基于物探法的公路隧道超前地质预报组合应用研究.pdf
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1、作 者 简 介:孙 斌(),男,山 东 潍 坊 人,硕 士 研 究 生,工 程 师,主 要 从 事 桥 隧 检 测 工 作。基于物探法的公路隧道超前地质预报组合应用研究孙斌,罗 义 龙(江 西 省 交 通 科 学 研 究 院 有 限 公 司,江 西 南 昌)(江 西 交 工 市 政 建 筑 工 程 有 限 公 司,江 西 南 昌)摘要:在 隧 道 的 超 前 地 质 预 报 工 作 中,以 地 质 雷 达 法、法、高 密 度 电 法、红 外 探 水 法 等 为 代 表的 物 探 方 法 得 到 了 广 泛 的 应 用,但 如 何 选 择 合 适 的 物 探 方 法,在 保 证 预 报 精 度
2、的 同 时,与 施 工 工 序高 效 衔 接 成 为 新 的 课 题。文 章 从 常 见 的 物 探 方 法 分 析 入 手,结 合 实 际 应 用 效 果,提 出 了 一 种 适 用于级 围 岩 的 组 合 预 报 思 路,取 得 了 较 为 满 意 的 结 果。关 键 词:隧 道;超 前 地 质 预 报;物 探;组 合 应 用前言随 着 交 通 运 输 行 业 的 迅 猛 发 展 和 工 程 施 工 技术 的 不 断 提 升,公 路 交 通 基 础 设 施 建 设 逐 渐 向 山 区等 复 杂 地 质 条 件 区 域 延 伸,对 于 隧 道 施 工 从 业 人 员提 出 了 新 的 挑 战
3、 和 要 求,超 前 地 质 预 报 作 为 一 种 查探 前 方 地 质 条 件 的 有 效 手 段,对 于 确 保 隧 道 施 工 安全 意 义 重 大,现 已 成 为 隧 道 施 工 必 须 进 行 的 一 项 工作。但 需 要 指 出 的 是,即 使 经 过 数 十 年 发 展,现 阶段 超 前 地 质 预 报 中 依 然 面 临 多 解 性 困 扰,一 是 由 于地 质 情 况 往 往 本 身 复 杂 多 变,在 岩 溶 地 区 更 是 如此,而 基 于 物 探 法 的 超 前 地 质 预 报 方 式,根 据 起 其原 理 的 差 异,又 形 成 了 自 身 独 特 的 适 用 性
4、和 优 缺点,故 在 大 多 数 情 况 下,往 往 会 采 取 两 种 或 以 上 的超 前 地 质 预 报 方 法 应 用 于 实 际 项 目 中,国 内 外 的 众多 学 者 经 过 多 年 的 不 懈 研 究,对 常 见 超 前 预 报 方 式的 组 合 应 用 提 出 了 多 种 思 路 并 通 过 实 践 应 用 研 究,形 成 了 一 系 列 被 业 界 广 泛 认 可 的 成 果。例 如,国 内的 李 秀 芳、戴 前 伟、李 术 才 等 人 针 对 超 前 地 质 预 报开 展 了 一 系 列 深 入 研 究,对 隧 道 超 前 地 质 预 报 的 关键 节 点 和 优 化 趋
5、 势 进 行 了 深 入 研 究,国 外 的等 人 通 过 对 隧 道 沿 线 条 件 的 宏 观 分 析 和常见 问 题 的 细 致 研 究,以 实 际 案 例 的 形 式 回 应 了 关 于业 界 对等 物 探 方 法 的 科 学 性 和 有 效 性 等 方 面的 质 疑,从 而 肯 定 了等 超 前 地 质 预 报 方 法 对 于隧 道 安 全 施 工 的 重 要 指 导 作 用,也 为 隧 道 超 前 地 质预 报 提 供 了 一 种 组 合 优 化 思 路。物 探 法 基 本 原 理在 隧 道 超 前 地 质 预 报 众 多 的 物 探 方 法 中,地 质雷 达 虽 然 具 有 速
6、度 快 和 无 损 探 测 等 优 点,但 因 其 有效 探 测 距 离 多 在左 右,在 现 阶 段 隧 道 建设 呈 现 周 期 短、工 期 紧 的 新 特 征 情 况 下,应 用 频 率已 逐 步 减 小,从 工 程 建 设 的 适 用 性 角 度 出 发,重 点介 绍法 和 红 外 探 水 法 两 种 物 探 方 法。国 内 外 的 众 多 学 者 经 过 多 年 的 不 懈 研 究,对 常见 超 前 预 报 方 式 的 组 合 应 用 提 出 了 多 种 思 路 并 通过 实 践 应 用 研 究,形 成 了 一 系 列 被 业 界 广 泛 认 可 的成 果。例 如,国 内 的 李 秀
7、 芳、戴 前 伟、李 术 才 等 人 隧道 超 前 地 质 预 报 的 关 键 节 点 和 优 化 趋 势 进 行 了 深入 研 究,提 出 了 建 立 综 合 超 前 地 质 预 报 体 系 的 思路,国 外 的等 人 通 过 对 隧 道 沿 线 条 件 的宏 观 分 析 和常 见 问 题 的 细 致 研 究,以 实 际 案 例的 形 式 回 应 了 关 于 业 界 对等 物 探 方 法 的 科 学性 和 有 效 性 等 方 面 的 质 疑,同 时 也 为法 的 实 践优 化 提 供 了 借 鉴。在 众 多 超 前 地 质 预 报 组 合 方 法中,以“地 质 调 查物 探 法超 前 钻 探
8、”为 代 表 的 组 合方 式 因 其 广 泛 的 信 息 采 集 能 力 得 到 了 业 界 学 者 的青 睐,但 在 实 践 中,地 质 调 查 法 的 应 用 前 提 是 对 地质 学 知 识 有 充 分 的 掌 握,超 前 钻 探 法 的 时 间 和 费 用成 本 高 昂,其 成 果 也 仅 仅 是“一 孔 之 见”,难 以 契 合当 前 交 通 基 础 设 施 建 设 要 求。本 文 从 指 导 工 程 施工 角 度 出 发,将 隧 道 前 方 围 岩 质 量 和 含 水 情 况 作 为重 点 研 究 对 象,并 基 于 此 从 众 多 预 报 方 法 中 选 取法 和 红 外 探
9、水 法 进 行 组 合 应 用 研 究,在 保 证 预测 精 度 的 同 时,尽 可 能 减 少 对 施 工 进 度 的 影 响,保障 工 程 安 全 高 效 施 工。法法 是 基 于 地 震 波 反 射 原 理,在 隧 道 边 墙 设置 炮 孔,以 乳 化 炸 药 激 发 作 为 地 震 源,其 产 生 的 地震 波 在 向 前 传 播 的 过 程 中 先 后 遇 到 掌 子 面、断 层 裂隙 面 或 者 其 他 不 良 地 质 体 界 面 时 会 产 生 反 射 信 号,由 布 设 在 隧 道 两 侧 边 墙 的 接 收 器 接 受 并 记 录,经 过专 业 软 件 分 析 处 理 形 成
10、 反 射 图 谱 和 合 成 位 图,结 合不 良 地 质 体 的 反 射 特 征 完 成 识 别、预 测。其 作 为一 种 典 型 的 长 距 离 隧 道 超 前 地 质 预 报 方 法,有 效 探测 距 离 一 般 可 以 达 到 掌 子 面 前 方 左右,理 想 情 况 下 可 达 掌 子 面 前 方,并 对断 层 破 碎 带 等 不 良 地 质 体 保 持 着 较 为 准 确 的 探 测成 功 率。通 过 前 人 大 量 的 实 践 经 验 总 结,目 前法 在应 用 中 已 比 较 成 熟,建 立 了 断 层 破 碎 带、围 岩 强 度 与反 射 信 号 图 谱 之 间 的 特 征
11、对 应 关 系,并 总 结 了 富 水 地段 与 波 速 变 化 之 间 的 趋 向 性 关 系,其 主 要 成 果 如 下:()对 于 断 层 破 碎 带 的 判 断,因 其 岩 体 多 发 育 节理、裂 隙,围 岩 整 体 结 构 相 对 破 碎,松 散 体、泥 浆 等 时常 充 斥 期 间,岩 石 力 学 性 质 差,基 于 地 震 波 原 理 的法 对 此 种 不 良 地 质 构 造 识 别 率 最 高,在 反 射 信 号的 图 谱 中 多 表 现 为 纵 波 波 速 度 显 著 降 低,反 射 波 组 信号 增 加,尤 其 是 横 波 反 射 信 号 显 著 加 强 等 特 征。()
12、对 于 围 岩 等 级 的 判 断,主 要 通 过 纵 波 反 射 系数 的 变 化 特 征 来 加 以 判 断,这 是 因 为 当 入 射 波 由 疏 介质 传 入 密 介 质 时,相 应 的 反 射 系 数的 值 为 负,根 据这 一 特 性,可 以 通 过 分 析 纵 波 反 射 系 数 的 正 负 值 变 化情 况,对 掌 子 面 前 方 的 岩 体 强 度 做 出 相 对 性 的 判 断,当 纵 波 反 射 信 号 为 正 时,表 明 前 方 岩 体 强 度 相 对 增加,当 纵 波 反 射 信 号 为 负 时,则 表 明 前 方 岩 体 强 度 相对 下 降,通 过 对 测 量 所
13、 得 反 射 信 号 的 全 面 分 析,实 现对 掌 子 面 前 方 岩 体 强 度 做 出 综 合 预 测。()对 于 富 水 岩 体 的 判 断,主 要 通 过 横 波 对 水体 的 敏 感 性 实 现,由 于 横 波 波 速与 岩 石 的 剪 切模 量成 正 相 关 关 系,而 水 体 内 部 剪 切 模 量为,理 论 上 横 波 无 法 在 剪 切 模 量 为的 介 质 中 传 播,表 征 为 此 相 应 地 段 横 波 波 速显 著 降 低,如 果 在反 射 图 谱 中 值 突 然 增 加 或 者 泊 松 比 数 值急 剧 变 大,则 需 注 意 存 在 富 水 构 造 的 可 能
14、 性,必 要时 在 开 挖 至 相 应 里 程 附 近 时,采 用 红 外 探 水 法 等 进行 佐 证 预 测。接收器爆炸点前方地质情况预报层面开挖掌子面不良地质体周围地质情况预报图 法 工 作 原 理 示 意 图 总 的 来 说,法 在 实 际 应 用 中 有 适 用 范 围 广、探 测 距 离 长、断 层 破 碎 带 识 别 成 功 率 高 等 优 点,但受 限 于 其 工 作 原 理,对 地 层 中 的 含 水 构 造 识 别成 功 率 较 低,本 文 中 选 择 红 外 探 水 法 作 为 补 充。红 外 探 水 法岩 体 以 电 磁 波 的 形 式 向 外 部 持 续 发 射 红
15、外 射线 并 形 成 红 外 辐 射 场,其 场 强 值 与 岩 体 密 度、成 分、能 量 等 信 息 密 切 相 关,通 过 接 收 并 分 析 隧 道 岩 体 所产 生 的 的 红 外 场 强 变 化 情 况,确 定 掌 子 面 前 方 和 隧道 边 墙 附 近 是 否 存 在 含 水 构 造,这 即 是 红 外 探 水 仪的 工 作 原 理。当 不 存 在 含 水 构 造 时,隧 道 岩 体形 成 的 红 外 辐 射 场 是 一 个 相 对 稳 定 数 值,一 般 不 超过,但 如 果 前 方 存 在 含 水 构 造 时,其 额 外产 生 的 红 外 辐 射 场 强 会 叠 加 在 隧
16、 道 围 岩 本 身 的 正常 辐 射 值 上,反 映 为 红 外 场 强 值 明 显 增 大。所 以,当 使 用 红 外 探 水 法 时,识 别 正 常 的 红 外 场 强 值 范 围是 前 提,如 果 无 法 识 别 的 正 常 范 围,异 常 场 强 值 也就 难 以 识 别,所 以 当 隧 道 掌 子 面 及 边 墙 本 身 已 经 存在 富 水 体 时,红 外 探 水 法 便 不 再 适 用。红 外 探 水 法 测 点 需 沿 隧 道 轴 向 和 掌 子 面 分 别布 设,轴 向 一 般 每 间 隔设 置 一 个 测 量 断 面,在 拱顶、隧 底 中 线、左 右 边 墙、左 右 墙
17、角 分 别 测 量,掌 子面 处 采 取 传 统 四 行 五 列 式 均 匀 分 布。在 结 论 判 定 方 面,根 据 业 界 公 认 标 准,当 相 同断 面 上 测 点 最 大 场 强 值 和 最 小 场 强 值 之 差 大 于 时,可 推 测 前 方 存 在 含 水 构 造 体 的 可 能 性较 大,在 实 践 中 通 常 以 折 线 图 的 形 式 将 场 强 测 量 值分 系 列 体 现,当 折 线 图 出 现 跃 迁 性 变 化 或 者 持 续 增减 时,则 应 注 意 前 方 岩 体 含 水 的 可 能 性 大。现 阶 段,红 外 探 水 法 对 含 水 构 造 的 独 特 敏
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- 关 键 词:
- 基于 物探 公路 隧道 超前 地质 预报 组合 应用 研究
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