前言:當(dāng)前我國(guó)正在進(jìn)行大規(guī)模的水利水電、鐵路和公路工程建設(shè),需要修建大量的隧洞和洞室,而投入合理的超前預(yù)報(bào)技術(shù)將在減少和消除地下工程的災(zāi)害發(fā)揮巨大作用。物探方法是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中不可缺少的手段,綜合其他方法為更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)提供服務(wù)。
關(guān)鍵詞:超前地質(zhì)預(yù)報(bào),物探方法,TSP
中圖分類號(hào):P62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
物探方法是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中的一種,通過(guò)儀器設(shè)備對(duì)隧道開(kāi)挖工作面前方的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進(jìn)行探測(cè),結(jié)合水平鉆探等方法綜合分析判釋及預(yù)報(bào),并提出措施建議。
1.常用超前預(yù)報(bào)物探方法
隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物理勘探法:包括彈性波反射法(地震波和聲波法)、電滋波反射法、紅外探測(cè)、電法、放射性監(jiān)測(cè)等。用爆破、激振裝置等手段產(chǎn)生彈性波或用儀器發(fā)射電磁波,對(duì)不同界面反射回的波形進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)隧道前方的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況,其占用隧道循環(huán)時(shí)間較少,常用的物理勘探方法有彈性波法、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、紅外探測(cè)法、BEAM法等,其中彈性波法包括TSP、地震負(fù)視速度法、TST、水平聲波剖面法(HSP)、TRT、陸地聲納法及面波法。
2.主要物探方法
1)地震波反射法
①方法原理
地震波反射法利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預(yù)報(bào)隧道開(kāi)挖工作面前方地質(zhì)情況,屬多波多分量探測(cè)技術(shù),適用于劃分地層界線、查找地質(zhì)構(gòu)造、探測(cè)不良地質(zhì)體的厚度和范圍。該方法根據(jù)探測(cè)裝置布設(shè)與采用設(shè)備的不同又分為3種常用預(yù)報(bào)系統(tǒng):TSP203(Tunnel Seismic Prediction,瑞士)、TGP206(Tunnel Geology Prediction,國(guó)產(chǎn))及TRT6000(Tunnel Reflection Tomography,美國(guó))。
TRT6000勘測(cè)成本低,操作簡(jiǎn)單,結(jié)果準(zhǔn)確、全面、直觀,代表隧道超前預(yù)報(bào)領(lǐng)域最新領(lǐng)先的技術(shù),是隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的方向, 表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
a)一般可使用錘擊作為震源,可重復(fù)利用,不需要耗材,成本較爆炸震源低廉。
b)采用高精度的傳感器和無(wú)線傳輸技術(shù),靈敏度高,最大程度地保留了高頻信號(hào),提高了精度及探測(cè)距離(硬質(zhì)巖中為300m,軟質(zhì)巖中為150m)。
c)傳感器布點(diǎn)采用立體布點(diǎn)方式,在隧道兩邊分別布置4個(gè)傳感器,然后在隧道頂上布置兩個(gè)傳感器,從而獲得真實(shí)的三維立體圖,直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)、大小。
d)采用了層析掃描的圖像處理方式,繪制三維視圖,可以從多個(gè)角度觀察缺陷,使得圖像更加清晰,易于理解,從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。
①有效探測(cè)距離要求:地震波反射法連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后兩次應(yīng)重疊10m以上,每次預(yù)報(bào)距離100~150m。軟弱破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū),每次預(yù)報(bào)距離應(yīng)為100m左右;巖體完整的硬質(zhì)巖地層每次可預(yù)報(bào)150m或以上。
②資料分析要求:數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)對(duì)每一炮的波幅進(jìn)行調(diào)節(jié),記錄不好或存在干擾時(shí)應(yīng)重新放炮;對(duì)采集的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行三維波場(chǎng)處理,提取反射界面;對(duì)所采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后,以P波剖面資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分,結(jié)合橫波資料對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。
③達(dá)到目的:通過(guò)地震波反射法,可以得出隧道開(kāi)挖面前方圍巖的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件,特別是影響施工方案調(diào)整、具有安全隱患的地質(zhì)條件,如軟弱夾層、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶等地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模和位置等;結(jié)合巖體物理力學(xué)參數(shù)、圍巖軟硬、含水情況、構(gòu)造影響程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等資料,對(duì)圍巖情況進(jìn)行初步評(píng)估。
2)地質(zhì)雷達(dá)法
地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)屬于電磁波物探技術(shù),是利用電磁波在隧道開(kāi)挖工作面前方巖體中的傳播及反射,根據(jù)傳播速度和反射脈沖波走時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種物探方法。主要用于巖溶探測(cè),亦可用于斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體的探測(cè)。
地質(zhì)雷達(dá)在完整可溶巖地段預(yù)報(bào)距離宜在30m以內(nèi),在巖溶發(fā)育地段的有效探測(cè)長(zhǎng)度則應(yīng)根據(jù)雷達(dá)波形判定。連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后兩次重疊長(zhǎng)度應(yīng)在5m以上。
3)紅外探測(cè)
地下水的活動(dòng)會(huì)引起巖體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)的變化,利用紅外線進(jìn)行超前探水是目前較為先進(jìn)的一種地下水探測(cè)預(yù)報(bào)方法,能夠定性確定一定深度(20m-30 m)范圍地層中含水的部位和類型,現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于地下工程施工中的地下水探測(cè)。該方法測(cè)量快速,與施工干擾小,有較高的定性判別準(zhǔn)確率;但無(wú)法預(yù)報(bào)水量和含水體具體前方位置等定量指標(biāo)。
①紅外線超前探水法的原理
任何物體都會(huì)發(fā)射出紅外線,形成一個(gè)紅外場(chǎng)。將一個(gè)穩(wěn)定的質(zhì)體作為探測(cè)對(duì)象的場(chǎng)源時(shí),由該物體所形成的紅外場(chǎng)的強(qiáng)度與場(chǎng)源本身的場(chǎng)強(qiáng)相一致。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含地下水,那么地下水場(chǎng)源產(chǎn)生的紅外場(chǎng)會(huì)對(duì)地質(zhì)體場(chǎng)源所產(chǎn)生紅外場(chǎng)產(chǎn)生影響,使其場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化。地質(zhì)體所形成的紅外場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)變化可用紅外線探測(cè)儀探測(cè)。根據(jù)圍巖紅外場(chǎng)強(qiáng)的變化來(lái)預(yù)報(bào)掌子面前方或洞壁四周是否隱狀含水體。
②紅外線超前探水法的測(cè)線布置
在隧道施工中,主要通過(guò)探測(cè)掘進(jìn)掌子面巖體場(chǎng)強(qiáng)的變化差異值,和隧道開(kāi)挖段圍巖場(chǎng)強(qiáng)沿縱向的變化規(guī)律,來(lái)推斷前方是否為隱伏含水構(gòu)造體,有無(wú)發(fā)生突涌水的可能。
③掘進(jìn)掌子超前探水的測(cè)線布置
掘進(jìn)掌子面場(chǎng)強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置,應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)掌子面的大小,將掘進(jìn)掌子面劃分為若干個(gè)區(qū)域,一般情況下,將掘進(jìn)掌子面劃分為9個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域設(shè)定1個(gè)測(cè)點(diǎn)。
沿已開(kāi)挖隧道邊墻縱向進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置時(shí),分別在拱頂、兩側(cè)邊墻上各布置一條測(cè)線。從掘進(jìn)掌子面開(kāi)始,向已開(kāi)挖方向(背離掘進(jìn)掌子面方向),每間隔1m~5m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于12個(gè)。
④使用環(huán)境條件
溫度:00C~+400C濕度:應(yīng)不大于80%。在潮濕環(huán)境工作不應(yīng)超過(guò)8小時(shí)。大氣壓力:(0.8~1.1)×105Pa。無(wú)腐蝕性氣體和強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。
⑤紅外線超前探水法的判據(jù)
a)根據(jù)掘進(jìn)掌子面場(chǎng)強(qiáng)差異進(jìn)行超前探水的判據(jù)
通過(guò)對(duì)比分析掌子面各測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng),判定掘進(jìn)掌子面是否存在含水構(gòu)造體。根據(jù)以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn),判譯標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)定為:當(dāng)掘進(jìn)掌子面測(cè)點(diǎn)中最大場(chǎng)強(qiáng)和最小場(chǎng)強(qiáng)的能量差大于等于10W/cm2,可判定前方存在含水構(gòu)造體,否則不存在含水體構(gòu)造。
b)根據(jù)隧道走向與場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行超前探水的判據(jù)
建立各測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)(y軸)與測(cè)點(diǎn)到掘進(jìn)掌子面的距離(軸)的函數(shù)關(guān)系,并繪制出函數(shù)圖形,根據(jù)函數(shù)圖形特征進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)。如果函數(shù)圖形為一水平直線,表明掌子面前方不存在含水構(gòu)造。
如果函數(shù)圖形為一斜線,表明掌子面前方存在具有含水構(gòu)造的可能性,需要進(jìn)一步探測(cè)。如果函數(shù)圖形開(kāi)始部分存在階躍突變,后部為水平或斜線,表明掌子面前方存在含水構(gòu)造。
結(jié)論:地質(zhì)體是復(fù)雜的綜合體。企圖用單一方法查明隧洞的全部地質(zhì)條件是不可能的,因此應(yīng)采用物探方法、水平鉆探等綜合預(yù)報(bào)方法,查明隧道掌子面前方空間分布情況。根據(jù)地質(zhì)條件的差異和不同精度要求,適時(shí)選用若干種方法相互補(bǔ)充和印證,才能獲得良好效果。
參考文獻(xiàn):
(1)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》(鐵建設(shè)〔2008〕105號(hào));
(2)《鐵路工程物理勘探規(guī)范TB10013-2010》
(3)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)