, 但通过含水层段的孔径不宜大于91mm。

3.2 超前中深孔探水

中深超前探水主要目的为: (1) 控制采掘工作面的安全边界范围; (2) 对工作面进行降压或疏干排水。

工程布置的原则为: (1) 所有情况均应布置; (2) 保证工作面空间上与水体存在安全距离。孔的深度一般为40-80m;孔径为45-73mm:孔数为3-5个。

3.3 超前深孔探水

进行深孔超前探水主要是为了探明地下水体的位置分布规律, 以掌握生产区域内各种水文地质的边界线, 并以此来确定发生透水事故的风险程度。

工程布置的原则为: (1) 水体分布规律不明确的区域; (2) 净水压力较高的地区。孔的深度要求为80-120m, 孔径为46-120mm, 孔数为1-2个。

4 结束语

水害是煤矿开采的五大危害之一, 尤其是断层包含富水层, 因此, 利用先进的物探手段进行透水风险超前预报, 对于保证煤矿的正常生产和矿工的生命安全都具有极其重要的意义。

摘要：当地表水和地下水通过断层等地质构造涌入矿井, 而涌水量超过矿井的正常排水能力时, 会造成煤矿严重的透水事故。文章从断层构造的特点及类型发出, 介绍了煤层断层透水超前物探设备及方法, 就如何防止煤矿透水事故的发生, 提出了三种不同的断层超前探水技术。

关键词：煤层断层,透水,物探

参考文献

[1]赵杰, 彭节, 郭强, 胡满霞.密度电测深法在探测煤层构造形态中的应用[J].山东理工大学学报 (自然科学版) , 2009 (6) .[1]赵杰, 彭节, 郭强, 胡满霞.密度电测深法在探测煤层构造形态中的应用[J].山东理工大学学报 (自然科学版) , 2009 (6) .

[2]彭华.断层相关构造研究法在预测断层构造中的应用[J].同煤科技, 2004 (3) .[2]彭华.断层相关构造研究法在预测断层构造中的应用[J].同煤科技, 2004 (3) .

浅埋隧道超前地质预报方案对比研究 第8篇

1 工程地质概况

该隧道为分离式隧道, 隧道右线采用上下台阶法施工, 隧道最大埋深约43 m。隧道穿越区地层主要为古生界寒武系中统张夏组及第四系坡冲洪积沉淀。场地位于太行山山区低山地带, 地形、地貌较为复杂, 场区低山、沟谷及山前冲洪积黄土台地较发育。探测区段的隧道围岩是寒武系中统张夏组灰色中厚层状结晶灰岩, 夹薄层泥灰岩, 为较坚硬岩;路线经过区域主要为小溶洞, 规模较小、连通性差, 且分布不均匀。

2 现场探测研究

2.1 探测方案与准备

由于在前期隧道施工中发现围岩中存在溶洞, 项目组在采用TSP超前地质预报的基础之上又采用美国SIR-20型地质雷达 (配100 m天线) 对隧道右线掌子面前方进行了地质超前预报, 并采用拉脱维亚Zond-12e型地质雷达 (配38 m天线) 对隧道地表岩土体进行了探测。

2.2 探测设备及其原理

2.2.1 TSP系统及其原理[1,2,3,4]

(1) TSP系统组成及其技术特性:

(1) 记录单元:12道, 24位A/D转换, 采样间隔62.5μs和125μs, 最大记录长度为1 808.5 ms, 记录带宽8 000 Hz和4 000 Hz, 动态范围120 d B。

(2) 接收器 (检波器) :3分量加速度地震检波器, 灵敏度为1 000±5%m V/g, 频率范围为0.5~5 000 Hz, 共振频率9 000 Hz, 横向灵敏度>1%, 操作温度0~65℃。

(3) TSPwin PLUS 2.1软件:数据采集、处理及评估一体化, 高度智能。

(2) TSP方法探测原理

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的24个震源点 (布置在地层或构造的走向与隧道轴相交成锐角的隧道边墙) 用少量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面 (如断层、破碎带和岩性变化等) 时, 一部分地震信号反射回来, 一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的加速度地震传感器接收并以数字形式记录下来。采集数据通过TSPwin专用软件处理, 便可了解隧道工作面前方地质体的性质 (软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等) 位置及规模。TSP观测系统见图1。

2.2.2 地质雷达介绍及其原理

(1) SIR-20型地质雷达

双通道实时数字采集处理器, 可同时记录2个通道的数据, 并可同时进行4组数据后处理。自带军品级全金属外壳笔记本计算机, 可在施工现场进行实时数据采集和数据处理, 操作平台为Windows2000/NT/XP。

(2) Zond-12e型地质雷达

本次勘探工作选用拉脱维亚的Zond-12e型号的便携式多功能地质雷达及与之配套的收发天线、计算机和Prism2资料处理软件。

(3) 地质雷达探测原理

地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描, 以确定其内部形态和位置的电磁技术, 其理论基础为高频电磁波理论, 利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下, 经地下不连续体或目的体反射后返回地面为接收天线所接收, 反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息 (比如, 节理、裂隙、断裂等解译) 。从反射波的连续性特点看, 电磁波在正常衰减过程中因遇到较强的反射界面时, 波幅会骤然增加, 同相轴明显, 之后恢复正常变化规律。反之, 若目标体中存在有许多杂乱无章的界面, 雷达接收到的这些界面的反射回波信号时波幅小、波形杂乱无章, 同相轴将很不连续[5,6]。

如果介质的介电常数是已知的话, 根据公式 (1) 可以得到电磁波在介质中的传播速度, 再根据记录的从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时, 可以精确求得目标体的位置和深度。通过步进式或连续的探测可以得到一组雷达反射波, 经过数据处理, 可得到探测地质体的地质雷达剖面图, 进而探测掌子面前方的不良地质现象的位置和分布特征。

式中:C为电磁波在真空中的传播速度,

3 探测成果分析

3.1 TSP超前地质预报成果分析[1,2,3,4]

对处理成果的解释与评估, 主要根据以下原则进行: (1) 反射振幅越强, 反射系数和波阻抗的差别越大; (2) 正反射振幅表明正的反射系数, 表明坚硬岩层, 负反射振幅表明软弱岩层。 (3) 若横波 (S波) 反射比纵波 (P波) 强, 则表明岩层饱含水; (4) 纵横波速度比 (Vp/Vs) 有较大的增加或泊松比 (δ) 突然增大, 常常因流体的存在而引起; (5) 若纵波速度 (Vp) 下降, 则表明裂隙密度或孔隙度增加。

本次有效预报里程97 m, 得到如图2所示的TSP典型测试图。

根据上述预报成果, 对预报里程段落提出以下建议:

(1) 从施工掌子面开始0~57 m:该段右侧围岩破碎、少水, 可能有较大溶洞, 左侧围岩较破碎、少水, 可能有溶洞;围岩总体稳定性差, 建议适当加强该段开挖后的初期支护工作。

(2) 从施工掌子面开始57~97 m:该段左、右侧围岩均破碎、多水, 可能有较大溶洞;围岩总体稳定性较差, 易坍塌, 建议加强该段初期支护工作。

3.2 SIR-20型地质雷达超前地质预报成果分析

在掌子面上布置2条测线进行地质雷达测试, 见图3。

桩号为从掌子面开始0~25 m的探测范围内, 由雷达波形分析可知:

(1) 测线1:测线4.8~6.7 m纵深6.2~8.4 m处, 疑有空洞;测线10~11 m纵深9.1~10.3 m, 疑有空洞;测线4.8~16 m纵深0~10 m处, 岩体较破碎;探测范围内少水。

(2) 测线2:测线2.3~2.8 m纵深11.0~12.2 m处, 疑有空洞;测线0~6.5 m纵深0~21 m, 岩体较破碎;探测范围内少水。

建议掌子面前方25 m内在施工过程中应注意地质情况的变化, 并根据实际情况及时对工作进行调整, 并遵循短进尺、弱爆破、早支护、勤量测的原则, 以保证人身安全与工程质量。

3.3 地表上覆岩土体性状探测成果分析

3.3.1 各测线成果分析

测线布置方案见图4。

(1) 测线1 (见图5) 成果分析

(1) 测线4 m、深度15.8 m处~测线20 m、深度25.5 m处疑有沿斜向下发展的破碎带; (2) 测线0~20 m范围内, 地表上覆6.4~6.8 m的亚粘土和碎石土; (3) 测线20~35 m范围内, 地表上覆亚粘土和碎石土层厚度6.4 m左右;测线范围内, 隧道拱顶上覆石灰岩层厚度约22 m;土岩分界面处于地表向下约6~7 m处。

(2) 测线2 (见图6) 成果分析

(1) 测线8~10 m、距地表深度12.9~17.1 m范围内可能存在空洞; (2) 测线12~14 m、距地表深度13.4~17.4 m范围内可能存在空洞; (3) 测线范围内, 地表覆盖50 cm左右的风化碎石土, 随深度增加, 向下表现为灰岩。

(3) 测线3 (见图7) 成果分析

(1) 测线约10 m处显见开挖掌子面, 拱顶埋深约30 m; (2) 测线10~18 m、深25.7~40 m范围内岩体较为破碎; (3) 测线0~30 m, 地表上覆6.8~0.5 m的亚粘土和碎石土, 上覆土层逐渐变薄, 拱顶上覆石灰岩层厚度约22~28 m;测线30~57 m, 拱顶上覆石灰岩层厚度从28 m逐渐变薄。

3.3.2 施工建议

(1) 掌子面附近拱顶左上方围岩中存在斜向上的破碎带, 且部分破碎带通过蓄水池下方。由于隧道埋设较浅, 地表水 (特别是雨季时) 可能通过该裂隙带向下渗入, 对支护结构产生不利影响, 建议做好防水、止水措施;

(2) 沿着隧道右洞中心线前进方向0~31 m段落地表上覆6.8~0.5 m厚的亚粘土或碎石土, 上覆土层沿隧道走向逐渐变薄, 拱顶上覆石灰岩层厚度约22~28 m;31~97 m段落地表上覆薄层碎石土, 下方为石灰岩或泥质灰岩, 厚度沿隧道走向从28 m逐渐变薄。

4 对比研究及现场验证

通过对青兰高速公路河北段某隧道右线施工掌子面前方围岩情况和隧道拱顶上覆岩土体性状的探测成果进行对比研究, 并与现场实际开挖揭露的围岩情况进行验证, 主要归纳出以下几点:

(1) 通过TSP预测出的破碎带和溶洞位置与实际开挖情况基本相符, 但富水情况与现场有一定的差距。地质雷达探测出的围岩情况与含水情况与掌子面实际揭露的围岩情况比较接近, 但由于探测距离较近, 频繁的探测对施工有一定影响。地表地质雷达探测出的覆土情况与实际开挖情况基本接近。

(2) TSP使用相对简单、预报距离长、准确性好、预报范围大 (掌子面前方100~150 m范围效果最佳) , 预测结果对隧道围岩特性预测较准确。但受到环境、操作和数据分析等原因影响, 预报结果有一定的误差, 对于节理裂隙水位置也存在一点差别。

(3) 地质雷达可以较精确地识别掌子面前方围岩状况或浅埋隧道拱顶上覆岩土体的分布情况, 对断层破碎带、涌水、空洞等不良地质现象具有较高的分辨性, 从而可以在一定程度上为设计变更及减少工程事故的发生提供依据。但是目前的地质雷达探测距离较短, 这在一定程度上影响了地质雷达的探测效率。

5 结语

隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报是施工地质灾害超前预报不可或缺的基础, 其中勘察设计资料是十分重要的。目前现有的物探方法都各有不足之处, 如果结合隧道掌子面地质素描和钻孔探测资料进行比对预报, 对隧道施工的指导意义将更大。

由于篇幅所限, 本文只分析了3种物探方法的探测结果, 未对施工过程中的地质条件进行详细的论述和探讨, 将在以后作专门的研究。

参考文献

[1]Amberg Measuring Technique Ltd.Operation Mannual2.4[M].2007.1.

[2]Amberg Measuring Technique Ltd.Software Mannual2.4[M].2007.1.

[3]周黎明, 刘天佑, 刘江平, 等.复杂铁路隧道施工地质超前预报中TSP探测技术应用研究[J].铁道工程学报, 2008, 23 (1) :37-40.

[4]肖书安, 吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报, 2004, 1 (2) :159-165.

[5]陈建峰.隧道施工地质超前预报技术比较[J].地下空间.2003, 23 (1) :5-8.

地质雷达在隧道超前预报中的应用 第9篇

超前地质预报为施工建设提供施工前方的地质条件, 成为确定工程开挖对策、防护措施的关键, 是工程施工安全的前提, 是控制和合理运用工程投资的重要方面。地质雷达超前地质预报预测为短距离探测。雷达探测精度较高, 操作简单快速, 实用性较强, 在隧道超前地质预报中得到广泛的应用。

1 超前地质预报的方法

隧道地质超前预报主要有以下十类:①工程地质调查、推断和分析方法, 包括地面地质调查法、地质素描法、利用节理裂隙统计分析预测和钻孔测速法;②地质雷达 (简称GPR) 检测方法;③隧道内反射地震预报方法;④超前导坑法、水平钻机超前探测法;⑤地震负视速度法;⑥TRT反射地震层析成像方法;⑦TSP超前预报技术;⑧水平声波反射法 (HSP) ;⑨高频地震法 (陆地声纳法) ;⑩红外探水法。

2 基本原理

物体的电性决定了电磁波的传播, 物体的电性主要有介电常数ε和电导率μ, 在电导率适中的情况下, 介电常数决定着电磁波在该物体中的传播速度, 电导率影响电磁波的探测深度。所谓电性介面通常情况下是指电磁波传播的速度介面。在不同电性的地质体的分界面上, 都会产生回波, 因为, 不同的地质体 (物体) 具有不同的电性。

在勘查中地质雷达的基本参数描述如下:

①电磁脉冲波行程需时:t= (4z2+x2) 1/2/v

式中:x-发射、接收天线的距离 (式中因z>x, 故X可忽略) ;z-勘查目标体的埋深;v-电磁波在介质中的传播速度。

②电磁波在介质中的传播速度v=c/ (εrμr) 1/2

式中c、εr、μr分别代表电磁波在真空中的传播速度 (0.29979m/ns) 、介质的相对介电常数、介质的相对磁导率 (μr≈1) 。

③电磁波的反射系数。对于电磁波来说, 在遇到相对介电常数明显变化的地质现象时, 通常情况下, 在介质中进行传播时, 往往会产生反射、透射现象, 异常变化界面的电磁波反射系数影响并制约着反射和透射能量的分配:

式中, r、εr1、εr2分别代表界面电磁波反射系数、第一层介质的相对介电常数、第二层介质的相对介电常数。

④地质雷达记录时间和勘查深度的关系Z=1/2 vt

式中, z、t分别代表勘查目标体的深度、雷达记录时间。如果已知地下介质的波速, 可以根据测到的t值, 同时结合对反射电磁波的频率和振幅等进行分析, 在一定程度上可以求得目标体的位置、深度等。

3 现场工作方法和技术

隧道超前预报开始前, 需要收集、了解以下资料:

①工程勘察设计资料。了解隧道工程的一般状况, 重点了解隧道段的地层、岩性、构造断层、水文地质等情况, 特别关注可能出现险情的地段。②现场踏勘, 实地了解现场施工条件。为保障地质雷达隧道超前预报现场检测工作的顺利进行、尽量减小对隧道施工作业的影响, 距离下次预报位置前3~5m, 施工方提前通知, 确定下次具体预报时间。适宜现场检测的时间为初支喷浆完成、地面清理平整后, 至开挖台车推进之前;或掌子面爆破后出渣完成、地面清理平整后, 至台车推进之前。

地质雷达超前地质预报探测深度一般设计为20~30m/次, 断层、破碎带等地质条件复杂地段依据现场情况适当加密, 调整探测距离和探测参数。

地质雷达超前预报探测以隧道开挖掌子面前方为检测目标, 以拱顶为中心, 水平布设一条测线;条件许可时按“十”字形布置2条雷达测线;若探测面较宽时, 可以按照“井”字形布置4条相应的雷达测线, 通过对雷达测线进行加密, 进一步提高探测结果的精确性。

现场工作开始前需要注意以下几点, 确保现场安全和数据采集效果:

1) 掌子面要求平整、无明显松动、碎石;围岩稳定性较差时, 视情况采取喷浆固结等措施;掌子面前2m范围内尽量平整、无积水, 便于检测通行;5m范围内无施工台车、挖机等大型设备, 以避免干扰;掌子面上距离地面1.0~1.5m位置, 从左到右, 每隔1m用红色喷漆做一个“点状”或“短竖条”标记;每5m处的标记为“十字”;现场安排技术人员, 尤其是测量人员, 落实掌子面的准确里程;现场安排2~3名工人协助设备搬运、配合现场检测。采集数据品质和探测效果的精度受地质雷达的参数设置的影响, 对系统参数进行优化设置时必须根据探测任务和现场情况。

2) 工作频率的选择:通常情况下, 工作频率就是所采用天线的中心频率。主要由具体探测任务所要求的分辨率及勘探深度来决定采用何种中心频率的天线, 同时, 需要重点考虑目标体周围介质的不均匀性引起的杂乱反射在雷达记录中形成的干扰。必须采用较低中心频率的天线才能获得较大的勘探深度, 这样虽然降低了地质雷达记录的空间分辨率, 但是可以保证探测的深度。在选择工作频率的过程中, 需要遵守的原则是:在确保勘探深度前提下, 需要进一步提高空间的分辨率, 选用较高中心频率的工作天线。

3) 采样时间窗口选取:最大探测深度与电磁波在介质中的传播速度决定了采样时窗口。时窗 (W) 的选择:取最大探测深度 (H) 和电磁波波速 (ν) 之比的2倍, 再增加30%的余地, 以满足地层速度与目标体埋深的变化。时窗通常设置为400~500ns。根据现场情况, 采用时间出发连续检测方式, 人工打标定位, 在检测工作面每隔1m进行标记, 当天线中心通过标记点时进行标记定位。

4) 数据处理与解译。需要仔细处理采集到的地质雷达数据, 才能获得良好的效果。有两类基本的资料处理的方式。第一种方法:直接去除干扰来提取有效信号;第二种方法:设法提取干扰信号, 将提取的干扰信号进行相位取反叠加原始信号, 从而达到去噪目的。地质雷达数据处理包括预处理和处理分析, 其目的在于以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波, 突出有用的异常信息 (包括电磁波速度, 振幅和波形等) 来帮助解译。检测区域地球物理特征是雷达检测成果解释的重要依据。检测区域内各目标物的地球物理特征决定了电磁波在其中传播的形态, 电磁波的反射、折射及透射随不同的传播媒介呈现出不同的形态。其中, 目标物的介电常数ε是雷达数据解释的重要依据, 介电常数差异形成的电磁波反射特征正是划分围岩层面、破碎带等内部缺陷的主要依据。雷达记录资料中, 同一连续界面的反射信号形成同相轴, 依据同向轴的时间、形态、强弱等进行解释判断是地质解释最重要的基础。不同介质有不同的结构特征, 内部反射波的频率特征明显不同;表面松散土电磁性质比较均匀, 反射波较弱。

4 结束语

地质雷达被认为是目前用于隧道超前预报分辨率最高的地球物理方法, 但还不是很成熟, 随着实践经验的积累和技术水平的提高, 我们有理由相信地质雷达探测技术在未来将更加成熟, 并势必在隧道超前预报中发挥出更加重要的作用。

摘要：本文从地质雷达原理入手, 简要阐述了地质雷达在隧道超前预报应用方面的方法技术, 数据处理与解译的方法和现场需要注意的事项, 使广大工程技术人员对地质雷达超前预报技术有个基本的认识。

关键词：地质雷达,超前预报,隧道

参考文献

[1]李诚明.超前地质预报在圆梁山隧道施工中的应用[J].山西建筑, 2009, 35 (15) :297-298.

[2]董延朋, 孔祥春.影响地质雷达工作的因素分析[J].物探装备, 2007, 17 (2) :130-133.