长隧道地质灾害超前综合探测技术的探讨.pdf

第 1 卷第 4期 2 0 0 5年 8月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u r n a l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V0 1 ． 1 No． 4 Au g．2 0 0 5 文章编号 1 6 7 3 1 9 3 X 2 0 0 5 一 0 4 0 0 3 8 0 4 长隧道地质灾害超前综合探测技术的探讨 赵存 明1 , 2 ，沈斐敏 1 ． 福州大学 ，福州3 5 0 0 0 2 2 ． 福建交通职业技术学 院，福州3 5 0 0 0 7 摘要 本 文从理论层 面上 ， 探 讨 了常规地 质、 物探、 钻探 三位一体 的长隧道地 质灾害超前综 合探 测技术 的可行性 和科学性 ， 即 常规地质规 律预测为先 导 ， 物探 瑞 利波探测 为手 段 ， 必 要时辅 以 定 向钻 探验证。为长隧道 工程 的地 质超 前探测 预报提供借 鉴。 关键词 长 隧道 ；地质灾害 ； 综合探测 中圈分类号 X 9 2 4 文献标识码 A Di s c u s s i o n o f t h e t e dm o l o g y f o r i n t e g r a t e d p r e - de t e c t i n g g e o l o g i c a l d i s a s t e r o f l o n g t u n ne l Z HAO Cu n ． mi n g ．S HEN P e i ． mi n 1 ． F u z h o u U n i v e r s i t y ， F u z h o u 3 5 0 0 0 2 2 ． F u j i a n C o m m u n i c a t i o n T e c h n o l o g y C o l l e g e ，F u z h o u 3 5 0 0 0 7 Ab s t r a c t Th i s p a p e r d i s c u s s e d t he f e a s i b i l i t y an d r a t i o n a l i t y o f the i n t e g r a t e d d e t e c ti n g t e c h n o l o gy f o r the g e o l o g i c a l d i s ast e r i n l o n g t u n n e l e n gi n e e r ， w h i c h c o m b i n ed the g eol o gy， p h y s i c al d e t e c t and d ri l l t e c h n o l o gi e s ． T h a t i s u s i n g n o r m al p r e d i c ti o n o f the g eol o gi c al re ． r p a t t e rn as a g u i d e ， p h y s i c al d e t e c t i o n R e l a y Wa v e D e t e c t i o n as a m e asu r e ， d i r e e t i o n al d r i l l i n g as a t e s t w h e n n ece s s a r y ． I t w i ll p r o v i d e r e f e r e n c e for t h e g e o l o gi c al p red e t e c t i o n and f o rec ast o f t h e l o n g t u n n e l e n gin e e r ． Ke y w o r d s l o n g t u n n e l ；g eol o gic al d i s ast e r ；i n t e g r a t e d d e t e c t i o n 1 引言 隧道施工地质灾害包括塌方 、 突水 、 岩爆、 瓦斯 突出、 软岩支护等， 这些灾害发生的根本原因是地质 条件 如构造破碎带 、 软岩等 ， 即内因； 施工是隧道 灾害的诱发因素 ， 是外因。灾害的发生与地质条件 有着必然的关系 ， 超前探明施工体的地质赋存条件 ， 收稿 日期 2 o 0 5 ． 0 5 ． 1 9 作者简 介 赵存明 ， 博 士研究 生。 沈斐敏 ， 教授 ， 博士生导师 。 对不利地段有 目的地采取预处理措施 ， 将大大减少 甚至 避免灾 害 的发生 。 施工实践证 明， 除个别长的大隧道设计精度稍 高外 ， 相当多的隧道设计与实 际地质情况有一定 的 差距 ， 甚至严重不符⋯ 。造成这种情况的主要原 因 是 设计阶段的地质工作 的精度 ， 只能按隧道设计 阶 段的工程地质技术规范来进行 ， 无法达 到施工阶段 的地质工作所能达到的精度。如果对掘进前方的地 质情况不明， 盲 目穿过危险地段 如断层破碎带 ， 可 能会引起 隧道塌方 ， 影 响工期甚至造成 机毁人亡。 如果超前预报和不 良地质 的鉴别准确 ， 施工 支护得 当， 目前技术状况下完全可以避免这类事故的发生。 维普资讯 第 4期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 3 9 本文探讨的超前地质探测主要指中短期超前地 质预 测 ， 即预测 范 围在 掌 子 面前 方 6 0 m范 围 内的 地 质情况 ， 为隧道施工提供可靠 的地质保障。中短距 离的地质超前预测要求 成果精度高 ， 在保证精度的 前提下 ， 关键是采用的预测预报技术速度要快， 对正 常施工不致造成大的影 响。对于地质探测技术 ， 主 要技术手段有 常规地质调查 、 物探及钻探技术 ， 各 种技术手段各具有缺点 。本文在阐述各种技术手段 的优缺点的基础 上， 主要探讨如何充分利用各种技 术方法的优点 ， 选择合适的预测预报技术， 并使其协 同工作 ， 以提供快速 、 精确的预测预报成果。 2 长 隧道地质预报 中的常规地质技术 常规地质技术主要指常规 的地质调查技术， 是 基于岩石矿物学、 层序地 层学 、 构造地质学、 地质力 学 、 地质填图学 、 地应力学、 水文地质学 、 工程地质学 等传统地学理论方法。主要 目的是 1 对隧道工程一定范 围内的地质构造分布规 律得 到全 面 的 、 规律性 的认识 ， 特别 是对靶 区的地 质 构造的分期 、 配套得到充分的正确把握 ， 查 明区域构 造应力情况 ， 认清隧道工程范围内的地质构造运动 的边 界条件 。 2 基本掌握隧道工程穿过的地层层序 、 岩层物 理力学性质及各分层的厚度。 3 对其他地质条件 ， 如水文地质 、 瓦斯地质等 潜在的威胁因素有规律性的认识 。 随着计算机技术 的进步 ， 在掌握 了区域构造分 布规律 的基础上 ， 采用数值分析方法重建施工区域 的构造 应力 场成 为 可 能 ； 采用 现代 数 据 库 技 术 可 以 对揭露的地质资料进行动态实时的管理。关键技术 是构造应力场的快速建模技术的研究 ， 使重建 的构 造应力场， 能够伴随着基础地质资料数据库记 录的 不断丰富， 而更加符合现存的村造形迹 ， 从而对未知 区的构造赋存规律进行预测。 常规地质工作 的主要工作方法， 是基于统计意 义上得到定性规律性的认识 ， 对灾害性的地质 如断 层破碎带 、 软岩分层等的预测 只能作到大概的定性 的认识 ， 其最大的优点是成本低 、 速度快 ， 可获得定 性 的预测结果 ， 但要达 到准确定量的程度还远远不 够。即使随着施工工作 的推进， 地质资料 的不断丰 富 ， 基于统计或地质力学理论的定量预测 如刘志刚 教授的断层参数预测法 、 源 自德国的构造裂隙解析 法 取得一定成果 ， 但要真正达到定量超前预报 ， 实 际工作量很大 ， 同时由于是基于统计的， 其预测预报 结果的精度难以提高。 3 长 隧道地质预报 中的物探技术 物探不论是电法勘探还是地震勘探 ， 都是根据 探测对象的物性差异进行探测 ， 有时会受到施工环 境的干扰 ， 影响探测精度。其探测 的成果是定量的， 可以明确指 明探测对象 的异常区的确切位置， 但要 确定这些异常到底是什么， 即做出定性的判断， 必须 掌握探测对象的基本地质规律 ， 也 就是常规地质工 作取得 的成果 。 电法勘探受工作环境 如金属支架 、 棚子、 水等 的影响较大 。地震勘探主要受振动 的影响 ， 对于处 于地下的隧道 ， 若在隧道施工间隙 ， 能够快速进行物 探 的数据采集 ， 可以避免这些影响 ， 并且不会干扰隧 道的正常施工。所以选择物探方法的原则是 精度 高 、 速度快 ， 与隧道施工尽可能相互不影响。 瞬态瑞利波探测技术正好 具备上述优点 ， 所 以 成 为隧 道探测 的首选 。利用 瑞利 波进 行地 质勘 探是 基于其具有如下 的特性 1 在分层介质中， 瑞利波 具有频散特性； 2 瑞利波的波长不 同， 穿透深度也不 同； 3 瑞利波传播速度与横波传播速度具有相关性。 3 ． 1 瞬态瑞利波探测的基本原理 瞬态瑞利波即采用瞬态 冲击震源， 一次激发和 接收 ， 可获得宽频带 的地震信息和相 当于稳态成百 上千次激发 的资料【 2 J ， 所 以具备较高的探测效率。 瑞利波探测的是一个波长范 围内的地质情况 ， 根据 a t “ 1 可以得到深度 与速度 关系 曲线。 在非 均匀介质中， 不同频率的振动按不同的速度传播 ， 一 定的频率 ／ 对应一定 的波长 ， 即一定 的地层深 度 或者说隧道掘进前方的一定距离 ， 这就是瑞利 波的频率 深度 一速度分散特性 。在瑞利波的传输 维普资讯 4 0 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 1 卷 过程中，当遇到液体 、气体或松散破碎带时 ， 瑞利 波难以传播 ，分散 曲线将会 突然终止或发生畸变 ， 在频散 曲线上很容易区分这些异常点 ，这就是瑞利 波探测岩性分层 、 地质构造及其它地质异常体的理 论基 础 。 3 ． 2瞬态 瑞 利波在 隧道 探测 中的发展趋 势 目前 ， 瑞利波探测得到的信息主要是地质分层 、 地质构造及其它地质异常体的位置。以煤炭科学研 究总院西安分院生产的 MR D系列瑞利波探测仪 已 推广近百套 为例 ， 该仪器可以认为是国内瑞利波探 测最为成功 的仪器之一。如图 1 ， 其频散 曲线 的典 型特征 瑞利波速度随着深度的增大呈现一直增 大 的趋势 。这与实际情况不符 ， 所以说 图示速度最 多 只能是介质的视速度 ， 其速度信息基本没有参考 意 义。故瑞利波在隧道探测中的趋势是其在介质中真 速度的算法的研究。 薹 2 5 6 D m 0 0-3 5 0 ． 7 l 1 ． 0 7 1 ．4 3 1 ．7 9 2 ． 1 5 圈 1 MRD I I型 塥 利 设 髁 厕 具 型 羰 散 曲 线 纵 波、 横 波和瑞利 波的传播速 度 、 、 与介质的弹性性质存在如下关系 3 ] √ ／ ．， E 1 ， - ， a 2 √ √ 3 4 当介质为泊松材料 ， 即 盯0 ． 2 5时 ． 有 ／ 1 ． 7 3 5 v R ／ 0． 9 2 6 式中 E 一 杨氏模量 ； 一 切变模量 ； p 一 密 度 ； 盯 一 泊 松 比。 这种特性为瑞利波探测方法在隧道及其它岩土 工程中的应用开拓 了广阔的前景 ， 主要可用于岩土 的物理力学参数原位测试 。利用波速的大小与介质 的物理力学参数 ， 如密度 、 剪切模量 、 压缩模量 、 泊松 比的关系 ， 通过对实测资料的反演拟合解释 ， 可以得 到岩 、 土层的横波速度、 纵波速度、 密度等参数 ， 进而 计算出其它的参数。 综上 ， 瞬态瑞利波探测 的优点是施工速度快， 十 几分钟 即可完成现场数据采集 ； 精度高 定位误差控 制在 1 0 ％以内 ， 处理成 果信息丰富， 数据处理速度 快 。缺点是定性能力差 ， 只能根据介质的物性差异 ， 定量确定分层及异常的位置 ， 而不能判别分层 是哪 种岩石的分层、 地质异常到底是什么。 4 长 隧道地质预 报中的钻探技术 定向钻探技 术是在水 平定 向钻探 H D D， H o r i ． z o n t al D i r e c t i o n a l D r i l l i n g 的基础上发展起来 的， 能够 适应多个方向， 并根据指令水平上下 ， 蜿蜒前进追踪 岩层的变化。为促进这项技术的发展 ， 国际上成立 了水平环境钻进协会 H E WS ， H o ri z o n t a l E n v i r o n m e n t a l We l l s A s s o c i a t i o n 。定向钻探原来主要用于深井石油 勘探和微型隧道工程 ， 近年来 扩大到深埋长大隧道 工程 ， 意大利 G e a t a 公 司同行在阿尔卑斯山隧道勘 探 中 ， 定 向钻 探长 度 达 2 2 0 0 m， 取 芯长 6 m， 节 省 了不 少垂直深孔勘探工作量 。 在国内， 以煤炭科学研究总院西安分院钻探研 究所和中国地质科学院勘探技术研究所为代表的科 研单位 ， 都生产具 有 自主知识产权的定 向钻探设备 和配套的定向钻进技术和工艺 ， 所 以说定 向钻探技 术在国内也属成熟的技术。 定向钻探技术 ， 其优点是 探测结果直观 ， 所见 即所得。缺点是 成本高， 施工速度慢， 对隧道施工 维普资讯 第 4期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 4 l 影 响 大。 5长隧道地质预报 中综合探测技术 以上分析可 以看出 ， 三种技术手段各有其优缺 点， 充分发挥各技术手段的长处 ， 可以依据本文探讨 的隧道施工地质灾害超前探测建立合理高效的探测 模 式 地 质 为 先 导 ， 物 探 为 手 段 ， 必 要 时 钻 探 验 证 。 其工作流程如图 2 。 更 主 富 的 地 质 资 料 匹 全面收集隧道施工区地质资料 建立数据库及相应的数据处理系统 妻 I I 凿 J J 巷 嚣 f I 重构区域构造应力场 全面掌握施工区地质规律 物探手段 瑞利波探测 钻探验证后 ，采取 相应措旖继续施工 图 2隧道地质灾害超前探测流程图 以地质为先导 ， 即借助现代计算机建模技术及 其快速的数据处理技术 ， 随着地质资料 的丰富随时 得到更为可靠的规律性 的认识 ， 为探测成果 的定性 解译提供理论指导。地质工作特别强调对地质构造 的规律性认识和预测， 因为构造发生的位置 ， 特别是 断裂构造位置 ， 通常是易发生塌方的位置， 同时有可 能成为导水通道和有害气体富集的场所。 物探为手段 。采用瑞利波探测技术 ， 利用隧道 施工交接班间隙快速进行现场数据采集 ， 对掘进前 方 6 0 m范围内的地质情况快速查明， 根据探测结果 确定进一步的施工方案。 必要时钻探验证 。如根据所掌握的地质规律 ， 对物探结果做 出既定量又定性 的解释 ， 如属正常地 质条件 ， 则继续施工 ； 若疑似重大地质灾害隐患 如 断层破碎带 、 空洞 、 较大范 围软岩等 ， 则不惜停工 ， 采用钻探技术验证 ， 以确保隧道安全 、 快速施工 。 随着隧道施工的推进 ， 揭露 的地质资料将越来 越丰富 ， 应随时将新的地质资料纳人基础地质资料 数据库 ， 修正对隧道工程穿越 的地质体 的规律性认 识 ， 提高地质探测及灾害预测预报的精度。 6 结束语 本文探讨了联合地质 、 物探 瑞利波探测技术 、 钻 探 水平定 向钻 进技 术 ， 提 出以地 质为 先导 、 物探 为手段 ， 必要时辅 以钻探验证 的隧道地 质综合探测 的工作模式 ， 期望对隧道地质工作有所借鉴 ， 同时也 期盼着专家、 同行的指正 。 参考 文献 [ 1 ] 刘 志刚 ， 赵勇 ． 隧道 隧洞施工地质技术 ． 北京 中 国铁 道 出版社 。 2 0 0 1 [ 2 ] 戴新钰 ， 赵存 明 ． 浅析 M R DI I 型瑞 利波探 测仪使用 中的几个问题 ． 煤炭地 质与勘探 ， 2 ．5 5 [ 3 ] 杨成林 ． 瑞雷波勘探 ．北京 地质 出版社 ， 1 9 9 3 维普资讯