地质超前预报.

第四章地下工程4.7地质超前预报第四章地下工程第1节概述第2节围岩应力分布第3节围岩变形破坏第4节围岩分类第5节围岩压力第6节围岩稳定性评价第7节地质超前预报第7节地质超前预报一、概念地下工程地质超前预报：利用一定的技术和手段，收集和分析地下工程所在岩土体的有关信息，对施工掌子面前方岩土体情况、不良地质体的工程部位及成灾可能性作出解释、预测和预报。二、目的查明掌子面前方的地质构造、围岩性状、结构面发育特征，特别是溶洞、断层、各类破碎带、岩体含水情况，以便提前、及时、合理地制定安全施工进度、修正施工方案，确保施工安全、加快施工进度。隧道超前地质预报定量准确的超前地质预报，是隧道施工地质界尚未攻克的技术难题。在国外，瑞士、日本等发达国家进行隧道(特别是铁路、公路隧道)修建过程中，隧道施工地质工作都是非常重要的、不可缺少的工序。目前在隧道施工期间采用的超前地质预报方法从专业技术方面可分为地质法和物探法两大类。三、工作内容隧道施工超前地质预报工作主要内容包括：1.资料搜集：（1）搜集前人研究成果；（2）施工过程中搜集；2.掌子面前方工程地质条件预报：（1）断层；（2）大节理；（3）岩脉；（4）地下水；（5）地应力；（6）瓦斯。3.成灾预报：（1）围岩类别预报——完整、碎裂岩体；（2）块体塌方——块裂岩体；（3）溃曲破坏——板裂岩体；（4）岩爆；（5）突水；（6）瓦斯突出。4.超前防治方案预报。四、地质超前预报分类1.地质法①地面地质调查法②钻探法③断层参数法④掌子面地质编录法⑤隧道钻孔法⑥导洞法2.物探法①电法②电磁法③地震波法④声波法⑤测井法一、地质法1.超前导坑法◈超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。⑴超前平行导坑◈平行导坑的布置平行于正洞，断面小而且和正洞之间有一定的距离，在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过做地质素描图对正洞的地质条件进行预报。(2)超前正洞导坑◈正洞导坑布置在正洞中，其作用与平行导坑相比，效果更好。◈但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是在构造复杂地区准确度不高。2．超前钻孔法◈超前钻孔法是在隧道掌子面上进行钻孔，以探明隧道开挖面前方的地质情况的一种方法。◈钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。◈液压钻孔台车钻进时,在掌子面范围内布置2～4个钻孔,孔深5m,用秒表计时,记录钻进各进尺段所用时间长短来判别软弱围岩和不良地质构造的位置。◈超前地质钻孔法适用于隧道开挖面前方地质情况复杂、且又有地下水出露的情况。该方法既能探明隧道开挖面前方的地质情况，且探孔又能起到排水作用。◈其缺点是：①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，特别是与隧道轴线平行的结构面，其预报无反映；②钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。3.地面地质调查地质调查可分为重点复查和全面调查两类。前者适用于地质勘察工作做得较好、精度较高的长大隧道;后者适用于地质勘察工作做得较差、设计图纸与施工实践不符或严重不符的隧道,主要是占大多数的中长、中小隧道。地质调查的工作方法,不外穿越调查法和追索调查法两种。具体调查方法和工作步骤,则视调查对象而定。主要调查对象划分如表1所示。调查对象调查内容地层地质岩层层序、特殊岩层构造地质断层破碎带、背斜、向斜岩溶地质溶洞、暗河、岩溶陷落柱瓦斯地质煤系地层调查水文地质汇水区、泄水区、泉水分布表14.掌子面编录◈主要是通过掌子面已揭露地质体(岩层、不良地质体等)进行观测与编录,对掌子面前方一定范围内可能出现的地质体及位置及掌子面实见地质体向掌子面前方延伸情况进行有依据地推断。◈对掌子面进行地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映。在施工循环过程中,爆破后或出碴后打眼装药前即可对隧道开挖工作面进行地质素描。正洞地质素描的优点是不占用施工时间，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；缺点是对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。掌子面编录主要内容包括以下五个：（1）岩性:是最基本的地质资料。主要描述岩石名称、颜色、结构、构造、矿物成分、风化程度等。（2）贯穿性节理:是造成块体塌方的主要原因之一。主要描述节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特征(光滑、粗糙、起伏不平)、出露位置等。（3）岩脉:岩脉侵入的位置往往是地壳的薄弱点。主要描述岩脉的岩性,出露位置、宽度、接触关系、破碎情况、风化程度等。（4）断层：是地壳上主要的构造痕迹,它的形成、特性及规模决定地区地质构造复杂程度,对隧道施工影响极大,是开挖时发生塌方的主要地质原因之一。针对断层而言，主要描述断层位置、产状、断层破碎带宽度及构造类型、断层性质及其与其它断层的关系、派生节理产状、密度及充填物等。断层露头作图法对结构面向开挖后方倾斜的断层预报效果较好，因为断层先在隧道底出露，对岩体稳定性影响不大时就可以发现；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。（5）地下水：水增加了隧道施工难度。地层渗水影响喷射混凝土的质量；若在断层带内岩体破碎，或节理被次生粘土充填地段有水，则会大大降低围岩的自稳能力，增加坍塌的可能。主要描述出水点位置及其与断层和节理的关系、出水状态(滴、流、涌)、水味、水色、水温、出水点附近有无沉淀物等。同时了解水对混凝土的侵蚀性。对于地下水与地表水可能存在水力联系的地方进行了地下水动态观测，提前确定施工中的排水措施，以防止造成涌水事故。5.临近前兆预测法很多不良地质体(如断层破碎带、暗河、老窖水等)和某些地质灾害(如煤和瓦斯突出)都有临近前兆。施工地质工作者正是依据这些前兆的出现,紧密结合地面调查、长期(长距离)超前预报的成果和短期(短距离)仪器探测的成果,预测掌子面前方不良地质的位置、规模,预测地质灾害出现的可能性。几种临近前兆：1)断层破碎带临近前兆节理组数的急剧增加。临近断层破碎带时,节理组数可能多达6～12组;出现牵引褶曲和牵引褶皱;有时会出现由弧形节理组成的小型施卷构造或旋转节理;岩石强度明显降低。逆断层为主的断层破碎带附近会出现压裂岩和破碎岩,多数情况下,特别是上盘会出现夹泥裂岩。2)暗河临近前兆大量出现含有泥砂的小溶洞；钻孔中的涌水量剧增，且夹有泥砂和小砾石。为确保超前预报的准确性，在施工时要及时发现这类前兆，并做到细致观测、编录。结合其它的超前预报成果，经综合分析，做出短期(短距离)超前预报或地质灾害可能发生的警报。二、物探法1.水平声波剖面预测法(HSP法)HSP法的基本原理是：向岩体中辐射一定频率的声波，当声波传播路径中存在两种不同介质界面时，声波将发生折射、反射，频谱特征发生变化,通过探测反射波信号，求得其传播特征后，便可了解前方的岩体特征。2.地质雷达预测法地质雷达方法是一种用于探测地下介质分布的广谱(1ＭＨｚ～1ＧＨｚ)电磁技术。地质雷达用1个天线发射高频电磁波，另1个天线接收来自地下介质界面的反射波。地质雷达的雷达接收机利用分时采样原理和数据组合方式把天线接收到的信号转换成数字信号；主机系统再将数字信号转换成模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面显示出来。3．声波测试声波对裂隙反应很敏感，遇到裂隙即发生介面效应（反射、折射和绕射），耗损波能，波形变复杂，波速减缓，此外，声波速度的大小还和岩体强度有关。声波测试方法有多种，主要有岩面测试和孔内测试两种，其中孔内测试又分为单孔和双孔测试两种。①岩面测试是在已开挖地段进行的，由于隧道开挖放炮形成许多张裂隙，所测波速表面岩石比实际岩体的波速略偏低。②孔内测试分单孔和双孔两种。单孔测试是把发射源和接收器放在同一孔内，但只能测到钻孔周围一倍波长左右范围内的地质情况。双孔测试是把发射源和接收器放在不同的钻孔内，测试两孔之间的岩体波速。4．红外探测所有物体都发射出不可见的红外线能量，这能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。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，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。5.TSP物探测试TSP是瑞士安伯格测量技术公司于20世纪90年代初期开发研制的一套超前预报系统设备,该系统采用地震波反射原理，能长距离地预报隧道施工前方的地质变化，如断层破碎带和其它不良地质带，其准确预报范围为掌子面前方100～150ｍ。实例：军都山隧道施工地质超前预报•背景：大秦铁路军都山隧道(1985年)：隧道进尺16km,塌方21次,累计影响工期685d。•预报实例：1985年底，军都山隧道2#斜井进主洞处发生塌方事故，一直处于停工状态。•中科院工程地质专家赶赴现场，通过做地质超前预报工作，采用紧跟支护的方法顺利通过了断层带，使停工半年之久的掌子面顺利开始了正常掘进。技术方案：•1.物探？•2.水平钻进？•3.平行导洞探测？1.物探？问题——掌子面形状太杂乱，采用接触物探耦合问题没有办法解决，采用非接触物探精度又不高，现有物探水平达不到要求测的小断层条件。2.水平钻进？问题——预报效果不理想，并且对施工有干扰，施工单位一般不欢迎。3.平行导洞探测？问题——平行导洞的施工进度经常落后于正洞，起不到预报作用；即使超前，预报精度也不高。最终技术方案：综合超前地质预报方法•1.基础方法：以隧洞洞体地质素描为基础；•2.辅助方法：配合风钻孔的钻速测量、声波测量、压水试验为辅助。预报效果：•第一年未作预报工作：5个掘进掌子面停工650多天，占施工日期的40%；•第二年开始做超前预报工作：6个掌子面总共停工129天，仅占施工日期的6%。•第三年全面开始地质超前预报工作：基本没有发生大的塌方。预报成功实例：•1987年，在军都山隧道掘进过程中，曾遇到一条宽达60多米的F9断层破碎带，由于坚持地质超前预报，并建议采用短进尺，强支护的施工手段，顺利通过过施工，没有发生大的导致停工的塌方。