地下工程監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)第七章隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

1、地下工程監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)第七章 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)人民交通出版社 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)基礎(chǔ)理論 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法 工程實(shí)例某隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容提要一.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的定義 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在復(fù)雜的地質(zhì)情況下，為防止工程安全事故發(fā)生，保證施工生產(chǎn)安全的一門新技術(shù)。它是根據(jù)隧道所在巖體的有關(guān)勘探資料、施工過程中采用的物理探測(cè)、地質(zhì)預(yù)測(cè)、鉆孔探測(cè)等結(jié)果，運(yùn)用相應(yīng)的地質(zhì)理論和災(zāi)害發(fā)生規(guī)律對(duì)這些資料進(jìn)行分析、研究，從而對(duì)施工掌子面前方巖體情況及成災(zāi)可能性做出預(yù)報(bào)，及時(shí)調(diào)整施工方法并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，保證施工生產(chǎn)的安全。第一節(jié) 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)基礎(chǔ)理論二.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的分類

2、 按預(yù)報(bào)方法手段分類可分為地質(zhì)分析預(yù)報(bào)法、地球物理探測(cè)法以及超前水平鉆探法。 按預(yù)報(bào)空間位置分類，常見為有洞內(nèi)與洞外預(yù)報(bào)。其中，洞外預(yù)報(bào)又包含地面地質(zhì)調(diào)查和高密度電法；洞內(nèi)預(yù)報(bào)又包含掌子面地質(zhì)調(diào)查、TSP探測(cè)、超前水平鉆探、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等。 按預(yù)報(bào)距離分類，可分為長(zhǎng)距離、中距離與短距離預(yù)報(bào)。其中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)多采用地面地質(zhì)調(diào)查、高密度電法等；中距離預(yù)報(bào)多采用TSP地震反射波法等；短距離預(yù)報(bào)多采用掌子面地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)、超前鉆探法等。三.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的內(nèi)容1. 隧道所在地區(qū)不良地質(zhì)宏觀超前預(yù)報(bào)2.隧道洞體內(nèi)不良地質(zhì)體的超前預(yù)報(bào)3.隧道洞體內(nèi)超前鉆探4.隧道洞體內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)四.隧

3、道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的特點(diǎn) 由于隧道施工期地質(zhì)預(yù)報(bào)具有預(yù)報(bào)的特性，是在預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上進(jìn)行的科學(xué)判斷。因此，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有綜合性、系統(tǒng)性、未知性、實(shí)用性(指導(dǎo)性)和客觀性的特點(diǎn)。一.地質(zhì)分析法地質(zhì)分析預(yù)報(bào)法是指在隧道施工階段，根據(jù)隧道施工期掌子面的地質(zhì)條件如巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其發(fā)育狀況、巖體破碎程度、巖石的變質(zhì)程度等的變化特征等，結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，采用一定的分析(如結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析、構(gòu)造相關(guān)分析等)進(jìn)行的超前預(yù)報(bào)。該方法主要用來預(yù)報(bào)隧道掌子面前方存在的斷層、不同巖層的接觸界面特別是巖漿巖與沉積巖間的接觸界面、隧道前方圍巖的穩(wěn)定性及失穩(wěn)破壞形式等。第二節(jié) 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法1.資料的采集與分析

4、全面收集資料，包括：隧道地址所在區(qū)域地質(zhì)資料(區(qū)域地質(zhì)圖)；與工程項(xiàng)目相關(guān)的資料：地質(zhì)地形圖、剖面圖、文字說明和隧道軸線從進(jìn)口至出口的逐樁坐標(biāo)等。 對(duì)收集到的資料進(jìn)行綜合分析，初步掌握隧道地址區(qū)及其鄰近區(qū)域的工程地質(zhì)條件和特點(diǎn)，概略判定該區(qū)域可能遇到的主要工程地質(zhì)問題，并了解和掌握這類工程地質(zhì)問題的研究現(xiàn)狀和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)做好超前預(yù)報(bào)工作是必不可少的。資料的收集和宏觀的分析和判斷的，極大減少了外業(yè)工作的盲目性，達(dá)到事半功倍的效果，并能確保預(yù)報(bào)成果的質(zhì)量 2.地質(zhì)地面調(diào)查 地面地質(zhì)調(diào)查是指預(yù)報(bào)小組對(duì)隧道范圍內(nèi)進(jìn)行的大規(guī)模、詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，是地質(zhì)分析預(yù)報(bào)法最重要的一步，也是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一項(xiàng)非常

5、必要的工作。因?yàn)閺牡乇砟芎暧^地、全面地了解與隧道工程地質(zhì)條件相關(guān)的現(xiàn)象，如地形地貌、地表水、地層巖性、構(gòu)造、植被、人類活動(dòng)、地質(zhì)災(zāi)害等。通過地面地質(zhì)調(diào)查與分析，了解隧道所處地段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合掌子面地質(zhì)調(diào)查來推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，預(yù)測(cè)隧道掌子面前方的不良地質(zhì)現(xiàn)象可能的類型、部位、規(guī)模，以便隧道施工中采取合理的工藝與措施，避免事故。3.掌子面地質(zhì)調(diào)查 掌子面地質(zhì)調(diào)查是地質(zhì)分析預(yù)報(bào)中必不可少的一步，是中、短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作如TSP、GPR以及紅外探測(cè)法的基礎(chǔ)，指對(duì)隧道中掌子面進(jìn)行的地質(zhì)調(diào)查工作，主要觀察記錄圍巖巖性、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙和斷層規(guī)模及產(chǎn)狀，并將其標(biāo)示在示意圖上。 在隧道埋深較

6、淺、構(gòu)造不太復(fù)雜的情況下，這種預(yù)報(bào)方法有很高的準(zhǔn)確性，應(yīng)用效果較好。但在構(gòu)造較復(fù)雜地區(qū)和深埋隧道情況下，該方法因工作難度大，準(zhǔn)確性難以保證。二.地球物理勘探法地球物理勘探，簡(jiǎn)稱物探，是以地下巖體物理性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，通過探測(cè)地表或地下地球物理場(chǎng)，分析其變化規(guī)律，來確定被探測(cè)地質(zhì)體在地下賦存的空間范圍(大小、埋深、形狀等)和物理性質(zhì)，達(dá)到解決水文、工程、環(huán)境問題為目的的探測(cè)方法。主要在隧道施工掌子面及周圍臨近區(qū)域內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)圍巖與不良地質(zhì)體的物理特性差異來查明不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模。1.地震反射波法測(cè)試技術(shù)（中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)） 地震反射波法測(cè)試技術(shù)應(yīng)用廣泛，基于該原理已開發(fā)了TSP隧道超

7、前預(yù)報(bào)技術(shù)、地震負(fù)視速度法(VSP垂直地震剖面法)、TRT層析掃描超前預(yù)報(bào)技術(shù)、TGP超前預(yù)報(bào)技術(shù)、USP角度偏移超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、水平聲波反射法(HSP)、陸地聲吶法等隧道超前預(yù)報(bào)方法，其中TSP隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。1)地震反射波法測(cè)試技術(shù)（中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)） TSP隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)能較長(zhǎng)距離地預(yù)報(bào)隧道施工前方的地質(zhì)變化：如軟弱巖層、斷層破碎帶和其他不良地質(zhì)地段，其準(zhǔn)確預(yù)報(bào)范圍為掌子面前方100150m；在大多數(shù)巖層結(jié)構(gòu)中，其有效預(yù)報(bào)范圍可達(dá)100m(以隧道掌子面為基準(zhǔn))，在堅(jiān)硬巖層中甚至可達(dá)200m，該方法能為隧道施工方提供較詳細(xì)、可靠的地質(zhì)資料，從而指導(dǎo)隧道的安全施工。同時(shí)整個(gè)測(cè)

8、量工作對(duì)隧道施工基本不會(huì)造成干擾或僅有細(xì)微干擾。 TSP的工作原理 對(duì)TSP儀器采集的數(shù)據(jù)，通過TSP Win軟件分析處理后，即可獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、巖石反射層位、物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果資料，還可得到反射層的二維和三維空間分布，根據(jù)上述資料就能預(yù)報(bào)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，如軟弱巖層、溶洞、斷層等不良地質(zhì)體。 TSP系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備和材料TSP儀器主要由接收單元、記錄單元及起爆裝置組成 記錄單元的作用是對(duì)地震波信號(hào)進(jìn)行記錄和信號(hào)質(zhì)量控制，其基本組成為完成地震信號(hào)AD轉(zhuǎn)換的電子元件和一臺(tái)便攜式電腦，電腦控制記錄單元和地震數(shù)據(jù)的記錄、儲(chǔ)

9、存及評(píng)估。 起爆設(shè)備是由一套帶有外接觸發(fā)盒的傳統(tǒng)起爆器組成，觸發(fā)盒嵌入到引爆線路中。觸發(fā)器一方面通過兩根電纜與電雷管相連；另一方面，為確保記錄單元和觸發(fā)盒之間的聯(lián)系，通過引爆電纜線與記錄單元連接。地震波激發(fā)孔的布置信息接收孔的布置 當(dāng)信息接收器安裝好以后，通過“Receiving Cable”電纜將信息接收器與主機(jī)相連，通過“Triggering Cable”電纜將啟動(dòng)箱與主機(jī)相連，啟動(dòng)箱和爆破裝置通過啟動(dòng)箱自身的連接線連接，連接主機(jī)和HUSKY數(shù)據(jù)記錄儀。進(jìn)行基本工程數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)量參數(shù)和地震波參數(shù)的輸入和設(shè)置。進(jìn)行線路檢測(cè)和起爆測(cè)試，確保線路連接正確和起爆測(cè)試成功。開始測(cè)試，關(guān)掉風(fēng)槍、

10、水管等較大噪聲的設(shè)施，將兩根起爆線的一端連接到啟動(dòng)箱上，另一端連接到雷管線上；然后在HUSKY菜單下選擇“RECORD”項(xiàng)，會(huì)顯示地震波激發(fā)孔的信息，當(dāng)主機(jī)箱和啟動(dòng)箱上的綠燈亮，表明儀器已做好記錄的準(zhǔn)備；起爆雷管；起爆后，記錄儀會(huì)自動(dòng)記錄地震波信號(hào)，同時(shí)主機(jī)箱上橙色燈亮，顯示屏顯示讀數(shù)據(jù)。記錄完畢后，顯示屏出現(xiàn)收集到的地震波信號(hào)，點(diǎn)擊“”，數(shù)據(jù)將會(huì)自動(dòng)保存，進(jìn)入下一個(gè)炮孔的測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 應(yīng)用效果受到諸多因素的影響，包括目標(biāo)體的性質(zhì)、形態(tài)、規(guī)模及產(chǎn)狀，相比而言具有以下優(yōu)點(diǎn)及局限性：有效探測(cè)距離一般為150200m，適宜于中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)；較適宜于掌子面前方波阻抗差異較大的地質(zhì)界面；對(duì)規(guī)模大、延伸長(zhǎng)

11、的地質(zhì)界面或地質(zhì)體探測(cè)較好，對(duì)規(guī)模較小的地質(zhì)體容易漏報(bào)；對(duì)掌子面正前方的地質(zhì)體探測(cè)效果較好，對(duì)隧洞側(cè)壁的地質(zhì)體探測(cè)效果較差；對(duì)斷層破碎帶、軟弱破碎帶及巖性界面等面狀構(gòu)造探測(cè)效果較好，對(duì)不規(guī)則形態(tài)的三角地質(zhì)體，如溶洞、暗河等不良地質(zhì)體的探測(cè)效果較差；對(duì)隧洞軸線呈大角度相交的構(gòu)造探測(cè)效果較好，而對(duì)與隧洞軸線以小角度相交的構(gòu)造探測(cè)效果較差。 TSP超前預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)及其局限性 2）地震負(fù)視速度法 地震負(fù)視速度法，又稱VSP法(垂直地震剖面法)，是一種測(cè)試面與被探測(cè)面互為垂直的觀測(cè)系統(tǒng)，即將地震勘探中的鉆孔垂直地震剖面法應(yīng)用于水平狀態(tài)隧道中。該法與TSP法原理相同且方法相似，只是現(xiàn)場(chǎng)工作布置方式不同。 原

12、理：在隧道掌子面的前方一定距離，沿邊墻布置一激發(fā)點(diǎn)和一系列接收點(diǎn)，選用多炮共道或多道共炮方式記錄地震波信號(hào)；激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的地震波信號(hào)在圍巖中傳播，當(dāng)遇到斷層和巖層變化的界面時(shí)產(chǎn)生反射波，返回的信號(hào)被接收點(diǎn)的檢波器接收，由此確定反射界面的位置. 地震負(fù)視速度法具有明顯的方向特征，可有效地將開挖面前方反射信息與周圍干擾信息區(qū)分開，提高識(shí)別不良地質(zhì)體界面的精確度，通常能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位，預(yù)報(bào)距離可達(dá)100m以上。預(yù)報(bào)探測(cè)時(shí)不占用開挖工作面、對(duì)施工影響很小，是常用預(yù)報(bào)方法之一，且縱、橫波的共同分析還可了解反射界面兩側(cè)的巖性和密實(shí)程度。3）高密度電法(長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)) 電法勘探是根據(jù)各類巖石或地質(zhì)體的電磁學(xué)性

13、質(zhì)(如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性)和電化學(xué)特性的差異，通過對(duì)人工或天然電場(chǎng)、地磁場(chǎng)或化學(xué)場(chǎng)的空間分布規(guī)律和時(shí)間特性的觀測(cè)和研究，查明地質(zhì)構(gòu)造、解決工程地質(zhì)問題的地球物理勘探方法，常用的有電阻率法、充電法、激發(fā)極化法、自然電場(chǎng)法、大地電磁測(cè)深法和電磁感應(yīng)法等。 高密度電法的基本原理 不同巖層或同一巖層由于成分和結(jié)構(gòu)等因素的不同，具有不同的電阻率。通過接地電極將直流電供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，在地表觀測(cè)某點(diǎn)垂直方向或某剖面的水平的電阻率變化，從而了解巖層分布或地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)。從理論來說，在各向同性的均質(zhì)巖層中測(cè)量時(shí)，無論電極裝置如何，所得的電阻率都應(yīng)相等，即為巖層的真電阻率。但在實(shí)際工作中，所遇到

14、的地層既不同性、又不均質(zhì)或地表起伏不平，所得電阻率則稱為視電阻率，是不均質(zhì)體的綜合反映。對(duì)于某一確定的不均勻地電斷面，若按一定規(guī)律改變裝置大小或裝置相對(duì)于電性不均勻體的位置，在此過程中測(cè)量和計(jì)算視電阻率值，發(fā)現(xiàn)測(cè)得的視電阻率值按照一定規(guī)律變化，進(jìn)而探查和發(fā)現(xiàn)地下導(dǎo)電性不均勻體的分布，達(dá)到預(yù)報(bào)前方地質(zhì)災(zāi)害的目的 .儀器設(shè)備 高密度電阻率法多使用多功能直流電法儀，該儀器具有直接測(cè)量、顯示供電電流、視電阻率、電極參數(shù)等功能；另外最好配備具有供電和測(cè)量系統(tǒng)脫離的自動(dòng)跟蹤測(cè)量裝置。電法儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量電壓分辨率：0.0l mV；測(cè)量電流分辨率：0.01mA；最大補(bǔ)償范圍：1V；輸入阻抗大于8M。

15、 測(cè)試方法 、確定探查深度和測(cè)線長(zhǎng)度 在電極排列布置前進(jìn)行探查深度設(shè)計(jì)。隨著電極間距的增加，測(cè)量精度降低。因此，設(shè)計(jì)探查深度H應(yīng)約為探查目標(biāo)體深度h的1.5倍，在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，取2倍為最佳。測(cè)線的總長(zhǎng)L應(yīng)為探測(cè)區(qū)域的分布長(zhǎng)度D加上兩側(cè)各H2(探查深度的一半)的長(zhǎng)度。 、測(cè)線布置 測(cè)線網(wǎng)布置應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求、探測(cè)方法、被探測(cè)對(duì)象規(guī)模、埋深等因素綜合確定。、現(xiàn)場(chǎng)布極 當(dāng)用兩根正、負(fù)電極向地下供電時(shí)，測(cè)得電阻為兩根電極的接地電阻、電線的電阻和地層電阻的總和。通常情況下，電線電阻可忽略不計(jì)，則接地電阻的存在對(duì)地層電阻率的測(cè)試結(jié)果影響就很大。 、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 現(xiàn)場(chǎng)工作布置好后，連接好高壓電纜(一般紅色

16、夾子接“+”、黑色夾子接“-”)。打開儀器電源，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的輸入和設(shè)置，之后即可直接按動(dòng)測(cè)量鍵進(jìn)行測(cè)量。 高密度電法的優(yōu)缺點(diǎn) 高密度電阻率法可用于工程地質(zhì)勘察，也是一種有效的勘探方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)點(diǎn)密度大、信息量多，有利于反映地電斷面局部信息的微弱變化，更利于發(fā)現(xiàn)一些較小的地質(zhì)體；具有高智能、自動(dòng)化，比常規(guī)電阻率法具有效率高，成本低等特點(diǎn)；能測(cè)試得到清晰、直觀的二維異常圖，是常規(guī)電阻率法所無法比擬的； 較易識(shí)別一些地表不均勻體的干擾異常。 該系統(tǒng)尚存在一些問題：在成圖處理上，每次只能完成一個(gè)排列(60根電極)，所成圖為倒梯形，在連續(xù)追蹤長(zhǎng)剖面時(shí)，只能采用人工點(diǎn)圖，影響了工作效率；在非水平

17、地區(qū)工作時(shí)，由計(jì)算機(jī)繪制帶地形的斷面圖時(shí)，目前的軟件還存在一定問題；運(yùn)用高密度電阻率法的資料作半定量解釋較為困難，有關(guān)這部分的軟件急待開發(fā)。 4) TRT反射地震層析成像方法基本原理 TRT技術(shù)的全稱是“真正反射層析成像”，理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收，反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測(cè)到。通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置、形狀、大小。 儀器組

18、成 主要由主機(jī)、基站、無線模塊、傳感器和觸發(fā)器五個(gè)部分組成.測(cè)試方法 5）TGP超前預(yù)報(bào)技術(shù) TGP法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)也是利用地震波反射回波方法測(cè)量的原理，利用高靈敏度的地震檢波接收器，收集布置在隧道單側(cè)壁上多個(gè)地震激發(fā)點(diǎn)產(chǎn)生的地震波，及其在圍巖傳播時(shí)遇到不同反射界面的反射波。反射信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比。通過測(cè)量直達(dá)波速度、反射回波的時(shí)間、波形和強(qiáng)度，可達(dá)到預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)采用上述方法，并結(jié)合施工地質(zhì)調(diào)查，就可以得到隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、剪切模量和泊松比等。其優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)距離遠(yuǎn)，可達(dá)隧道掌子面前方200400m，分辨率高

19、，抗干擾能力強(qiáng)，影響施工少，操作便利。6）USP角度偏移超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù) USP是一種新型的隧道開挖超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用“角度+位置偏移”的聯(lián)合體系進(jìn)行空間多分量、多波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。它利用三維的空間排布、多達(dá)256通道的數(shù)據(jù)采集、多震源點(diǎn)位置偏移，進(jìn)而在隧道掌子面前方構(gòu)成高密度的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，通過對(duì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的一系列處理分析，形成三維空間地震波的各種圖形圖像，最終計(jì)算巖土體多種力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道及各種地下工程前方地質(zhì)情況的預(yù)報(bào).7）水平聲波反射法 水平聲波反射法(HSP)與地震波探測(cè)原理基本相同，聲波傳播過程遵循費(fèi)馬原理。物理前提是巖體間或不同地質(zhì)體間有明顯的聲學(xué)特性差異。該方法

20、探測(cè)時(shí)不占用掌子面，沿巷道兩側(cè)分別布置激發(fā)點(diǎn)、檢波點(diǎn)的觀測(cè)系統(tǒng)。該方法的特點(diǎn)是各檢測(cè)點(diǎn)所接收的反射波路徑相等，因此反射波組合形態(tài)與反射界面形態(tài)相同，圖像直觀。直達(dá)波是雙曲線形態(tài)，反射波是直線形，很容易區(qū)分。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)反射界面傾角沒有限制，適用的范圍較負(fù)視速度法廣泛。8）陸地聲吶法(高頻地震反射法) 陸地聲吶法是在隧道掌子面上采用極小偏移距，單點(diǎn)采集高頻地震反射信號(hào)形成連續(xù)剖面，通過十字形觀測(cè)系統(tǒng)和寬頻帶脈沖接收技術(shù)，預(yù)報(bào)掌子面前方斷層及其他地質(zhì)界面的位置和產(chǎn)狀。它的特點(diǎn)是在隧道掌子面上設(shè)測(cè)量剖面，剖面上每30m左右設(shè)置一測(cè)點(diǎn)，用錘擊方式激發(fā)彈性波，在激震點(diǎn)旁設(shè)檢波器接收被測(cè)物體的反射波，

21、然后將各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間曲線拼成時(shí)間剖面，根據(jù)同相軸和頻譜解釋圈定斷層、溶洞等不良地質(zhì)體的位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，缺點(diǎn)是需占用掌子面。當(dāng)需要短距離較高精度探測(cè)時(shí)可采用此方法。2.紅外線探測(cè)技術(shù)（短距離預(yù)報(bào)）在自然界中任何高于絕對(duì)零度(-273)的物體都是紅外輻射源，可產(chǎn)生輻射現(xiàn)象，紅外線無損檢測(cè)是測(cè)量通過物體的熱量和熱流傳遞，當(dāng)物體內(nèi)存在裂縫或其他缺陷時(shí)，物體的熱傳導(dǎo)將會(huì)發(fā)生變化，致使物體表面溫度分布出現(xiàn)差異或不均勻變化，利用這些差異或不均勻的變化的紅外線圖像，可即直觀地查出物體的缺陷位置。1）紅外探測(cè)基本原理與方法 紅外探測(cè)的原理 紅外探測(cè)的基本原理是利用被測(cè)物體的小連續(xù)性缺陷對(duì)熱傳導(dǎo)性能的

22、影響，進(jìn)而反映在物體表面溫度的差別上，導(dǎo)致物體表面紅外輻射能力發(fā)生差異，檢測(cè)出這種差異，就可以推斷物體內(nèi)是否存在缺陷。 紅外探測(cè)方法 紅外探測(cè)方法是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)，經(jīng)過光譜濾波、空間濾波使聚焦的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)(焦平面熱像儀無此機(jī)構(gòu))對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或多元探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，通過電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。2）紅外探測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)和局限性 紅外探測(cè)法的應(yīng)用效果受到諸多因素影響，主要包括溶洞

23、、斷層、淤泥帶和地下暗河與圍巖的溫差、施工輻射源干擾等。紅外探測(cè)法是適用于非接觸性、廣域、視域面積大的無損檢測(cè)；不僅能在白天進(jìn)行探測(cè)，在黑夜中也可以正常進(jìn)行探測(cè)；有效探測(cè)距離一般小于20m，適用于短距離預(yù)報(bào)；適應(yīng)于探測(cè)與圍巖具有較大溫差的溶洞、斷層、淤泥帶和地下暗河，但無法確定具體位置與方位；在掌子面附近施工熱輻射源干擾較強(qiáng)時(shí)，探測(cè)效果較差。 3.BEAM法（短距離預(yù)報(bào)） BEAM法即隧道掘進(jìn)電法超前監(jiān)視，是基于電法原理開發(fā)的超前預(yù)報(bào)方法，通過外圍的環(huán)狀電極發(fā)射屏障電流和內(nèi)部發(fā)射測(cè)量電流，使電流聚焦進(jìn)入隧洞掌子面前方巖體中，通過測(cè)量與巖體空隙有關(guān)的電儲(chǔ)存能力參數(shù)PFE的變化，預(yù)報(bào)掌子面前方巖體

24、的完整性和富水性。 隧洞圍巖具有與地下水不同的電阻率和極化效應(yīng)特性。將兩種不同頻率的交變電流聚焦后輸入掌子面前方圍巖中，測(cè)量其供電電流和電位差，計(jì)算圍巖視電阻率和變頻極化效應(yīng)參數(shù)PFE，此預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)掌子面前方的巖體完整性和地下水。1）BEAM法原理與方法 有效探測(cè)距離30m左右，適合短距離預(yù)報(bào)；適用于探測(cè)掌子面前方富水構(gòu)造或地下水；適用于TBM掘進(jìn)施工方式的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；地下水與圍巖的電性差異越大，探測(cè)效果越好；探測(cè)掌子面前方的富水構(gòu)造效果較好，對(duì)與隧道軸向呈小角度的富水構(gòu)造效果較差，甚至無法探測(cè)。2）BEAM法的優(yōu)點(diǎn)及其局限性三、超前鉆探預(yù)報(bào)法 超前鉆探預(yù)報(bào)法是指在隧道開挖面上，利用水平鉆機(jī)對(duì)

25、前方圍巖進(jìn)行鉆進(jìn)，采取巖芯(或者不采取巖芯)，根據(jù)鉆進(jìn)的時(shí)間和進(jìn)尺、巖芯(或巖屑)、鉆孔回水情況等來預(yù)測(cè)掌子面前方的圍巖的位置和性質(zhì)。它與地球物理方法相比是一種直接的方法，能夠直觀地確定開挖面前方的圍巖情況。這種方法簡(jiǎn)單可行，快速實(shí)用，但對(duì)施工干擾較大，適用于探測(cè)前方突泥、突水、斷層等地質(zhì)災(zāi)害。1、超前鉆探預(yù)報(bào)法所需資料 1）鉆速記錄 2）巖屑的取樣和描述 3）鉆孔回水情況2、超前水平鉆探法的預(yù)報(bào)規(guī)律 圍巖在鉆進(jìn)過程中表現(xiàn)出不同的地質(zhì)特征，這些特征就是區(qū)分掌子面前方圍巖地質(zhì)狀況的依據(jù)。通過對(duì)掌子面地質(zhì)素描和鉆孔原始記錄可以對(duì)隧道掌子面前方圍巖的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中鉆孔原始記錄中包含的內(nèi)容有鉆孔深

26、度、每米鉆孔時(shí)間、累積鉆孔時(shí)間、進(jìn)鉆情況、巖屑顏色、巖屑形狀、回水量和回水時(shí)間等。 四、隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng) 綜合超前預(yù)報(bào)就是將地質(zhì)分析法、物探法和超前鉆探預(yù)報(bào)法相結(jié)合形成較完善的超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。根據(jù)不同的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定并采取相應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。該方法的選擇做到六結(jié)合的原則，即地表和洞內(nèi)相結(jié)合；長(zhǎng)距離和近距離相結(jié)合；宏觀控制和微觀探測(cè)相結(jié)合；構(gòu)造探測(cè)和水探測(cè)相結(jié)合；地質(zhì)法、物探法和鉆探法相結(jié)合；定性和定量相結(jié)合。1.隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)1)隧道超前預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用范圍與適用條件2)隧道超前預(yù)報(bào)方法的選擇2.隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立1）綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立的原則 隧道綜合

27、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)以“地質(zhì)分析為核心，綜合物探與地質(zhì)分析結(jié)合，內(nèi)外結(jié)合，長(zhǎng)中短測(cè)相結(jié)合，物性參數(shù)互補(bǔ)”為原則。 2）“長(zhǎng)中短”相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)體系 長(zhǎng)中短結(jié)合”的綜合預(yù)報(bào)體系是指長(zhǎng)、中、短距離預(yù)報(bào)方法相結(jié)合，洞內(nèi)和洞外預(yù)報(bào)相結(jié)合，是對(duì)隧道可能存在的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行全面預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基本模式。 3）綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)分級(jí) A級(jí)預(yù)報(bào)：采用地質(zhì)素描、隧道地震超前預(yù)報(bào)儀、TSP、單點(diǎn)聲波反射儀、HSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、超前水平鉆探等手段綜合預(yù)測(cè)。首先以長(zhǎng)距離TSP和一種或幾種短距離物探方法相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行多孔超前鉆探探查；局部復(fù)雜地段開展多種短距離物探探測(cè)等多種方法綜合預(yù)測(cè)。B級(jí)預(yù)報(bào):采用地質(zhì)素描、

28、TSP、輔以紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、進(jìn)行必要的單孔超前水平鉆。當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部地段較復(fù)雜，則按A級(jí)要求實(shí)施。C級(jí)預(yù)報(bào)：以地質(zhì)素描為主，對(duì)重要的地質(zhì)層界面、斷層或物探異?？刹捎肨SP進(jìn)行探明，必要時(shí)紅外探水和單孔超前鉆探。D 級(jí)預(yù)報(bào)：采用地質(zhì)素描。 某隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用了“長(zhǎng)中短結(jié)合”的綜合預(yù)報(bào)體系，其中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)采用地面地質(zhì)調(diào)查、高密度電法和洞內(nèi)掌子面地質(zhì)調(diào)查法，對(duì)全局范圍內(nèi)、延伸大的地質(zhì)災(zāi)害體以及整個(gè)隧道所處的地質(zhì)條件進(jìn)行掌控，為中距離預(yù)報(bào)打下基礎(chǔ)；中距離預(yù)報(bào)采用TSP法(預(yù)報(bào)距離在100150m)和掌子面地質(zhì)調(diào)查法對(duì)長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步核準(zhǔn)地質(zhì)災(zāi)害體的實(shí)際位置；短距離預(yù)報(bào)采

29、用地質(zhì)雷達(dá)和掌子面地質(zhì)調(diào)查來探明掌子面前方30m范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害體。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜地帶，采用超前水平鉆探法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害臨近預(yù)報(bào)。第三節(jié) 工程實(shí)例某隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一.工程概況 某隧道分界段全長(zhǎng)290m。隧道穿越中低山、中山地形地貌，地形切割較深，地形較陡峻，植被稀少，降雨量隨季節(jié)變化而變化，溝谷縱橫。覆蓋層主要為第四系殘破積碎石土，下伏基巖主要為元古代昆陽群片麻巖片巖段云母石英片巖夾絹云母片巖。段內(nèi)巖層為褶皺、斷裂，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育；段內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水；交通不便利。二、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)1.地面地質(zhì)地面地質(zhì)調(diào)查是在隧道范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模、詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，可從地表宏觀、全面地了解隧道工程地

30、質(zhì)條件，如地形地貌、地層巖性、構(gòu)造、地表水、地質(zhì)災(zāi)害、植被、人類活動(dòng)等。 1 ）準(zhǔn)備工作及調(diào)查路線2 ）調(diào)查結(jié)果2.高密度電法探測(cè) 高密度電法是基于地下被探測(cè)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異，利用人工建立的穩(wěn)定地下直流電場(chǎng)，依據(jù)提前布置的若干道電極，可靈活選定裝置排列方式進(jìn)行掃描觀測(cè)，研究地下大量豐富的空間電性特征，從而查明隧道線路所處的工程地質(zhì)特征、探明斷裂破碎帶、水文地質(zhì)特征、溶洞、富水帶等不良地質(zhì)分布情況。 溫納裝置測(cè)量示意圖1）裝置和儀器 高密度電法測(cè)量選用的是工程勘察中最常用的溫納裝置。 2）工作布置和完成工作量 隧道上方地表(K12+290-K12+610)沿隧道軸線布置了1條高密度

31、電阻率法成像探測(cè)剖面。測(cè)線有效長(zhǎng)度320m，布置有效電極65個(gè)。電極距5m，采集20層，測(cè)深100m。工作實(shí)際完成的工作量為：高密度電法剖面1條，剖面有效長(zhǎng)度320m，測(cè)深點(diǎn)65個(gè)。 3）探測(cè)成果隧道地質(zhì)剖面圖隧道高密度電法視電阻率圖像4）掌子面地質(zhì)調(diào)查隧道地質(zhì)剖面圖5）長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)結(jié)論和建議結(jié)論：隧道經(jīng)過區(qū)巖性相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要為云母石英片巖夾絹云母片巖，受區(qū)域性斷裂及區(qū)內(nèi)層間褶曲影響，整體上巖體較為破碎，完整性相對(duì)較差；此次電法探測(cè)的不利地段(圖7-17以矩形框標(biāo)出共2處，分別是K12+315K12+445和K12+545K12+590段視電阻率值低)，隧道開挖至上述地段時(shí)，為防出現(xiàn)突發(fā)性地

32、質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)提前采取預(yù)防措施；隧道進(jìn)出口端視電阻率值相對(duì)較低，巖體極為破碎，圍巖級(jí)別多為V級(jí)。開挖無支護(hù)時(shí)易發(fā)生崩塌。建議：隧道進(jìn)出、口端開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)做好支護(hù)及排水工作，防止坍塌；隧道開挖至電法探測(cè)的不利地段時(shí)，應(yīng)提前采取預(yù)防措施，確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。 三、中距離預(yù)報(bào) 高密度電法的長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警段為K12+365K12+445和K12+545K12+590區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在K12+456K12+596段采用TSP法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，目的是對(duì)該段長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)成果進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證。 1.掌子面地質(zhì)調(diào)查2.TSP法探測(cè)1）儀器設(shè)備TSP203Plus儀器主要由三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置組

33、成。三分量檢波器用來接收地震波信號(hào)；記錄單元將接收到的地震波信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)還進(jìn)行測(cè)量過程控制；起爆裝置則用于引爆電雷管和炸藥，人工激發(fā)地震波。2）現(xiàn)場(chǎng)布置在隧道K12+407的左邊墻位置布置一個(gè)地震波信息接收孔，孔徑為50mm。在K12+422K12+452段的左邊墻位置，按約1.5m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，激發(fā)孔孔深1.5m左右，孔徑45mm，孔向下傾斜約15，每個(gè)激發(fā)孔裝填的藥量為100g。 3）探測(cè)成果3）中距離預(yù)報(bào)結(jié)論和建議 本次預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程為K12+456，預(yù)報(bào)里程范圍為K12+456K12+596段，結(jié)合長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)結(jié)果和掌子面地質(zhì)調(diào)查，得出以下結(jié)論和建議：K12+456K12+549段圍巖破碎(級(jí))；圍巖以中等強(qiáng)風(fēng)化為主，巖體呈角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。在進(jìn)行本段施工時(shí)注意加強(qiáng)支護(hù)防止坍塌。K12+549K12+596段圍巖破碎(V級(jí))；圍巖以強(qiáng)風(fēng)化為主，巖體呈角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，巖體穩(wěn)定性很差。