复杂隧洞地质构造综合超前探测研究.pdf

第 3 2卷第 1 1期 2 0 1 0年 1 1 月 人民黄河 YELLOW RI VER Vo 1 ． 3 2． No ． 1 1 N o v ．， 2 0 1 0 【 水利水电工程 】 复杂隧洞地质构造综合超前探测研究 张 凯 ， 杨 庆 ， 马永 强 ， 潘 晓林4 1 ． 中国矿业大学 北京 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 神华集团有限责任公司， 北京 1 0 0 0 1 l ； 3 ． 华北水利水电学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 4 ． 中国水利电力对外公司， 北京 1 0 0 1 2 0 摘要 根据 不同地球物理探测 方法的优缺 点， 采用震波探测和瞬 变电磁探测相 结合 的综合探 测及预报 方法对复 杂隧洞 地质构造进行超前探 测。瞬 变电磁 方法具有探 测深 、 工作效 率高等优 点 ， MS P ／ T S P联合探 测方法使探 测结果更为真 实地 反映地质情况， 工程实例应用分析结果表明 基于瞬变电磁法和 MS P ／ T S P联合探测方法的综合超前探测方法具有较 高 的准确性和可靠性， 关键词复杂隧洞；地质灾害；震波探测；瞬变电磁探测；地质超前预报 中图分类号 P 6 4 2 文献标识 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 1 3 7 9 ． 2 0 1 0 ． 1 1 ． 0 4 8 在复杂隧涧 中存 在 的断裂 带 、 含 水岩 溶带 是 导致 隧 洞塌 方、 涌水等地质灾害的直接原因， 探查异常构造及含水岩体的 地质特征 和富水性 是隧洞地 质构 造超前 预报 的重 要 内容 。隧 道施工 中复杂 地质 构造 的超 前 探测 ， 就 是 利用 一定 的技 术 手 段， 采集隧道所在岩体的信息， 并运用相应的理论对这些信息 进行数据处理及解释， 从而掌握施工掌子面前方地质构造特征 并对灾害风险作出评价。通过超前探测， 可以查明掌子面前方 的围岩性状、 结构面发育等构造特征， 特别是溶洞、 断层等复杂 构造以及岩体含 富 水性 ， 以便及时采取措施， 避免塌方 、 涌 水、 岩爆等地质灾害， 确保工程质量及安全 。 1 地质超前探测方法 复杂地质构造的超前探测及预报技术最早应用于煤矿开 采 ， 随着公路 、 铁路 、 城市地下空间建设 的发展以及工 程施 工难 度的增加 ， 超前探 测技术 在隧道 施工 中的应 用 越来 越多 J 。 目前掌子 面前方超 前探测方 法主要有 地质方法 、 物探方 法和水 平钻探方法 3大类。超前钻探虽然准确性较高， 但对施工的干 扰严 重 ， 而且预测距离有限。物探类 方法分为地震类 T S P 2 0 3 、 陆地声纳法、 地震反射波层析成像法等 和电法类 地质雷达、 高密度电法等 ， 从应用角度看， 地震类方法对构造探测较为有 效， 但对与水有关的地质缺陷的预报不如电法类方法有效。 1 ． 1 地震 波探 测法 地震波探测法足应川地震波在传播过程 中遇到不均匀地 质体时会发生反射的原理 ， 布置震源 和传 感器来探 查前方地质 条件和水文地质条件的地质预报方法 j 。地震波观测系统主 要由记录单元、 接收单元和激发单元组成。震波由特定位置进 行小型爆破产生， 爆破点一般沿左 右 帮平行洞底成直线排 列 ， 由人工 制造一 系列有规则排列 的轻微 震源 ， 形成地震 断面 。 这些震源发出的地震波在 遇到地 层层 面 、 节理 面 、 断裂 破碎界 面和溶涮、 暗河、 岩溶陷落柱、 淤泥带等不 良界面时， 将产生反 射波。T S P 隧道地震波探 测 与 MS P 矿井 地震 波探 测 方法 都属于地震波探测法 ， 两者原理相同， 仅工作方法和处理软件 不 同。 1 ． 2瞬变 电磁 探测 法 瞬变电磁探测法 T E M 是近年来 国内外发展较 快 、 效果较 好的一种电法勘探方法 ， 与其他 方法相 比 ， 该方 法具 有探测 深 、 信息丰富、 工作效率高等优点。 应用电磁场的偏振性质 ， 有利于确定缺陷的方向， 且对与 水 有关 的缺陷 比较敏感 ， 同时记 录的是时 间系列 ， 一 般情况下 ， 时间域电磁法 T D E M 和频率域电磁法 F D E M 相 比， 在相同 的频率条件下 主要指音频 ， T D E M的分辨率 比F D E M要高 ， 这符合掌子面前方地质缺陷及含水性精细超前预测的要求。 瞬变电磁法 属时 问域 电磁感应方 法 ， 其探测 原理 在发 送 回线上供一个电流脉冲方波， 在方波后沿下降的瞬间， 产生一 个向回线法线方向传播的一次磁场， 在一次磁场的激励下， 地 质体将产生涡流 ， 其大小取决于地质体的导电程度 ， 在一次磁 场消失后， 该涡流不会立即消失， 它将有一个过渡 衰减 过程。 该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播， 由接收 回线接收二次磁场 ， 该二次磁场 的变化将 反映地质体 的 电性分 布情况。如果按不同的延迟时间测量二次感生电动势 V t ， 就 可以得到二次磁场 随时 问衰减 的特性 曲线 。当没有 良导体 存 在时， 将观测到快速衰减的过渡过程； 当存在良导体时， 电源切 断的一瞬间， 在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断， 所 观测到的过渡过程衰变速度将变慢 ， 从 而发现 导体的存在。 瞬变电磁场 在大 地 中主 要 以扩散 形 式传 播 ， 在 这一 过 程 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 - 2 9 基金项 目 国家重点 基础研 究发展规 划项 目 2 0 0 9 CB 2 1 9 6 0 3 ， 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 9； 国家 自然科 学基 金 重 大项 目r 4 0 6 7 2 1 0 4 ； “ 十 一五 ”国家科 技 支撑 计划 项 目 2 0 0 6 B A K 0 1 A 0 2 ； 国家 自然科学基金资助项 目 4 0 8 0 2 0 6 2 。 作者简介 张凯 1 9 8 O 一 ， 男， 江 西新余人 ， 博 士研 究 生， 主要从 事地 质灾 害评 截 理 防 活 研 完 工 怍 E n ml e 0 1 ∞ k Il 、 0 f 2 6 c t l 1 0 9 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 1 期 中， 电磁能量在导电介质中因传播而消耗， 趋肤效应使高频部 分主要集中在地表附近， 且其分布范围是源下面的局部， 较低 频部分传播深， 且分布范围逐渐扩大。 2 某复杂隧洞地质构造的综合超前探测 2 ． 1工程概 况 某深长隧道工 程 预计 掌子 面前 方将 先后 穿过 断层 F D 9 5 逆 断层 ， L6 0 。 ～8 0 。 、 H 0～5 0 m； F D 1 0 81正断层 ， L5 0 。～ 5 5 。 、 H 5～ 2 5 m； F D 1 0 8正断层 ， k6 5 。 、 H 0～6 0 m； F 1 1 41 正断层， Z7 0 。～ 8 0 。 、 H 0～3 0 m。为了保证施工安全， 需要查 明前方 的地质情况 ， 对构 造与 富水性进 行评 价 ， 目前较为 经济 有效 的方法是地球物理勘探方法 ， 因此 笔者采用瞬变 电磁 法和 MS P ／ T S P联合地震波法， 对前方地质体进行综合超前探测技术 研究 。 2 ． 2 测线布置与数据采集 1 震波超前探测 现场布置 。探 测在有 限空 间内展开 ， 采 用炸药震源 ， 炮孔 3 0个 ， 炮 点 12 4布置在左 帮 ， 2 5～3 O布置 在右帮 ， 设 计炮 问距 为 1 ． 5 m， 见图 l 。MS P传感器点 3个 ， 分 别 为 C l 、 C 2 、 C 3 ， T S P传感器 点 2个 ， 分别为 T 1 、 1 ’2 ， 其 中 C l传 感器距离 P 1_号炮点 2 3 ． 0 n I ’ C 3在右帮和 c 1位置对应。标志 点 5 6距离掌子面 6 0 ． 0 H 1 ， 距 离 c l 接收点 2 ． 1 m。 必 L u 5 6 。 ． } 图 1 MS P ／ T S P超前探 测测线布置示意 ． 2 瞬变电磁测线布置。受空问限制， 瞬变电磁法的发射 和接收线圈的几何尺寸受到一定的制约， 只能采用多匝小回线 发射和接收装置 ， 即边 长为 2 m。测点布置在掌子面空间位置 ， 见图2 。从掌子面右侧开始 ， 首先使发射、 接收天线的法线垂直 掌子面右侧进行测量 1号测点 ， 然后旋转天线， 使天线的法 线方向与掌子面的右侧分别成 6 O 。 、 4 5 。 和 3 0 。 的夹角进行探 测 2 、 3 、 4号测 点 。当天线的法线方 向与掌 子面垂直 时 ， 根据 宽 度布置 3个测点 5、 6、 7号测点 。到掌子面左侧时， 类似右侧 方法分别成 3 0 。 、 4 5 。 、 6 0 。 和9 0 。 的夹角进行探测 8 、 9 、 1 0 、 1 1号 测点 ， 从而可以从多个角度进行数据采集， 称之为扇形测深系 统技术 9 1 0 1 】 图 2 瞬变 电磁测线布置示意 2 ． 3 数据 处理 数据处理时以 5 6点为相对零点， 以掌子面前方为 正方 向、 右帮为 y正方向建立坐标系， 分别确定炮点、 检波点和瞬变 电磁测点的坐标。 1 MS P ／ ] S P超前探测数据处理将现场采集到的物探 数据经过处理转化为可 利用 的物性 图件 ， 其处 理流程 数 据预 处理、 频谱分析、 直达波求取、 反射波提取 、 速度分析、 深度偏 l 1 0 移 、 界面提取 。T S P法超前探测深度偏移剖 面见 图 3 ； M S P法超 前探测界面提取剖面见图 4 。 8 0 巨 、 1 6 0 2 40 图 3 T S P法超前探测深度偏移剖面 xh n 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 l 2 0 1 4 0 l 6 0 图 4 MS P法超前探测界面提取剖面 2 瞬变电磁超前探测数据处理 。瞬变电磁数据处 理选择 M S D系统配套数据处理软件。处理流程 数据上传、 格式转换 、 数据圆滑 、 计算晚期 视 电阻率 、 正反演 计算 。数据 处理结 果见 图 5 。 0 5 I U 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 【 l 4 5 5 0 5 5 6 U 的 图 5瞬变电磁法超前探测剖面 2 ． 4结果分析 T S P方法测得的深度偏移剖面 图 3 反映了前方弹性差异 界面的空间位置关系。可以看出， 在剖面上自 5 6点起向前方 2 0 0 i n 范围内存在明显反射相位， 其中较强的反射界面有 2 组 ， 第一组 异常界面距掌子 面较近 ， 距 5 6点 7 08 5 m； 另一组异 常界面较远 ， 距 5 6点 1 5 2～1 7 5 m。在两组 主要反 射界面 间 ， 还发育着一些较小的反射相位界面。 从 MS P法界面提取剖面 见图 4 可 以看 出， 在 掌子 面前方 共存在两处明显反射异常带， 分别命 名为 R 1 6和 R1 7 ， 其 中 R 1 6距 离 5 6点 8 4 9 6 m， R 1 7距离 5 6点 1 5 2 1 5 8 m。 瞬变电磁超前探测 剖面见 图 5 ， 该瞬 变电磁探测控 制掌子 面前方 5 O m即 5 6点前方 1 l 0 m。从结果剖 面看 出， 探测 区域 内整体阻值较高， 无明显局部低阻异常。 综合上述分析， 并结合现有地质资料对异常体作如下解 释 在 R 1 6异常界面处， 即距 5 6点 8 4 9 6 m段存在裂隙带或 落差较小的断层构造； 结合地质资料将 R 1 7异常界面处推断为 断层 F D 9 5 ， 距离 5 6点 1 5 2 m； 受 F D 9 5断层影响， 巷道前方自 5 6点向前 1 2 8 m开始岩体完整性变差， 裂隙较发育； 从瞬变电 磁探测结果推断在该探测段内掌子面前方岩体富水性较弱。 该解释成果与在同一掌子面上进行的超前钻探结果基本吻合， 同时隧洞的开挖也验证了综合物探方法预报结果的准确性和 町靠性。 下转第 1 l 2页 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 1 期 先在锯口上方 2 0 c m处， 从枝条下方向上锯一切 口， 深度为枝 干粗的一半， 再从上方将枝干锯断， 留下一条残桩， 最后从锯口 处锯除残桩。③在锯除树木枝干时， 锯 口一定要平整， 用 2 0 ％ 的硫酸铜溶液消毒 ， 最后涂上保护剂 保护蜡、 调和漆等 。 评分标准 满分 1 0 0分。①选用工具 l O分 ， 选用不正确的 工具扣3分； ②细枝条的修剪3 0分 ， 每处剪口不平滑， 有毛刺 的扣 2分 ， 直至扣完； ③剪口位置 2 O分， 操作不规范， 剪口的位 置不对， 一支扣 3分， 扣完为止； ④粗枝条的修剪 2 0分， 每处剪 口不平， 留有残桩的扣 2分， 扣完为止， 每处不涂保护液的扣 2 分， 扣完为止； ⑤清理现场 5分， 不清理现场扣 5分， 现场清理 不彻底酌情扣分； ⑥ 比赛时间 3 0 ra i n ， 按照完成 l 0分， 超时每 分钟扣 1分， 不足 l m i n者按 1分钟计， 节余时间每分钟加 1 分， 不足 t m i n 不计， 操作全部完毕且合格方可加分， 加分不超 过 1 O分； ⑦文明礼貌、 精神面貌5分 ， 言行举止不文明、 服装不 统一酌情 扣分 。 2 ． 4 确定参赛队伍、 参赛人员及评委 要求辖属水管工程区段的每个养护分公司和水管单位工 管、 运行观测科， 不管人员多少都要组织队伍参赛； 参赛人员通 过单位全面练兵， 内部初选产生， 必须保证每个一线工程管护 班最少有一名职工参赛。 评委由市局统一安排， 每个竞赛项 目的评委负责人由市局 工作组成员担任， 参赛单位每个项日出任一名坪委。 2 ． 5 确定竞赛时间、 竞赛地点和参赛工具 竞赛活动时间要避开黄河调水调沙及寒冬等特殊时段。 竞赛地点需要事先实地察看， 宜选在项 目集中、 距离较近、 易于组织又都存在问题的水管工程处， 并且每年应选择在不同 的县局或不同的地点进行。 因竞赛用养护工具为常用小型工具， 各地使用规格不完全 一 致， 如统一指定可能有熟悉过程 ， 因此工作组确定参赛用工 具 自带 。 2 ． 6 确 定奖励 、 激 励办法 对个人项 目前三名给予奖金并颁发证书； 对比赛成绩相对 突出选手， 由市局人劳部门授予技术能手称号； 对集体项 目前 两名颁发奖杯并给予奖金； 评出两名优秀组织奖， 颁发证书。 3 竞赛效果 1 通过较短时间内集中、 系统培训和开展技能竞赛， 可以 加速实现维修养护职工适应水管体制改革后新形势要求， 解决 其暴露 出的思想和技能问题。 2 竞赛达到_r全面练兵、 整体提高的目的。市局赛前巡 查发现， 郑州养护总公司2 9 0名职工绝大多数参加了赛前学习 和选拔， 有的分公司领导重视， 安排脱产培训半个月， 使职工对 黄河工程管理新理念及维修养护新知识有了全新认识； 9 0人参 加了最后技能竞赛， 组织多名职工现场观摩 ， 实际操作竞赛涌 现出了一批技能标兵， 起到了很好的示范带动作用。 3 竞赛理论结合实际， 具有实战性强、 趣味性强的特点， 使职工乐意参加。如在树木修剪项 目比赛后， 不少职工感慨 “ 真是想不到， 剪树枝还有这么多环节， 这么多要求” “ 这样的 活动， 有意思， 年年要搞一两回” 。竞赛还激发了维修养护职工 的凝聚力、 向心力， 参加竞赛的不管是老同志还是年轻人， 为了 集体荣誉， 都在酷暑中认真操作， 给观摩指导的上级领导和观 众留 F 深刻的印象。 4 准备工作是竞赛活动成功的重要基础。在技术标准和 评分办法的制定上， 虽然选定的实际操作项 目都是常见项 目， 但是没有现成的具体质量标准和施工工序环节。因此 ， 竞赛前 每个项 目都必须反复推敲确定， 以使大家在同一起跑线上比 赛。另外， 在一些项 目竞赛环节上， 尝试扩展了竞赛人员范围， 把水管单位工程管理、 运行观测、 防汛人员结合进来 ， 探讨更有 利于工程管理与维修养护业务水平整体提高的手段。 5 维修养护技能竞赛应该作为维修养护工作中的一件大 事 ， 坚持不懈地开展， 要不断对竞赛活动进行后评价， 使竞赛活 动走 向深入 。 【 责任编辑赵宏伟l 上接第 1 1 0页 3 结语 隧道地质超前探测及预报技术对于保 施 E 安全、 质量和 进度具有重要意义 。所采用 的两种地球物理探 测方法 中， 瞬变 电磁方法具有探测深 、 [作效 率高等优 点 ， 尤其适 用于含 水性 精细探测， M S P ／ T S P联合探测方法能够克服 T S P方法无法准确 获取 掌子 面前方岩体真实波速 的问题 ， 使探测结果 更为真实地 反映地质情况 ， 同时保留r T S P探测技术预报距离长、 适用范 围广 、 提供资料需时短的特点。工程实例应用分析结果表明 基于瞬变 电磁法和 M S P ／ T S P联 合探 测方法 的综合超 前探 测方 法具有较高的准确性和可靠性 参考文献 [ I ] 张平松， 吴健生． 中倒涟道及井巷地震波法超前预报技术研究分析[ J ] ． 地 球科学进展 ， 2 0 0 6 ， 2 t 1 o 1 o 3 3一 l O 3 8 1 1 2 【 2 j 赵永贵． 国内外隧道超前预报技术评价与推介[ J ] ． 地球物理学进展， 2 o o 7 ， 2 2 4 1 3 4 41 3 5 2 ． [ 3 ] 钟宏伟． 我国隧道工程超前预报技术现状分析[ J ] ． 人民长江， 2 o o 4 9 l 6 1 8 [ 4 ] 李术才 ， 李树忱 ， 张庆松 ， 等． 岩溶裂 隙水 与不 良地质情 况超 前预 报研 究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ， 2 6 2 2 1 7 2 2 5 ． [ 5 ] 周黎明， 刘天佑， 刘江平， 等． 复杂铁路隧道施工地质超前预报中T S P探测 技术应用研究 [ J ] ． 铁道工程学报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 2 1 3 7- 4 1 ． [ 6 ] 安， 关世林 复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[ J ] ． 工程地球 物理学报 ， 2 0 0 4 2 6 36 9 [ 7 ] 曾昭磺． 隧道地震反射法超前预报[ J ] ． 地球物理学报， 1 9 9 4 2 2 6 8 2 7 1 ． [ 8 ] 吴俊， 毛海和， 应松， 等． 地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用 [ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 3 ， 2 4 增 刊 1 1 5 4 1 5 7 ． [ 9 ] 郭立全， 刘盛东． 巷道构造震波超前探测技术及其应用[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 8， 3 6 1 1 9 91 0 1 ． 【 责任编辑吕艳梅】