隧道超前预报实施方案

隧道超前预报实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院******标段*****隧道物探预报实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院勘察甲级（证书编号140601-kj）2009.12新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院21、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：隧道穿越不稳定岩层较大断层预测；出现涌水地段预测；软岩出现内鼓、掉块地段预测；岩体突然开裂或原裂隙逐渐增宽等危害性预测；位移变形加快影响围岩稳定预测；可能出现塌方、滑动影响预测；浅埋段下沉裂缝对施工影响程度预测；地质条件变化对施工影响程度预测；岩爆预测；瓦斯预测。1.1地质预报的方法TSP超前地质探测TSP（TunnelSeismicPrediction）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新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院3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：①预报范围大，可从100m到200m；②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；③成本低廉，同时对施工基本无影响，可对全隧道开展；④无须面对掌子面，对掌子面状况无要求；⑤可提供岩石动力学参数，划分围岩类别；⑥可确定地质体空间位置。GPR（地质雷达）超前地质探测GPR（GroundPenetraingRadar）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。该方法是通过天线新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院4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“井”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：①频率高，衰减快，探测距离短，20米为宜；②分辨率高，可探测围岩内的软弱结构面；③对岩溶、富水带探测效果好；④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。新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院53.1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Ld，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：0122222tuCtuSExu（1）式中，u为截面的纵向位移；tx、为空间、时间坐标；为锚杆周围介质的阻尼系数；ES、分别表示锚杆的截面积及锚杆材料的弹性模量；C为锚杆的纵波波速；Ec，为锚杆材料的质量密度。在小阻尼情况下，式（1）的解可近似简化为)(2cxtiwtseAeu（2）式中，s2为衰减因子，w为无阻尼条件下的圆频率。由式（2）可见，波在新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院6传播过程中幅值随传播时间的增加按指数规律衰减；当值不变时，S值或值愈小则波幅值随时间衰减愈快。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、反射和透射。入射波应力为i反射波应力r与透射波应力t之间的关系分别为iZZZZ111212（3）itZZAAZZ1))((2122112（4）式中，波阻抗Z=cA，、c、A分别为介质的密度、声速和截面积。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新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院7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。新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院84、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1TSPTSP-2031台良好2地质雷达SIR20001台良好3锚杆无损检测仪/2台良好4声发射仪/2台良好5电脑/3台良好6打印机/3台良好6、物探探测依据1、《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB10223-20042、《铁路混凝土与砌体施工及验收规范》TB10210-20033、《铁路隧道工程质量检验评定标准》TB10417-20034、《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号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******。新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院97.1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级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级中、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级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级非可溶岩地段，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”的“三结合”原则，全面正规、新建武汉至黄石城际铁路物探检测实施方案东华理工大学勘察设计研究院武汉分院10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。图2综合超前地质预报工艺