隧道工程地质灾害及超前地质预报

隧道工程地质灾害及超前地质预报汇报人：刘龙飞汇报内容第一部分隧道工程地质灾害第二部分隧道超前地质预报的物探方法第一部分隧道工程地质灾害宜万铁路云雾山段岩溶突水宜万铁路云雾山段隧道突泥第一部分隧道工程地质灾害纳黔路羊咡岩隧道隧道出口端突泥现场广大铁路楚雄段坍塌第一部分隧道工程地质灾害四川紫荆隧道岩爆成都五洛路1号隧道瓦斯爆炸第一部分隧道工程地质灾害(1)围岩的变形、失稳破坏①软岩(软质岩、断层泥、粘土质岩溶充填物)变形失稳坍方。②弱岩（节理密集发育岩体、断层及其影响带破碎岩体、结构面不利组合构成的不稳定块体）失稳坍方、塌落。(2)隧道涌水①节理密集发育岩体富水。②断层及其影响带破碎岩体地下水储存运移通道。③充水岩溶（溶隙、溶缝、溶管、溶洞、地下岩溶暗河等）。(3)隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）①饱水断层破碎带含粘土破碎岩坍塌。②饱水全、强风化岩脉坍塌。③饱水粘土质、粘土夹块石岩溶充填物坍塌、揭穿。第一部分隧道工程地质灾害(4)岩爆①深埋隧道中脆性、高强度、完整性极好岩体。②浅埋隧道地表地形突变位置脆性、高强度、完整性极好岩体。(5)有害气体突出、燃烧、爆炸主要是与煤层、炭质泥岩、炭质页岩有关的瓦斯气体突出、燃烧、爆炸。(6)高地温(7)地表生态环境灾害(地表塌陷、地表水源枯竭等)主要与隧道洞内坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有关。第二部分隧道超前地质预报的物探方法1、物探方法的定义物探方法:利用物理学的原理和专门的探测仪器,观测并综合分析探测空间物理场的分布特征,确定被探测体的形态和性质的探测方法。工程物探:应用于工程地质、水文地质勘探和工程质量无损检测、物性参数测试等的物理探测方法,简称“工程物探”。隧道超前地质预报的物探方法属于工程物探领域。2、物探方法的应用条件被探测对象与相邻介质应存在一定的物性差异(如:电阻率、波阻抗、介电常数等),并具有可被探测的规模(需满足一定径深比)，满足一定的信噪比。3、工程物探方法的分类①直流电法:电测深法、电测剖面法、高密度电法、自然电场法、充电法、激发极化法等。②电磁波法:可控源音频大地电磁波、地质雷达法、瞬变电磁法等。③弹性波法:地震波法(直达波法、折射波法、反射波法、瑞雷波法、弹性CT法)、声波法等。④磁法:探测铁磁性埋设物体和磁性岩(矿)体。⑤放射性法:探测具有放射性的物体和岩(矿)体。⑥测井:电测井、声速测井、放射性测井、超声成像测井等。⑦红外探测法：⑧工程质量无损检测:桩基小应变检测、桩基大应变检测、桩基声波透视检测、隧道衬砌雷达检测等。4、隧道超前地质灾害预报综述①隧道超前地质灾害预报内容②隧道超前地质灾害预报原则③隧道超前地质灾害预报形式④隧道超前地质灾害预报方法断层、岩脉及破碎带、大裂隙、有害气体、水文地质、围岩类别、地应力及岩爆。预报其位置、规模、富水性及充填物的状态等;在坚持：规范、全程、适宜、及时的总原则,以及/以地质方法为基础,地质方法与物探方法相结合、长距离超前地质灾害预报与短距离超前地质灾害预报相结合、物探先行钻探验证的隧道超前地质灾害预报方法选择原则。长距离：80~200m/工程地质调查法、断层参数预测法和TSP短距离：15~30m/、掌子面编录预测法、地质雷达法口头通知：直接法：地质法和钻孔探测法。间接法：亦称物探法,主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、地质雷达(GPR)法、红外探水法、水平声波剖面(HSP)法和陆地声纳法等。其它方法：有超前导坑法、断层参数预测技术和掌子面地质编录预测法等。4.1TSP的探测原理4.1.1理论基础TSP是采用浅孔微型爆破作为震源,激发的地震波以直达波和反射波的形式传到传感器。与反射波相比,直达波的传播时间明显偏小因此传感器可以根据接收到的直达波的时间来计算地震波的速度;在已知地震波传播速度的情况下,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之间的距离及其在隧道前方的位置。4.1TSP的探测原理4.1.1理论基础产生反射波是因为介质的物性发生了变化。当地震波在传播过程中遇到波阻抗差异面，一部分地震波在波阻抗分界面处便被反射回来。反射波的能量大小与反射界面的反射系数有关；反射系数的大小是由界面两侧波阻抗的差值决定的:注：为反射界面两侧介质的密度；v1,v2为反射界面两侧介质的地震波速度。若两侧介质波阻抗差值的绝对值越大，则反射系数r就越大,反射波的能量也就越大；反之则反射信号就弱。当形成负反射时（r0），表明地震波将要穿越较疏松的介质（如软岩、破碎带）；形成正反射时（r0），此时表示地震波将要入射到致密介质中（如硬岩）。12，•4.1.2探测原理关于反射面对称4.1.3TSP的解译准则正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层;负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层)。若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起。若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。4.1.4影响TSP数据采集的主要因素①接收孔的布置：不要布置在空腔位置，要上倾以便易于将孔内水排出，建议布置两个接收孔。②炮孔深度：太浅，易导致掌子面附近TSP数据缺失，一般炮孔深度至少要大于1.1m。③电雷管：为瞬发电雷管，如果电雷管延迟严重，波形无规律，则需重测。④炸药药量：要适中，根据围岩情况现场确定。围岩完整性差时(如Ⅳ和Ⅴ级围岩)，对远偏移距加大药量；围岩完整性较好时(如Ⅲ级围岩)，对近偏移距减少药量。⑤避免将接收孔与炮孔布置在大型的不良地质体(如溶洞、软夹层和破碎带等)两侧。4.1.4影响TSP数据采集的主要因素4.1.5TSP在不同地层中的探测效果分析•地质体的规模•规模较大的断层、破碎带等,带内波速很低,可以形成很强的反射波信号,不管是在软岩或硬岩中都能探测清楚。软岩本身的波阻抗较小，致密的硬岩的波阻抗大。•围岩岩性•介质对波吸收系数的大小主要取决于岩石的粘滞性。•地震波的频率•地层相当于一个低通滤波器,对波的高频成分吸收较大,致密坚固介质的吸收系数与频率成线性关系,而疏松介质的吸收系数与频率的平方成正比。4.2TST隧道地质超前预报技术•TST技术（TunnelSeismicTomography）是隧道地震CT成像技术的简称，是对SP203技术缺陷进行改进的基础上发展起来的。•TST技术除了在掌子面超前探测之外，还可以沿隧道向侧面或沿地表向下方探测。•处理软件采用中文Windows界面，图像直观，使用方便,TST的接收系统采用具有内置放大器的专用IC检波器，大大地提高了信噪比，加大了探测能力。•TST超前地质预报技术在贵州岩溶地区的应用•TST技术在某隧道超前地质预报中的应用•TST隧道超前预报系统在顶效II号隧道中的应用•TST在隧道超前地质预报中的应用4.2.1散射扫描成像技术采用反射与散射的混合模型（见图2），根据反射波及散射波的传播规律，分别将反射波和散射波进行偏移归位，得到隧道掌子面前方的真实地质情况。4.2.2TST数据处理结果的解释原理4.2.3TST在不同地层中的探测效果分析4.2.3TST在不同地层中的探测效果分析4.3地质雷达法4.3.1地质雷达工作原理由地质雷达的发射天线向被探测体内发射高频电磁波，当高频电磁波传至被探测体内两种不同介质的分界面（如：界面、空洞、不密实带等）时，由于两种介质的介电常数不同而使电磁波发生反射，反射波的传播遵循反射定律，反射波返回被检测体的表面，并由地质雷达的接收天线所接收，形成雷达图像。图15-2地质雷达测线布置示意图和SIR3000现场探测照片4.3.2地质雷达图像的读取破碎断裂带常出现同向轴不连续，波幅衰减快，反射界面错乱等现象。溶洞的波形常常表现为同向轴呈抛物线形。含水层的图像常常表现为同向轴连续性较好，波形振幅较小，由于水的介电常数较大，电磁波在穿透含水层时经过多次反射，电磁波能量大部分被吸收，因此，含水层的电磁波快速衰减，并在富水区可能出现绕射、散射等现象。4.3.3电磁波反射法的应用效果电磁波反射波信号较平静，无明显反射信号，能量亦呈正常衰减趋势。⑴完整围岩的地质雷达图象⑵溶蚀破碎带的地质雷达图象有明显的电磁波反射信号，反射信号同相轴较连续，并且反射的电磁波信号较强，分析认为在掌子面后面5～10米深度范围内存在不良地质体，结合现场的围岩岩性为灰岩情况综合分析认为掌子面前方为溶蚀破碎带（经开挖验证结论准确）。(3)溶洞的地质雷达图象有明显的电磁波反射信号，在7～19米范围内由近似抛物线的反射波轴顶点包罗的区域为粘土充填型溶洞范围(经开挖验证结论准确)。(4)溶洞的地质雷达图象左图中有明显的非常强的电磁波反射信号，在9～29米范围内形成非常强的能量团块,为充水型溶洞范围(经开挖验证结论准确)。4.4红外探测技术4.4.1红外探测技术基本原理地下岩体、水体每时每刻都在向外界发射红外波段的电磁波，形成红外辐射场，物体的红外辐射能量与其温度的四次方成正比，当探测前方存在不良地质情况(断层水、岩溶水、瓦斯)时，其与周围围岩的温度有一定的差异，红外探测仪就是依据红外辐射能量的差异来推断前方不良地质的情况。阶跃突变。当掘进掌子面测点中最大场强和最小场强的能量差≥10W/cm2，可判定前方存在含水构造体，否则不存在含水体构造。4.4.2红外线超前探水法的判据4.4.3红外线超前探水测线的布置轴向测线布置从隧道开挖面后方60m处向掘进方向每隔5m对隧道周边探测1次(图1)，每次探测顺序依次为左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙、右边墙脚和隧底中线，每个断面的测点布置示意见图2，共探测12个断面，这样沿隧道轴线方向共形成6条探测曲线，掌子面测点布置在开挖面上水平方向自上而下布置4条测线，每条测线上布置6个测点。4.4.4线超前探水法工程案例4.4.4线超前探水法工程案例4.4.4线超前探水法工程案例4.4.5优、缺点分析优点①红外探水不影响施工、可与施工同步进行，携带方便、现场操作快速便捷。②红外探水仪对含水构造很敏感。③后期数据处理速度快，资料简洁、直观，能够及时有效地指导施工。④预报费用较低。缺点①容易受外界因素干扰。②不能定量推测水压、水量、水体宽度及其准确位置。③如果掌子面及其后方已开挖区段的围岩表面有大面积水体，红外探测技术就失去了应有的作用。④当隧道围岩节理裂隙比较发育，每次预报均有水，但水量较小未影响到施工时，容易引起施工单位对地下水灾害隐患的麻痹。