论隧道施工中超前地质预报技术的应用

科技情报开发与经济　文章编号：１００５—６０３３（２０１０）０１—０１５１－０３　ＳＣＩ—ＴＥＣＨ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ　２０１　０年第２Ｏ卷第１期　收稿日期：２００９一Ｉ　１—０６　论隧道施工中超前地质预报技术的应用　王明生　（山两省交通规划勘察设计院，山两太原，０３００１２）　摘要：介绍了超前地质预报技术的概念，探讨了隧道超前地质预报方法及应用，通过　对某隧道超前地质预报，减少了隧道施工过程中的盲目性，避免了重大的不良地质或　灾害地质的发生。　关键词：隧道施工；超前地质预报技术；地质分析法；物探法；钻探法　中图分类号：Ｕ４５５　文献标识码：Ａ　（２）断层，包括断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩　１超前地质预报技术概述　某隧道地质情况极其复杂，岩溶发育，断层破碎带多，地下　水丰富。为保证隧道的顺利施工，必须做好超前地质预报和探测　工作，以确定合理的施Ｔ方案。　超前地质预报技术ｆｌｉ现在２０世纪中后期，是工程地质的一　划分，并进行断层带岩体的稳定性评价。　（３）节理，包括节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特　性、理学性质、分析组合特征、判断岩体完整程度等。　（４）地应力，包括高地应力显示性标志及其发生部位，如岩　爆、软弱夹层挤｝ＩＪ、探孔饼状岩心等现象。　（５）特殊地层，煤层、沥青层、含膏盐层和含黄铁矿层应单独　描述。　个分支，我国从２０世纪７Ｏ年代后期逐渐开始重视这一方面的　研究和应用。要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防隧道施　＿Ｔ巾的地质灾害。在施工中，塌方是制约快速施　的最主要　素　之一，而断层、岩溶是隧道隧洞开挖过程巾最常见的不良地质现　象，也是引起隧道塌方的“罪魁祸首”之一。赋存于断层及破碎带　巾的溶洞、暗河、淤泥带是隧道隧洞突泥突水等地质灾害的最主　要根源，断层破碎带是诱发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突Ｉｌ｜等地质灾　害的最主要地质　素之一。断层破碎带还与岩爆的发生和产生　（６）塌方，应记录塌方部位、方式与规模及其随时间的变化　特征，并分析产生塌方的地质原因。　２．１．２水文地质　（１）ｊ＿｝｝水点位置、｝ｆ｛水状态、水量、水压、水温、颜色、泥沙含　量测定，必要时进行长期观测。　（２）水质分析，判定水对建筑材料的腐蚀性。　密切相关。根据隧道隧洞开挖面前方隐伏断层及破碎带、岩溶规　模准确定位和评价，采取准确而有效的防治措施，不仅可以减少　隧道塌方、突泥等灾害的发生，加快施工进度，而且可以节约大　量成本，显著提高经济效益。　（３）ｍ水点和地层岩性、构造、岩溶、暗河等的分析。　（４）必要时进行地表相关气象、水文观测，判断洞内涌水与　地表径流、降雨的关系。　（５）必要时应建立涌突水点地质档案。　２．１－３岩溶　２隧道超前地质预报方法及应用　隧道超前地质预报应将常规地质法、物理勘探法及钻探法　包括ｌ岩溶规模、形态、位置、所属地层和构造部位，充填成　分、状态以及岩溶展布的空间关系。　２．１．４摄像和影像　等多种预报手段综合运川，相互补充。表１为隧道超前地质预测　预报的方法。　表１　隧道超前地质预测预报的方法　Ｉ芋号　ｌ　素描　２　物探　手段　３　４　５　６　地质雷达　红外探水　探测手段　地质　地质素描或数码　成像　ＴＳＰ　远距离探测断层破碎带、岩层分界面，　ｌＨ于地质条件复杂的隧道。　近距离探测隧底、掌子面岩溶。　探测含水断层和溶洞是否存在含水　破碎带。　隧道内重要的和具有代表性的地质现象应进行摄像或录　像。　２．２物探方法　备注　形成隧道地质基础资料　物探方法包括ＴＳＰ隧道地震波反射法、地震雷达法、红外探　测等。　２．２．１　１￣Ｐ２０３超前地质预报系统　ＴＳＰ（　Ｆｕｎｎｅｌ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）是一种新颖、快速、有效、无损　的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，其目　的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的ｊ维空间的工程地　质预报。ＴＳＰ方法探测距离远，对大多数岩层．从隧道掘进面算　起，其探测范嗣可以达到前方１００　ｍ，硬岩层甚至可达２００　ｍ．最　适合长期（长距离）超前地质预报。　ＴＳＰ２０３现场数据采集包括打接收器孔和爆破孔、埋置接收　地质　水平钻探（３０ｍ）　断层、岩溶、瓦斯、重大物探异常段等。　钻探　加长炮孔钻探　掌子面短距离岩溶、地下水等揭露。　（加长３ｍ）　２．１地质分析法　器管、连接接收信号仪器及爆破接收信号过程等工作。３５Ｐ２０３系　统在同岩较好的地段可测出前方１００　ｍ一２００　ｍ范嗣内的岩层分　本隧道采用地质素描法进行地质分析。地质素描指正洞洞　壁及掌子面素描，具体内容主要包括以下几方面。　２．１．１　工程地质　界面、岩层的物理性质、断层破碎带、洞穴、隐伏含水体等。根据　本隧道的技术要求，本隧道每１００　ｍ进行一次　ＦＳＰ２０３探测，每　次探测范嗣１５０ｍ．全隧道共需进行２Ｏ次探测。根据项目部安　ｌ５ｌ　（１）地层岩性，包括地层时代、岩性、岩体产状等。　王明生　论隧道施丁巾超前地质预报技术的应用　排，此项物探方法委外施作。其探测方法如下：　（１）爆破孑Ｌ布置。ＴＳＰ２０３超前地质预报系统洞内布置的接收　器孑Ｌ和爆破孑Ｌ不是在掌子面上．而是存掌子面附近的边墙上，一般　情况下．它是南两个接收器孑Ｌ和２４个爆破孔组成。接收器距掌子　面约５５　ｎ　，存隧道两侧对称布拦，最后一个爆破孑Ｌ距掌子面约０．５　Ｉｌｌ；爆破孔问距１．５　ｎｌ，孔深１．５　１１１，孑Ｌ径３５　ｎｌｍ一３８　１１１１１１，孔口距隧道　底约１．Ｏｍ．向下倾斜１０￣－２０。；接收器与第一个爆破孔间距２０　Ｉｎ＇　接收器孑Ｌ深２．０　ｆｌｌ，孑Ｌ径４３　ａｒｎ１　４５　Ｆｉｌｍ，孑Ｌ口距隧道底１．０　Ｉｌｌ，向下　倾斜５。～１０。。冈１为　１＂ＳＰ２０３检测钻孑Ｌ平面布置示意图。　…　………………………～　。　…　ｊ【，　＿———　，　≤　Ｉ　＿，，检测办向　＝＝二　’　：　Ｉ…Ｉ　Ｉ—ｉ—　＼　图１　１＂ＳＰ２０３检测钻孑Ｌ平面布置示意冈　（２）埋设传感器杆。埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚碴，　放入环氧树脂药卷，插入传感器套杆，川钻带动其钻动，保证环　氧树脂药卷充分搅拌。待传感器杆同定后，插人传感器，注意传　感器方向朝向掌子面。　（３）连接检查。把传感器、检波器（电脑）、起爆器、同步器连　接起来，并检金其是否正常１二作，注意此时起爆器不得与雷管相　连。　（４）测量时间。测量时间选在施Ｔ交时问，要求工作面　８００　ｍ范用内不得有机械作业和作业人员作业，作业前与现场施　Ｔ员联系，以确定停１二时间，此时准备好爆破药卷、电雷管等。　（５）装药爆破。由最里边炮孔开始，逐个依次装药连线，起爆　器起爆。装药量根据同岩情况，一般控制在１０　４０　ｇ左右。　（６）成果分析。采州　ＦＳＰ２０３白带的软件分析系统，剔除一些　明　的十扰波，软件白动分析，自动生成闭表，反映前方嗣岩的　物体特性、岩层分界线、软弱带、断层的位置等信息。　２．２．２地质雷达　当ＴＳＰ２０３系统预报前方有溶洞、暗河水体、岩体层面等不　良地质时，其规模、形态需要具体了解，就需　地质雷达进行探　测。根据项目部安排，此项物探方法委外施作。　探测方法：在开挖掌子面上，以上、巾、下水平和左、有为骨　架布置若十水平测线和竖线测线向前方探测，每条测线可构成　一条剖面，各条剖面上的综合地质信息即构成了前方一定范嗣　内的空问地质构造形态。测线的密度可视所探测地段的同岩地　质构造复杂程度和所要求的探测控制精度选定，同岩越复杂，要　求的控制精度越高，则测线密度就越大，反之越小。根据探测资　料，首先对各方面剖面进行综合分析，定性判定前方地质情况，　并定量确定有关异常体、条、带等位置、深度及其空间分布情况，　冉结合具体的地质条件（如断层、节理、裂隙与隧道走向的夹角　和倾角及其对隧道同岩稳定性的影响程度）、地压　素（静压、动　压和二次平衡压），详细划分和界定同岩类别，以便主动采取超　前支护措施。　根据本隧道的技术要求，本隧道地质雷达预测每２５　ｍ进行　一次，每次探测范嗣１５　ｍ，全隧道共需进行７９次探测。阿２为质　雷达测线布置。　２．２．３红外线探水法　采川ＨＹ一３０３防爆红外线探测仪进行超前防水预测预报，了　解掘进前方１０　ｎｌ～３０　ＩＩＩ范用内是否存存含水断层和溶洞、是否　Ｉ５２　本刊Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｓｘｉｎｔｏ．ｈｅ｜　科技论坛　存存含水破碎带。向两壁外侧探测　垂直测　／一、＼　了解两壁外侧是否存在隐伏水体、　＼／　。、水平测　是否存在与隧道走向成小角度斜　…　？　’｝／　交的断层、是否存在溶洞。红外探　ｌ—　……．　一一／Ｉ　水　图３。　　ｌ：　：　１　根据本隧道的技术要求，本隧　ｌ＿一０…．　…ｌ　道红外探水预测每２５　ｍ进行一　一　次，每次探测地同３０　ｍ，全隧道需　陶２地质雷达测线布置　等位面　、　．一ｒ～、　、　ｌ＿ｌ＿　一是≥　亦　　、．ｆｖ　Ａ　，，Ｊ／　Ｐ　。。。　、、‘：：　：　Ａ为供电电搬；Ｍ／Ｎ为测量电檄；Ｂ为相对无穷远点，　（ＡＢ＞３００　ｍ）；ｐ为含水体接触点　冈３红外探水仪示意图　进行７９次探测。根据项目部安排，此项物探方法委外施作。　隧道施Ｔ进程巾应．１｛＿Ｊ　ＨＹ一３０３型防爆型红外线探测仪，对前　方３０　ｍ范嗣内进行含水层的定性探测。探测方式为探测掌子面上　３　ｃｍｘ３　ｃｎｌ网格上９个点的温度或热辐射数据；掘进后面掌子面　方向靠近掌子面５０　ｍ内左边墙、拱部、右边墙红外辐射场数据。　判别标准：一般是利川掌子面上探测数据两点问最大渎数　差值，参考背景趋势ｆｆｆＩ线来判断前方含水可能性。　２．３钻探方法　钻探方法是最　观、可靠的超前预报手段，对来自物探或其　他方法认为重点怀疑地段采用钻探探测，通过对钻孔取岩心并　利用岩心做式样进行试验分析。钻孔钻速测试是根据钻机在岩　石中的钻进速度和岩石特性之间的关系来判断地层变化、岩性　差异、地层含水量等信息。　（１）钻孔布置。一般存施ｌＴ面布置不少于３个超前钻孔，部　分岩层破碎地段或断层破碎带需增加钻孔数，以不少于５个孔　为宜，位置位于断面上半部分巾问。钻孑Ｌ布设　罔４（正常情况下　只川上部３个孔）。　图４探孑Ｌ布置示意　每个断面设５个超前探水孑Ｌ，进行超前地质预报和探测，现　场施作时可根据同岩情况进行增减和捌整位置。　ｆ２）钻孑Ｌ方法。水平超前钻孑Ｌ平行于隧洞轴线。按物探方法　预报提供的不良地质里程位置，存距不良地质１０　ｍ—ｌ５　ｎｌ处停止　开挖，在开挖面进行钻孔，钻孑Ｌ直径７５　ｉｌｌｎｌ，钻孑Ｌ长度为穿过不良　地质，必要时收岩芯。钻孔终孔点须在隧道开挖轮廓线外不大于　５　ｍ一７　ｎｌ　其钻孔方向、钻孑Ｌ的水平角、倾角以及钻孑Ｌ存开挖面上　王明生论隧道施＿Ｔ巾超前地质预报技术的应Ｈｊ　本刊Ｅ－－－ＩａｉＩ：ｌ　＠ｓｘｉｎｒ０．ｎｅｔ　科技论坛　的位置须按平面、刨面坐标进行计箅，并按设汁推算可能遇见的　不良地质点位置。　报同、对侧Ｐ波合成位图　示该段波速变化频率大，推测此段同　岩较破碎，掌子面岩体多呈碎块镶嵌状．次生裂隙发育，且存　Ｋ４＋０５０处波速变化较快，推测在该段岩体破碎，同时反射界面　冈巾存Ｋ４＋０６５处存在反射界面，推测存陔处可能存在局部破碎　带、岩体节理发育。实际开挖揭示，在Ｋ３＋５　１０　Ｋ３＋５３０段同岩结　构破碎、节理裂隙发育．Ｋ３＋５３０处开始…现断层，存Ｋ３＋５８０处　…现突水。存Ｋ４＋０５０处岩体破碎，施Ｔ到Ｋ４＋２３０后岩体开始　域稳定，预报结果与实际情况基本相同。　钻探应符合下列规定：钻探口径和钻具规格应符合现行同　家标准的规定；成孑Ｌ口径应满足取样、测试和钻进Ｔ岂的要求；　应严格控制非连续取芯钻进的同次进Ｊ　，使同岩分界精度符合　要求；岩芯钻探的岩芯采取牢，对完整和较完整岩体不应低于　８０％，较破碎岩体不应低于６５％；对需重点查明的部位（滑动带、　软弱夹层等）应采．Ｌ｝ｊ双层岩　管连续取芯。　（３）钻孑Ｌ长度。根据现有机具和钻孑Ｌ经验以及木隧道的技术　要求，木隧道每次水平钻孑Ｌ深度取３０　ＨＩ左有，全隧道均需进行　超前钻孑Ｌ。　在综合地质超前预报巾的各种方法巾，ＴＳＰ２０３具有作业怏、　测距长、十扰相对少等特点，可以与多种预测法结合应川；但其　３结语　通过地质超前预报，减少了隧道施丁过程巾的肓目性，避免　了隧道施Ｔ过程巾可能诱发的重大不良地质或灾害地质的发　生，并根据现场预报结果，实施动态信息的施Ｔ方法，及时调整　或修正嗣岩分级、设计参数及施Ｔ方法，正确指导施Ｔ，使施ｌＴ　快速、安全、经济、合理。　参考文献　［１］欧阳刚杰．隧道超前地质预报综述［Ｊ］．企业技术开发，２００９　（１）：２８—３０．　精度不高，解释难度大，适于进行长距离预测。地质雷达可以准　确测定段距离内隧道四周和底部的空洞、水体情况．可补充　ＴＳＰ２０３系统的不足。地质钻探基本可以揭示地下水及同岩物体　力学性能，但十扰大、用时长、费Ⅲ高。而加长炮孑Ｌ钻探设备简　单、操作方便、费　ＬＩｊ低，占川隧道施Ｔ时间短，在岩溶地段效果更　好。Ｉ　此施＿Ｔ巾应采取多种预报手段综合运刚，取长补短，相互　补充和印证，确保地质预测、预报的准确性。　在隧道右线Ｋ３＋５００一Ｋ３＋６５０段进行了超前地质预报，预报　南同、￣＂Ｊ９１Ｊｌ纵横波偏移成果网　示的结果，推测该段嗣岩较差．　裂隙与地下水均较发育，岩体呈块状结构，地下水局部存在淋雨　状。其巾，在Ｋ３＋５３０一Ｋ３＋６００之间存在断层破碎带，并可能存在　股状涌水。在隧道Ｋ３＋９１０～Ｋ４＋２２０段进行了超前地质预报，预　［２］张建兵，陈永林．超前地质预报技术在隧道施Ｔ巾的运Ｈ｛　［Ｊ　Ｊ．山丙建筑．２００９（１３）：３１２－３１３．　（责任编辑：戚米莎）　第一作者简介：王明生，男，１９６１年６月生，１９９０年毕业于　长安大学公路与桥梁专业，高级丁程师，山两省交通规划勘察设　计院，山两省太原市，０３００１２．　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｍｉｎｇ－ｓｈｅｎｇ　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｂｅｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｂｌｉｎｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｕｆｌｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕ￣ｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｈａｚａｒｄ　ｇｅｏｌｏｇｙ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｇｅｏｌｏｇｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　【上接第１４８贞）　参考文献　（本义部分参考文献　著录项目不全被删除）　（责任编辑：邱娅男）　第一作者简介：马克生，男，１９７１年３月生，２０００年毕业于　浙江大学．副教授，太原理Ｔ大学建筑与土木＿Ｔ程学院，山两省　太原市迎泽西大街７９号，０３００２４．　［１］蒋卿．静压桩沉桩贯人及承载力的数值分析与试验研究　［Ｄ］．郑州：河南丁业大学，２００７．　［２］刘金波．建筑桩基技术规范的理解与应川［Ｍ］．北京：巾围建　筑Ｔ业Ⅲ版社，２００８．　Ｔａｌｋｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　Ｊａｃｋｅｄ　Ｐｉｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ＭＡ　Ｋｅ・ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎ－ｙｉ　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｊａｃｋｅｄ　ｐｉｌｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｍａｋｅｓ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ｓｉｎｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ａｎｄ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｊａｃｋｅｄ　ｐｉｌｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｊａｃｋｅｄ　ｐｉｌｅ；ｐｉｌｅ　ｓｉｎｋｉｎｇ；ｆｉｎａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｕｈｉｍａｔｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｌ５３