水工隧洞超前地质预报方法与工程应用论文_吕斌

新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 新疆乌鲁木齐 830002

摘要:隧洞在施工过程中往往会出现众多的不良地质,为确保隧洞施工安全,超前地质预报是隧洞施工中必须开展的一项工作。本文以新疆某隧洞为研究对象,采用地震法和地质雷达两种方法对掌子面前方不良地质开展超前地质预报。通过现场开挖对比,验证了采用地震波和地质雷达相结合的方法可对隧洞前方不良地质进行有效识别,从而起到预报预警及避免地质灾害发生的作用。

关键词:隧洞;超前地质预报;地震勘探;电法勘探

1 工程概况

隧洞区位于山丘陵区,地形开阔、起伏,分高程704~820m,相对高差120。基岩岩性为奥陶系黑云母石英片岩,浅灰色~深灰色,中厚层状,层面中等发育,裂隙面起伏,绢云母化强烈,岩石中石英含量一般50%,基岩强风化层厚度3~5,弱风化层厚度8~12m。洞内地下水以基岩裂隙水为主,隧洞进口、过沟线埋段及断层破碎带洞壁会产生线状流水现象,其它洞段以渗水到滴水为主,估算隧洞段总涌水量160m3/h。本隧洞围岩级别为Ⅲ~Ⅴ级。

2 超前预报方法

2.1地震波超前探测原理

地震探测技术的基本原理在于当地震波遇到波阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时,一部分信号被反射回来,一部分信号透射进入前方介质。波阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收,地震波从一种低波阻抗物质传播到一个高波阻抗物质时,反射系数是正的;反之,反射系数是负的。因此,当地震波从软岩传播到硬的围岩时,反射波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时,反射波的极性会反转。反射体的尺寸越大,波阻抗差别越大,反射波就越明显,越容易探测到。通过分析,被用来了解隧洞工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层等致灾构造形式)[1-3]、位置及规模。地震成像结果采用相对解释原理,即确定一个背景场,所有解释相对背景值进行,异常区域会偏离背景区域值,根据偏离与分布多少解释隧洞前方的地质情况。仪器的工作过程为:在震源点上锤击,在锤击岩体产生地震波的同时,触发器产生一个触发信号给基站,然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令,并把远程模块传回的地震波数据传输到采集主机,完成地震波数据采集[4~8]。

2.2 地质雷达

地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)作为一种精密的地球物理探测仪器,其工作原理是利用频率介于~Hz的无线电波来确定地下介质的分布情况。由于地质雷达在工地复杂环境下探测的优越性,地质雷达技术在建筑结构调查、工程地质勘察、地下管线探测、公路工程质量检测等众多领域得到了广泛的发展和应用。

高频短脉冲电磁波通过发射天线定向地发射到地下。在传播过程中,如果电磁波遇到了存在电性差异的地层或目标体,那么它就会在目标体界面上发生反射和透射,然后接收天线会收到反射波的信号并将其数字化,最后再由电脑终端以反射波波形的方式记录下来。在对其进行相应的数据处理后,通过反射波的幅度和波形、传播时间等,可以判断出地下目标体的结构、空间位置和分布。地质雷达判断地下目标体的方法是基于对反射波形的特性分析得出来的,因此电磁波的衰减程度、地下目标体与周围介质的电性差异、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等是影响地质雷达探测效果的主要因素。如果目标体与介质间的电性差异比较大,它们的界面就比较清晰,在雷达剖面图上就是同相轴不连续的情况。因此地质雷达探测的基本条件是目标体与周围介质之间的电性差异[9~11]。

3 隧洞现场应用

为验证地震勘探和地质雷达相结合的方法进行超前地质预报的有效性,对隧洞穿越富水软弱洞段进行了一次综合超前地质预报。隧洞掘进至3+755,隧洞围岩较破碎,出现多条软弱夹层,并有多个出水点,为确保施工安全,对该洞段进行了综合超前地质预报。

3.1 地震法探测

地震波成像如图1所示,结合探测区域的地震波反射成像图和地质分析,推断解释如下:

(1)3+755~ 3+725段落:在反射图像上,出现零星的正负反射,推断该段落围岩完整性较差,节理裂隙较发育,局部易发生掉块。

(2)3+725~ 3+685段落:在反射图像上,出现明显的正负反射,推断该段落围岩较破碎,局部节理裂隙发育,易发生掉块或塌腔。

(3)3+685~ 3+655段落:在反射图像上,局部出现零星的正负反射,推断该段落围岩完整性差,节理裂隙较发育,局部可能发生掉块。

图1 隧洞地震波成像图

3.2 地质雷达探测

本次地质雷达探测的成果图如图2所示,预报结果显示,总体推断掌子面前方30m范围内围岩岩性和目前掌子面基本一致,未见有岩性突变及较大的含水构造,岩石强度较低。前方围岩节理裂隙发育,岩体较破碎,发育基岩裂隙水,以滴渗水为主,局部发育线状流水,围岩整体性较差,自稳能力较差,易掉块、塌方。其中,掌子面前方中部围岩测深2~6m范围内围岩以中-强风化岩石为主,围岩较破碎,节理裂隙发育,发育软弱滑动面,含有基岩裂隙水,以滴渗水为主。

图2 地质雷达预报成果图

3.3 开挖对比

隧洞开挖后,揭露围岩岩性为黑云母石英片岩,掌子面前方围岩测深0~15m范围内围岩以中风化岩石为主,围岩较破碎,节理裂隙较发育,稳定性较差。掌子面前方围岩测深16~30m范围内围岩以中风化为主,围岩破碎,节理裂隙较发育,可能存在小型塌腔或围岩破碎区,围岩稳定性差。隧洞掘进至3+755~725段,地下水以滴渗水为主。开挖的围岩完整性情况和地下水发育情况和预报结果基本一致,预报准确。

4 结论

本文以新疆某隧洞为研究对象,采用地震法和地质雷达两种方法对隧洞不良地质进行了超前预报,预报结果和实际开挖情况符合。超前预报可有效地对掌子面前方的不良地质进行探测,起到预报预警的作用,避免地质灾害的发生。

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作者简介:吕斌(1979.04),男,新疆乌鲁木齐人,高级工程师,毕业于新疆农业大学水利学院,主要从事水利水电工程建设管理方面的工作;

论文作者:吕斌

论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期

论文发表时间:2019/9/22

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