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隧道物探預報實施方案
更新時間:2021-11-24 10:01
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1、地質預報的意義和目的

隧道超前地質預報是以TSP-203、地質雷達、超前地質鉆孔等儀器,并輔以其它地質調查方法,對隧道工作面前方圍巖尤其是隧道掌子面前方一二百米或數十米內圍巖的工程地質和水文地質情況的性質、位置和規模進行比較準確、全面、系統的探測和判斷,確定不良地質體的空間位置和危害程度,結合監控量測數據,綜合考慮圍巖和主動支護因素,及時地調整支護參數,提出措施和建議,指導隧道施工,有效控制地質災害的發生,防止在正常施工下避免工作面開挖出現不測事故(諸如出現斷層、破碎帶、采空區、溶巖、含水集水區、高應力地帶、巖爆、瓦斯溢出等不良地質現象),確保隧道的安全和可靠。根據隧道地質的具體情況,超前地質預報主要內容如下:

l   隧道穿越不穩定巖層較大斷層預測;

l   出現涌水地段預測;

l   軟巖出現內鼓、掉塊地段預測;

l   巖體突然開裂或原裂隙逐漸增寬等危害性預測;

l   位移變形加快影響圍巖穩定預測;

l   可能出現塌方、滑動影響預測;

l   淺埋段下沉裂縫對施工影響程度預測;

l   地質條件變化對施工影響程度預測;

l   巖爆預測;

l   瓦斯預測。

1.1地質預報的方法

TSP超前地質探測

TSP(TunnelSeismic Prediction)是一種快速、有效、無損的反射地震探測技術,它是專為隧道超前地質預報設計的。

TSP和其它反射地震波方法一樣,采用了回聲測量原理。地震波在指定震源點用小藥量激發產生,震源點通常布置在隧道的左邊墻或右邊墻,一般24個炮點布成一條直線,接收點和炮點在同一水平面。地震波以球面波的形式在巖石中傳播,當遇到巖石物性界面如斷層與巖層的接觸面、巖石破碎帶與完整巖石接觸面、不同巖性接觸面等波阻抗差異界面時,一部分地震信號將反射回來,一部分折射進入前方介質。反射地震信號將被高靈敏度檢波器接收,反射信號的傳播時間和反射界面的距離成反比,因此可確定界面的位置。通過TSPwin軟件處理,可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果,及反射層在探測范圍內的空間分布。

TSP方法特點:

①預報范圍大,可從100m到200m;

②施工時間短,完成全部外業施工僅需2小時左右,可現場處理資料提交成果,也僅需3-6小時;

③成本低廉,同時對施工基本無影響,可對全隧道開展;

④無須面對掌子面,對掌子面狀況無要求;

⑤可提供巖石動力學參數,劃分圍巖類別;

⑥ 可確定地質體空間位置。

GPR(地質雷達)超前地質探測

GPR(Ground   Penetraing Radar)方法是一種用于確定地下介質分布的電磁波法,類似反射地震勘探技術,是一種高分辨率探測方法。該方法是通過天線向地下發射高頻電磁波,電磁波在地下傳播,對于不同介質,由于電磁性質不同,傳播特點不一樣,當遇到存在電性差異介質的界面時,便發生反射,并返回為接收天線接收。電磁波在介質中的傳播時間與距離成正比,因此可計算出界面位置,并可根據反射波的振幅、頻率特征推測地質體的性質。溶洞、斷層破碎帶、含水帶、結構面等都于周圍巖石存在較大的電性差異,用GPR方法進行超前地質探測正是基于這一前提。

現場探測時,可在掌子面布設“井”字型測網。當區域構造走向與隧道軸線大致平行時,應在隧道側壁布置一些測線。采用連續觀測方式,用RADANⅢ專用軟件對采集的數據進行處理。在資料處理的基礎上,分析地質雷達圖象,識別反射信號,確定電磁波在巖石介質中的傳播速度、反射波到達時間,計算反射界面的位置,通過分析反射波的振幅、頻率,結合前期勘察資料推斷地質體性質。

GPR方法是基于介質電磁性差異的高頻電磁波法,具有以下特點:

① 頻率高,衰減快,探測距離短,20米為宜;

② 分辨率高,可探測圍巖內的軟弱結構面;

③ 對巖溶、富水帶探測效果好;

④ 施工方便、成本低廉,對隧道施工無影響。

2、錨桿錨固無損檢測原理

  錨桿錨固體系是由鋼筋、水泥砂漿和圍巖構成的,當出現砂漿灌注不飽滿、空腔等質量問題時,鋼筋與砂漿、砂漿與圍巖之間就存在波波阻抗突變的界面,因此,采用聲頻應力波對錨桿錨固質量進行無損檢測具備檢測物理條件。

 

3.1方法原理


全長粘結砂漿錨桿的水泥砂漿的灌注飽滿與否,是錨桿能否按設計要求起作用的重要指標。傳統的測試方法是用抗拔力來檢驗,但這種方法并不能完全確定其施工質量。試驗證明,對于高強錨桿,當錨固長度達到錨桿直徑的42倍時,握裹力不再隨錨桿長度的增加而增加,因此僅用抗拔力來檢驗施工質量不完整。采用聲頻應力波對錨桿的錨固質量進行無損檢測和抗拔力試驗有機地結合并進行綜合分析,才能對錨桿的錨固質量進行很好地分析和評價,其原理如下:

當工程的錨桿構件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠遠小于其長度L時,即L>>d,則此錨桿可以作為彈性波中的一維桿件理論分析處理。錨桿是鋼筋與混凝土膠結在一起,與周圍圍巖存在較大的彈性波波阻抗差異,因此,應用彈性波理論對錨桿進行無損檢測,可以視錨桿為一維彈性桿件。

應力波在錨桿中傳播時考慮粘滯性阻尼力的一維彈性波波動方程為

   在由錨桿、混凝土砂漿和圍巖組成的體系中,由錨桿端部發射的聲波經桿體向四周傳播,在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖等界面發生入射、系分別為Z=cA

從上述公式可以看出,當桿中某一截面面面積或材料性質發生改變時,入射波將在該截面處發生反射和透射,其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對變化的程度有關。與變截面桿相類似,在錨桿體系中錨桿、砂漿、和圍巖三者之間澆灌均勻密實時,應力波的能量大部分透射到圍巖體中,只有小部分能量反射回來,且反射信號極有規律。當砂漿澆灌不均勻、密實時,在砂漿中出現空穴,在空穴處將出現不同程度的波阻抗變化面。表現在原有的信號中迭加了強度不同的反射信號,或在不應出現反射波處有反射信號,根據反射波位置和反射信號的強弱,就可以確定錨桿錨固質量并為其分級。

3、地質雷達襯砌無損檢測原理

3.1探地雷達探測原理

探地雷達的探測原理與探空雷達相似,探地雷達是用一對天線進行工作的,如圖1a所示由發射天線T向地下介質中發射一定主頻的電磁脈沖波,電磁脈沖波在地層介質中傳播時,遇到地下介質中的物性介面(主要指電阻率和介電常數的差異分介面)時,發生波的反射和透射;被反射的電磁波傳回地面,被接收天線R所接收,電腦和儀器控制并接收從接收天線經電路和光纜傳回的地下反射回波信息,在電腦中存儲每一測點上波形序列的振幅及波的旅行時間,沿測線等間隔移動天線,在每一觀測點上可獲得一個波形序列,對于整條測線就可形成一條雷達剖面(見示意圖1b)。由于不同的介質不僅會引起電磁波的反射,而且還會使電磁波發生衰減和相位等特征的變化,高速鐵路隧道襯砌為層狀結構,均為非磁性介質,各層介質的介電常數有明顯的差異,它們之間能形成良好的電磁反射界面。當結構層發生破損(如出現空洞、裂隙、脫空等),在雷達資料中便會出現明顯的特征反射,如脫空時將產生夾層反射,空洞會產生繞射等,當結構層因透水性問題而使某層含水量量增大,或同現軟弱夾層時,介電常數將明顯增大,在資料中就可以得到高含水性的反射,且探地雷達具有極高的探測精度,因此在鐵路隧道襯砌結構層劃分、病害檢測、隱患調查中具有良好的檢測效果。

4、項目成員

項目組人員共計7人,由東華理工大學勘察設計研究院武漢分院劉前程高級工程師為組長組成的物探檢測組,成員包括物探工程師、地質工程師、隧道工程師、測量工程師、結構工程師等。

5、擬投入本項目的儀器與設備

投入本項目使用的儀器設備表

序號

儀器設備名稱/型號

型號、規格

數量

儀器、設備性能

1

TSP

TSP-203

1臺

良好

2

地質雷達

SIR2000

1臺

良好

3

錨桿無損檢測儀

/

2臺

良好

4

聲發射儀

/

2臺

良好

5

電腦

/

3臺

良好

6

打印機

/

3臺

良好


6、物探探測依據

1、《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》TB10223-2004

2、《鐵路混凝土與砌體施工及驗收規范》TB10210-2003

3、《鐵路隧道工程質量檢驗評定標準》TB10417-2003

4、《客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準》鐵建設[2005]160號

5、《鐵路工程巖土分類標準》(TB10077-2001);

7、各階段方案和工作流程

本項目隧道共5座,分別為******。

7.1地質預報方案

7.1.1前期準備工作方案

前期準備工作主要有兩項內容:

(1) 研究既有區域地質、工程地質資料,必要時到地表補充測繪,以達到對整個地區地質情況有一個比較全面和深刻的認識,如可溶巖分布情況、構造發育情況、地表水系發育情況、當地最低侵蝕基準面標高等。

(2) 通過對這些資料的分析和把握,制定預報預案,針對不同地段的地質情況進行地質預報重要性分級,不同級別的地段采取不同的預報手段,以達到既預報準確又節省有限預報資源的目的。

地質災害分級

地質災

害等級

地質災害等級對隧道

施工安全的危害程度

預報方式

A級

存在重大地質災害隱患的地段,如大型暗河系統,可溶巖與非可溶巖接觸帶,軟弱、破碎、富水、導水性良好的地層和大型斷層破碎帶,特殊地質地段,重大物探異常地段,可能產生大型、特大型突水突泥地段,誘發重大環境地質災害的地段以及高地應力、瓦斯、天然氣問題嚴重的地段以及人為坑洞等。

采用地質分析法、TSP隧道地震波反射法、地質雷達手段進行綜合預報。首先以地質分析法進行長距離預測預報,然后采用中長距離TSP和一種或幾種短距離物探方法相結合進行預報,同時進行多孔超前鉆探探查。

B級

中、小型突水突泥地段,較大物探異常地段,斷裂帶等。

采用地質分析法、TSP,輔以紅外探測、地質雷達,進行必要的超前水平鉆孔。當發現局部地段工程地質條件較復雜時,按A級要求實施。

C級

水文地質條件較好的碳酸鹽巖及碎屑巖地段、小型斷層破碎帶,發生突水突泥的可能性較小。

以地質分析法為主。對重要的地質(層)界面、斷層或物探異常地段可采用TSP進行探測,必要時采用紅外探測和超前水平鉆孔。

D級

非可溶巖地段,發生突水突泥的可能性極小。

采用地質分析法。

7.1.2現場施工方案

現場施工方案遵照“長期預報與短期預報相結合、物探手段與鉆孔直接預測相結合、區域性地質預報與掌子面地質預報相結合”的“三結合”原則,全面正規、貫穿全程。做到 “有疑必探、先探后掘”,充分發揮多種手段綜合預報的優勢,通過各種方法相互對照、相互補充,相互配合,提高物探成果解譯水平,提高地質預報精度。根據隧道地質預報工作特點,制定如下工藝流程圖2。

圖2 綜合超前地質預報工藝流程

(1)   TSP超前地質預報系統

l   準備工作

TSP-203地質超前預報系統測線設在工作面附近的邊墻上,由兩個接收器孔和24個炮孔組成。兩個接收器孔對稱分布在兩側邊墻,24個炮孔等間距分布在一側邊墻。在數據采集前,鉆孔、接收傳感器套管的安裝,以及接受氣孔、炮孔的傾向、傾角和各控基準點的測量可先期完成。這些準備工作不影響正常施工,可與隧道施工作業同時進行。注意依據工程地質力學的知識,正確選擇和設定解譯的搜索角和調諧角。

l   相關參數

爆破點沿著隧道一側洞壁平行于隧道底面呈直線排列,孔距1.5m,孔深1.5m~2.0m.距最后一個爆破點15m~20m設接收點,接收點孔深2.0m,孔口距隧底約1.0m與炮孔等高。接收器孔向上傾斜5o~10o,炮孔向下傾斜15o~20o。根據圍巖軟硬和完整破碎程度以及接受器位置的遠近,每個炮孔裝藥50g~100g。炸藥為高爆速炸藥,雷管采用零延時電雷管。

l   現場測量

接收器孔內置接收傳感器.探測時逐次引爆炸藥,制造出小型地震波.這些地震波遇到節理面、地質界面和破碎帶、溶洞、暗河等不良地質界面時會產生反射波。反射波的強度及傳送時間反映了相關界面的性質、產狀、距接收點的距離。

(2)   地質雷達

l   準備工作

使用地質雷達采集數據時,易受到測線附近的構造物、金屬物體、電磁干擾,應將其記錄在冊,并標出位置,在這樣的區域探測時應重復觀測,排除干擾因素。

l   布設雷達參數

雷達天線使用100Hz天線,探測距離15~25m范圍一般連續測量,視條件也可以點測,一般點距為0.5~1.0m,探測斷層或含水裂隙面,采用十字探測法,開挖工作面凹凸不平不符合條件時,采用點測法,有條件時可選用支架進行探測。

l   布設測線

使用地質雷達超前預報探測時,以掌子面前方為檢測目標,以拱頂為中心,以“一”字形或十字形布置2條雷達天線,若探測面較寬時,可以“井字形布置4條雷達測線。必要時加密雷達測線以提高探測結果的準確性。

7.1.3技術支持方案

(1)    數據處理分析

l   TSP超前地質探測的數據處理分析

TSP超前地質探測結果通過TSPwin軟件處理,可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果,以及反射層在探測范圍內的空間分布。利用TSPwin軟件按數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q-估計→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層的步驟進行數據處理。

TSP處理成果的動力學特征解釋遵循下述原則:

①   正反射振幅表明巖層,負反射振幅表明軟巖層;

②   若S波反射較P波強,則表明巖層含水;

③   若P波速度與S波速度之比增加或泊松比突然增大,表明有流體存在。

④   若P波速度下降,則表明裂隙或者孔隙度增加

l   GPR(探地雷達)超前地質探測的數據處理分析

現場探測時,可在掌子面布設“井”字型測網,為了得到較好的觀測效果,掌子面最好平整、直立。當區域構造走向與隧道軸線大致平行時,應在隧道側壁布置一些測線。為了獲得豐富的信息,應采用連續觀測方式。用RADANⅢ專用軟件對采集的數據進行增益、濾波、反褶積、希爾伯特變換等處理,突出異常。在資料處理的基礎上,分析地質雷達圖像,識別反射信號,確定電磁波在巖石介質中的傳播速度、反射波的到達時間,計算反射界面的位置,通過分析反射波的振幅、頻率,結合前期勘察資料推斷地質體性質

 

(2)    超前地質預報成果應用

l   對照原勘察設計文件,復核圍巖類別

現今大多數隧道的支護參數設計仍然是以工程經驗類比為主,僅對處于軟弱圍巖地段的初期支護鋼拱架、二次襯砌輔以必要的強度驗算。圍巖類別是工程類比設計施工的基礎。原勘察設計文件的圍巖類別僅是根據地表的物探工作及少量的鉆探工作量的結果來劃分,受勘探工作量、場地條件及工作方法的限制,設計階段所劃分的圍巖類別往往實際存在一定的差別,據此施工經濟與安全難以保正。

l   預報不穩定巖層、斷層破碎帶分布里程,避免盲目施工

通過超前地質探測,預報不穩定巖層、斷層破碎帶分布里程,以便設計、施工及時變更施工方法,準備應急措施,避免盲目施工。

l   預報富水帶的分布里程,及時采取處理措施

對溶洞、暗河的分布、規模進行預報,避免因突泥、涌水危及人員、設備安全的事故發生。

l   GPR超前地質探測成果

根據數據處理輸出的資料結合前期勘察資料、現場地質調繪綜合分析提交以下成果:

① 巖性分界面里程;

② 是否存在斷層,斷層破碎帶分布里程;

③ 富水帶的分布里程;

④ 溶洞、暗河等不良地質體規模、分布里程;

⑤ 軟弱結構面的分布;

6繪制沿隧道軸線方向的工程地質、水文地質綜合剖面圖。

施工時地質預報由專門的地質專業工程師負責,其它施工、質檢人員予以配合,進行資料收集、統計、分析和編制信息預報成果,由主管技術人員予以復核,并報設計、監理單位。為變更設計、修改施工方法提供依據,經分析、整理的地質資料作為施工技術資料存檔。

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