瑞利波探测公路施工隧道含水断层破碎带.pdf

第 3 6卷 第 2期 2 0 0 8年 4月 煤 田地质与勘探 C0A LG E0 1 0GY 删0R A ] 1 0N 、 ， _0 1 ． 3 6NO． 2 Ap r ．2 0 08 文 章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 0 8 0 2 0 0 7 2 0 4 瑞利波探测公路施工隧道含水断层破碎带 赵存明 ，一 ，沈斐敏 ，张燕清 ，吴存兴 1 ． 福州大学，福建 福州 3 5 0 0 0 2 ；2 ．福建交通职业技术学院，福建 福州 3 5 0 0 0 7 ； 3 ．三明泉三高速公路有限责任公司，福建 三明 3 6 5 0 0 1 摘要断层破碎 带的出现必然使岩体的硬度发生明显改善 ，而瑞利波的传播速度恰与介质的物理 力学特性有关。利用瑞利波探测技术 ，对泉三 高速公路某施工隧道含水大断层进行超前探测，并 与地质雷达和钻探探测结果比较 ，结果显示，锐利波探测的断层破碎带宽度与隧道施工揭露的极 其吻合，瑞利波是超前预报含水断层破碎带的一种简便、高效的技术 关键词瑞利波；含水断层破碎带；超前探测 中图分 类号 P 6 3 1 文献标 识码 A De t e c t i ng wat e r - be a r i ng f a ul t be l t d ur i ng h i g h wa y t unne l c o n s t r uc t i o n by Ra y l e i g h wa v e t e c hn i q ue ZHAO Cu n rui n g ， S HEN Fe i rai n ， ZHAN G Ya n q i n g ， W U Cu n x i n g 1 ． F u z h o g Un i v e r s i t y , F u z h o g 3 5 0 0 0 2 ， C h i n a ； 2 ． F u j i a n C o mmu n i c a t i o n s T e c h n o l o g y C o l l e g e ， F u z h o g 3 5 0 0 0 7 ， Ch i n a ； 3 ． S a n mi n g Qu a n s a n Hi g h wa y C o ． L t d ， S a n mi n g 3 6 5 0 0 1 ， C h i n a Abs t r ac t The o cc u r r e nc e of f au l t be l t mus t c ha nge t h e h a r d ne s s o f r o c k mas s ．The t r a ns l a t i on s pe e d o f Ra y l e i gh wa v e i s r e l a t e d t o ph ys i ca l an d mec h a ni c a l pr o pe r i es of me di u m ．Th e Ra y l e i gh wa ve s u r v e y t e c hni que i s us e d f or wa t e r - b e a r i n g f a u l t b e l t p r e p r e t e c t i o n i n t h e p r o c e s s o f a t u n n e l c o n s t r u c t i o n o f Qu a n s an h i g h wa y ， a n d t h e r e s u l t i s c o m p a r e d wi t h t h e r e s u l t o f g r o u n d p e n e t r a c t i n g r a d a r ． I t i s i n d i c a t e d t h a t t h e Ra y l e i g h wa v e t e c h n i q u e i s a k i n d o f s i mp l e ， e ffe c t i v e t e c h n i q u e f o r p r e d e t e c t i n g wa t e r - b e ari n g f a u l t b e l t i n t h e p r o c e s s o f t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n ． Ke y wor ds Ra yl e i gh wa ve； wa t e r - be a r i ng f a u l t be l t ； p r e de t e c t i on 断层破碎带是公路隧道施工过程 中常见的地质 灾害之一。断层破碎带通常是 良好的导水通道和水 富集的场所 ，预先查明断层破碎带的位置和分布范 围，采取相应措施防止突泥突水事件的发生 ，对于 隧道安全施工至关重要 。而探索施工简便 、快速 ， 对围岩扰动小、对施工影响小的无损探测技术是开 展隧道地质灾害超前预报工作顺利实施的关键【 ” 。 实践证明 ，开展隧道地质超前预报工作对于长 大隧道是必需 的 】 。因为地质条件的复杂性 ，在隧 道设计与施工前虽然都进行 了详细的勘探 ，但施工 前掌握的地质情况与隧道施工过程 中揭露的往往有 较大的出入 ，有时甚至大相径庭。隧道施工过程中 发生的地质灾害事故通常是 由于地质情况不明，对 于灾害性地质情况 如 含水断层破碎带引起 的突泥 突水事故 没有预先采取相应的防治措施造成的【 3 】 。 本文以泉三高速公路某隧道含水断层破碎带的 收稿 日期 2 0 0 7 ． 0 7 0 5 作者简介 赵存明 1 9 7 0 一 ，男 ，山东诸城人 ，副教授，博士 ，主要从事隧道工程等领域的教学与科研工作 孜矿区为构造应力场型。 d ．根据 A E 法地应力测量结果可知 火成岩中 原始最大主应力值为 2 0 ． 6 4 MP a ，呈水平方向；砂岩 中最大主应力值为 8 ．9 8 MP a ，呈水平方向；最大主 应力方位角 9 4 ． 5 ～ 1 2 4 ． 8 。 。 参考文献 [ 1 ]李文平． 煤及软岩层中地应力值的初步估算方法 ． 岩石力学 与工 程学报 ， 2 0 0 0 ， l 9 2 2 3 4 - 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2 0 2 ．1 一 3 0 ， l 气 ， 4 0 一 5 O 1 t 5 1 8 - 8 1 弓 l I 1 O O 图 2 隧道入 口右洞瑞利波探测成果图 Fi g． 2 Ra y l e i gh wa v e d e t ec t r e s u l t ma p of t he t un n el e nt r a nc e r i g h t ho l e 3 ． 2 瑞利波探测及成 果分析 2 0 0 6 年1 0 月5 日隧 道 入 口右洞 掘 进 至 Y K1 4 8 5 7 5处 ，打炮 眼出水 ，水量 4 1 6 0 1 T I ／ d ，1 0 月 9 日于 Y K1 4 8 5 8 0处采用瑞利波进行了超前探 测 ，如图 3 ，认为前方 1 ． 6～ 2 3 ． 41 T I 处围岩极其不稳 定 ，特别是 2 3 ． 4～3 2 ． 2 m处存在明显异常。鉴于 目 前隧道涌水量较大 ， 建议采取诸如注浆堵水等措施 ， 防止水害发生 ，同时加强支护防止围岩坍塌。异常 带 的范 围为 3 0 ． 6 m 3 2 ． 2～1 ． 6 1 T I ，与第一 次探测 图 3 的异常带范围 2 9 ． 2 m 8 1 ． 0～5 1 ． 8 m 非常吻合 。 E 送 翼i 1 ● ● f l 1 ．5 _ 一 1 6 - r r 2 ● J 3 1 4 f f 5 2 6 - 9 5 一 I f 1 O ● I 1 6 1 5 、 { r Ll k ～ 3 0 ． 2 3 4 3 2 ． 4 0 f ， t 5 O I I - I 图 3 隧道入口右洞瑞利波探测成果图 Fi g． 3 Ra yl e i g h wa ve de t e c t r e s ul t ma p o f t he t un ne l e nt r a nc e r i g h t hol e 2 0 0 6年1 0 月1 0 日隧道 入 口左 洞掘 进至 Z K1 4 8 5 5 5处 ，掌子面左上角有断层泥及断层角砾 流出，1 0月 1 2日于 Z K1 4 8 5 5 5处采用瑞利波进行 超前探测 ，如图 4 ，探测结果显示 ，探测位置前方 5 0 1 T I范 围 内 ，7 ． 2～1 1 ． 5 m Z K1 4 8 5 6 2 ． 2 z K1 4 8 5 6 6 5 ，围岩不稳定 ； 2 3 ． 8 m Z K1 4 8 5 7 8 ． 8 、3 5 ． 4 1T I Z K1 4 8 5 9 0 ． 4 处存在 明显异常 ，建议采取防水措 施 ，加强支护防止围岩坍塌。 E 送 制 骧 1 1 5 2 3 f 4 l 5 l t I l J 7 2 -1 1 5 11 1 O f 1 5 I 20 N - 一 2 3 8 3 0 f 3 5 ．4 J 4 0 r 5 0 l 图 4隧道入 口左洞瑞利波探测成果图 Fi g． 4 Ra yl e i g h wa ve d e t e c t r e s u l t ma p of t he t u nn e l e n t r a n c e l e f t ho l e 对出水异常带作进一步分析 ，根据探测成果、 掌子面揭露情况及综合地质分析 ，得出如下结论 i i ．断层破碎带 出水 。断层性质为张扭性 断层 ， N W3 0 。 走 向，与隧道掘进方 向呈 5 8 。 夹角 。根据探 测成果 ，断层破碎带宽度 右洞至 YK1 4 8 6 1 2 ． 2 ， 宽度 3 2 ． 2 1T I ，扭性破碎带 ；左洞至 Z K1 4 8 5 9 0 ，宽 度 3 5 ． 4 1 T I ，张性破碎带 。 b ．根据 出水量判定 ，没有与地面现有水源连 通 ，在没有地表降水 的前提下 ，水量将趋于稳定 。 c ．建议对断层破碎带采取预注浆措施 ，同时加 强支护。 3 ． 3 地质雷达探测及成果分析 鉴于地质情况的严重程度 ， 加之设计院地质专家 的认识与瑞利波探测综合解释的结论不一致 ， 为慎重 起见 ，1 0月 1 5日，泉三高速公路指挥部邀请重庆交 通科研设计院采用地质雷达 加拿大 A 。 C U B E D公司 的 E K K O 1 0 0 型地质雷达 对突水、突泥严重的左洞 进行了复测 ，根据掌子面左侧部测线 1 0 0 MH z 雷达 回波图 图 5 ， 认为 掌子面上斜前方 仰角 2 0 。 ～ 4 0 。 约 0～2 ． 5 1T I 范围内为较完整围岩 ， 2 ． 5～1 8 1 T I 段为断 层破碎带。 由于雷达信号受含水断层破碎带影响衰减 较大， 此探测地段远处 1 8 m以外 无回波信号 ， 故推 断该破碎带的范围应大于 1 8 m。 维普资讯 第 2期 赵存明等瑞利波探测公路施工隧道含水断层破碎带 7 5 O 6 l 2 l 8 姜 2 4 3 0 3 6 4 2 4 8 图 5 Z K1 4 8 5 5 1掌子面左部测线 1 0 0 MHz雷达 回波图 Fi g． 5 The 1 0 0 MHz r a da r e c ho ma p o f t he ZK1 48 5 5 1 wor k f a c e l e f t d e t e c t i n g l i n e 3 ． 4 钻探及 实际揭露成果分析 通过 2种物探手段的探测 ，对于突水异常带的 性质各方取得一致认识 。为进一步确证探测结果 ， 为隧道顺利通过该含水断层破碎带提供准确依据 ， 1 0月 1 6日开始，中铁十六局集团 S MA 4项 目部在 隧道右洞掌子面经近 1 0 h的钻探 ，钻进至 3 3 m左 右钻机速度开始减慢 ，岩石变硬 ，水量减小 ，水中 的黄泥沙减少 ， 涌水变清 ， 钻进 3 6 m时 ， 岩石变硬， 涌水中元泥沙 ，即跨过断层破碎带。 隧道施工实际揭露左洞断层破碎带宽度 3 5 m， 右洞断层破碎带宽度 3 1 m，与瑞利波预报成果 左 洞 破碎带 宽度 3 5 ． 4 m， 右洞破 碎带 宽度 3 2 ． 2 m极 其 吻合 。 3 ． 5不同探测技术对 比 a ．钻探成果直观 ，但与物探方法比较 ，钻探成 本高 、周期长。 b ．瑞利波探测属地震探测范畴 ，采用锤击震 源 ，施工方便快捷 ，资料处理成果直观 ，探测精度 高 ，是一种元损原位测试的理想方法 ，且不存在探 测 “ 盲 区” 。其探测优势在本次含水断层破碎带 的探 测中得到明显体现 。 缺点 目前技术对于地质异常可精确定位 ，但 对地质异 常的性质判别仍需要通过地质综合分析 完成 6 1 C ．地质雷达探测技术具有如下优点 利用电磁 波的反射进行探测 ，工作轻便 、快速，数据处理 自 动化程度高 J 。 缺点 在含水断层破碎带内， 雷达信号衰减较大 ， 对于较大的断层破碎带难以穿透 ， 本次探测对于宽度 超过3 0m的断层破碎带 ， 雷达波只在 1 8 m内有回波 ， 以远处未能进行有效探测。 另外 ， 同所有反射波法一 样 ，地质雷达探测存在探测 “ 盲区”[ 7 - 9 ] 。 4结语 目前瑞利波探测的技术水平可对地质异常进行 较准确的定位 ，对于地质异常的性质判断需要结合 地质资料进行综合解释。探索地质异常的定性解释 方法 ，是瑞利波探测技术亟待解决的主要技术难题 之一 【 们 致谢 本文得到重庆交通科研设计院陈少华博士、中 铁 十六局集团 S MA 4项 目部刘笛工程 师的热心帮 助，在此表示真诚的感谢 参考文献 [ 6 ]李勇， 孙喜峰， 李廷． 隧道施工地质超前预报方法[ J 1 ． 地质与 资源， 2 0 0 4 ， 1 3 2 1 1 9 1 2 2 ． 【 7 】刘志刚， 赵勇． 隧道隧洞施工地质技术 [ M 】 ． 北京中国铁道 出版社， 2 0 0 1 1 8 5 2 0 0 ． [ 8 ]陈炳祥． 长大隧道施工地质超前预报技术应用研究[ J ] ． 铁道 工程学报， 2 0 0 4 ， 2 5 7 - - 6 2 ． [ 9 ]杨成林． 瑞雷波勘探[ M] ． 北京 地质出版社， 1 9 9 3 1 7 6 - - 1 8 7 ． [ 1 O 】戴新钰， 赵存明． 浅析 MR D - I I 型瑞利波探测仪使用中的几个 问题[ J ] ． 煤田地质与勘探， 1 9 9 5 ， 2 5 5 2 7 3 0 ． [ 1 1 ]赵存明， 沈斐敏． 瑞利波探测公路施工隧道地质灾害的可行 性分析[ J ] ． 中国安全生产科学技术， 2 0 0 6 ， 2 2 3 9 _ 4 2 ． [ 1 2 ]陈建峰． 隧道施工地质超前预报技术比较[ J ] ． 地下空间， 2 0 0 3 2 3 1 5 - 8 ． [ 1 3 ]刘传孝， 蒋金全， 杨永杰，等． 国内外探地雷达技术的比较与 分析[ J 】 ． 煤炭学报， 2 0 0 2 ， 2 7 2 1 2 3 1 2 7 ． [ 1 4 ] 杨国林，杨立伟．隧道施工地 质超前预 报方法 与探 测技术研 究[ J ] ． 地下空间与工程学报， 2 0 0 6 ， 2 4 6 2 7 - 6 3 0 ． [ 1 5 】赵存明， 沈斐敏． 长隧道地质灾害超前综合探测技术的探讨 [ J ] ． 中国安全生产科学技术， 2 0 0 5 ， 1 4 3 8 _ 4 2 ． 维普资讯