公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析.pdf
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1、第 4卷第4期 2 0 0 8年 8月 地 下 空 间 与 工 程 学 报 Ch i n e s e J o u r n a l o f Un d e r g r o u n d S p a c e a n d E n g i n e e ri n g Vo 1 4 Au g 2 0 0 8 公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析 张庆松， 李术才， 孙克国， 许振浩 ( 山东大学岩土与结构工程研究中心 济南 2 5 0 0 6 1 ) 摘要 ： 隧道施工特别是复杂地质条件 下的施工面临着很 多地质灾害问题， 如岩溶地段的 突水突泥、 断层破碎带的塌方等， 为了避免这些灾害事故的发生， 开挖前
2、必须对掌子面前方的 地质条件有一个较好的了解， 以采取必要的防范措施。文章介绍了目前公路隧道中常用的超 前地质预报方法 ， 论述 了各种方法的原理、 优缺点和适 用条件 ， 在技术现状分析的基础上， 讨论 了综合超前地质预报的必要性 ， 并提 出了高风险隧道的综合超前预报技术体 系， 探讨 了今后超 前地 质预报 的发展 方 向。 关键词 ： 公路隧道； 地质灾害； 超前地质预报 ； 技术现状； 综合预报技术体 系 中图分类号 ： P 6 2 文献标识码： A 文章编号 ： l 6 7 3 - ( ) 8 3 6 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 7 6 6 - 0 6 An a l y
3、 s i s a n d P r e s e n t S t a t e o f Ad v a n c e d Ge o l o g i c a l Fo r e c a s t Te c h no l o g y o f Hi g h wa y Tu n ne l Z H A N G Q i n g s o n g 。 L I S h u c a i ， S U N K e g u o ， X U Z h e n h a o ( T h e R e s e a r c h C e n t e r o f G e o t e c h n i c a l &S t r u c t u r a l
4、 E n g i n e e r i n g 。 S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n ， 2 5 0 0 6 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： G e o l o gi c al h a z a r d a c c i d e n t s o f t e n O c c u r i n t h e c o u r s e o f t u n n e l c o n s t r u c t i o n s 。 e s p e c i al l y i n t h e c o n d i t i o n
5、o f c o mp l e x g e o l o g y ，s u c h a s t h e wa t e r and mu d rus h i n k a r s t r e g i o n a n d t h e l a n d s l i p o f t h e f a u l t e d z o n e I n o r d e r t o a v o i d s u c h a c c i d e n t s 。a b e t t e r u n d e t an d o f r o c k mass i n f r o n t o f w o r k i n g f a c e
6、 mu s t b e d o n e b e f o r e t h e e x c a v a t i o n， S O t h e c o u n t e r me asu r e c a n be p r e p a r e d b e f o reh a n d I n t h i s p a p e r ， s e v e r al a d v anc e d g e o l o gi c al p r e d i c t i o n t e c h n o l o gi e s ar e i n t r o d u c e d i n c l u d i n g T S P ，
7、g e o l o gi c al r a d a r a n d i n f r a r e d w a t e r d e t e c t i n g me t h od 。t h e i r me ri t s a n d d e me ri t s and a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n are als o d i s c u s s e d T h e n e c e s s i t y a n d t e c h n i c al s y s t e m o f c o m p r e h e n s i v e g e o l o
8、gi c al f o r e c a s t are d i s c u s s e d ， I n t h e e n d ，t h e h e n c e f o r t h d e v e l o p me n t d i r e c ti o n a r e p rop o s e d K e y w o r d s ：h i g h w a y t u n n e l ； g e o l o g i c al H a z a r d ； a d v anc e d g e o l o gic al f o r e c ast 。I t e c h n o l o gy s t a
9、t u s ； c o mp reh e n s i v e f o rec a s t t e c h n i c al s y s t e m 1 引言 随着我国公路交通事业的发展， 越来越多的高 速公路需要穿越山岭修建， 隧道施工特别复杂地质 条件下的施工面临着很多地质灾害问题 ， 如岩溶地 段的突水突泥 、 断层破碎带 的塌方等 ， 为了避免灾 害事 故 的发生 ， 开挖前 必须对 掌子 面前方 的地 质有 一 个较好的了解， 近年来 ， 超前地质预报在我 国的 隧道施工中已经开始发挥作用， 特别在一些长大隧 道 ， 超前地质预报 已被列为必不可少 的技术环节 ， 隧道超前地质预报是指
10、对 隧道开挖掌子 面前方 的 地质情况及不良地质体的工程性质及位置 、 产状进 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 4 - 1 7 ( 修改稿 ) 作者简介： 张庆松( 1 9 7 0 ) ， 男， 山东费县人， 博士， 副教授， 主要从事地下工程灾害预报与防治等领域的教学与科研 工作。Em a i l ： z h a n g q i n g s o n g s d u e d u c n 基金项 目： 国家 自然科学基金及重点基金项 目( 5 0 7 4 4 0 4 4 ， 5 0 5 3 9 0 8 0 ) 和山东省中青年科学家奖励基金( 2 0 0 7 B S 0 8 0 2 4 )
11、 。 维普资讯 2 0 0 8 年第4 期 张庆松， 等： 公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析 7 6 7 行探测 、 分析解释及预报。超前地质预报的内容主 要有： 断层构造及断层破碎带， 岩溶、 空洞、 裂隙及 其规模和充填情况 ， 地下水赋存状态及可能突水 、 涌水的位置以及水量的大小 和软弱 围岩及不 同类 别围岩 的界面等。 超前地质预报的方法很多 ， 根据时间和空间距 离分为短期预报和中长期预报 ； 根据实施方法可分 为超前探孔和物探方法 。超前水平钻孔法可以直 接揭示隧道掌子面前方地层岩性 、 构造、 地下水、 岩 溶洞穴充填物及其性质等资料 ， 是最直接有效的地 质超前预报方
12、法， 但一次钻探距离短， 费用高且占 用施工时间长 ， 影响隧道施工进度 ， 经 常是在物探 方法怀疑前方有不良地质体时采用。物探方法是 目前应用较为广泛的方法 ， 如 1 S P、 地质雷达 、 红外 探水等 ， 本文主要结合近年来 的工程实践 ， 论述物 探方法在我国目前隧道超前地质预报 中的技术现 状与今后的发展方向。 2 T S P超前地质预报 方 法 2 1 P测量原 理 T S P 2 0 3+系统是瑞士 A m b e r g工程 技术公司 的最新产品， 是一种快速 、 有效、 无损的地震波反射 探测技术 。其基本原理是 ： 通过在掘进面后方一定 距离的钻孔内施以微型爆破来发射声
13、波信号， 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 ， 当波在隧道前方遇到 异面时 ， 将有一部分波从界面处反射回来。反射信 号经过一段时间后到达接受传感器 ， 被转换成电信 号并进行放大。通过反射的时间与地震波传播速 度的换算就可以将反射界面的位置、 与隧道轴线的 交角 以及与隧道掘进面的距离确定下来 。图 1为 P探测原理示意图。 图 1 P探测原理示意 图 F i g l Di a g r a m o f P d e t e c t i n g me c h a n i s m 2 2 T S P预报的技术现状 2 2 1 T S P的优点 ( 1
14、)T S P 适用范围较广， 可以在各种岩性条件 下使用 ； ( 2 ) 预报距离长 ， 能较准确预报掌子 面前 方 1 0 01 5 0 m范围内的地质情况； ( 3 ) 对 隧道的施 工干扰小， 可以在隧道的施工间隙进行； ( 4 )提交 资料及时 ， 通过其专用处理软件能快速得到不 良地 质体的类型及相对于隧道的空间位置。 2 2 2 T S P超前预报中的几个问题 ( 1 ) 关于分辨率与预报精度 问题 ： 由于分辨率 的影响， 与地质钻机相 比， P探测所 了解 的地质 信息偏少。由于T S P是基于接收和分析反射地震 波信号的物探方法， 故只能对掌子面前方岩性变化 的软弱面或含水层
15、等做出定性的探测 ； 其次是预报 的精度稍低 ， T S P探测出岩性变化的软弱面或水层 的位置有一定误差 ， 这与采集信号的质量和首到波 速度计算 的是否准确密切相关。 ( 2 ) 关于波速解译 问题 ： 速度参数 的获取是结 构体探测的核心和关键。在 T S P的成果解译 中， 很多结论要依靠波速得到 ， 但仅仅依靠波速进行判 断往往难 以得到准确的结论 ， 特别是对于断层破碎 带 、 岩溶及含水情况的判断必须结合深度偏移图和 地质分析综合确定 。另一方面， 业主和施工单位常 常希望通过 T S P超前地质预报进行掌子面前方 围 岩类别的划分。笔者以为 ， T S P可以作为围岩变更 的必
16、要条件 ， 但不能作 为其充分条件 ， 围岩变更应 该根据当前开挖掌子面的实际情况 ， 结合最近断面 的围岩变形监控量测成果 以及超前钻孔资料综合 确定 。在 T S P预报报告 中， 围岩类别 的划分主要 根据获得 的纵波速 度进行 ， 由于 T S P本 身的技术 缺陷和实际地质条件的复杂性， 通过 T S P处理软 件所获得的波速经常与实际情况存在差异 ， 具体的 讲， 掌子面前方波速的大小对已开挖段波速的依赖 性很大。因此 ， 不能直接用所获得 的波速绝对值进 行围岩类别划分， 应该根据预报时掌子面围岩的实 际类别 ， 通过波速相对值变化 的大小结合其它预报 成果进行综合推断 ， 否则
17、就容易导致错误的判 断。 对于某一条隧道围岩情况的多次预报后 ， 可 以根据 经验对掌子面前方岩体的类别进行较为准确的定 性或半定量的划分， 但超前预报者应将更多的注意 力投向可能引发地质灾害的不 良地质体 的预报上 来 ， 这是超前预报最重要的任务 。 ( 3 ) 关于岩溶的预报问题 ： 岩溶预报是超前地 质预报 的重 点和难 点。T S P对于较大规模 的溶洞 和暗河会有较好 的反应 ， 但对于一些小的溶洞特别 维普资讯 7 6 8 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 4卷 是形状不规则的圆柱形 、 圆锥形的溶洞预报成功率 较低 ， 对于与隧道走 向近于平行 的地质体也难探测 到， 这
18、一方面缘于物探本身的多解性和岩溶地质 自 身的复杂性 ， 也是作为反射波探测方法 的 T S P的 一 个技术瓶颈问题。预报者应充分利用深度偏移 图、 提取的反射面、 事件表中同一位置反射信号的 强弱对 比以及岩体物性参数等指标进行综合判断 ， 才可能对岩溶的发育情况做出尽可能准确的判断。 3 地质 雷达方法 3 1 地质雷达探测原理 地质雷达( 简称 G P R ) 是利用不 同岩体 的带电 性存在很大差异来对围岩进行探测的一种广谱电 磁波方法。由于不同的围岩介质具有不同的带 电 性， 对 电磁波的反射 、 折射 、 散射也是有差异的， 因 此当发射出的高频电磁波遇到存有带 电性差异 的 目
19、标或者界面时 ， 会被不 同程度 的吸收衰减和反 射， 使得接收天线在接收到的回波在波形和双旅程 所需时间上存在一定的差异。利用系统 自带 的软 件 ， 就可以分析和研究 回波特性 ， 从而推测出 目标 体的空间位置 、 形状 、 和空间分布的几何状态 ， 实现 了对隧道地质预报的目的。现在 ， 探地雷达技术已 经成为短距离的超前地质预报最重要的手段。图 2为地质雷达工作原理图。 0 1 2 3 4 5 6 7 点位， m 图 2地质 雷达 工 作 原 理 图 F i g 2 D i a g r a m o f G R d e t e c t i n g me c h a n i s m 3
20、2 地质雷达预报的技术现状 3 2 1 地质雷达的优点 ( 1 ) 重演性高， 可以比较准确的判断出 2 O 3 O m范围内的不 良地质体 ， 如 ： 溶洞、 暗河 、 断层破碎 带 、 节理裂隙发育 区。 ( 2 )对探测与洞穴和水有关 的地质异常时较 为敏感 ， 从而可 以有效 的预报溶洞 ， 也在一定程度 上弥补了 T S P对于小溶洞不灵敏的不足。 ( 3 ) 对于隧底的隐伏岩溶常采用雷达进行探 测 ， 可以取得较为满意的效果 。 3 2 2 地质雷达预报存在的问题 ( 1 ) 作为短期预报方法， 地质雷达虽然对水和 空洞较为敏感 ， 但其探测距离较短 ， 探测距离与分 辨率的矛盾无
21、法克服， 相同长度隧道需要更 多的探 测次数 ， 因此一般作为长期预报的辅助手段使用 ， 难以作为主要的预报手段发挥作用 。 ( 2 ) 在进行地质雷达探测时， 反射信号易受到 表面起伏 、 地面积水、 表面附设物 、 天线跳动的影响 甚至干扰 ， 从而导致 目标反演的困难。也就是它对 测线的条件要求较高。 ( 3 ) 地质雷达也存在受杂波干扰解 释困难 和 资料成果解释的多解性问题 ， 需要探测人员不断积 累经验 ， 提高探测的精度。 因此在用雷达进行探测的过程中首先要选定 合理的仪器参数， 以得到较满意 的雷达波形 图； 数 据处理时， 首先要对干扰信号进行区分和排除， 通 过对不 良地质
22、条件下各种介质雷达波形图的典型 特征进行反复地研究和积累大量的图像资料 ， 可以 提高量化处理的水平。 4红外探 水方法 4 1 红外探水的探测原理 利用红外探测仪探测隐伏的含水构造或微含 水构造 ， 基本原理是基于不同地质体具有不同的热 性质， 即水 比岩石的热导率低。当隧道外围包括掌 子面前方不含隐伏异常构造时， 其红外发射场为一 正常场 ， 当隧道外围包括掘进前方存在隐伏 的含水 构造时 ， 构造就要产生异常场， 迭加到正常场以后 ， 使正常场发生畸变 ， 我们就可 以从曲线的变化规律 上分析出是否含有隐伏构造。图 3为前方可能有 含水构造的探测曲线图。 4 2 红外探水预报的技术现状
23、红外探水的优点是测量快速， 基本不 占用施工 时间， 资料分析快 ， 测量完毕 ， 即可得出初步结论 。 红外探水法对预报掌子 面前方有无潜伏 的含水体 是有效的， 但对含水层的位置、 赋水形态 、 出水量都 无法知晓， 对无水情况下 的地质灾害则难 以预报。 另外 ， 红外探水受隧道内环境影 响较大 ， 如通风情 维普资讯 2 0 0 8年第 4期 张庆松， 等 ： 公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析 7 6 9 一 1 l u 2 u 0 图4 综合超前地质预报体系图 F i g 4 D i a g r a m o f c o mp r e h e n s i v e a d v a
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