隧道超前地质预报与监控量测

第八章：隧道辅助施工方法---监控量测和超前地质预报主讲：罗刚隧道工程1修建隧道时为配合开挖、运输、初期支护及二次衬砌等基本作业而进行的其他作业，称为辅助作业。其内容主要有：超前地质预报、监控量测、压缩空气供应、施工通风与防尘、施工供水、施工供电和照明等。隧道工程2一超前地质预报隧道工程3超前地质预报的内容超前地质预报的方法超前地质预报的应用原则要点隧道工程4在勘察阶段，依靠区域地质资料、卫星遥感手段、大面积调绘、钻探以及物探方法等综合勘察手段，可查明重要的地质问题，确定影响较大的地质构造和主要不良地质现象，对高速铁路隧道设计、施工起到宏观指导作用。但是由于隧道地质条件的复杂性、多变性，在勘察阶段要准确无误地确定围岩的状态、特征，并准确预测隧道施工中可能引发的地质灾害的位置、规模及性质是十分困难的。隧道工程5我国自20世纪80年代以来，在大秦线军都山隧道、朔黄线长梁山隧道、西康线秦岭隧道、渝怀线圆梁山隧道、大运高速公路雁门关隧道等施工中陆续开展了地质超前预报工作，并贯穿于隧道全过程，取得了较好的效果。在高速铁路隧道施工阶段，重视和加强地质超前预报，最大限度地利用地质理论和先进的地质超前预报技术，预测开挖工作面前方的地质情况，对于安全施工、提高工效、缩短施工周期、避免事故损失具有重大意义。隧道工程6（一）超前地质预报的内容1、地区地质分析与宏观地质预报地质超前预报的内容包括隧道所在地区地质分析与宏观地质预报、隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报和重大施工地质灾害临警预报。主要预报开挖面前方的围岩级别和稳定性，及时修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。隧道工程7（一）超前地质预报的内容2、不良地质及灾害地质超前预报主要预报开挖面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。隧道工程8（一）超前地质预报的内容3、重大施工地质灾害临警预报针对开挖面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。隧道工程9（二）地质超前预报的方法隧道施工地质超前预报方法主要有传统地质分析法、超前平行导坑预报法，超前水平钻孔法、物探法及特殊灾害地质所采用的相关预测方法。施工地质超前预报是一项系统性工作，需纳入施工工序。隧道工程10（二）地质超前预报的方法1、地质分析法地质调查与推断是隧道地质超前预报最基本的方法，可以随时进行，不干扰施工。其他预报方法的解释、应用，都是在地质资料分析、判断基础上进行的。通过收集和分析地质资料、地表详细调查、隧道内地质编录、素描、数码照相、超前钻孔、涌水量预测等方法，了解隧道所处地段的地质条件，通过对比、论证、推断，预报隧道施工前方的工程地质、水文地质情况。隧道工程11（二）地质超前预报的方法2、超前平行导坑预报法在隧道内或隧道附近开挖一平行的小断面导坑，对导坑出露的地质情况进行地质编录、素描、作图，综合分析其地层岩性、地质构造、水文地质情况，根据地质理论预测相应段隧道的工程地质和水文地质条件，以及可能发生地质灾害的位置、性质、规模，并提出防治措施意见。超前平行导坑法最为直观，精确度很高。通过直观的地质情况，施工单位可提前了解主隧道开挖断面的地质情况，以便采取相应的工程防护措施。其缺点是成本高，对施工影响大。在超前平行导坑中辅助以室内物理力学测试、现场点荷载测试、地应力测试、物探地震反射等方法，可以完善地质超前预报的内容。隧道工程12（二）地质超前预报的方法3、超前水平钻孔法用钻探设备向开挖面前方钻探，直接揭示隧道开挖面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质区段。超前水平钻孔的方向控制和钻探工艺有一定的技术难度，对施工干扰大。隧道工程13（二）地质超前预报的方法4、物理探测法物理探测法是利用物体物性差异进行地质判断的间接方法。采用物探技术进行超前地质预报的优点是快速、超前探测距离大、对施工干扰相对小、可以多种技术组合应用。物探方法的应用受环境及经验的影响，准确解译物探资料具有一定的技术难度。物探技术存在一定的局限性，在地质超前预报中应进一步结合地质理论，提高物探成果解译水平。隧道工程14（二）地质超前预报的方法4、物理探测法1）TGP12隧道地质预报系统TGP12隧道地质预报系统可预报隧道前方150~200m（该值为中等硬度围岩条件，视当地地质构造有所偏差）的岩性变化、断层、破碎带、岩溶发育带、空洞等，并能计算出上述范围内围岩的纵波与横波速度、波速比、泊松比、相应岩体的动弹模量和剪切模量等岩石力学参数。TGP12仪器动态范围大，可通过改变偏移距离和激发能量来实现增加预报距离。TGP12仪器性能提高突出表现在高分辨能力的增强，即对隧道围岩病害地质体的解译能力的提高方面。隧道工程15（二）地质超前预报的方法4、物理探测法2）TSP超前预报系统TSP超前预报系统具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优点，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状及岩石动力参数。单纯的TSP解译包括影像图解和隧道平剖面解译。解译技术是TSP实现超前地质预报的最关键技术，也是难度最大的技术。它一方面要求解译人员具有丰富的解译经验，另一方面，也是更重要方面，要求解译人员具有丰富的地质实践经验。高水平的TSP解译必须与地面地质调查、隧道内的地质前兆定量预测法紧密结合才能达到。隧道工程16隧道工程17隧道工程18钻孔装药起爆采集TSP预报全过程隧道工程19套管方向没调好时的数据图隧道工程20炸约超量的数据图能量过大隧道工程21炸约量不足的数据图隧道工程22采用水封没采用水封采用水封与不采用水封数据对比图隧道工程23岩石参数变化情况图隧道工程24提取的围岩岩石节理面隧道工程25（二）地质超前预报的方法4、物理探测法2）TSP超前预报系统隧道工程26（二）地质超前预报的方法4、物理探测法3）地质雷达法地质雷达法是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态和位置的电磁技术。电磁波通过天线发射，遇到不同阻抗界面时，将产生反射和透射。接收机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，以时间剖面形式显示。探测距离一般小于30m，潮湿含水层中小于10m。该方法主要是配合地震反射法，通过测定与岩溶含水性有关介电常数的变化来探测充水地质体，如含水的断面、岩性界面和溶洞等。试验表明：采用地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩不良地质探测效果最好，在超前平行导坑中应用可对正洞起到超前地质预报的作用。隧道工程27（二）地质超前预报的方法4、物理探测法3）地质雷达法反射探测原理图检测结果与实际结构的对照图隧道工程28（二）地质超前预报的方法4、物理探测法3）地质雷达法隧道工程29通过接收和分析工作面前方的感应二次场变化来确定介质分布的一种地球物理方法。瞬变电磁探测原理图工作面(掌子面)发射回线接收探头围岩工作面前方目标体（二）地质超前预报的方法4、物理探测法4）全空间瞬变电磁法隧道工程30利用瞬变电磁法是可以有效探测含水裂隙、断层和破碎带。视纵向电导微分成像具有高分辨率特点，可以分辨低阻薄层的上界面，还可以分辨低阻或高阻厚层的底界面。由于瞬变电磁感应二次场早期衰减较快，因此，在早期范围内由低阻层进入高阻层，视电阻率曲线变化不明显，应利用视纵向电导微分成像进行识别。（二）地质超前预报的方法4、物理探测法4）全空间瞬变电磁法隧道工程31多条一维数据构建三维数据体数据体插值三维成像（二）地质超前预报的方法4、物理探测法4）全空间瞬变电磁法隧道工程32陆地声纳全称为“陆上极小偏移距超宽频带弹性波反射法”，是地震反射法的一种，它的特点是：1.可随意提取不同频段信号。2.超宽频带的激发和接收,信号范围10Hz～4000Hz。3.一种中长距离（80m以内）探测中小溶洞好方法（二）地质超前预报的方法4、物理探测法5）陆地声纳法隧道工程33（二）地质超前预报的方法4、物理探测法5）陆地声纳法隧道工程34原模型正演模拟结果原模型正演模拟结果（二）地质超前预报的方法4、物理探测法5）陆地声纳法隧道工程35（二）地质超前预报的方法4、物理探测法5）陆地声纳法原模型正演模拟结果正演模拟结果原模型隧道工程36（二）地质超前预报的方法4、物理探测法6）红外探水法地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，探测开挖面或洞壁四周这种变化，可以推测是否含隐伏的含水体。该方法测量快速、施工干扰小，有较高的定性判别准确率，但无法预报水量和含水体前方具体位置等定量指标。隧道工程37（二）地质超前预报的方法4、物理探测法7）TRT法TRT法采用的是地震波超前预报法，地震波反射探测的方法很早就在土木工程和采矿作业等许多方面得到利用。这种技术的原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来（图1），一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面和岩体内不连续界面。反射地震信号被高敏度地震信号传感器接收（图2），通过信号处理和分析，用来了解隧道掌子面前方地质的性质（软弱带、破碎带、断层、含水带等），位置及规模。隧道工程38（二）地质超前预报的方法4、物理探测法7）TRT法震源实际上反射物位置的确定需要很多震源-传感器定义的椭球反射物Tunnel→SourceReflectorReceiverReceiver隧道传感器传感器图1TRT探测原理隧道工程39（二）地质超前预报的方法4、物理探测法7）TRT法俯视图侧视图立体图隧道工程40（二）地质超前预报的方法5、特殊灾害地质的预测方法特殊灾害地质的预报方法采用专门仪器进行。例如，当确定隧道接近或通过煤系地层、储气构造时，可采用沼气氧气两用报警仪，在隧道内进行长期跟踪量测，根据数据的积累统计分析，对开挖面前方的有害气体进行预测，为隧道安全施工提供依据。隧道工程41（三）地质超前预报方法的应用原则采用传统的地质分析方法，辅以必要的物探技术等手段，对隧道围岩的稳定性、水文地质情况进行宏观的地质预报。1、地区地质分析与宏观地质预报隧道工程42（三）地质超前预报方法的应用原则在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、施工工艺、工期等要求，以先进的物探技术为主要探测手段，并辅以必要的超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法，对开挖面前方不良地质体的情况及有可能产生的灾害地质进行预报，提出施工对策。2、不良地质与灾害地质超前预报隧道工程43（三）地质超前预报方法的应用原则在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、施工工艺、工期要求，以超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法为主，综合利用各种有效的物探手段，对开挖面前方有可能诱发的重大的地质灾害建立临警预报系统，并评判其危害程度，提出施工预案对策。3、重大施工地质灾害临警预报隧道工程44二监控量测隧道工程45（一）概述1、隧道施工监控量测的目的对于隧道工程施工，监控量测已经成为不可忽视的作业环节，特别是在大断面隧道的条件下，监控量测是检验设计、施工是否合理和围岩、结构是否安全稳定的重要手段，它始终伴随着施工的全过程，是保证施工安全、指导施工作业非常重要的一环。隧道施工监控量测工作的目的是：①观察围岩条件，监测围岩、支护变形和应力，判定围岩、支护稳定性；②验证支护结构效果，确认或调整支护参数和施工方法；③确定二次衬砌拱墙施作时间；④监控工程对周围环境影响；⑤积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据。隧道工程46（一）概述2、监控系统设计原则施工监测是一项系统工程，监测工作的成