超前探测在慈母山隧道地质灾害预报中的应用.pdf

2 0 1 1 年 3月第 3 l 卷第 1 期 四川地质学报 V o 1 ． 3 1 N o ． 1 Ma r ． ，2 0 1 1 超前探测在慈母山隧道地质灾害预报中的应用 鲜鹏辉 ，杨金虎 1 ． 煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆 4 0 0 0 3 7 ；2 ． 重庆大学资源与环境科学学院，重庆 4 0 0 0 4 5 摘要慈母山隧道地质环境复杂，如何选择有效的预报措施对隧道的顺利开挖和人员、设备的安全具有重 要 的意 义。T S P 2 0 3 系统是 用地 震反射 原理对隧道进行超前探测的专业仪 器。该 系统数据 采集 、处理 实现 高度 智能化，可以预报隧道工作面前方至少1 0 0 m围岩地质体的性质、 位置和规模 ，并可算出其岩石物理力学参数。 使用此仪器对 慈母 山隧道进行 多次预报 ，结合实际开挖 ，证 实 了该 系统预报 的可行性和准确性 ，总结 出了关 于 该方法在施工过程和资料解释中的几点认识。 关键词 T S P 2 0 3 ；超前预报 ；慈母 山隧道 中图分类号P 6 3 1 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 6 0 9 9 5 2 0 1 1 0 1 0 1 0 2 0 3 DoI 1 0 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 6 0 9 9 5 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 2 7 慈母 山隧道位于重庆市南岸区鸡冠石镇 ，全长 2 ． 3 4 K k m，是重庆市总体交通路网 “ 五横 、六纵 、一 环 、七联络”城市快速干道 系统中三横线的关键节段 程 。隧道穿越的慈母 山山脉呈南南西一北北东向 展布， 处于川东陷褶束地质构造单元上， 沿线跨越以南温泉背斜轴部隆起为主体的 “ 背斜脊状【 ， 发育 有凉水井断层、黄山断层。构造裂隙较发育，以背斜构造部位 、向斜轴部及断层带附近较为集中。隧道 穿越的岩性有侏罗系珍珠冲组和自流井组的泥岩、泥质粉砂岩、页岩、砂岩， 须家河组的砂岩、泥岩 、 泥质粉砂岩及煤层 线 。 1 主要工程地质问题 1 ． 1穿越两组断层裂隙带及背斜核部 慈母山隧道跨越南温泉背斜 ．发育有凉水井断层 、黄山断层。构造裂隙较发育 ，以背斜构造部位 、 向斜轴部及断层带附近较为集中。 南温泉背斜 北起长江边南岸鸡冠石 ，经南温泉。其轴线为 N1 5 。 E，不对称 ，呈梳状 ，北端向长江 倾没。轴部地层为须家河组， 两翼地层为珍珠冲组～ 上沙溪庙组， 西翼倾角 6 0 。 ～ 7 5 。 、 东翼倾角 3 5 。 ～ 6 0 。 。 凉水井断层 位于南温泉背斜北端西翼 ， 走向 N1 0 。 1 5 。 E， 倾向 N W， 倾角 7 0 。 ， 断开地层 为 T 3 ～ 、 T 3 ． 地层重复出现，断距 2 5 0 m，属压扭性逆冲断层。里程 K 0 9 4 0 ～ k 0 9 5 0处通过该断层。由地面物探 成果可以看到此处大地 电磁低阻异常。 黄山断层 位于南温泉背斜北端轴部， 走向N 2 0 。 E ，倾向N W，倾角 7 0 。 ，断开地层为T 3 啦 、T 3 。 地 层呈角度弯曲接触 、 J 地层局部缺失， 断距 2 5 0 m，属压扭性逆冲断层。由地面物探成果可以看到此处大 地电磁低阻异常，通过钻孔揭露有 1 0 m厚的断层角砾岩，路线里程 K 1 4 8 5 ～ K 1 4 6 5 处通过该断层。 1 ． 2煤巷采空区 隧道穿过珍珠冲组和须家河组含煤地层 ，据调查 ，在主线 K1 4 4 0 K1 6 0 0段左侧 、 K1 9 2 0 ～ K 2 0 0 0 段共分布有 8 处小煤窑处于隧道顶部。煤窑开采时间为解放前后，大多规模较小，现已停采。因洞口已 封闭， 年代久远，无法深入调查。其中鸡冠石煤矿为一规模较大的煤矿，主巷道宽 2 ．3 m，高 2 ．5 m， 洞口 进至 l k m洞壁、 洞顶用石条支护，开采方式为平洞开采，可能开采煤层为T 第 3 、5 段煤层， 估计洞内 水量约 2 0 0 t／ d ， ， 旱、 雨季水量变化不大， 常年保持现有水量。根据其走向大致可判断其巷道经过隧道区。 隧道所穿越地层地质条件复杂，断层破碎带 、背斜核部挤压破碎带及煤矿采空区老窑水等因素对隧 道正常施工带来很大威胁， 安全高效顺利通过断层带及采空区及含水区的施丁是本项目的最大难点。 2 超前探测应用 为了克服施工过程中将要遇到的各种困难，做到安全高效生产，所以在施工过程采取多种技术手段 收稿 日期 2 0 1 O - 0 4 1 3 作者简介鲜鹏辉 1 9 8 0 一 ，男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事岩土工程物探研究和技术服务 1 02 超前探测在慈母山隧道地质灾害预报中的应用 进行超前地质探测预报。在隧道开挖之前，对隧道进行全方位的预测，提供详细、准确的地质资料，判 断开挖前方的lT程地质及围岩情况 ，拟订出合理的施工方案。并对前方围岩类别进行分类，指导隧道开 挖施工 。 2 ． 1超前地质预报方法 如今 ，超前地质预报工作 已越来越受到各级施工技术部门的重视 ，而超前地质预报方法有多种 ，诸 如工程地质调查与推断法、水平钻孑 L 预报法、地质雷达预报法、T S P超前地质预报法等， 但由于水平钻 孑 L 预报价格高且影响隧道施工时间长， 地质雷达预报法快速简便但距离短且干扰因素多， T S P 2 0 3 超前地 质预报由于具有预报距离长、耗用时间较短、预报精度高等特点。慈母山隧道施_T工期短、任务重，所 以选用以T S P 超前地质预报法为主做长距离预报， 以地质雷达和工程地质调查与推断法作为短距离预报， 三者互为补充验证，提高超前地质预报准确性。 2 ． 1 ． 1 工程地质调查与推断法 工程地质调查与推断法是隧道超前预报中使用最早的方法。通过地表和隧道内的_ 『二 程地质调查与分 析， 了解隧道所处地段 的地质结构特征 ，推断前方 的地质情况 ，包括地层与岩性的产状特征 、构造 的发育 规律 、 岩溶发育的部位等，预测隧道掌子面前方的不良地质现象可能的类型、 部位、 规模， 以便隧道施工 中采取合理的工艺与措施。 在隧道埋深较浅、 构造不太复杂的情况下， 这种预报方法具有较高的准确性， 但是预报距离不宜太远。 2 ． 1 ．2 T S P超前地质预报法原理 T S P 2 0 3 探测是根据地震波的反射波探测原理， 人工制造一系列有规则排列的轻微震源 ， 在计算机的 监控下，由三维地震波接收器采集这些震源所发出地震波在周围岩体中以球面波形式传播而遇到不良地 质体 如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等 被反射回的地震波数据。这些回波信 号的传播速度 、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的⋯ ， 通过分析可以得到前方至少 1 0 0 1 5 0 m围岩地质体的性质、 位置和规模， 并可算出其岩石物理力学参数 I 1 - 4 1 O 2 ． 2预报结果及与实 际开挖情况 的对 比分析 根据工程地质调查与推断和 T S P 2 0 3探测结果综合分析作出超前地质预报的结果与实际开挖过程中 揭露的围岩情况相比较，总体上比较一致 表 1 。 超前地质探测预报方法给隧道施工做出了科学性指导， 在施工过程中根据超前预报的地质变化情况， 不断优化各项参数，尽量减小对围岩的扰动。并且严格实施监控量测有关技术规定 ，作到勤观察、勤量 测 、勤整理，随时掌握围岩的变形发展情况，用以修正支护方案，指导开挖进度。使慈母山隧道安全的 通过复杂地质带 ，按时完工。 表 1 预报结果及与实际开挖情况对比分析 里 程 超前预报结果 实际开挖结果 岩石破碎 ． 层理、裂隙发育，局部 节理裂隙发育，岩质极软 ，手 可轻易捏碎 ，局部有少量渗水。岩层 自稳能力差 ， ZK0 7 5 8 ～Z K0 7 9 7 含水，f嗣岩稳定性差。 常有发生掉块 ，易发生塌方，由I I I 级围岩变更为V级围岩 岩体破碎带 ， 极易塌方 、 掉块 ，围 拱顶右上部出现塌方。围岩持续垮塌 ，塌方量约 5 0 0 r n 3 ，垮塌纵向长度约 4 m， Z K1 l 3 2 - Z Kl 1 4 4 岩稳定性差 。 高度约 8 m，宽度约 1 4 m 岩体破碎，节理裂隙极发育 ， 岩体 围岩为碳质页岩 、粉砂岩 、泥岩互层 ，时常出现掉块现象 ，岩石层理絮乱 、岩 Z K1 1 4 4 - Z Kl l 6 7 破碎，易塌方 、 掉块，围岩稳定性 体破碎 ，节理裂隙和水发育 ，渗水明显 ，整体稳定性差 ，极易发生坍塌。由I I I 差。 级围岩变更为 V级围岩 岩石破碎，层理 、裂隙发育 ，岩质 呈页状及薄层状 ，节理裂隙发育，岩质极软，手可轻易捏碎 ，岩层 自稳能力差 ， Y K0 7 4 6 ～ Y K0 7 5 5 较软 ，围岩稳定性差。 由I I I 级围岩变更为V级围岩 岩体节理极发育 ， 岩体破碎 ，易塌 围岩为砂岩、碳质页岩 、 煤线 、 碳质泥岩节理裂隙发育 ，底部岩体破碎，岩石完 YK 1 l 2 7 - YK1 1 71 方， 掉块 ， 围岩稳定性差 ， 有渗水。 整性差 ，岩石层理絮乱 ，整体稳定性较差，渗水明显，易发生坍塌 。 3 超前探测分析与研究 通过对 T S P 2 0 3地质超前预报系统的使用和资料解释，发现不同地质特征的超前地质预报情况不是 完全相同的，实际工作中资料的解释应该严格与当地地质资料及测区的实际情况相结合。实践中不断总 1 0 3 2 0 1 1年 3 月第 3 1 卷第 1 期 四川地质学报 V o 1 ． 3 1 N o ． 1 Ma r ． ，2 0 1 1 结经验，从而真正起到指导施工、预防工程事故的发生 。。 按照地震波的一般规律 ， 进行 T S P处理成果的解释 ， 解释中一般遵循以下准则 ， 但是事物是复杂的、 相互联系的，所以 T S P 2 0 3数据提供了大量丰富的岩体物理参数，在以下几点准则基础上要综合考虑每 项，仔细分析才能得出更加准确的结果。 1 正反射振幅表明硬岩层， 负反射振幅表明软岩层 ； 反射信号的强弱与反射界面两侧的岩性有很大 关系，反射界面两侧的岩性 波阻抗差异越大，反射回来的信号越强。 2 若 s 波反射较 P 波强，则表明岩层饱含水。 3 V p ／ V s 增大或 8泊松比变化较小 ，常常由于流体的存在而引起 。 4 若 v p 下降，则表明岩体裂隙或孔隙度增加或岩质较软。 由于 T S P 2 0 3地质超前预报系统是利用地震波反射法原理进行超前预报 ，所以在探测施工过程中应 注意以下几点 1 传感器和炮孔的位置、深度必须按照要求执行。特殊情况下，如果炮孑 L 、 传感器的间距、深度、 高度、炮间距以及装药量等发生变化时，必须逐个进行量测，使得实际参数与数据处理参数一致 ，以便 在数据处理过程中进行校正 ，尽量避免较大变化 ，减小误差。 2 必须使用高灵敏度瞬发雷管， 这样可以尽量避免在雷管延时时间内接收噪音， 而且有利于更加准 确的判定地质异常体的位置， 还有利于完全利用 T S P 2 0 3的最大有效采集时间，即相应的有效的探测距 离。炸药的爆速要与待测岩体的波阻抗 P v 相匹配，炸药的用量应严格控制以避免产生不必要的噪 声信号和对高频信号的抑制，尽可能产生有力脉冲信号 宽频带信号 。 3 炮孑 L 必须封堵密实，以免产生较多声波而形成干扰信号， 并且可以减少能量消耗， 使得产生尽可 能强的地震波，方套管必须牢牢锚固到底，不能在孑 L 底产生小的空洞。这点对于接收的地震波信号的质 量好坏至关重要 。 4 在左右分幅隧道 中， 炮孑 L 布置在左帮或右帮 ， 要充分考虑其边界条件。 一般进 口方 向为左幅左帮 ， 右幅右帮， 口方向相反， 这样可以避免相邻隧洞壁产生较强反射面，影响结果的判断。 参考文献 [ 1 ]尹亮彬．八字岭隧道 出口超前地质预报技术应用[ J ] ．山西建筑，2 0 0 7 ， 3 3 1 1 ， 3 3 9 ～ 3 4 0 ． [ 2 ]王振东．浅层地震勘探应用技术[ H ] ．北京地质出版社 ，1 9 8 8 [ 3 ]张勇，张子新。华安增．T S P超前地质预报在公路隧道中的应用 ] ，西部探矿工程，2 0 0 1 ，7 2 5 ， 7 1 - 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