典型超前地质预报手段的适应性研究

关键词:超前地质预报;不良地质; TSP;地质雷达;电法;评价方法;围岩级别划分

1　概述

在地下工程施工中,对掌子面前方不良地质的掌握除了前期地质勘探提供的资料外,目前最重要的手段是超前地质预报,超前地质预报工作一直是地下工程实施过程中必须要做的、必不可少的工作。地质超前预报的实质是地下工程实施过程中的补充地质勘探。现阶段的预报方法主要有地质观测—计算—绘图—分析—判断法(如地质力学法)、地球物理法、钻探法以及由此组成的综合分析判断法。目前国内外学者在地质超前预报方面做了大量的工作,但由于岩土工程地质条件的复杂性,不同预报方法对不同不良地质体的适应性不同,造成目前预报精度普遍不高,尤其是对围岩级别的预报还处于摸索阶段。

2　典型

预报手段的适应性如何提高预报的准确性和经济合理性,预报手段的选取以及多种预报手段的组合是关键,而预报手段的选取关键是看各种仪器对不同不良地质体的适应性如何。因此,预报手段的适应性研究就显得非常关键。表1为不同预报方法的适应性情况。

3　典型不良地质体的评价方法

3•1　充水或充泥溶洞

3•1•1　TSP(隧道地震探测仪)的反映

充水或充泥溶洞对应部位的纵波速度、泊松比、密度、杨氏静态模量等参数首先变高,然后变低,这一点与地质雷达相似,也与理论符合,并在解释图上　　有明显异常反映。但所反映出的溶洞纵向范围较大(15 m左右),由于波长较长和分辨率较低的原因,TSP不能直观地分辨出溶蚀孔洞、溶蚀裂隙等这些类似的尺寸较小的反射目标。

3•1•2　地质雷达的反映

地质雷达对溶蚀孔洞或溶蚀裂隙、溶槽或溶缝、溶洞或地下暗河所反映出的图像特征是不同的。另外,对干的空溶洞与充水、充泥的溶洞的反映也是截然不同的,充水、充泥的溶洞的雷达回波信号是显著衰减的。

3•1•3　瞬变电磁的反映

充水或充泥溶洞应对应高感电压,空的干溶洞应对应低感应电压。

3•2　空洞或未充填溶洞

3•2•1　TSP的反映

空洞或未充填溶洞中的物质为空气或真空,在TSP的2D成果及有关力学参数反演曲线上对应的纵波速度、泊松比、密度、杨氏静态模量等参数相对变低。

3•2•2　地质雷达的反映

溶洞和空洞有着相似的雷达回波特征:衬砌背后的空洞在灰度波形图上表现为一组弧形强反射波,这组强反射的后面往往还紧跟着一组幅度较低的强反射波(多次反射)。较小的空洞弧形表现明显,较大的空洞往往呈现出波浪形的强反射或呈亮白色。计算空洞的起止深度时,小的空洞可采用围岩的电磁波速度或相对介电常数,大的空洞要采用空气的速度。判别空洞是要注意排除因天线抖动或　法直流电法500地面勘探或超前预报,超前预报时探测距离较近隧道内使用时原理和方法局限性大;对水敏感,但不能准确定位和估算水量高密度电法500地面勘探或超前预报,超前预报时探测距离较近隧道内使用时原理和方法局限性大;对水敏感,但不能准确定位和估算水量激发极化法30~50地面勘探或超前预报对水敏感,但不能准确定位和估算水量瞬变电磁法50~100掌子面超前预报对水敏感,但不能准确定位和估算水量Beam电法60~80掌子面超前预报针对TBM掘进方法设计的隧道电法预报仪,探测含水体、破碎带等,不能准确定位、定量,对钻爆法开挖法在掌子面探测费时过长,较其他电法价格昂贵,国内使用极少,因此未获得大量应用的有关数据、资料电磁波法地质雷达0•2~40地面勘探、超前预报、结构检测短距离超前地质预报,判定强风化破碎带,定性判定围岩含水性红外探测法20辅助探水预报辅助定性探水γ线探测浅表层金属探伤等不能进行地质预报弹性波法TSP202/203 100~200隧道超前预报长距离超前预报TGP12/206 100~200隧道超前预报长距离超前预报陆地声纳100~130隧道超前预报长距离超前预报多波探测50~80隧道超前预报短距离超前预报瑞利波法50~80隧道超前预报较短距离超前预报声波探测5混凝土结构检测基本不能进行地质预报超声波探测0•5混凝土检测不能进行地质预报其他岩体温度法20辅助探水预报方法因掌子面岩体温度变化不敏感且受洞内气温影响大而局限性很大脱离衬砌表面所造成的假空洞(可以剔除)。

3•3　断层破碎带

3•3•1　TSP的反映

断层破碎带所对应的部位的纵波速度、密度、杨氏静态模量等参数首先变高,然后变低,其实际位置对应于变低部位,泊松比整体变高。这与理论基本相符。如果断层是发育在石灰岩中,则极有可能发育成为溶洞。

3•3•2　地质雷达的反映

因断层破碎带的破碎程度、风化程度、糜棱岩化、硅化或钙化程度不同,其雷达图像特征也有显著差异。例如,破碎风化较强则雷达信号衰减强,反之亦然;糜棱岩硅化或钙化后衰减很弱。另外波形组合特征也不同。

3•4　强风化破碎带

3•4•1　TSP的反映

纵波速度低(显著低于3 000 m/s),密度低。

3•4•2　地质雷达的反映

所接收到的雷达回波信号强烈衰减。

3•5　围岩裂隙水

3•5•1　TSP的反映

由于裂隙发育是不均一的,在隧道纵向上往往呈条带状局部分布,隧道开挖后呈涌水状、淋水状或滴水状。根据TSP原理和解释准则,表现为纵横波速度比或泊松比的明显交替变化。围岩含水时TSP所提取的泊松比会出现负值。

3•5•2　地质雷达的反映

所接收到的雷达回波信号显著衰减。

4　围岩级别划分预报

4•1　围岩级别预报方法

(1)根据不同岩性的围岩的纵波速度所对应的围岩级别范围推断围岩级别,即相同级别的围岩,其不同岩性所对应的纵波速度是不同的,纵波速度可通过隧道开挖过程中全程覆盖式TSP超前探测获取。

(2)通过地质雷达超前探测,根据其反射回波幅度、波形组合特征及掌子面观测描述等综合划分围岩级别。

(3)TSP和地质雷达探测预报围岩级别,可单独使用,也可综合使用,相互印证。

4•2　围岩级别划分预报指标和要素

围岩级别的划分预报应按以下指标或要素进行。

(1)根据现行《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98),围岩级别按弹性波速度(纵波速度)的划分见表2。表2　围岩级别按弹性波速度划分围岩级别Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ围岩弹性波速度(km/s)>4•5 3•5~4•5 2•5~4•0 1•5~3•0 1•0~2•0 <1•0

(2)一般情况下,未风化的岩石,砂岩纵波速度较低,如泥质或钙泥质胶结的砂岩一般为3 000~3 500 m/s,硅质胶结的砂岩、变质砂岩、石英砂岩等可达5 000 m/s以上,而花岗岩、花岗片麻岩、石英岩(变质岩)、石灰岩、熔结凝灰岩等的纵波速度可达5 000 m/s以上,甚至高达6 000 m/s以上,见表3。

(3)对于相同级别的围岩,由于不同岩性的围岩弹性波(纵波)速度差异较大,因此,使用时应根据不同的岩性进行修正。所以,围岩级别的划分不仅要依据纵波速度,还要依据围岩岩性及其他因素。另外,虽然应用TSP探测获取的围岩纵波速度值对隧道掌子面前方的围岩情况有一个整体的反映,但实际围岩的地质情况的复杂性和由于受所使用的探测仪器的频率(分辨率)和所能达到的其他技术性能以及现场工作条件、所能达到的工作密度等影响,围岩弹性纵波速度尚不能够完全反映出掌子面前方围岩地质情况的全部细节。

(4)地质雷达(电磁波法)对围岩级别的划分:围岩级别及其较典型地质特征与地质雷达回波信号特征的关系。

5　结语

本文从不同隧道施工地质超前预报手段的适应性研究入手,对典型不良地质的地质雷达、TSP以及电法等预报手段的信息特征进行了较为系统的研究,建立了典型不良地质的评价方法,同时对围岩级别划分的预报方法进行了探索性的研究,具有一定工程指导意义。

 

参考文献:

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