超前地质预报在穿江隧道施工中的应用.pdf

1 5 4 西部探矿工程 2 0 0 8年第 4期 超前地质预报在 穿江 隧道施 工 中的应用 陆芝进 广东宏大爆破工程有限公司， 广东 广州 5 1 0 6 2 3 摘要 介绍 了T S P 2 0 0 3超前地质预报 系统、 掌子面地质编录、 水平钻探超前探测在西南成品油管道 工程穿江隧道施工中的应用及取得的成果。 关键词 穿江隧道 ； 超前地质预报 ； TS P 2 0 0 3超前地质预报 系统； 水平钻探超前探测 中图分类号 U4 5 6 文献标识码 B文章编号 1 0 0 4 ～5 7 1 6 2 0 0 8 0 4 0 1 5 4 0 3 为缓解西南各省成品油供应的紧张状况 ， 加快西部 大开发的步伐 ， 中国石化投资建设一条从广东省茂名市 至西南各省 区的长输管道 。管道 主线总长 1 7 0 0多公 里， 在广西境内多次穿越西江上游各支流。管道过江的 途径有江底隧道穿越 、 管桥跨越、 悬索跨越等方法 ， 而隧 道穿越法 以其成本低运营最安全成为首选。但 江底隧 道在施工 中面临的地质灾 害问题比较多 ， 如突泥、 突水、 塌方、 遇溶洞或断层大量涌水等。为了减少或避免这类 问题的发生， 实现工程快速安全施工 ， 超前地质预报技 术起到了积极的作用。通过超前地质预报 ， 及早发现施 工前方的异常情况 ， 预报掌子面前方不 良地质体 的位 置， 从而为施工方案优化提供依据 ， 为预防事故作好应 急准备。可见， 超前地质预报为隧道安全施工， 避免事 故发生， 具有重大的社会效益和经济效益 。 1 隧道超前地质预报方法 隧道超前地质预报方法主要分为三大类， 第一类是 与地质测量研究有关的方法 ， 如地面地质调查、 水文地 质条件预测 、 节理裂隙统计分析、 掌子面地质编录等 ； 第 二类是借助仪器间接预测方法 ， 如 TS P 2 0 0 3超前地质 预报系统 、 综合物探测试 、 地质雷达预报、 红外线辐射测 温超前预报含水体 、 水平声波剖面预测等； 第三类是利 用机械设备直接探测方法 ， 如超前导坑揭露、 水平钻探 超前探测等。 在西南成品油管道穿江隧道施工中采用 了 T S P 2 0 3 超前地质预报系统作中期预报 ， 结合掌子面地质编录推 测作短期预报， 再用水平钻探超前探测来验证 。 2 超前地质预报在在 西南成 品油管道穿江 隧道中的 应用 穿江隧道主要集中在广西境内西江上游各支流， 分 别为龙江的怀远隧道 、 龙江 的马头村隧道 、 郁江六景 隧 道、 罗江合江隧道 。各穿越位置属于低山丘陵孤峰喀斯 特地貌。隧道设计从河床底部岩层垂直横穿， 洞顶离江 4 结论和 建议 多波工程地震仪是复杂地质条件下隧道施工长距 离超前地质预报比较有效的方法之一 ， 无论采用哪一种 探测仪器， 必须与隧道工程地质条件分析相结合， 才能 得出合理的分析结论 。 参考文献 [ 1 ] 孙星亮， 侯永会． 断层破碎带隧道施工过程的三维数值模 拟[ J ] ． 石家庄铁道学院学报， 2 0 0 6 ， 1 9 2 9 1 2 ． E 2 ] 李德武．断层破碎带隧道衬砌受力特性研究E J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 7 ． [ 3 ] 关宝树． 隧道设计要点集[ Ⅳ 【 ] ． 人民交通出版社， 2 0 0 3 ． Ap p l i c a t i o M u l t i wa v e E n g m r i n g S e i s mo me t e r i n Ad v a n c e d P r e d i c t i o n o f Tu n n e l S IW e i f e n g T h e S e c o n d E n g i n e e r i n g L T D o f C i n a R a i l w a y Ni n e t e e n t h Gr o u p，Li a o y a n g 1 1 1 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n i n t r o d u c e d t h e p r i n c i p l e o f m u h i wa v e e n g i n e e r i n g s e i s mo m e t e r a n d c o mb i n e d d e t e c t i o n e x p e r i e n c e o f t u n n e l ， a n a l y z e d t h e a p p l i c a t i o n o f mu l t i wa v e e n g i n e e r i n g s e i s mo me t e r i n s o f t a n d we a k r o c k s t r a t u m a s we l 1 a s f a u l t f r a c t u r e z o n e a d v a n c e d p r e d i c t i o n o f t u n n e 1 ． Th e c o n s i s t e n c e c o n c l u s i o n o f p r e dic t i o n r e s u l t wi t h e x c a v a t e d p r a c t i c a b l e wa s a p p r o v e d ．Th e s t u d y p r o v i d e d r e f e r e n c e f o u n d a t i o n f o r t u n n e l s a f e t y c o n s t r u c t i o n a n d s u p p o r t c h a n g e a s we l l a s o p t i mi z a t i o n ． Ke y WO r d S t u r me l mu h i wa v e e n g i n e e r i n g s e i s mo me t e r a d v a n e e d p r e d i c t i o n 维普资讯 2 0 0 8年第 4期 西部探矿工程 1 5 5 底距离一般控制在 2 0 4 0 m左右 。施工时分别在两岸 开凿洞口， 以斜井进入河床底部岩层后再拉平硐， 穿越 断面呈“ U” 型或“ V” 型。 2 ． 1 T S P 2 0 0 3超前地质预报系统的应用 Ts P 2 O O 3 超前地质预报系统是瑞士安伯格测量技 术公司专 门为隧道及地下工程超前地质预报研发的， 是 目前国内外在这个领域最先进的科技成果。隧道掘进 施工期间， 我部对各穿 江隧道进行 了 TS P 2 0 0 3地质超 前预报 ， 以检测工作面前 方的围岩情况 ， 为后续施工提 供了参考资料。它 的主要任务是较准确地 预报 掌子面 前方 l O O m或更远距离范围内的主要不 良地质体的性 质、 位置和规模 ， 粗略地预报 围岩的级别和地下水情况。 并可获得地层变化的二维和三维图像， 代表性强， 可靠 程度高。一般情况下其测量 间距为 l O O m， 对 于地质条 件特别复杂的洞段， 测量间距加密到 5 0 m， 以保证前后 两次的测量结果有足够的重叠范 围， 相互 印证。它的一 切工作都在掌子面后面的毛洞 中进行 ， 对隧道的连续施 工不会有太大的影响， 可在隧道掘进 的过程 中连续不断 进行 。 2 ． 1 ． 1 检测原理 工作原理是地震波 的回波测量原理 。人 工制造一 系列有规则的轻微震源点 通常在 隧道的边墙 ， 大约 2 4 个炮点布成 1条直线 用小量炸药激发产生 。当地震波 遇到岩石物性界面 断层、 溶洞 、 暗河、 岩石破碎带 和岩 性变化等 时， 一部分地震信号反射回来， 一部分信号投 射进入前方介质 。反射 的地震信号将被高灵 敏度的地 震检波器接收。这些回波信号的传播速度、 延迟时间、 波形、 强度和方向与相应的不良地质体的性质和分布状 况密切相关， 当界面两侧的岩石强度差别越大， 反射回 来的信号就越强。反射信号的传播时间和反射界面的 距离成正比， 故而能提供一种直观的量值。T S P 2 0 3隧 道超前地质预报原理见图 1 。 图 1 I S P 2 0 3隧道地质预 报原理图 2 ． 1 ． 2 现场检测安装 T S P 2 0 0 3 超前地质预报 系统是安装在掌子面附近 的侧壁边墙上， 它是 由 2个接收 自感器孑 L 和 2 4个爆破 孔组成。安装步骤如下 第一步， 在距离掌子面 5 5 m处的洞壁两侧各钻 1 个接收传感器对称孑 L ， 孑 L E l 距隧道地面高度 1 ． 0 ～1 ． 2 m， 孑 L 身向上倾斜 5 。 ～1 O 。 ， 孑 L 深 为 1 ． 9 ～2 ． 0 m， 孑 L 径 4 2 4 5 mm 接收器标准 的外部直径 为 4 2 ～4 3 mm， 总长 2 m 。然后 ， 在距离 1号接收器 2 0 m 起， 向掌子面方 向 每隔 1 ． 5 m钻孑 L 一个 ， 一共钻 2 4个爆破孑 L 。孑 L 口距隧 道地面高度 1 ． O ～1 ． 2 m， 孔身向下倾斜 1 0 。 ～2 O 。 ， 钻孑 L 深度为 1 ． 5 m， 孔 径 3 8 mm。所 有钻孔的顶点位置尽可 能在与隧道轴线平行的同一直线上； 第二步 ， 钻孑 L 完毕后 ， 逐个测量孑 L 的深度和倾斜度， 并做好记录。对不符合要求的进行补钻； 第三步， 埋设接收器 用于地震信号采集的接收器 分为接受杆和超灵敏三轴传感器两部分， 传感器位于接 受杆顶部 。接收器放在一个特殊的金属套管内， 套管通 过特制锚 固剂旋绞固定在岩体内。埋设接收器前， 先清 孔， 清除孑 L 底虚碴 ， 放 人锚 固剂 ， 插入套管转动 ， 调节垂 直方向， 5 mi n之后则完全凝结 固定 。待套管 与岩层紧 密结合 以后 ， 插入接收器 。注意传感 器方向朝向掌子 面 ； 第 四步 ， 连线检查 把接收器 、 检波器 电脑 、 起爆 器、 同步器连接起来， 并检查其是否正常工作； 第五步 ， 装药爆破 每孑 L 装药量为 5 0 g ， 用电雷管引 爆炸药 。从里向外逐个依次装药联线 ， 起爆器起爆。共 激发 2 4 炮 ； 第六步 ， 获取成果 通过 MS Wi n d o ws 平台开发 的 TS P w i n软件可以记录压缩波 P波 和剪切波 S波 的 全部波场， 并能计算 出预报区域内的岩石力学参数。最 终显示出掌子面前方与隧道轴线相交的同相 轴及边界 位面的 2 D、 3 D成果图。 2 ． 1 ． 3 检测结果分析 在成果解释 中， 以 P波 、 H波、 S V波的原始记录分 析测段岩体 的地质条件 。预报分析推断以 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 。 3 vb ／ V 增加或 8突然增大 ， 常常由于流体 的存 在而引起。 4 若 V 下降， 则表明裂隙或孑 L 隙度增加 。 2 ． 2 掌子面地质编录应用 每一开挖循环结束后 ， 都对掌子面的地质情况进行 编录。地质编录的主要内容有以下几点 维普资讯 1 5 6 西部探矿工程 2 0 0 8 年第 4 期 岩性 、 地质时代 、 岩层产状、 节理裂隙发育状况 、 软 弱夹层 、 岩脉穿插情况 ； 断层及破碎带的形态 、 产状 、 宽度及充填物特征； 主要节理裂隙的形态产状规模及相互切割关系； 地下水 出水点及出露情况。 不稳定块体的位置 、 形态 、 范围、 坍塌掉块部位和地 段范围。 在地质编录的基础上 ， 对 围岩的工程地质学特征 、 岩石力学特性和工程水文特征等进行初步的定性评价 ， 进而对围岩的稳定状态 、 初始应力状态等进行评价 。 2 ． 3 水平钻探超前探测应用 由于 TS P 2 0 0 3超前地质预报系统及掌子面的地质 编录推测存在间接性和多解性 ， 我部 同时使用了水平钻 探超前探测进行直接的超前预报。超前探孔每循环原 则上设 4 个 ， 钻孔深度一般 2 0 3 0 m左右， 外插角 8 。 ～ 1 3 。 ， 终孔不小于开挖轮廓线 2 m， 且两循环之间搭接长 度不小于 5 m。根据钻孔速度变化、 钻孔出水的清浊及 颜色， 来判断对掌子面前方地质情况。因地下岩溶管道 分布很不规律 ， 超前探水孔施作的过程 中不一定能够探 到岩溶管道或溶穴 、 溶孔 、 溶隙等不 良岩溶地质 ， 因此在 施作炮眼时将上下左右中 5个炮眼加深到 5 ～8 m进行 辅助超前探测。 水平钻探超前探测施工与注浆止水工艺结合进行 ， 当超前探孔至岩溶裂隙涌水时 ， 应停钻立 即注浆止水 ， 若涌水大时可采用注浆墙后进行帷幕注浆封堵。注浆 后钻检查孔检查效果， 达到开挖条件的继续掘进， 达不 到开挖条件的， 利用检查孔继续注浆， 直到满足开挖条 件。 用超前水平钻探可 以最直接地揭示掌子面前方的 地质特征， 准确率很高。在岩溶发育地段采用长短钻孔 相结合， 并结合其它探测成果， 可取得良好效果。 2 ． 4 隧道超前地质预报成果 见表 1 表 1 超 前地质预 报成 果表 妻 T 舞 堑 垦 歪 簪 及 水 平 钻 探 超 前 检 验 及 开 挖 揭 露 情 况 长 度 掌 子 面 地 质 编 录 推 断 结 果 南岸 7 8 ～9 7 m有溶洞水； 9 7 ～1 0 3 m有异常， 含裂 郁江六景隧道 隙水； 1 5 0 ～1 5 7 m有溶裂水； 1 8 5 ～ 1 8 7 m裂 隙水； 5 0 6 m 2 5 0 2 6 0 m有 溶裂 水。北岸 8 O ～ 1 0 5 m有 溶裂水 ； 1 6 O ～1 8 0 m 有溶裂水 罗江合江隧南岸 1 2 1 ～1 2 7 m有异常， 含裂隙水； 1 6 2 ～1 6 5 m有 道 4 2 2 m 异常， 含裂隙水。北岸 北岸 9 5 ～1 l O m含水 鬻i．．if 494m 南岸 8 5 m见小股溶洞水及溶洞充填物， 9 9 m破碎， 弱渗 水 ； 1 5 9 m见大溶洞 ， 涌水很 大； 1 9 2 m 见连续 小溶 洞群 ， 涌 水时间长， 水量大。北岸 1 l O m见溶洞水； 1 5 5 m见溶洞突 泥 ， 弱 涌水 南岸 1 3 5 m见节理涌水； 1 5 5 m见小断层， 弱涌水； 2 0 0 ～ 2 2 0 m段渗水 。北岸 1 0 0 m见弱节理水 南岸 1 2 9 m见溶洞水及溶洞充填物； 1 6 5 m溶洞充填物， 涌 水大； 1 7 0 m见连续小溶洞群， 涌水时间长， 水量很大； 1 8 7 m 见破碎 ， 水 量大 。2 3 8 m 当水 平钻 到 1 0 m 时大 量 突泥 、 突 水， 水压 3 d没下降， 并见泥鳅等鱼类涌出。经江面钻探证 实 ， 溶洞 与江水连通而终止隧道施工 ， 改 为管桥跨越 嚣 一薹 西南成品油管道穿江隧道采用 T S P 2 0 0 3超前地质 预报结合地质编录、 水平钻探超前探测方法对隧道掘进 进行超前预报， 取得了良好的效果 ， 在施工中成功地避 免了多次 H j 水事故 ， 使 4条隧道中的 2 条顺利贯通。遗 憾的是龙江怀远和龙江马头村隧道， 因隧道设计埋深过 浅， 造成江底溶沟直达隧道并与江水连通而放弃 。值得 庆幸的是通过超前地质预报及早发现了问题 ， 避免了特 大涌水事故， 确保了人员生命和财产的安全。 3 结束 语 穿江底隧道一般设计成斜井形式 ， 不具备 自然排水 条件， 掘进中如何预防大规模涌水是隧道施工成败的关 键。超前地质预报技术可以提前预测掘进前方一定距 离的富水位置 ， 为施工方案优化提供依据， 为预防隧道 事故提供预警信息。可见 ， 超前地质预报技术是确保江 底隧道施工安全的重要手段， 值得大力推广应用。 参考文献 [ 1 ] 蔡运胜． TS P型隧道超前地质预报系统及应用IL J ] ． 物探与 化探 ， 2 0 0 4 ， 2 8 2 ． [ 2 ] 李勇， 孙喜峰 ， 李延． 隧道施工地质超前预报方法E J ] ． 地质 与资源 ， 2 0 0 4 ， 1 3 2 ． E 3 ] 郑浩． 隧道超前地质预报方法及其在过江底隧道施工中的 应用L J ] ． 科技信息 学术研究 ， 2 0 0 7 ， 2 1 ． 维普资讯