TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用

TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用（共7篇）

1.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇一

TSD系统在隧道超前地质预报中的应用

指出TSD隧道超前预报系统是用地震原理对隧道进行超前探测的系统,该系统采用了速度型检波器进行数据采集,数据采集和处理系统高度智能化,使用该系统对安徽某隧道(ZK55+488里程)进行地质预报,结合实际开挖证实了该套系统预报的可行性和准确性.

作 者：宋广明 刘志凯 刘瑞臣 SONG Guang-ming LIU Zhi-kai LIU Ru-chen 作者单位：天津华勘有限公司,天津,300181刊 名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE年，卷(期)：35(18)分类号：U452.1关键词：TSD 隧道 超前预报

2.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇二

随着隧道的深度和长度不断增加, 如何快速进行快速有效的隧道施工就成为了本世纪隧道工程界重点研究的问题。隧道工程的特点是具有非常高的复杂性和不可预见性, 在现有的技术水平下, 如何做好隧道施工过程中各类地质灾害的预测和治理就成为了复杂地质环境下铁路、公路隧道施工中的主要任务之一, 其中, 对于隧道施工过程中地质灾害的提前预报是国内外相关领域的研究瓶颈, 虽然得到了很多关注, 但是并没有很好的解决方案。

TSP系统是专门为隧道超前地质预报而设计开发的, 该系统可以对隧道工作面前方的围岩地质体的位置、规模和性质进行预测, 并计算出相应的物理力学参数, 为合理的选择支护参数提供了科学依据, 从而保证了隧道工程的质量和施工安全。目前, 我国引进的TSP系统主要为TSP-202和TSP-203, 曾成功的运用于晓南煤矿、山西雁门关公路隧道、兰武二线、云南元磨高速公路、青海公伯峡水电站导流洞、渝怀铁路部分隧道工程、株六铁路复线、秦岭铁路隧道等几十个工程项目中, 得到了工程技术人员的广泛认可和好评, 本文主要以TSP-203系统为例对其在隧道超前地质预报中的作用进行讨论。

2 TSP-203系统简介

2.1 T SP-203系统的基本原理

TSP-203系统主要利用了地震波的反射波原理, 详见图1。

特定位置进行的小型爆破产生了地震波, 爆破布局为24个爆破点沿着一侧隧道壁排列成直线, 炮孔深度和间距均为1.5m。地震震源面由人工制造的一系列按照一定规则排列的轻微震源组成, 当由这些震源发出的地震波遇到淤泥带、岩溶陷落柱、暗河、溶洞、断层破碎带界面等不良的地质界面时, 就会产生反射波。这些反射波会被设置在隧道壁上的传感器接收并传递给记录单元。由于反射波的到达时间与不良地质界面的距离成正比关系, 因此反射信号的强度大小就与界面的产状和性质密切相关, 通过对数据记录的分析, 就能够得出隧道结构剖面及其周围岩石结构的物理力学参数。

2.2 系统组成及其技术特点

1) 记录单元:12道24位MD转换, 采样间隔为62.5μs和125μs, 动态范围120dB, 记录带宽8000、4000Hz, 最大记录长度1808.5m s。

2) 接收器 (传感器) :三分量加速度地震检波器, 共振频率为9000Hz, 平率范围为0.5~5000Hz, 灵敏度为1000m V/g±5%, 横向灵敏度>1%, 操作温度为0~65℃。

3) TSPw in PLUS 2.1软件:能够同时进行数据的采集、处理和评估。

2.3 仪器参数及数据采集

在进行数据采集时, 采用的是X—Y—Z三分量同时接收, 间隔时间为62.5s, 采样数为7218, 记录长度为451.125m。采用无爆炸延迟的瞬发电雷管激发地震波, 所使用炸药为防水乳化炸药, 1~10炮的激发药量为15O克, 11~24炮的激发药量为200克, 在引爆之前以注水方式封堵炮孔。共记录地震数据24炮, 实发24炮, 所记录的数据质量较高, 可以用于后续的数据处理和评估。

2.4 数据处理

采集到的数据均通过TSPwin PLUS2.1专用软件进行处理, 基本流程主要为11步, 分别为设置数据、带通滤波、初至拾取、处理拾取、炮能量均衡、Q估计、反射波提取、P波S波分离、速度分析、深度偏移、提取反射层。数据处理得到的结果为反射层二维分布、岩石物理力学参数、提取的反射层、深度偏移剖面、SV波的时间剖面、SH波和P波。

3 应用实例

本次检测实例为某隧道工程出口部分, 开挖掌子面里程为YDK513+328, 设计围岩等级为Ⅲ级, 属第四系堆积层以及三叠系下统嘉陵江组地层, 青灰一深灰色, 成块状构造, 地表属强风化, 裂隙较发育, 有厚度为12m左右的破碎岩石层。深部为弱风化, 围岩具有较高的稳定性。设计YDK512+984前后各有一层压扭性断层, 表现为硅化带, 影响宽度约为88m。

3.1 对于结果的解释与评估

评估方法主要基于以下地震勘探准确:

1) 波阻抗和反射系数的差别与反射振幅的强度成正比。

2) 红色部分为正反射振幅, 表明坚硬岩层;蓝色部分为负反射振幅, 表明软弱岩层。

3) 如果纵波的反射小于横波, 则说明岩层含水量较大。

4) 如果横纵波的泊松比或速度突然增加, 则说明有流体的存在。

5) 如果纵波的速度降低, 说明孔隙度和裂隙密度增加。

3.2 探测结果

该隧道出口的TSP探测结果见图2。

3.3 探测成果解释及评估

对于探测结果的解释和评估见表1、2。

3.4 相关建议

预报段范围内YDK513+328~300、YDK513+290~277以及YDK5I3+24541段的围岩强度低, 情况较差, 因此在施工前应做好充足的安全防范和地质勘查工作, 并注意加强支护。其它段的围岩情况较为稳定, 各项指数无明显变化, 无明显断层。

4 结语

1) TSP是一种专门为地下工程研发的反射地震探测技术, 在投入使用后, 已经成功的对很多隧道工程施工过程中存在的不良地质问题进行了预报, 为提高工程质量, 保证施工安全做出了巨大的贡献。但也应注意到, TSP技术还只是一项仍在不断探索、研发和改进的隧道地质超前预报技术, 虽然在成果解释和技术方法方面已经较为成熟, 但是在对不同类型围岩的超前预报中, 还存在一些尚未解决的问题, 例如判断检测数据的有效性和强弱特征等、

2) 应以施工所在区域的地质勘查报告为基础, 对隧道施工现场的地质情况进行宏观预报, 再将宏观预报所得出的结论作为进行隧道超前地质预报的指导原则, 同时, 注意使用长短距离相结合的隧道施工不良地质超前预测预报技术, 以便充分发挥它们各自的优势, 使各项数据更加充分, 便于技术人员对有关地质情况做出更加合理的解释。

3) 在隧道施工前进行超前地质预报已经得到了工程技术人员广泛的关注和认可, 并成为了保证工程质量和施工安全的重要措施和手段, 是绝大多数隧道工程的第一道工序。加强对该技术的使用, 能够进一步增强施工的目的性, 最大程度的降低可能发生的安全事故。在使用过程中, 隧道超前地质预报的重点应放在那些容易导致地质灾害的如围岩坍塌、突泥、突水等不良地质问题上。

4) TSP系统能够对施工前方的地质变化情况 (如软弱岩层、断层破碎带等) 进行长距离的预测, 在掌子面前方100~150m范围内的准确率最高, 在绝大多数岩层结构中, 其有效预测范围都能达到100m左右, 并且整个测量工作对正常施工的干扰微乎其微。

5) TSP系统虽然得到了不断的改进和完善, 但到目前为止还无法对岩层中水的含量及出水地点进行准确预测, 另外, 炮点激发的误差、地震波波速与围岩的影响、测线排序和信号接受等问题还值得进一步的探索和研究。

隧道工程的涉及面广、系统性强, 隧道超前地质预报只是其中的一个子系统, 因此需要参与工程各方的协同配合才能有效开展。工程实践表明, 超前地质预报能够有力保障施工安全和工期, 具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]林才奎.复杂地质条件下隧道施工安全和保障技术[M].北京:人民交通出版社, 2010.

[2]邓荣贵.泥巴山深埋特长隧道岩体工程问题研究[M].成都:西南交通大学出版社, 2010.

[3]张庆贺.隧道及地下工程灾害防护[M].北京:人民交通出版社, 2009.

3.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇三

人工地震反射法在超前地质预报中的应用

超前地质预报关系到隧道施工的安全和进度.实践表明,采用基于人工地震反射法的TSP203超前预报系统(以下简称TSP203系统),并结合其它探测手段的`综合预报方案能较好的实现超前地质预报,并可兼顾隧道施工特点和成本.文中介绍了TSP203系统的基本工作原理,并通过该系统在大瑶山铁路隧道的应用实例,说明该系统在复杂地质条件下的具体应用情况.结合多年现场实际操作经验着重分析了预报误差产生的主要原因:客观上由于岩性和构造面本身的复杂性以及TSP203系统的局限性,该系统探测与隧道轴向大角度相交的近平面状的结构面较适合,小角度或者平行结构面则不适合,探测溶洞和地下水有较大难度;主观上与操作人员的运用水平密切相关.提出了提高数据采集精度以及结合实际地质情况和其它物探方法提高对反射体解释能力的建议.

作 者：闫小兵 周永胜 杨晓松 YAN Xiao-bing ZHOU Yong-sheng YANG Xiao-song 作者单位：中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京,100029刊 名：地震地质 ISTIC PKU英文刊名：SEISMOLOGY AND GEOLOGY年，卷(期)：29(4)分类号：P315.3+1关键词：人工地震反射法 TSP203系统 隧道 预报精度

4.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇四

国内外隧道勘测部门、设计部门以及施工技术部门都做了很大的努力, 希望寻找一种简单可行的方法来探明隧道掌子面前方的地质情况。其中水平钻孔预报法是通过岩芯试验获得岩石强度的, 是有效的地质预报方法。但是一次钻探深度浅, 价格高且影响正常的施工时间长。而TSP超前预报技术应用于隧道超前地质预报取得了较为理想的效果。近年来, TSP超前地质预报方法广泛运用于隧道前方软弱夹层、断层、节理密集带等层状分界面。而对于岩溶的预报, TSP方法开展较少, 也并不成熟。本文结合齐岳山隧道工程具体实施TSP预报工作的情况, 探讨了TSP方法、原理在岩溶隧道中的应用, 并通过实践证明TSP方法在岩溶隧道中的可行性。

一、TSP地震波法超前地质预报

采用瑞士安伯格公司生产的最新型号的TSP203plus测量系统进行隧道地质超前预报。TSP测量系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的, 爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播, 其中一部分向隧道前方传播, 经隧道前方的界面反射回来, 反射信号经接受传感器转换成电信号并放大。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来, 同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生, 一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点, 爆破点平行于隧道底面呈直线排列, 孔距1.5m, 孔深1.5m, 炮孔垂直于边墙向下倾斜10~15度, 以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15~20m处设接收器点 (在一侧或双侧) , 接收器安装孔的孔深2m, 向上倾斜15度, 内置接收传感器。下图为观测系统与隧道关系平面示意图。

二、利万高速齐岳山隧道

齐岳山隧道位于湖北省利川市南坪乡朱家院子和谋道镇筲箕湾之间, 为穿越齐岳山而设, 设计为分离式隧道, 隧道走向3 1 3°。隧道左幅起讫桩号ZK18+888~ZK22+268, 长3380m, 最大埋深670m;右幅起讫桩号YK18+910~YK22+292, 长3282m, 最大埋深543m。项目区为鄂西南褶皱山地, 总体为构造溶蚀剥蚀低中山区、构造溶蚀剥蚀中山和构造剥蚀中山地貌区。

三、工程应用

应用TSP203对利万高速公路齐岳山隧道进口段左洞进行了超前地质预报, 采用TSP203plus仪器进行数据采集。此次TSP预报共激发20炮, 炮点距1.5m, 接收器置于隧道左边墙内 (面向掌子面) 接收。掌子面桩号为ZK20+436, 传感器桩号为ZK20+374。采集参数为:采样率62.5μs, 记录长度7218样点, X-Y-Z三分量接收。本次探测范围为进口ZK20+436~ZK20+566, 共130m。用TSPwin软件对接收到的地震波信号进行处理, 得到掌子面前方岩体波速、界面及岩体物性参数等成果。

四、结论

综合T S P探测结果及地质资料分析, 该预报段总体情况如掌子面为微风化灰岩夹泥质, 其中ZK20+456~ZK20+474段、ZK20+510~ZK20+530段、ZK20+542~ZK20+550段、ZK20+560~ZK20+566段范围内围岩裂隙较发育, 强度和完整性较差, 溶蚀裂隙水含量较高, 存在溶洞可能性较大。

1. 随后的隧道施工开挖与TSP203超前地质预报结果基本吻合。

2. 准确确定隧道施工掌子面前方围岩纵横波速度分布、反射地质构造的准确位置和界面两侧围岩力学性状的差异, 大大地提高了超前预报的准确性和可靠性, 降低预报的风险。

5.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇五

本文依托某隧道出口段工程, 采用物探方法 (地质雷达) 和超前钻探方法相结合的方式, 对某隧道的不良地质体进行了探测, 并结合探测结果与现场开挖情况进行对比分析。结果表明, 地质雷达和短距离钻探可较为精确预报岩溶区隧道的不良地质体, 能够避免和减少隧道施工中可能出现的地质灾害, 是防止施工中突发性灾难, 保证施工工期、施工质量和评判围岩稳定性的有效措施。

1 工程概况

某隧道左线起讫桩号ZK64+292~ZK68+157, 长3 865 m, 属特长隧道, 最大埋深约485.2 m, 进洞口走向方位角125°, 出洞口走向方位角143°;右线起讫桩号YK64+300~YK68+159, 长3 859m, 属特长隧道, 最大埋深约480 m, 进洞口走向方位角125°, 出洞口走向方位角143°, 单洞净空 (宽×高) :10.25 m×5.00 m。隧道地层为上白垩系罗镜滩组石灰质砾岩, 地表岩溶发育, 分布有大量的岩溶洼地、落水洞、漏斗, 大气降水直接通过落水洞、漏斗灌入地下, 并通过地下河排向深切河谷, 且发育有漏水洞, 为典型的强岩溶隧道, 施工风险极大。隧道开挖过程中可能出现岩溶发育、膨胀围岩、破碎断层等不良地质体问题, 有必要进行隧道超前地质预报工作, 以保障隧道施工安全。

2 探地雷达探测基本原理

探地雷达是利用频率介于106~109 Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。探地雷达基本原理如图1所示。

发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下, 电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体时, 就会发生反射和透射, 接收天线收到反射波信号并将其数字化, 然后由计算机以反射波波形的形式记录下来。对所采集的资料进行相应的处理后, 可根据反射波的传播时间、幅度和波形, 判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。

探地雷达是通过对反射波形特性分析来判断地下目标体的, 所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中, 目标体与介质间的电性差异越大, 二者的接口就越清晰, 表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说, 目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。

3 探地雷达超前探测

2013年8月, 对某隧道出口段ZK67+739工作面开展了1次短距离超前预报地质雷达探测工作。

3.1 探测方法

采用天线频率为100 MHz, 采集样本点为512。测线布置如图2所示。探测流程为: (1) 放平雷达天线, 连接并固定好电缆两端; (2) 打开主机并进入操作界面;根据隧道的围岩条件、探测目的及探测范围等信息综合设置“COLLECT”菜单下各参数取值, 调试增益“GAIN”幅度以达到最佳状态; (3) 完成雷达主机参数调试, 进行雷达超前地质预报。

3.2 数据解译

地质雷达图像剖面是地质雷达数据解释的基础, 只要工作面前方介质中存在电性差异, 就可以在雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应。雷达剖面图的识别主要是确定具有相同特征的反射波组的同相轴。通常来说, 构造断裂带在雷达剖面上的波形反映一般是与断裂带走势相同的一条曲线, 软弱夹层和岩溶洞穴的波形反映一般是由许多细小的拋物线组成的一块较大区域, 与周围的波形存在明显的差异。实践证明, 地质雷达对工作面前方含水、溶洞、断裂带等异常反映较好, 但预报范围将会相对缩短。因为水的介电常数ε=81, 电磁波能量会被水大量吸收, 探测距离相对缩短。电磁波在地层中传播时的能量消耗也很大, 也会对探测距离有一定的影响。雷达图像的判读除了在雷达剖面图上发现明显的信号异常之外, 还要注意观察工作面施工现场的地质情况, 结合地质方面的知识加以综合判断。

通过对“OUTPUT”菜单保存的雷达数据导入专业雷达处理软件“Reflexw”中进行处理与解译, 按照截波、零点漂移、直达波拾取、增益、横波滤除, 背景去除、高切、低切、平滑处理等步骤, 得到最终的雷达处理数据图像, 并根据图中信息对隧道前方地质进行准确判断。

3.3 结果处理分析

通过对工作面地质雷达探测结果的处理, 得到雷达探测结果如图3和图4所示。

工作面前方2 m内 (ZK67+739~ZK67+737段) 雷达信号反映强烈, 推测该段围岩较为破碎, 可能存在节理裂隙发育, 围岩自稳能力较弱, 开挖时围岩受扰动容易松散产生掉块。隧道工作面前方2~12 m (ZK67+737~ZK67+727段) 雷达信号反应较弱, 出现抛物线型区域, 且同相轴不连续, 推测该段节理裂隙发育, 充填物丰富, 泥质夹杂, 围岩强度较低, 完整性较差, 局部存在小型空腔。隧道工作面前方12~20 m (ZK67+727~ZK67+719段) 雷达信号出现异常, 且信号反应强烈, 推测此段围岩较为破碎, 围岩整体性较差, 可能有裂隙发育, 岩体胶结力较弱。

4 超前钻探

超前地质钻探是在工作面布设探孔, 采用水平钻机进行超前钻探, 根据钻机在钻进过程中的推力、扭矩、钻速、成孔难易及钻孔出水情况 (必要时提取岩芯进行分析) 来确定前方的地层和岩性, 同时进行涌水量、水压测试及水质分析, 判定工作面前方地层含水情况及性质的一种超前地质预报方法。

此次超前钻探采用YQ100E多功能潜孔钻机进行, 钻头Ø90 mm, 钻杆Ø50 mm。现场布置1个钻孔, 钻孔布设于工作面中部、距地面约1.2 m处。为了综合判断工作面前方围岩情况, 实施超前钻探工作前, 先在隧道Ⅲ级围岩处试钻一深2 m的钻孔, 以确定该钻机在Ⅲ级围岩中的钻进效率。Ⅲ级围岩中的钻进结果表明, YQ100E型多功能潜孔钻机在Ⅲ级围岩中钻进1 m的平均钻进时间为7 min 38 s。根据该钻进效率, 结合隧道工作面的实际施工情况以及现场地质调查和钻进过程全记录, 综合推断隧道出口左洞ZK67+739~ZK67+729段围岩情况。某隧道出口左洞超前钻探具体钻进过程记录见表1 (钻进长度均为1 m) 。

5 现场开挖情况对比验证

某隧道出口段左洞ZK67+736工作面左侧及中部以黄色泥质充填物为主, 局部夹杂强风化砾岩, 土质含水, 松散软弱;围岩较为破碎, 岩体风化严重, 工作面左下部存在小型无充填型溶洞, 岩体结构变形较大, 有较大的施工风险。

某隧道出口段左洞ZK67+736, 工作面围岩实际开挖揭露情况与地质雷达和超前地质钻探结果一致, 验证了采用此方式进行隧道超前地质预报的准确性。此段在开挖过程中易发生围岩大变形, 开挖扰动可能造成局部或整体小规模塌方。建议开挖前进行超前支护, 开挖后及时进行初期支护, 并做好监控量测工作。

6 结论

目前超前地质预报方法主要有:地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法等。超前钻探与物探法 (地质雷达) 相结合的方式, 能够准确探测隧道工作面前方较短距离的地质情况。通过超前地质预报发现隧道工作面ZK67+737~ZK67+727段可能含有较多泥质充填物, 围岩强度较低, 完整性较差, 局部存在小型空腔, 与实际开挖情况一致, 验证了文中所述方法具有工程实际应用价值。建议此段隧道在开挖前应施作超前支护, 开挖后及时进行初期支护, 并做好监控量测工作。

参考文献

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6.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇六

地质雷达是用频率介于1MHz~1GHz的电磁波来确定地下介质分布的一种无损物理探查方法,1926年被提出应用于确定地下结构,起初应用于冰层、岩盐等弱耗介质的探查,20世纪70年代以后,地质雷达探查应用范围开始扩大,随着信号处理技术和电子技术的不断发展,现在地质雷达的实际应用范围已覆盖考古、矿产资源勘探、灾害地质勘查、岩土工程调查、公路工程质量检测、工程建筑物结构调查等众多领域。地质雷达通过从地面向地下发射电磁波,利用高频电磁脉冲波的反射(回波)探测目的物,具有操作简单、对工作场地条件适应性强、抗干扰能力强、探测精度和分辨率高的特点。探地雷达所得到的原始信息的处理过程如下:文件编辑→预处理→滤波→反褶积→偏移→希尔伯特变换→分层处理→图形分析编辑→修饰注释→输出成果图。

在隧道开挖过程中,常常会遇到节理构造带,而南方的节理裂隙中一般为充水或充泥;围岩的介质一般为岩石、第四系堆积物,这与裂隙中的物性差异很大,电磁波在其中的传播速度亦明显不同。为了及时了解掌子面前方破碎带的不良地质构造的规模和特征,确保施工安全、合理安排掘进方案、掘进速度和支护措施。下列现象可作为隧道遇到大的构造裂缝存在的标志:前方造成雷达波同相轴的不连续,连续记录的波形呈双曲线形态;裂隙内充填物使雷达波形杂乱无章,电磁波的能量严重损失。裂缝不良地质体与围岩存在较大的电性差异,在地质雷达图像上形成强反射,反射波同相轴错断。

2 工程应用

2.1 工程概况。

江沿山隧道全长3275m,进口里程为DK205+075,出口里程为DK208+350,设计全隧共有Ⅴ级围岩395m,Ⅳ级围岩568m,Ⅲ级围岩2312m。隧道中部DK206+628~DK206+820垭口段为节理裂隙发育密集带,位于坳沟内,地势低洼,沟内汇水成溪,水量较大,表层Q4el+d粉质粘土,夹较多碎石颗粒,直径5~30mm,含量约30%,褐黄色,硬塑,厚约7m,下为晶屑凝灰岩,全~弱风化,灰紫色,节理裂隙发育。对DK206+640~+765段物探测试,基岩弹性波速为2155m/s,为明显低速区。图1为隧道的CRD施工示意图。

为了正确预报前方不良地质条件,在本项目中,采用地质雷达进行短距离预报,而采用TSP进行中、长距离预报;现主要讨论短距离的地质雷达预报内容。

2.2沿线布置。

为明确不同发射频率的工作效果,设置如图2所示的测试断面。设备采用美国劳雷公司生产的SIR-20地质雷达,使用了加固型全金属外壳笔记本计算机和Windows-XP操作系统,可以同时输入2个天线的数据,分辨率达到5pi,扫描速率为2到800线/秒。

2.3 地质雷达测试结果。

按照图2布置的测线进行了地质雷达探测,图3~图8为3条测线在不同发射频率下的地质雷达扫描曲线。

从测线I可以看出(图1),离1点大概5m位置,距掌子面大约1.0左右,节理(节理I)较发育;这个现象在图4也得到了体现,在同样位置其雷达曲线出现了异常。但由于80MHz天线反映深度大于400MHz,因此,在80MHz雷达曲线中,在深度大约7m左右又发现了另外一组较破碎的节理(节理II)。同样的,在测线II(图5和图6)中也同样位置,发现了节理II的反射,距离掌子面的深度大约在6.5m。在测线III中(图7和图8)只能清楚得看到节理II,节理I不能在测线III中体现。

通过提高精度的探测试验,认为在满足探测深度的条件下,选用高频天线进行探测是提高分辨率的方法之一,通过针对同一目标的反复探测进行叠加和选用不同频率进行探测结果的叠加也可以提高分辨率,特别是在针对浅层目标进行开挖一或二个施工开挖作业轮回范围内的危险目标进行超前预报的精细探测中,这种高低频探测叠加的方法更有效。

2.4 工程效果。

在隧道实际开挖过程中,的确发现了节理I(产状为北东45°,倾角23°)和节理II(产状为北西45°,倾角60°),并及时采用HEA防水剂的防水砼,砼抗渗等级不小于P8,防水剂的用量为水泥重量的5%,避免了事故的发生。

3 结论

分析了地质雷达的工作机理及遇到不良地质体时的电磁异常反应特征,并将地质雷达成功应用到江沿山隧道超前预报工作中,预报结果表明,对于两个施工开挖作业轮回范围内的危险目标进行超前预报的精细探测中,高低频探测叠加的方法更有效。

参考文献

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[2]薛建,曾昭发,王者江.隧道掘进中掌子面前方岩石结构的超前预报[J].长春科技大学学报,2000,30(1):89-95.

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7.TSP超前地质预报系统及其在隧道超前地质预报中的应用 篇七

隧道施工中,在不良地质地区容易遭遇如突水、突泥、瓦斯等地质灾害,如果不能提前预知,处理不当容易造成突发性的重大人员伤亡安全事故,国内隧道施工有不少血的教训。因此利用隧道地质超前预报探测技术,为不良地质隧道施工提供指导帮助十分必要。

长滩隧道为左右分离式特长隧道,进口端K18+364～K20+000段地质主要为弱风化灰岩、页岩,薄层至中厚～厚层构造,岩质软至硬脆,岩石节理裂隙发育,地表近南北走向岩溶沟槽及岩溶缝隙发育,岩溶洞穴多,呈竖向。地下水为第四系孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水和岩溶管道水,溶洞集中于K18+880～K19+800段落,形态为溶缝、溶沟、溶槽、漏斗、落水洞及竖向洞。左洞检测时施工掌子面里程为ZK19+310,围岩地质为弱风化灰岩、白云质灰岩,浅灰色、暗灰色,节理裂隙较多,围岩级别为Ⅲ级。由于处溶洞发育带,为探明前方地质情况,防止出现突水、突泥事故,决定采用TGP12隧道地质超前预报系统对ZK19+310～ZK19+510段落进行地质预报探测。

2 隧道地质超前预报(TGP)探测的原理与探测方法

2.1 检测原理

TGP法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生,炸药激发在隧道边墙的风钻孔中,通常24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中,一般左右壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播,当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时,例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等,一部分地震信号反射回来,一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的传播时间与传播距离成正比,与传播速度成反比.可根据反射波的几何路线计算,不难得到一个构造面倾斜情况下,直达反射波时距曲线方程为:

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式中的正、负号与X轴方向同界面倾斜情况的相对关系有关。若地层上倾方向与X轴正向一致取负号,反之取正号。构造面倾斜时反射波的时距曲线为一支双曲线,如图1所示。

对图1所示结构面通过测量直达波速度、

反射回波的时间、波形和强度,可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。

在一定间隔距离内连续采用上述方法,结合施工地质调查,可以得到隧道围岩的地质力学参数,如弹性模量、剪切模量和泊松比参数等。现场工程技术人员结合相关的地质资料可以较准确地预知前方及周围地质变化状况。

2.2 探测仪器及方法简介

TGP12隧道地质超前预报系统(TGP 即Tunnel Geology Prediction 的英文缩写,以下简称TGP12)是北京市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的系统设备,TGP12隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。

探测时采用黄油耦合,定向安置孔中三分量检波器;记录检波器孔、距离检波器最近的炮孔和隧道掌子面的公路里程桩号,以及各炮孔间的距离,以上数据填写在《TGP现场数据记录表》中;爆破孔药量一般控制在50～70克,采用计时线炸断的触发方式,在孔中灌满水的条件下激发,按序依次起爆和进行数据采集。工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述,以利于资料解释。

预报检测时一般距掌子面10m左右开始布孔,在隧道左或右壁的同一水平线上从里向外布置20个炮孔,炮孔间距2.0m,炮孔高度1.2m;然后与炮孔最近距离20m处左右两侧洞壁风钻孔中布置预报接收检波器,接收孔距掌子面70m左右。检测时应准备50～70克炸药20段,电雷管20枚,起爆器一个,注水胶管一条,起爆电缆50m。

3 测试结果分析

采集的TGP数据,通过TGPWIN软件进行处理,获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果

3.1 P、SH、SV波的波形分离图

(1)左壁接收的地震波波形图

(2)右壁接收的地震波波形图

3.2 P、SH、SV波的相关偏移图

(1)左壁P波、SH波、SV波偏移图

(2)右壁P波、SH波、SV波偏移图

3.3 构造面的反射波属性与衰减成果图

(1)右壁P波、SH波、SV波衰减图

(2)左壁P波、SH波、SV波衰减图

在成果解释中,以P波剖面资料为主,结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则:

①正反射振幅表明硬岩层,负反射振幅表明软岩层。

②若S波反射较P波强,则表明岩层饱含水。

综合分析隧道左右壁原始记录,分离后的纵、横波(P、SH、SV)记录,以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图可知在:ZK19+320～ZK19+345;ZK19+360～ZK19+370;ZK19+390～ZK19+400;ZK19+420～ZK19+430;ZK19+470～ZK19+484五段岩体有异常,可能为构造与裂隙发育带。其余段岩体与测段岩体基本相同。具体成果见表1。

4 成果应用和建议

根据预报结果,于是施工在ZK19+320～ZK19+345;ZK19+360～ZK19+370;ZK19+390～ZK19+400;ZK19+420～ZK19+430;ZK19+470～ZK19+484五段时,施工单位提前做好了防止溶岩突水或泥的各项准备工作,并在开挖这几段岩体前使用30米超前钻孔方法,进一步探明前方含水及泥的情况,以便采取相应措施。同时由于物探方法的间接性,在隧道施工期间,认真做好施工地质工作,记录隧道围岩和掌子面岩体的地质变化,进行拍照,以地质方法为基础,控制开挖进尺,不允许盲目冒进。

这其中,在左洞ZK19+325掌子面超前探孔钻进2.3米时出现涌水夹泥情况,压力较大,喷射距离达5 m,经研究决定:先将超前钻孔增加为7个,孔深30 m,以尽量释放泥水,同时将洞内设备、材料撤离到安全地带,采取措施临时封闭塑料排水盲沟,在泥水释放到无压力后,由拱顶向下采取弱爆破逐步将排泄孔扩大,以将前方淤积泥水完全排放清理干净后再行处置。在扩孔过程中,断断续续,大规模涌泥已达四次,最大涌泥量每小时达千方,持续十几小时,涌泥将隧道路面、两侧临时排水沟和洞外场坪淹没,涌泥量近十万方,由于采用TGP技术进行了预警和事前控制,安全防范措施得当,处置合理,未发生安全事故,也未对已施工好的隧道结构造成大的损害。后来开挖揭示在ZK19+325～ZK19+344段为一大型溶洞,与超前地质预报结果十分吻合。

这次隧道地质超前预报(TGP)的成功应用,避免了一次重大安全事故,在该隧道整个施工过程遭遇了数十个大小溶洞,多次突水突泥,但在TGP法指引下未发生一起安全事故,使突水、突泥等不良地质灾害从不可控变为可控,为隧道施工带来了可靠的安全技术保障。

本工程实践说明隧道地质超前预报(TGP)是一项先进可靠的探测技术,在不良地质隧道施工中,遵循科学的方法,合理应用预报结果,按隧道地质超前预报(TGP)结果进行超前探孔以确认地质情况,据此制定处理措施,可以避免不良地质给施工带来的危害。

摘要：隧道地质超前预报(TGP)是利用地震波反射回波方法测量的原理为隧道开挖指明工作面前方概略的地质轮廓,本文作者通过采用TGP在一隧道工程防范不良地质带来的危害的成功应用的例子阐明了应用方法。

关键词：地质超前预报,反射回波,不良地质现象

参考文献

[1]宋先海,顾汉明,肖柏勋,我国隧道地质超前预报技术述评[J],地球物理学进展,2006.2

[2]马会严,金荣杰,探地雷达、TGP超前地质预报在冷水溪隧道施工中的应用[J],工程物探新技术,2006.3