隧道超前地质预报技术与应用

隧道超前地质预报技术与应用中铁第四勘察设计院集团有限公司曹哲明（一）、超前地质预报技术一、地质素描二、物探三、超前钻探四、超长炮孔五、水文监测一、地质素描1地质素描的目的：通过观测掌子面及周边的工程地质条件的改变，预测掌子面前方的工程地质条件N47°W/81°SD作图日期:里程N55°W/85°SPDK353+160拱部展示图右边墙比例1：200S左边墙隧道方位S45°E开挖里程:N30°E/40°SPDK353+160～PDK353+190一、地质素描2地质素描的主要内容主要观测内容：围岩岩性、岩层产状、地质构造特征、节理裂隙特征、地下水的活动特征、溶蚀发育现象齐岳山隧道PDK363+537大突水掌子面素描图一、地质素描一、地质素描3利用照片记录掌子面的地质变化情况野三关隧道DK124+538掌子面的素描二、物探1、物探在超前地质预报中的作用：发现不良地质体的异常并确定异常的空间位置2、物探方法的选用原则：适用于隧道的场地条件和施工环境能定量判释异常的位置二、物探3、地震反射波法的应用效果和应注意的问题①分辨率：﹥2m波长＝速度÷频率1000图4不同震源在硬岩上击发所形成的功率谱A—炸药B－锤击C—超磁二、物探3、地震反射波法的应用效果和应注意的问题②有效探测距离制约探测距离主要因素：频率、能量、干挠波爆炸震源：约为100m锤击震源：约为50mTSP的原始记录信号二、物探3)地震反射波法的应用效果和应注意的问题③有效探测的前提条件：断层和接触界线：倾角大于35°与隧道轴线的夹角大于45°不规则地质体：探测前方具有一定面积或占据部分掌子面地震波的反射二、物探3)地震反射波法的应用效果和应注意的问题④地震反射资料不能作为围岩变更的依据狮子洋隧道的围岩速度二、物探3、地震反射波法的应用效果和应注意的问题⑤TSP（TGP、复视速度等）的应用主要用于断层、岩性接触带的长距离预报；当不规则地质体侵入掌子面一定面积时可以采用TSP探测。齐岳山隧道TSP效果的统计：对大型不良地质体的准确率约为50%、整体的预报准确率约为27%。占用掌子面时间约3~4个小时别岩槽隧道的TSP异常，位于＋425~405，施工中于＋422揭示溶腔，引发大突水，约3.2万方。TSP应用实例TSP对367溶腔的预报结果二、物探3、地震反射波法的应用效果和应注意的问题⑥单点反射的应用：可利用平导、掌子面对不均匀地质体进行超前探测占用掌子面时间约30~40分钟观测系统的随意性利用平导探测629溶腔的效果反向掌子面对629溶腔的探测结果二、物探3、地震反射波法的应用效果和应注意的问题⑥单点反射的应用：对隧底及周边进行隐伏病害的探查图2.1.1-26DK238+770～+870中线上单点反射（3m偏移距）地震记录长鹰坝隧道隧底探查的单点反射异常。长鹰坝隧道隧底探查单点反射异常对应的隧底隐伏岩溶的实测横断面左侧6.5m右侧6.5m二、物探二、物探4、地质雷达的应用①可用于对掌子面前方不规则地质体进行短距离探测②有效探测距离15~20m③采用100MHz屏蔽天线④有效分辨率5~10cm⑤占用掌子面时间约30~40分钟龙鳞宫隧道DK231+068地质雷达波形图二、物探5、物探应用的局限性只能发现异常，不能判定异常的性质必须具有能使波（电磁波或地震波）形成反射或散射的条件，不适用于风化界线、缓倾斜的地层界线的探测红外探水、瞬变电磁等没有普遍的实用性。三、水平钻探1、水平钻探的主要应用：①验证物探异常地面物探异常的验证－－云雾山隧道三、钻探1、水平钻探的主要应用：验证超前预报的物探异常说明：6号孔11月10日探孔出水里程PDK255+981.911月12日探孔出水里程PDK255+977.0。4号孔11月6日探孔出水里程PDK255+981.0,11月12日探孔出水里程PDK255+977.4。超前预报物探异常的验证－－马麓箐隧道＋978突水点三、钻探1、水平钻探的主要应用：确定不良地质体的规模和空间形态利用钻探通过Ⅱ线查明野三关隧道＋602突水溶腔平面的形态马麓箐＋978大突水溶腔的平面分布图三、钻探三、钻探1、水平钻探的主要应用：遭遇大型不良地质体后选择迂回通过方案隧道Ⅱ线中线Ⅰ线隧道中线溶腔轮廓线塌方体迂回导坑中线70°40°15°60°25°根据钻孔资料初步确定的溶腔轮廓线云雾山隧道DK247+562~445段溶腔采用钻探确定的迂回方案三、钻探1、水平钻探的主要应用：④提供水量、水压的测定条件齐岳山隧道15号钻孔的水量水压测量⑤探查软弱围岩的位置、提供瓦斯的监测条件三、钻探2、水平钻探应用中应注意的问题：①探测距离：30～60m为宜②宜采用不取芯钻探③钻孔数量应根据探测需要确定断层和岩性接触带以一孔为宜不规则地质体应在发现目标后适当增加钻孔量④多孔超前探测时，应考虑周边的稳定岩盘厚度马麓箐隧道＋978溶腔探测钻孔布置图三、钻探2、水平钻探应用中应注意的问题：齐岳山隧道＋537大突水溶腔野三关隧道＋583溶腔⑤不能依靠钻探对不规则地质体进行预报四、超长炮孔1、宜万线超长炮孔的效果：特大型溶腔31%、一般不良地质50%大支坪隧道＋550超长炮孔突水2、主要特点：不需要专门的设备方便灵活、占用掌子面时间短可以发现小的裂隙型和管道型含水体3、探测长度：大于稳定岩盘厚度五、水文监测1、水文监测内容：①洞外水文监测内容隧道区的降雨量的观测、隧道区地面泉眼水量变化监测、既有钻孔显示的地下水位变化监测等②洞内水文监测内容涌水点调查、水量水压观测、大气降水与隧道涌水的关系、含泥量的变化等野三关隧道洞内涌水点展布及相互间的联系五、水文监测2、隧道涌水量预测：①预测方法：水均衡法、地下径流模数法、流域水文模型法、相关分析法等五、水文监测05101520253035024681012141618202224262830323436384042444648505254565860Δt(h)P(mm)048121620Q(m3/s)降雨计算流量实测流量②马麓箐隧道溶腔涌水的预测效果：预测方法：流域水文模型法预测时间：2008-7-3降水预测洪峰时间：7月3日24点实际洪峰时间：7月4日4点预测洪峰流量：15.23m3/s实际洪峰流量：13.4m3/s洪峰流量误差：13.7%各时段涌水量的计算值与实测值的平均绝对误差为13.73%，五、水文监测②马麓箐隧道溶腔涌水的预测效果：预测方法：水均衡法集水面积：14.59km2降雨量的取值：五年一遇134.3mm；五十年一遇213.9mm降雨入渗系数：0.9时间滞后系数：0.3实际最大涌水量：34.1万m3/d频率隧道涌水量降雨量（mm）集水面积（km2）涌水量（万m3/d）正常涌水量15.7214.594.13P=20%（五年一遇）最大涌水量134.314.5935.27P=2%（五十年一遇最大涌水量213.914.5956.17五、水文监测②马麓箐隧道溶腔涌水的预测效果：预测方法：相关分析法Q=0.925+0.169X0+0.182X1+0.044X2Q—涌水量（万m3/d）；X0—当日降雨量（mm）；X1—前1日降雨量（mm）；X2—前2日降雨量（mm）。0204060801001201401601804月7日4月11日4月15日4月19日4月23日4月27日5月1日5月5日5月9日5月13日5月17日5月21日5月25日5月29日6月2日6月6日6月10日6月14日6月18日6月22日6月26日6月30日7月4日7月8日7月12日7月16日7月20日7月24日7月28日8月1日8月5日8月9日8月13日8月17日8月21日8月25日8月29日9月2日9月6日时间降雨量（mm）-5051015202530354045涌水量（万m3/d）降雨量X0实际流量计算流量〔下限值〕计算流量〔中值〕计算流量〔上限值〕21~23日因大量突水而无法观测（二）、超前预报应注意的问题一、超前预报的定位二、隧道复杂程度的确定三、探测方法的组合和选择四、最小稳定岩盘厚度五、有关围岩级别的调整问题六、预报距离与预报频次七、超前预报的保证措施一、超前预报的定位1、超前预报的实质：是勘察阶段的地面综合勘探在施工阶段、施工场地条件下的延续；是为规避施工风险对能引起较大型工程地质灾害的不良地质体的空间位置和空间形态进行准确探查而增加的一道施工工序2、超前预报的目的：在地质灾害发生前对足以引起较大型突水、突泥地质灾害不良地质体（具有一定规模的岩溶、断层、岩性接触带）的位置、规模、危害程度等发出预警，以便有充裕的时间进行应对准备，规避施工风险3、超前地质预报的工作内容：超前探测－－发现不良地质体水文和有害气体监测－－灾害预警4、超前地质预报的重点预报勘察阶段没有发现、已发现但不能准定位、不能确定危害程度的不良地质体进行探测并预报可能形成的地质灾害二、隧道复杂程度的确定1、地面勘察与隧道超前预报的关系2、根据勘察资料对隧道的风险程度进行分级3、确定隧道不同地段需要预报的主要地质问题别岩槽隧道高频大地电磁测深综合剖面图宜昌方向万州方向13071006668298232251319120139811258374632151141626287129699578355230513710510531104691979266653941228515831-964323562793633271961257024332029426224320615616417012081152421520017615513911122118913864654016515314012711510724423011296911035138129120114111105234209179100886270128121116116117109250180167123941038135131126122122128120110234171137112100120621471471391321391281191142381621501041068321191173155153144129122142297197131113134165144218190191177153138126509374269165122157769969293262229203187170235614470388183133187133433633463303132963387047215934983041352631837363463163365978591210078727115103071381391164810771111114611811215125011911052742458333180112873814991484147014551441142712931145633525416228130965516881646160415621520147813211162781650512287149114843617291679162915791529147913311163876693509326144109822716441603156215221481144013081118882651429279165130141821540141214071403139813941389116192969644924417212714511236127512661242115911531252135014481149848612364186130122127907100495490485580587010931484150810667154621821348585201825642775809742676610742146320001410821543243145111238113235495647077256605968861613215115489465733031731492171093056553173076371065713521668190314479916323592271812321435060771889084680215121