隧道超前地质预报原理及方法

各位领导和专家下午好中国中铁二院工程集团有限责任公司ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd.中国中铁二院工程集团有限责任公司ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd.隧道超前地质预报方法与施作要点汇报人王光权2012年6月汇报内容第一部分隧道超前地质预报的物探方法第二部分隧道超前地质预报的物探方法原与施作要点第三部分隧道超前地质预报综合方法运用第一部分隧道超前地质预报的物探方法一、物探方法的定义和物探方法的应用条件二、工程物探方法的分类三、隧道超前地质预报工作中常用的物探方法四、物探方法在隧道超前地质预报中的重要性一、物探方法的定义和物探方法的应用条件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。物探方法应用领域:军事领域、医学领域、地质勘察领域等。物探方法在地质勘察领域的应用:《铁路工程物理勘探规范》TB10013-2010物理勘探:利用物理学的原理、方法和专门的仪器,观测并综合分析天然或人工地球物理场的分布特征,探测地质体或地质构造形态分布的勘探方法,简称“物探”。物理勘探应用领域:工程领域、石油领域、煤田领域、矿产领域等。•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。•综合物探:根据勘探对象所具有的不同物理性质,采用两种或两种以上有效的物探方法或不同的装置形式进行探测并对资料进行综合分析作出物探结果的勘探方法。2、物探方法的应用条件⑴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)。⑵地形变化产生的异常畸变,不显著改变探测对象的异常形态或可以进行校正。⑶存在电、磁、振动等干扰时,探测对象的异常能够从干扰背景中区分出来(满足一定的信噪比)。由于上述原因,各种物探方法都有自己应用条件、探测精度。因此,我们常常根据探测对象所具有的不同物理性质,采用两种或两种以上有效的物探方法或不同的装置形式进行探测并对资料进行综合分析,消除多解性,得出物探结果来满足不同的探测目的。二、工程物探方法的分类根据观测天然或人工地球物理场的类型不同,工程物探方法分类如下:⒈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。⒉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。⒊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。⒋磁法:探测铁磁性埋设物体和磁性岩(矿)体。⒌放射性法:探测具有放射性的物体和岩(矿)体。⒍测井:电测井、声速测井、放射性测井、超声成像测井等。⒎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。三、隧道超前地质预报工作中常用的物探方法工程物探方法都是应用于地表和井中的勘探方法,要在隧道中采用物探方法进行隧道超前地质预报,我们必须对那些用于二维地表探测的物探方法进行适当的探测装置和处理软件改进,使其适合三维隧道场地条件和施工环境的隧道超前地质预报工作。从多年的实践努力和经验来看，我们认为：能在隧道内进行隧道超前地质预报工作的工程物探方法有:1、弹性波反射法(常用的方法:地震反射波法)2、电磁波反射的法(常用的方法:地质雷达法)3、红外探测法(常用的方法:红外探水法)4、高分辨直流电法(常用的方法:三极空间交汇探测法)说明:瞬变电磁法还不太成熟,还未列如《铁路隧道超前地质预报技术指南》,本次就不介绍方法。四、物探方法在隧道超前地质预报中的重要性1、隧道超前地质预报工作的必要性⑴由于隧道深埋于地下，工程地质条件和水文地质条件复杂多变，而目前地质勘察工作又受技术、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道围岩的状态、特性，特别是要准确地预测隧道施工中可能发生的地质灾害的位置、规模和性质是十分困难的；⑵由于地质灾害体的存在，仅依靠施工揭露再行处理的办法，带有很大的盲目性，常常发生各种突发事故，造成投资增加、人员和施工设备伤害、工期延误等诸多问题。因此，采用科学的、先进的隧道超前地质预报方法来准确地预报隧道所通过范围内的不良地质体的性质、规模和状态是非常必要的。2、物探方法在隧道超前地质预报中的重要性•按照《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设【2008】105号中的规定：隧道超前地质预报应采用地质调查与勘探相结合、物探与钻探相结合、长距离预报与短距离预报相结合、地面与地下相结合、超前导坑与主洞相结合的指导思想，通过对各种方法的预报结果综合分析解释，相互印证，有利于提高预报的准确率，积极为隧道的安全施工提供必要的技术支撑。•根据上述规定可以看出：物探方法在隧道超前地质预报中占有非常重要的地位，再加上物探方法具有施测快捷、预报结果提供及时、费用低（相对超前钻探而言）等特点，物探方法在隧道超前地质预报中得到了广泛应用。根据铁路隧道的开挖方式、工期要求和各物探方法的优缺点，我院认为:隧道内的物理探测应采用长距离预报（弹性波反射法）和短距离预报（地质雷达法或红外探测法）相结合的综合物探方法。根据隧道的风险等级和不良地质情况采用不同的综合物探预报方法，具体规定如下表（表-１）。隧道超前地质预报采用综合物探方法一览表表-１序号适用条件适用风险等级物探类型采用物探方法1软弱夹层，非可溶岩接触带，地表物探异常带、差异风化带及可能出现其它不良地质体。含炭（煤）地层。坍方风险及变形风险为中度。WT-1地震反射波法（TSP）2非可溶岩地段断层及其破碎带、可溶岩岩溶中度发育地段、可能出现的节理密集带。风险为高度、突水突泥风险为中度及以上。WT-2以地震反射波法（TSP）为主、红外探测法为辅的综合物探预报方法3可溶岩岩溶强烈发育地段、可溶岩与非可溶岩接触带等可能出现溶洞、溶蚀破碎带及富水节理密集带。突水突泥高度风险、地表失水高度风险、坍方高度风险。WT-3以地震反射波法（TSP）为主、地质雷达法或红外探测法为辅的综合物探预报方法4岩溶发育（极强烈）地段；煤层采空区。高压富水断层。水突泥极高风险、地表失水极高风险、坍方高度风险。WT-4以地震反射波法（TSP）为主、地质雷达法或红外探测法为辅的综合物探预报方法按照《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设【2008】105号中的划分，隧道内的物理探测方法有以下四类：⑴弹性波反射法；⑵电磁波反射法；⑶红外探测法；⑷高分辨直流电法。下面按上述分类探讨物探方法在隧道超前地质预报中的原理及方法。第二部分隧道超前地质预报的物探方法原理与施作要点一、弹性波反射法二、电磁波反射的法三、红外探测法四、高分辨直流电法一、弹性反射波法•弹性波反射法是利用人工激发的地震波、声波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方地质情况的一种物探方法，它包括地震波反射法、水平声波反射法、负视速度法和极小偏移距高频反射连续剖面法等方法。•由于地震波反射法相对其它三种方法应用相对普遍和成熟，且从预报距离、探测精度和预报复杂不良地质问题的适应性几方面综合考虑，本次只介绍地震波反射法。•目前，采用地震波反射法进行隧道超前地质预报的仪器主要有：TSP(瑞士)、TRT(美国)、TGP(中国)、TST(中国)等，由于目前隧道超前地质预报中使用最多的仪器是瑞士Amberg公司生产的TSP系列仪器，所以下面以TSP203仪器为例介绍地震波反射法在隧道超前地质预报中的应用情况。1、TSP的基本原理图1-1TSP法工作原理示意图图1-2仪器：瑞士TSP-203图1-3仪器：瑞士TSP-203现场工作照片如图1-1所示，在隧道的左边墙或右边墙位置按约1.5～2m的间距分别布置24个激发孔，激发孔布置在左边墙还是右边墙取决于岩层的主导走向，如果定义靠近掌子面的第一个炮孔为1号孔，则在离第24个激发孔15～20m的左边墙和右边墙的位置分别布置一个地震波信息接收孔，激发孔和接收孔基本保持在同一高度上。通过在各个激发孔内分别用小药量乳化炸药爆破的方式激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在围岩中传播。反射回来的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录（见图2）。图2TSP法波形记录由于波的传播是一个球面扩散过程，所以一部分波会传到掌子面前方的围岩中去，当地震波遇到波阻抗有差异的地方，一部分波会被反射回来，一部分波会继续向前传播，波将依次传递下去，直到随着传播距离的增加和球面的扩大，能量足够小不能被接收到为止。通常，两侧介质的波阻抗差异越大，反射回来的能量越强，探测效果也越好。因为隧道中激发的地震波的传播是一个能量球面扩散的过程，所以为了能接收到掌子面前方的反射信号，就要求我们的接收器要有一定的方向性。在TSP203硬件系统中，采用了两个高灵敏度的三分量检波器，在安装检波器的时候一定要使标有“掌子面”的一面朝向掌子面方向；而在软件中，则采用“倾角滤波”的算法进行。现场采集的数据，经TSPwin软件处理便可以得到P波、SH波和SV波的时间剖面、速度分析图、深度偏移图、反射波层位、反射波相位、反射能量大小等资料，应用这些资料并结合隧道地质情况便可对掌子面前方的溶洞、软弱岩层、断层、节理裂隙密集带及富水情况等不良地质情况做出推断。用TSP法进行隧道超前地质预报应注意的几个要点1、通过我院多年实践表明：虽然TSP仪器还不能准确预报溶洞的形状，但把它作为一种半定量的中距离主控（一般有效探测距离为100～150m,需根据围岩软弱情况而定）预报方法还是行之有效的，特别是对能给施工带来安全隐患的断层、软弱的含煤地层及采空区、岩溶强烈发育区、含水体、节理裂隙发育区等的预报还是比较准确的。因此,TSP法可作为隧道超前地质预报的主控预报方法。2、由于物探方法的多解性及间接性（通过围岩的物性参数来推测围岩的结构）的影响，物探方法预报只能对掌子面前方的物探异常进行定性和半定量～定量解释。为了使物探地质解译更准确，需要用少量的超前水平钻探（含加深炮眼探测）进行验证或修正；3、目前TSP法还不能对溶洞的形态、含水体的含水量及水压、煤层的瓦斯含量等进行正确判断。4、由于围岩地层的存在各向异性和掌子面前方不良地质体的位置不同，根据TSP法的探测原理，为了准确预报掌子面前方所有不良地质体需要在隧道左右边墙分别布置一个接受器。有些预报单位为了减小成本只布置一个接收器，这是不满足要求的，需坚决杜绝的。5、在地震弹性波法（TSP）探测时需要利用三分量接收器接收从不良地质体反射回来的弹性波（P波-纵波、SH波-横波、SV波-横波），由于弹性波在软弱介质中传播时其能量会严重衰减，特别是横波衰减更严重（在水中不能传播），因此要求在埋设接收器导管时用环氧树脂或锚固剂（实验证明是满足要求的）进行耦合，决不能采用黄油进行耦合，只有这样才能保证P波-纵波、SH波-横波、SV波-横波的正常接收。如果用少量环氧树脂或锚固剂进行耦合，或者直接用黄油进行耦合达到接收器道管的回收利用是应坚决杜绝的。下面我用图-3～图-5来说明这样要求的原因图-3纵波、横波传播示意图P-WAVES-WAVEPROPAGATIONOFP-ANDS-WAVESdirectionofwavepropagationP=compressionalwavedirectionofparticlemotionSVSHS=shearwavedirectionofparticlemotion图-4三分量接收器导管图-5三分量接收器导管的耦合32、TSP的应用效果⑴小型溶洞预报实例隧道地质情况:某铁路隧道全长2066m，本次预报里程范围内隧道埋深40～109m，由二叠系茅口栖霞组灰岩组成，属坚硬岩类，裂隙较发育，岩体为中厚层状结构，岩体较完整。地下水位于洞身以下，该段隧道主要位于垂直渗流带内，岩溶以垂直向岩溶裂隙、溶槽、溶沟发育为主，少量水平向岩溶裂隙，地下水以季节性股状及淋雨状出露。预报结论:本次预报时