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综合超前地质预测预报技术

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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- 1 张有生(中铁十六局集团公司宜万铁路工程指挥部  恩施 444322)摘 要:介绍岩溶基本知识和对隧道工程的影响,总结岩溶突泥突水的原因和基本规律,提出了预防岩溶突泥突水的工作要点。关键词:岩溶隧道;预防;突泥突水;地质灾害;初步探讨A ud 6o., 444322)of to of in of to 程概况宜万铁路十六标段地处巴东县野三关及大支坪镇,标段起止里程为30~30,全长 标段具有两个显著特点:一是野三关及大支坪隧道是全线八座最具典型和代表性的两座 I 级高风险长大隧道,地质条件极为复杂、工程风险大、科技含量高,集山区铁路艰、难、险之大成,突破长大隧道断层破碎带、岩溶突水突泥、煤系地层及瓦斯、天然气、高地应力岩爆及软岩变形、高地温等不良地质灾害,是本标段的重难点;二是工程量大,增建Ⅱ线后主要工程量为:I、Ⅱ线正洞按单线长度合计 助坑道 三关隧道水文及地质情况野三关隧道位于巴东县碗口河和支井河之间,属长江一级支流清江流域,隧道横穿清江的 3 条 2~3 级支流:二溪河、苦桃溪、支井河,地表溶蚀洼地、漏斗、落水洞、竖井遍布,隧道地表以峰丛洼地、丘间谷地等地貌为主。属构造剥蚀~溶蚀深切割中山区,山顶高程1593~1100m,河谷切割深度 200~700m,地势北高南低,隧道最大埋深达 700m。野三关隧道穿越三叠系嘉陵江组、大冶组灰岩、白云岩,二叠系上统长兴组含燧石结核灰岩、吴家坪组硅质岩夹黑色炭质页岩,二叠系上统茅口组灰岩、栖霞组灰岩、页岩,石炭系白云岩、炭质页岩,泥盆系钙质页岩、粉砂质页岩、石英砂岩,志留系石英细砂岩、页岩等。支坪隧道水文及地质情况大支坪隧道东起支井河,中间经大支坪镇,西至野三河,隧道最大埋深为 700m。隧道处于鄂西长江与清江分水岭的巫山山脉南端八面山系的中山区,隧道斜穿山体。大支坪隧道区主要出露志留系、泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系碳酸盐岩加页岩、煤层等地层,其中三迭系下统大冶组上段、嘉陵江组、二迭系上统长兴组、下统茅口组、栖霞组上段为可溶岩层,岩溶暗河管导发育,二迭系上统吴家坪组发育碳质页岩,三迭系下统大冶组底部发育页岩层。质超前预报管理模式成立了以局、处两级项目经理为组长、总工程师为副组长的地质超前预报领导小组,现场设地质预测预报办公室,配足超前地质预报设备及仪器,并严格将长、中、短期综合超前地质预报及地质灾害临近报警纳入工序管理,贯穿于整个开挖工作面,根据“定人、定职责、定标准、定考核办法、定奖罚措施”的原则,制定了切实可行的《综合超前地质预测预报实施细则》 ,严格实行定期考核及奖罚兑现制度。地质超前预报技术实施方案超前地质预测预报技术是超前预判、及时决策、规避突发性地质灾害的重要技术支撑,是高风险岩溶长大隧道施工成败的关键。根据《宜万线施工地质超前预报实施细则》及实际施工地质要求,我们采用了以 距离物探测试为主线,其他多种长、中、短期预报手段综合探测,相互验证,成功规避化解了多处已遇不良地质,为工程正常进展提供了可靠的安全保障。根据不同地质风险级别划分,地质超前预报主要采用了以下方法:(1)A+级:可能发生大~特大型突水突泥及重大物探异常段落。(2)A 级:可能存在较大地质灾害的地段,如可能遭遇大型暗河系统,发育重大软弱、富水、导水性良好的断层;可能诱发环境地质灾- 2 斯灾害严重的地段。(3)B 级:可能发生中~小型突水突泥、存在较大物探异常、断裂带等地段。 中 距 离A 级 长 距 离地 质 素 描 : 加 密 观 测 , 注 意 成 灾 先 兆超 前 长 距 离 钻 孔 , 10 水 平 钻 : ~ 3孔 , ~ 6地 质 雷 达 : 5~ 距 离 红 外 探 水 : 2超 前 水 平 钻 : 不 少 于 孔( 含 中 距 离 钻 孔 ) , 距 离 30 炮 眼 : 5孔 , ~ 1必 要 时 : 孔 中 像+B 级 长 距 离 15 素 描 地 质 雷 达 : 15~ 30 离 红 外 探 水 : 2超 前 水 平 钻 :~ 孔 , 距 离超 长 炮 眼 : 孔 , ~ 0 处 、 富 水岩 溶 发 育 层 作原理03 隧道超前探测系统是瑞士安伯格公司应用地震波反射原理研发的地质探测系统,其工作原理如图 1。通过制造一系列有规则排列的轻微震源,地震波遇到岩体的波阻抗发生变化时(比如有断层或岩层变化) ,就会发生反射和折射,反射信号将被接收器所接收。反射地震波携带有前方地质体的相关信息,通过数据处理软件 所采集的反射地震波数据进行处理,得到地震波在岩层中的传播速度,就能使反射信号的传播时间转换为距离(深度) ,来确定反射层的空间位置,就可以得到掌子面前方岩层构造变化和岩体物理力学性质变化的情况。线布置及钻孔要求(1)记录进行 量时隧道掌子面所在的位置。(2)确定接收器的位置离掌子面的距离大约为 55 米。(3)测线尽量布置于可能存在地质构造体的一侧,测线布置要考虑炮点炸药爆炸时,不对探测场地内的机械设备及线缆产生危害;(4 )确定炮眼的位置,接受器和第一个炮图 1 道超前探测系统工作原理眼的距离应控制在大约 20 米,在任何情况下都不允许小于 15 米,各炮眼之间的距离大致为 如果所选择的测量剖面较短,此距离可缩小,无论如何此距离都不允许超过 2 米,测量时必须布置测量所必须的最少炮眼数,至少不得少于 18 个。(5)测量接受器孔及炮眼的深度及角度,并作好记录。接收器钻孔 2 个,隧道每壁面一个,直径43~45深 2m,沿轴径向,用环氧树脂固结时,向上倾斜 5,离地面 1m 进行布置。爆破钻孔 24 个,直径 38深 隧道轴径向,向下倾斜 10,用水或炮泥封堵,布设高度距地面 1m。具体布设如图 2。统数据采集步骤(1)根据岩层产状与隧洞轴线的关系,在隧道边墙布置炮点的位置;(2)对探测孔参数进行复测,然后将接收器套管放入探测孔中,套管与围岩必须耦合良好;(3)采用乳化炸药、瞬发电雷管制成炸药包; (4)用木制炮棍将炸药包安放到位,炮孔充水或用炮泥填充炮孔;(5)安装测试套筒,将接收器放入测试套管内,放置时对好方向,连接整套测试系统;(6)依次单个激发震源炮点,进行地震波信号数据采集,在采集过程中记录并设置每一炮的几何参数,如装药量、深度及倾角等。证高质量数据所需要注意的事项A 级 长 距 离 1 素 描 地 质 雷 达 : 15~ 30 离 红 外 探 水 : 2超 前 水 平 钻超 长 炮 眼 : ~ 5孔 , ~异 常 处 、 富 水岩 溶 发 育 层 面 孔 , 距 离异 常 : 不 少 于 孔 , 距 离- 3 -(1)炸药用量炸药用量取决于炸药爆速、围岩性质和预报距离等因素,不能过大,否则干扰波会加强,过小则反射波能量不足,影响预报距离。以二号岩石乳化炸药为例提供以下参考值。岩石类别与装药量关系岩 石 类 别 装药量(g)岩浆岩、变质岩 50灰岩、白云岩 500100每一次测试需根据现场围岩实际岩性来调整炸药用量,硬岩要适当减少炸药量,避免产生过多的声波干扰,软岩、破碎岩体则适当增加药量,主要是考虑到破碎岩石对地震波的漫反射会减弱反射波的传播距离。(2)雷管瞬发电雷管受电起爆延迟时间不一致,会造成直达波不在同一直线上,影响到直达波波速的提取和反射波同相轴的识别,影响预报的准确性。因此尽量使用同一批次的电雷管,对消减起爆延迟造成测试误差有一定帮助。(3)起爆器采用 50~100 发电起爆器,为提高原始资料的准确性,现场操作时一定要保证起爆器的充电时间,待电容充分充满电后再起爆,并检查电池的状态,一旦发现电池电量不足要及时更换。(4)噪音根据探测现场噪音的种类和来源,确定测试时背景噪音的抑制措施,尽量减少干扰。(5)接收器套筒耦合接收器套筒与围岩之间耦合的好坏,关系到数据质量好坏,如耦合的不好,会直接接受到声波和炸药爆炸泄漏到筒状的隧道内产生“管道波”的干扰,一般采用环氧树脂耦合或锚固剂耦合,必须保证耦合质量。 据处理该系统采用专用数据处理软件 图 3,该软件能自动绘出地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图,从中可分析得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空间位置和不同地段岩体的物理力学参数。数据处理时,要根据每次采集数据质量,如地震频谱、干扰波情况,以及每次探测的目的,综合考虑进行参数设置,并经过不同参数组合处理,得到最优结果。在利用数据成果进行地质判释时,要结合施工地质图和掌子面附近地质情况综合判释。释原则释需充分结合地质设计图、相临已开挖段及掌子面地质情况综合判释,应遵循如下原则:(1)综合分析各分量相似反射面的属性,正反射界面表明前方岩体趋好,负反射界面岩体趋差;图 2 测线及炮孔布置图图 3 理软件- 4 -(2)有无水的判释应综合分析,若 S 波反射比 P 波强,则表明岩层饱含水;若 s 增大或泊松比 δ 突然增大,常常因流体的存在而引起;(3)若 降,则表明裂隙密度或孔隙度增加。3 野三关隧道 三关隧道69~+729 区域为 层及发育影响带,该断层可能与暗河连通。断层、裂隙有可能将暗河水或浅部岩溶水导入隧道,引起集中涌水。层位于斜井施工区域,斜井与出口平导尚未贯通,如发生较大规模突水突泥将对斜井造成重大灾难。为准确探明 层规模,我们采用了以 主,综合地质雷达及水平钻孔等多种探测手段,基本探明了前方地质情况,为方案的制定提供了可靠依据。据采集2006 年 4 月 5 日, 我标段对野三关隧道斜井进口方向 I 线正洞 72~+722 段进行了 测。本次探测激发 24 炮,收器置于隧道左右边墙 26 处,掌子面里程 72。采集参数为:记录长度 7218 样点,分量接收。本次 质预报测试根据 分量原始记录(如图 4)可知,采集的 据质量较好。据处理利用 件处理可得 P 波和 S 波波场分布规律,通过数据调整→带通滤波→首波拾取→拾取处理→炮能量平衡→直达波损耗系数 Q 估算→反射波提取→P 波、 S 波分离→速度分析→纵向深度偏移→反射界面提取等分析处理过程,最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维成果图,如图 5。从二维成果图分析,72~+830、70 ~+722 两段区域均存在反射界面,根据图 5 显示72~+830 段泊松比及 s 数值增大,且相对变化明显,判定该段地质异常,岩溶裂隙发育,富水,结合设计资料,该区域已进入层发育影响带;70~722 段反射界面处,泊松比和 s 数值减小,相对变化不明显,初步判断该段岩性改变或节理裂隙发育。果判释图 4 X、Y、Z 三分量原始记录图- 5 质雷达探测为了进一步验证 测结果,采用了边开挖边中距离的地质雷达探测验证。当开挖掘进至 77 时,地质雷达探测显示66~+847 段地质异常,岩溶裂隙发育,整体性差,破碎富水。现场采用瑞典 质雷达(进行探测,主机为 天线采用 50屏蔽天线。线布置与数据采集为了确保地质雷达所采集的数据全面可靠,测线采用两横两竖的布线方式,如图 6。为了避免掌子面不平顺而造成采集数据偏差,测线应确保在同一条直线上,且采用键盘触发信号方式。据处理与判释采集到的雷达信号,通过软件处理得到地质雷达波形图(如图 7) 。雷达波形图显示自66 开始出现异常,反射波界面不连续,同相轴不明显,波幅显著增强,判定66~+847 段岩溶裂隙发育,整体性差,破碎富水。该结果与 测结果相符。图 6 平超前探孔验证经以上物探成果,为了更进一步探明前方地质及水量、水压情况,为下步施工及结构安全提供直接依据,在掌子面立即施作了止浆墙,图 5 二维成果显示和岩石参数曲线图- 6 布设了 6 个 30m 水平钻孔。图 8 前钻探工程地质柱状图绘制如图9。由超前钻探工程地质柱状图显示,69~+839 段岩溶裂隙发育涌水,部分段落存在 6~8m 泥夹石及松软填充层,探测结果与物探结果相符,判定为 层影响带。压测试选择水量较大的钻孔做为水压测试孔,将水压表安装在预先安装好的带闸阀的孔口管上,安装方法如图 10。关闭其他钻孔孔口管闸阀,开始进行水压测试,测试频率为 30录一次,待水压力基本稳定后每 1h 测一次,直到水压稳定 5h 小时后,继续观测水压变化,观测48 小时后水压基本不变,即测得最终静水压。量观测为了准确测定涌水量,采用钻孔涌水及堰测法相结合的测定方法。A、钻孔涌水量测定将涌水钻孔逐一根据公式,,Q 自喷流量)013.(12(l/s) 、 D 钻孔直径(分米) 、H 自喷高度(分米) (管口以上高度) ,进行水量观测,累计之和即为总涌水量。此种方法实测现场涌水量为1410m3/d。B、堰流法水量测试堰流法是根据现场排水断面形式,可分为三角形、梯形及矩形堰,三角堰适用于小流量的观测,梯形及矩形堰适用于大流量的观测,其规格和计算公式如下:25(h7766图 7 掌子面 77 处地质雷达波形图- 7 与与0 水压测试示意图本实例采用了矩形堰流法,经以上公式测定,掌子面前方最大涌水量为 1580 m3/d。综合两种方法水量测试为 1500 m3/d。质探测结论及方案确定通过以上综合预报成果分析验证,I 线正洞69~+842 段为 层发育影响带,岩性为 q 灰岩,岩层破碎,并发育充填溶腔,赋存岩溶裂隙水。溶腔充填物为黄色、灰色的粘土、淤泥及粉细砂。经钻探及水压、水量测试,此段断层影响带涌水量为 1500m3/d,实测静水压力 据以上水文及地质条件,确定了69~+839 段掘进支护采用衬砌外 5砌为 水压断面。实例综合探测经验总结(1)测距离远,可以通过岩石力学参数判断围岩情况,但存在判释距离误差,信息较模糊,很难定量分析岩溶涌水水量及水压情况,因此需在 示异常构造灾害临近报警前,采用其他综合预报方法相互验证、相互补充;(2)释中要综合考虑多种因素,充分结合岩石力学参数特征进行判释,但不应根据 果提供的参数绝对值判释,而是根据相对值来判释。4 地质超前预报成绩宜万铁路十六标野三关及大支坪隧道自2004 年 7 月份开工以来,测合计完成112 次,探测累计长度为 12900 米;地质雷达超前探测完成 176 次,探测累计长度 4500 米;红外探水探测 167 次,探测累计长度为 3340 米;超前水平钻孔完成累计长度为 18600 米。 采用综合超前地质预报技术,成功规避了可能对施工安全造成重大威胁的地质异常体及高风险点 21 处,隧道地质异常的准确预报达到 85%以上,采用综合预报手段未遗漏可能引发地质灾害的地质构造体,为工程正常进展提供了可靠的安全保障。5 总结1、在隧道施工中,有效应用隧道综合超前地质预测预报技术,不但规避化解了地质灾害的发生,而且超前预报及临近报警为提前制定合理施工预案提供了可靠依据,为隧道实现安全、快速、高效施工提供了可靠保障。2、综合超前预报技术的各种手段也存在其各自的局限性,各种手段其探测的测重点也不尽相同,更不能依赖单种预报方法,需采取多种手段,综合探测、相互验证,相互补充。3、综合超前预报技术的应用需要大量工程实践,需在施工中,不断积累经验,总结规律。参考文献:[1] 吕康成,崔凌秋等.隧道防排水工程指南[M].北京:人民交通出版社,2004µ10图 9 超前钻探工程地质柱状图
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