《超前地质预报技术》PPT课件.ppt

地下工程施工 Underground Engineering&Construction,轨道交通工程学院蒋英礼Tel:150-0203-0945Email：,LOGO,地下工程地质预报技术,广东交通职业技术学院城市轨道学院 蒋英礼,第七章,LOGO,主要内容,超前地质预报的必要性及目的 超前地质预报国内外现状超前地质预报的主要内容 超前地质预报方法与技术超前地质预报案例,LOGO,1.1 隧道工程施工的地质灾害问题1.2 开展隧道地质超前预报的必要性1.3 隧道施工地质工作的重要性,1 超前地质预报的必要性及目的,LOGO,1.1.1 隧道洞口仰坡、边坡的失稳 由于洞口边仰坡的切削，改变了原有自然斜坡的平衡状态，特别是在原有地质背景质量较差的地段，如堆积层、风化卸荷带等，若开挖的深度和设置的坡度不当，常产生崩塌、滑坡等地质灾害。为恢复洞口坡体的稳定，常常不得不接长明洞。,1.1 隧道工程施工的地质灾害问题,LOGO,1.1.2 洞体围岩失稳 洞体围岩的坍方冒落是隧道施工中普遍出现的地质灾害。产生塌方冒落的地质背景是：(1)第四系各类堆积层；(2)断层破碎带；(3)严重风化破碎带；(4)节理裂隙密集带；(5)岩脉穿插接触蚀变带；(6)软硬岩层相问或软弱夹层软岩体；(7)强烈褶皱带轴部；(8)地下水富集带；(9)古滑坡地段。,LOGO,1.1.3 隧道涌水灾害与地表水源枯竭 隧道的修建，人为地形成一个地下集水廊道，改变了地下水原有的运移规律，成为新的地下水运移、排泄的汇流空间。隧道存在涌漏水现象，一方面直接对隧道施工和铁路运营造成不同程度的危害，另一方面又造成隧道所在地区地表失水，导致水源减少甚至枯竭，危及工农业生产，人们生活用水的短缺。按隧道中地下水的出露特征，可将隧道涌水分为突然涌水、季节性涌水、渐增型涌水、渐减型涌水和恒常涌水。其中以前两者的危害最为严重。水害产生的地质背景是地下水富集，如断层破碎带或其两侧、节理裂隙密集带、向斜轴部、岩溶地区、含水地层与隔水层交界处等。,LOGO,1.1.4 其它地质灾害 除了上述常见和普遍的灾害外，还有以下几种偶见的地质灾害：(1)有害气体逸出爆炸。(2)高寒地区隧道冻融灾害；(3)地热灾害；(4)地震灾害；(5)弃渣不当引起的人工泥石流。,LOGO,大量的隧道工程建设实践表明，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，由此而来的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌沙、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，给隧道施工造成极大的危害。因此，在隧道施工期间，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确的预测，是提前采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失、保证隧道施工的安全的需要，同时也是当今环境生态保护给隧道工程建设提出的重要研究课题。一般而言，隧道在勘测设计各阶段，对隧道地质背景进行的地质调查、勘探，是对隧道地质条件的预估和预评价。对地质条件单一的短隧道而言，这一工作已足以提供设计与施工所需，无须在施工期实施超前预报工作，或只需在施工阶段采用地质法进行常规地质预报工作，完成施工地质资料的收集，建立隧道工程完整地质资料。,1.2 开展超前地质预报的必要性,LOGO,在复杂地质条件下修建的隧道越来越多、越来越长，遇到的隧道工程地质问题越来越复杂。对于：(1)深埋长大隧道；(2)地质复杂的隧道；(3)水下隧道；(4)可能存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、岩爆、废弃矿巷、瓦斯突出等严重工程地质灾害的隧道；(5)可能因开挖造成环境生态破坏的隧道；(6)覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道等等。勘测设计阶段的地质工作量投入所限，地质预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握；复杂长隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响；人为作用(施工开挖)引起地质的变化只有在施工期才能显现出来；施工期需要对地质的掌握不能只是停留在定性评价上，要有定量的评价；因此，需要进行超前地质预报,1.2 开展超前地质预报的必要性,LOGO,(1)保证隧道施工安全，以减少或避免因突泥、涌水、涌砂而造成人员及设备的损伤、工期的延长、投资增加等。(2)搞好地质超前预报可以节约大量资金，有了准确的预报就可以减少很多不必要的安全防护措施。(3)是隧道施工根据实际地质、水文条件变化及时调整施工方法和采取相应技术措施的需要；(4)是完善设计地质资料、优化施工方案、指导施工决策和保证施工人员和设备的安全的需要；(5)是隧道施工过程中根据实际地质条件进行隧道围岩级别确定和设计变更的依据。(6)也是隧道运营阶段地质灾害治理的依据。,1.3 超前地质预报的目的,LOGO,隧道地质超前预报由来已久，国外如英、法、日、德等均将此列为隧道工程建设的重要研究内容。在我国，隧道施工期地质超前预报研究始于50年代，70年代真正开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。目前国内外对长大、重大隧道工程地质超前预报方法已基本形成一个共识：即采用“以地质法为基础的综合物探技术”进行隧道施工地质预报。我国隧道施工期地质超前预报主要采用超前平行导坑法、地质法、地球物理探测方法(TSP、HSP、地震反射负视速度法、地质雷达、陆地声纳法等)和以地质法为基础结合物探的综合方法进行地质预报。,2 超前地质预报技术现状,LOGO,3.1 超前地质预报基本概念3.2 超前地质预报主要内容3.3 超前地质预报内容构成,3 超前地质预报的主要内容,LOGO,隧道地质超前预报是指采用不同的分析测试手段对隧道掌子面前方隧道开挖影响范围内的地质条件进行认识的方法技术。广义地讲，隧道地质超前预报指采用隧道洞内外地质调查、掌子面素描，根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果，或采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学、概率学、计算机科学等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报，根据判断和预报结果提出应采取的地质灾害预防和处理措施建议。,3.1 超前地质预报的基本概念,LOGO,隧道地质超前预报包括隧道工程可行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的预报。通常，人们所提的地质预报是施工期地质预报。地质预报对象：施工掌子面前方一定范围内的地质体。超前地质预报的主要内容：(1)断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；(2)软弱夹层(含煤层)的位置、规模及其性质；(3)岩溶发育位置、规模及其性质；(4)不同岩类间接触界面位置，不同风化程度的分界位置；(5)不良地质体的成灾可能性，工程地质灾害可能发生的位置和规模；(6)隧道围岩级别变化及其分界位置；(7)隧道涌水位置、水压及水量；(8)在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；岩溶地质超前预报的主要内容：主要应集中在三大方面，即，隧道穿越区域的岩溶水系统特征，隧道开挖掌子面前方不良地质体的空间展布规律，岩溶涌水量及水压预测预报等。,3.2 超前地质预报的主要内容,LOGO,包括三大部分：(1)隧道所在地区地质分析与宏观预报(2)隧道洞身不良地质体超前预报 隧道隧洞的洞身不良地质体超前地质预报有分为长期超前地质预报、短期超前地质预报两种预报形式和预报步骤(3)施工地质灾害临近警报,3.3 超前地质预报内容构成,LOGO,隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报，是以各种区域地质资料分析和深入的地面地质调查为基础，通过隧道隧洞不良地质分析方法，宏观预报洞体施工可能遇到的不良地质类型、规模、大约位置和方向，宏观预报施工地质灾害的类型和发生的可能性。只有在宏观预报的原则指导下，才能更准确、更有效地实施洞体不良体地质超前预报和施工地质灾害监测、判断及临近警报等后续预报工作。所以，宏观预报是施工地质灾害超前预报不可或缺的、第一道工序。特别是对于TSP探测来说，只有通过隧道隧洞所在地区主要洞体不良地质宏观预报，才能更准确地布设炮眼的位置，才能在TSP解译阶段选择正确的搜索角和调谐角。所以，它是提高TSP预报精度的关键技术之一。,4 隧道所在地区地质分析与宏观预报,LOGO,区域地质分析是宏观预报的基础之一。区域地质资料，主要包括：(1)隧道隧洞所在地区大地构造环境、构造体系、构造复合与构造演化；(2)沉积建造环境、建造特征、建造演化；(3)岩浆侵入、喷溢的地质环境、岩浆活动的特征；(4)还包括它们与区域地壳运动的关系，等等。上述资料主要从隧洞隧洞所在地区的各种比例尺区域地质图、区域构造体系图及其说明书中获取。区域地质分析，则是应用大地构造学、构造地质学、特别是地质力学的理论，应用沉积岩石学和沉积建造理论，应用岩浆岩石学和岩浆建造理论分析所收集的区域地质资料，初步了解隧道隧洞所在地区：(1)主要构造方位、力学性质和构造多期活动特征及其不同方位构造对隧道隧洞围岩稳定性的影响程度；(2)主要地层类型（如煤系地层、灰岩、白云岩等可溶岩地层等等）特征及其隧道隧洞围岩稳定性的影响程度；(3)主要岩浆岩的类型（如侵入岩、喷出岩）特征、空间分布特征及其隧道隧洞围岩稳定性的影响程度。,4.1 区域地质资料分析,LOGO,典型沉积岩照片,LOGO,典型灰岩照片,LOGO,典型岩浆岩照片,LOGO,水平岩层照片,LOGO,倾斜岩层照片,LOGO,褶皱照片,LOGO,节理及劈理,LOGO,断层,LOGO,它是隧道隧洞不良地质宏观预报的更重要的基础。主要包括：,4.2 隧道地面地质调查技术,(1)既有资料搜集：包括搜集地形、地貌、地质、水文、气象、地震等的既有资料。(2)工程区岩(土)体条件调查：包括地形、地貌、工程地质、水文地质、水文等条件调查。(3)气象条件调查。(4)工程条件调查：包括自然、社会环境等调查，施工条件调查，有关法令、法规调查。,LOGO,它是隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报的依据。因为：大多数隧道隧洞不良地质体本身就是区域地层、地质构造或岩溶地质体的一部分。,4.3 隧道区域不良地质分析技术,主要包括：地层层序和特殊岩层分析，构造体系、构造型式和构造分布规律分析，地应力状态分析，岩浆岩侵入体成因、产状分析，溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带成生条件和展布规律分析，煤系地层中的煤层、采空区和瓦斯地质分析等等。,LOGO,隧道施工地质灾害的发生，与不良地质体的存在和施工辅助工法使用不当密切相关，这其中首先是不良地质体的存在。所以，作为超前预报技术体系，首先就是进行隧道隧洞洞身不良地质体的超前预报。结合目前国内外超前地质预报设备、技术和手段发展的现状，采用综合超前地质预报技术，预报的方法主要有：地质素描、导坑超前探测(平行导坑和正洞超前导坑)、超前钻探(30120 m超前水平钻探和5 m加深风钻)、地质雷达、HSP声波反射法、TSP203超前地质预报系统、HY-303红外探测等,5 隧道洞身不良地质体超前预报方法,LOGO,(1)原理：将隧道所揭露的地层岩性，地质构造，结构面产状，地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来，随着开挖面的延伸，不停的观察洞壁和掌子面上的地质特征的改变，结合已有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报，为围岩级别的改变提供依据。(2)特点：该方法设备简单、操作方便、不占用隧道施工时间，提交资料及时，费用低，但对操作人员地质知识水平要求较高，一般要求地质专业人员来完成。,5.1 地质素描,LOGO,超前导坑法是指根据超前施工的平行隧道或导坑所遇地质情况推测隧道将遇到怎样的地质情况，是隧道施工期地质预报的一种重要方法。超前导坑包括：平行导坑和正洞超前导坑。平行导坑法是在隧道正洞左边或右边一定距离开挖一个平行且断面较小的导坑，以导坑中的地质情况预报正洞地质条件的方法，特别是当两平行隧道间距较小时预报效果更佳。平行导坑的作用很多，地质预报只是其中用途之一，一般只是当设计图纸中有平导设计时才采用该法。超前导坑法是我国隧道施工早期采用的隧道施工期地质超前预报方法。,5.2 超前导坑法,LOGO,利用风钻在隧道掌子面钻水平小孔径的浅孔获取地质信息的一种方法。它是岩溶发育区对超前地质钻孔的一种重要补充，因其数量较多，有时效果是非常明显的。与超前地质钻孔相比，它具有设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短等优点。可与爆破孔同时施作，只不过其钻进深度较爆破孔深26 m。这样，风钻探测深度总是超前每循环爆破进尺26 m，保证施工安全。缺点是孔浅，且不能取岩芯。,5.3 风钻超前探测,LOGO,超前地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。可比较直观地告诉钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等。煤系地层可进行孔内煤与瓦斯参数测定，采取适宜防治措施，防治煤与瓦斯突出。与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。费用高，占用隧道施工时间长，且存在一孔之见的弊端。,5.4 超前地质钻孔,LOGO,超前钻探是超前地质预报技术体系主要组成部分，占有重要的地位，具有不可或缺、不可替代的作用。特别是在岩溶隧道隧洞的超前地质预报中，更起到突出的作用。超前钻探一般在隧道隧洞洞身长期、短期超前地质预报不得基础上进行，侧重长期、短期超前地质预报已经基本认定的主要不良地质区段；除非特殊情况，一般不宜全隧道隧洞连续进行。总体上，超前钻探分为长距离（80米）、中距离（4060米）和短距离（1530米）三种形式；分为取芯和不取芯两种类型。超前钻探的布孔数量，视不良地质的性质和可能发生施工地质灾害的严重程度来决定。对于较大的断层破碎带，布置1孔至多23孔即可达到目的；对于溶洞、暗河或岩溶淤泥带等可能突水区段，则以布置5孔为宜。布孔的位置，则主要依据长期、短期超前地质预报的结论来确定。超前钻探既对隧道隧洞洞身长期、短期超前地质预报进行验证，又为施工地质灾害临近警报提供信息。,5.4 超前地质钻孔,LOGO,5.4 超前地质钻孔,水平钻孔孔位布置示意,LOGO,5.4 超前地质钻孔,多功能旋转冲击快速钻机,RPD-150C,LOGO,5.4 超前地质钻孔,超前钻探及取芯现场录象,RPD-150C,LOGO,5.4 超前地质钻孔,基础锚固现场录象,RPD-150C,LOGO,5.4 超前地质钻孔,水下隧道注浆加固现场录象,RPD-150C,LOGO,地质雷达属于电磁波物探技术。电磁波通过天线向地下发射，遇到不同阻抗介面时，将产生反射波和透射波。接收机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的形式显示出来，供解译人员分析。探测溶洞，目前公认的首选设备为地质雷达，应当说在地表半无限空间其效果是比较明显的。但在隧道内，经过探测验证，其可信度不太理想，分析其主要原因：一是隧道内不是半无限空间，与地质雷达的理论假设相差太远；二是隧道内对地质雷达发射的电磁波干扰因素太多，如钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属物质的强烈干扰。另外，目前地质雷达天线主要为探测地表溶洞而设计，对隧道内探测掌子面操作非常不便，而且防水性能较差，探测距离太近(为430 m)，与目前开挖速度极不相称，占用施工时间太长。鉴于以上各种原因，将地质雷达定位在主要用于岩溶发育区洞穴形态的探测和灰岩地段隧底隐伏岩溶洞穴的普查。,5.5 地质雷达,LOGO,(1)原理:红外探测属广义遥感技术，它建立在红外辐射场的基础上。地球上一切物质，每时每刻都在向外辐射红外电磁波，并形成红外辐射场。物质在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的信息传递出来。因而根据场的变化，即探测曲线上所出现的异常，提前发现隐蔽的地质灾害体，从而预防灾害的发生。红外辐射场理论应用于隧道地质预报中，就是当隧道外围空间和掘进前方存在隐伏水体或含水构造时，隐伏水体或含水构造产生的异常场就要叠加到正常场上，使隧道内的正常场产生畸变，根据拱顶、隧底、边墙、掌子面探测曲线和测量数据的变化就能确定隐伏水体或含水构造所在空间方位。(2)特点：探测距离短，为30 m。只定性告知30 m范围内有无水，至于水压、水量、具体哪个里程则探测不出。适用于任何地层中定性判断探测点前方“有没有水”及水体存在方位。仪器小巧轻便，操作简单，可实现全空间全方位探测。资料分析简洁、快速、直观。基本不占用隧道施工时间。,5.6 红外探测,LOGO,TSP（Tunnel Seismic Prediction，隧道地震勘探）设备是由瑞士安伯格公司开发、生产的，是当前国内外最先进的隧道隧洞长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。它与其它超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测距离远（有效预报距离100150m），分辨率高（最高分辨率为1m），抗干扰能力强（基本不受干扰），影响施工很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅用45分钟）。TSP探测解译的关键技术是成果图的解译技术，不同解译水平的人员，预报的精度可以相差很大。在瑞士、英国、法国和日本等发达国家的隧道隧洞施工中，已普遍采用TSP进行超前地质预报工作，特别是TBM机械化施工，TSP已成为TBM的“孪生弟兄”，据国外资料统计，它可为隧道施工增收节支总经费的20%。,5.7 TSP超前地质预报,LOGO,TSP的基本原理：首先，在隧道隧洞内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统(传感器和记录仪)，将这递增数据经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反射波波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。,5.7 TSP超前地质预报,LOGO,TSP主要设备,LOGO,TSP的基本原理,LOGO,TSP探测原理,LOGO,TSP曲线波形图,LOGO,TSP影像点能量图,LOGO,TSP成果图,LOGO,TSP隧道断层平面图,LOGO,TSP现场实施过程,LOGO,TSP现场实施过程,LOGO,5.8 超前地质预报流程,LOGO,隧道施工地质灾害监测、判断和临近警报技术。它是在隧道所在地区不良地质宏观预报和隧道隧洞洞体不良地质体长期、短期超前预报的基础上进行的，也是广义超前地质预报的第三道工序。主要包括：施工地质灾害的环境监测技术，施工地质灾害发生可能性的判断技术。施工地质灾害的环境监测技术:这是施工地质灾害警报技术的基础工作也是第一步的工作。主要包括：不良地质体性质的鉴定和区分技术，地下水涌水量监测技术，煤与瓦斯突出的环境监测技术，岩爆发生的环境监测技术。施工地质灾害能否发生的判断技术:这是施工地质灾害警报技术中的最关键技术，也是第二步的工作。主要包括：塌方、突泥突水、煤与瓦斯突出和岩爆等等重大施工地质灾害发生可能性的一系列判断技术。,6 施工地质灾害,LOGO,地质雷达成功预报破碎带,7 地质超前预报实例,LOGO,钻孔成功预报突水,7 地质超前预报实例,LOGO,HSP成功预报岩溶,LOGO,雷达探查掌子面前方裂隙水的时间剖面图,LOGO,TSP成功预报断层破碎带位置和规模,LOGO,TSP成功预报暗河成果,LOGO,超前炮孔成功预报突水,LOGO,红外线预报成果,LOGO,陆地声纳法预报溶洞,LOGO,陆地声纳法预报溶洞,