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歐美大地 行業(yè)新聞
三維成像地質(zhì)超前預(yù)報隧道工程實例，檢測結(jié)果一目了然！
發(fā)布時間：2021-05-12 瀏覽次數(shù)：1818 來源：歐美大地

近年來，我國國民經(jīng)濟發(fā)展迅速，高速鐵路、高速公路、城市軌道交通等工程大規(guī)模建設(shè)，長大隧道數(shù)量也越來越多，隧道施工進度經(jīng)常成為控制整個工程進展的瓶頸。

隧道快速掘進的主要難題是了解掌子面前方的地質(zhì)情況和巖石力學(xué)參數(shù)，其中隧道軸線的地質(zhì)界面可能會在施工掘進中發(fā)生嚴(yán)重的問題，如塌方、突泥、突涌水等災(zāi)害，尤其是當(dāng)這些災(zāi)害交叉發(fā)生時，問題會更加嚴(yán)重。隧道超前地質(zhì)預(yù)報就是解決這個難題行之有效的方法。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報是通過物探、鉆探或?qū)Э?，并配合地質(zhì)測繪或地質(zhì)調(diào)查等手段探獲的資料，對整個隧道、隧道的某個段落、隧道的某個部位及其前方一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征和穿整狀態(tài)、圍巖級別及隧道開栘后的穩(wěn)定性進行預(yù)測，并提出隧道前方的開挖和支護建議的報告。

本文將對基于彈性波三維成像方法的南昏隧道、大營坡隧道、大尖山隧道超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進行分析介紹。

 

探測依據(jù)

《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》CECS-2019

《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2004）

《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60-2009）

《公路工程物探規(guī)程》（JTG/T C22-2009）

《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218-2014）

《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F60-2009)

隧道設(shè)計、變更資料、工程任務(wù)書

 

測試設(shè)備

AGI-T3三維成像隧道地質(zhì)超前預(yù)報儀，該系統(tǒng)主要由計算機終端、無線采集器、三分量檢波器、無線信號觸發(fā)計時器、錘擊觸發(fā)傳感器（或起爆機連接器）、信號采集處理和三維成像預(yù)報軟件等組成。

 

 

探測原理


 

彈性波三維成像方法

彈性波三維成像方法和其它地震波反射法一樣，采用了回聲測量原理，是一種多波多分量反射地震勘探的地球物理方法。

彈性波法探測原理示意圖

現(xiàn)場工作方法是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個震源點，然后用人工錘擊方式激發(fā)地震波（或使用炸藥震源，可提高探測長度和成像精度），地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射（或散射）回來，一部分信號折射進入前方介質(zhì)。反射回來的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收，這部分信號就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報野外采集的原始數(shù)據(jù)。彈性波法探測原理如圖1所示，根據(jù)反射信號旅行時間和傳播速度（圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度），可探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)；同時根據(jù)反射信號傳播速度可測算出超前地質(zhì)預(yù)報范圍段的巖體波速，為判定圍巖級別提供重要依據(jù)。

三維成像預(yù)報原理示意圖(AGI-T3)

現(xiàn)場工作方法是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個震源點，然后用人工錘擊方式激發(fā)地震波（或使用炸藥震源，可提高探測長度和成像精度），地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射（或散射）回來，一部分信號折射進入前方介質(zhì)。反射回來的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收，這部分信號就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報野外采集的原始數(shù)據(jù)。彈性波法探測原理如圖1所示，根據(jù)反射信號旅行時間和傳播速度（圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度），可探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)；同時根據(jù)反射信號傳播速度可測算出超前地質(zhì)預(yù)報范圍段的巖體波速，為判定圍巖級別提供重要依據(jù)。

 

 

探測方法

 

根據(jù)三維成像超前預(yù)報原理要求，理想條件下從掌子面開始，在隧道左、右邊墻各設(shè)10～15個震源點(點距約1.5m～2.0m)。如果是錘擊震源，在距第1個震源點約3m處安置三分量檢波器；反之如果使用的是炸藥震源，為保證安全在距第1個震源點約10m～15m處安置三分量檢波器。在同一斷面左、右邊墻高度約1.0m處和拱頂各安裝一個檢波器（共3個）。另一方面，儀器應(yīng)用考慮到現(xiàn)場條件的復(fù)雜多樣性，探測方法同時具有很大的靈活性，可以在隧道左或者右邊墻單邊設(shè)置震源點，檢波器可以根據(jù)條件選擇安置1～3個。

工作布置示意圖

 

案例分析

 

 

01

右幅進口

南昏隧道

對南昏隧道右幅（進口端）用T3方法進行地質(zhì)超前預(yù)報工作，本次預(yù)報里程段為K133+810～+910，長100m。

探測內(nèi)容：

  1. 探測掌子面前方地質(zhì)情況，可能出現(xiàn)的地質(zhì)斷層及巖石破碎帶的地質(zhì)情況等；

  2. 地質(zhì)超前預(yù)報范圍段的圍巖級別。

隧道工程地質(zhì)勘察資料

K133+435～K135+355隧道圍巖主要為新近系砂礫巖、礫巖，其承載力基本容許值450kPa。呈紫紅色、灰綠色，碎屑結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎。Rc=0.5-5MPa、Kv=0.36-0.81、K1=0.4、K2=0、K3=0、【BQ】=78.5～215，圍巖分級為Ⅴ級；地下水類型主要為基巖裂隙水，富水性較差，施工時可能出現(xiàn)潮濕或點滴狀出水。圍巖穩(wěn)定性差，開挖后遇水易風(fēng)化破壞，初期支護及時易產(chǎn)生中～大規(guī)模的坍塌。

 

隧道掌子面地質(zhì)情況

隧道掌子面為灰白色、灰綠色，強～全風(fēng)化礫巖與砂質(zhì)泥巖為主，為極軟巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈泥砂質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體極破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動后易破碎坍塌。掌子面稍濕，無地下水，圍巖完整性和穩(wěn)定性很差。

K133+810～+910段圍巖級別設(shè)計為Ⅴ級。依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2004）中3.6條圍巖分級，判定掌子面地質(zhì)情況符合Ⅴ級圍巖條件。

 

K133+810掌子面照片圖

 

K133+810掌子面地質(zhì)素描圖

 

探測結(jié)果分析

超前地質(zhì)預(yù)報

通過對采集到的信號進行處理分析，得到本次超前地質(zhì)預(yù)報波速掃描分析和三維成像結(jié)果。

 

 波速掃描分析

 

三維成像結(jié)果圖

 

根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析：

預(yù)報里程：K133+810~K133+830 L=20m

物性參數(shù)描述：

平均速度：Vp=3410m/s ~3553m/s

主要物探異常：

K133+810~ +830范圍內(nèi)，有多處較明顯反射界面。

該段巖性為全風(fēng)化角礫巖、砂礫巖，為極軟巖，呈泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體松散破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動后易破碎坍塌，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。施工中應(yīng)加強防護措施，確保安全。

預(yù)報里程：K133+830~K133+850 L=20m

物性參數(shù)描述：

平均速度Vp=3530m/s~3553m/s

主要物探異常：

K133+840附近有明顯反射界面。

在K133+840附近有明顯反射界面，施工時可能出現(xiàn)潮濕或點滴狀滲水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。施工中應(yīng)加強防護措施，確保安全。

預(yù)報里程：K133+850~K133+910 L=60m

物性參數(shù)描述：

平均速度：Vp=3500m/s

主要物探異常：

K133+860和K133+900附近有明顯反射界面。

在K133+860和K133+900附近有明顯反射界面，施工時可能出現(xiàn)潮濕或點滴狀滲水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。施工中應(yīng)加強防護措施，確保安全。

 

綜上分析表明，推斷此段圍巖較掌子面一致，為全風(fēng)化角礫巖、砂礫巖，為極軟巖，呈泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，局部裂隙水發(fā)育；多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體松散破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動后易破碎坍塌，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

結(jié)果

探測分析

綜合掌子面地質(zhì)情況和AGI-T3探測分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

01

掌子面前方0～20m（K133+810～+830）段圍巖較掌子面一致，為全風(fēng)化角礫巖、砂礫巖，為極軟巖，呈泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體松散破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動后易破碎坍塌，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

02

掌子面前方20～100m (K133+840、K133+860、K133+900) 附近有明顯反射界面。推斷此段巖體松散破碎，局部少量裂隙水，圍巖完整性和穩(wěn)定性很差。

03

K133+810～+910段圍巖級別設(shè)計為Ⅴ級；預(yù)報建議圍巖級別為Ⅴ級。

 

02

左幅出口

大營坡隧道

大營坡隧道左幅（出口段）運用地震波三維成像方法(AGI-T3)進行超前地質(zhì)預(yù)報工作，本次預(yù)報起訖里程段為ZK66+855～ZK66+755，預(yù)報距離100m。

探測內(nèi)容：

  1. 超前地質(zhì)預(yù)報范圍段的巖體波速及圍巖級別判定；

  2. 探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)。

 

隧道掌子面地質(zhì)情況

該段圍巖設(shè)計級別為Ⅴ級。隧道掌子面 ZK66+855巖性：為黑褐色全風(fēng)化玄武巖，裂隙較發(fā)育，巖體破碎。巖石錘敲清脆，有回彈，震手，難擊碎，屬軟巖。掌子面稍濕，主要為基巖裂隙水及地表滲水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

 

掌子面照片圖

 

探測結(jié)果分析

超前地質(zhì)預(yù)報

通過對采集到的信號進行處理分析，得到本次超前地質(zhì)預(yù)報波速掃描分析和三維成像結(jié)果。

速度掃描分析結(jié)果圖

 

三維預(yù)報成像結(jié)果圖

 

根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析。

預(yù)報里程：K66+855～K66+821 L=34m

物性參數(shù)描述：

平均速度Vp：2365m/s～3060m/s

主要物探異常：

該段在K66+849、K66+830、K66+821處附近有強反射界面。

推斷該段圍巖強度與掌子面基本相同，為黑褐色全風(fēng)化玄武巖，裂隙較發(fā)育，以點滴狀滲水為主，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。

預(yù)報里程：K66+821~K66+785 L=36m

物性參數(shù)描述：

平均速度Vp=2936 m/s

主要物探異常：

該段在K66+815、K66+785處附近有強反射界面。

推斷該段圍巖強度與掌子面基本相同，為全風(fēng)化玄武巖，裂隙發(fā)育，出水多為點線狀、小股狀，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級可能由Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實際開挖情況，合理選擇施工方法，確保安全。

預(yù)報里程：K66+785~K66+755 L=30m 

物性參數(shù)描述：

平均速度：Vp=1710 m/s

主要物探異常：

該段在K66+760處附近有較強反射界面。

推斷該段圍巖強度與掌子面基本相同，為全風(fēng)化玄武巖，裂隙發(fā)育，出水多為點線狀、小股狀，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級可能由Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實際開挖情況，合理選擇施工方法，確保安全。

 

結(jié)果

探測分析

綜合掌子面地質(zhì)情況和AGI-T3探測分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

01

推斷本次預(yù)報段受構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，總體上圍巖的自穩(wěn)能力一般。

02

推測掌子面前方0～34m（K66+855～+821）段圍巖以黑褐色全風(fēng)化玄武巖，裂隙較發(fā)育，以點滴狀滲水為主，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

03

推測掌子面前方34～70m（K66+821～+785）段以全風(fēng)化玄武巖，裂隙發(fā)育，出水多為點線狀、小股狀，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。在K66+815、K66+785處附近巖性可能會有略微的變化。推斷該段圍巖等級可能由Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實際開挖情況，合理選擇施工方法，確保安全。

04

推測掌子面前方70～100m（K66+785～+755）段以全風(fēng)化玄武巖，裂隙發(fā)育，出水多為點線狀、小股狀，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。在K66+785、K66+760處附近巖性可能會有略微的變化。推斷該段圍巖等級可能由Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實際開挖情況，合理選擇施工方法，確保安全。

 

03

左幅出口

大尖山隧道

思茅至瀾滄高速公路大尖山隧道左幅（出口段）運用彈性波三維成像方法(AGI-T3)進行超前地質(zhì)預(yù)報工作，本次預(yù)報起訖里程段為ZK26+046～ZK25+946，預(yù)報距離100m。

探測內(nèi)容：

  1. 超前地質(zhì)預(yù)報范圍段的巖體波速及圍巖級別判定；

  2. 探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)。

 

隧道掌子面地質(zhì)情況

該段圍巖設(shè)計級別為Ⅴ級。隧道掌子面ZK26+046 巖性：以灰色中～強風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，掌子面局部有溶蝕現(xiàn)象，裂隙間充填大量黃色粉質(zhì)粘土，無地下水，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，開挖時局部有掉塊現(xiàn)象，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2004）中3.6條圍巖分級，判定掌子面地質(zhì)情況符合Ⅴ級圍巖條件。

 

掌子面照片圖

 

探測結(jié)果分析

超前地質(zhì)預(yù)報

通過對采集到的信號進行處理分析，得到本次超前地質(zhì)預(yù)報波速掃描分析和三維成像結(jié)果。

速度掃描分析結(jié)果圖

 

三維預(yù)報成像結(jié)果圖

 

根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析。

ZK26+046~ZK25+018 L=28m

物性參數(shù)描述：

平均速度Vp：2388 m/s～2711 m/s

主要物探異常：

在ZK26+030～+018段附近有多處較強反射界面。

推斷該段圍巖強度與掌子面基本相同，以中～強風(fēng)化灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK26+030～+018段附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。

預(yù)報里程：ZK26+018~ZK25+982 L=36m

物性參數(shù)描述：

平均速度Vp=2617 m/s

主要物探異常：

在ZK25+982處附近有較強反射界面。

推斷該段圍巖為以中～強風(fēng)化泥灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK25+982處附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。

預(yù)報里程：ZK25+982~ZK25+946 L=36m 

物性參數(shù)描述：

平均速度：Vp=2230 m/s

主要物探異常：

在ZK25+946處附近有較強反射界面。

推斷該段圍巖為以中～強風(fēng)化泥灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK25+946處附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。

 

結(jié)果

探測分析

綜合掌子面地質(zhì)情況和AGI-T3探測分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

01

推斷本次預(yù)報段受構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，總體上圍巖的自穩(wěn)能力一般。

02

推測掌子面前方0～28m（ZK26+046～+018）段圍巖以中～強風(fēng)化灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK26+030～+018段附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。

03

推測掌子面前方28～64m（ZK26+018～+982）段以中～強風(fēng)化灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK25+982處附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。

04

推測掌子面前方64～100m（ZK25+982～ZK25+046）段圍巖以中～強風(fēng)化灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK25+946處附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。

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