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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(bào)隧道工程實(shí)例,檢測(cè)結(jié)果一目了然!
發(fā)布時(shí)間:2021-05-12 瀏覽次數(shù):1727 來(lái)源:歐美大地

近年來(lái),我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)大隧道數(shù)量也越來(lái)越多,隧道施工進(jìn)度經(jīng)常成為控制整個(gè)工程進(jìn)展的瓶頸。

隧道快速掘進(jìn)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(huì)在施工掘進(jìn)中發(fā)生嚴(yán)重的問(wèn)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(shí),問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是解決這個(gè)難題行之有效的方法。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是通過(guò)物探、鉆探或?qū)Э?,并配合地質(zhì)測(cè)繪或地質(zhì)調(diào)查等手段探獲的資料,對(duì)整個(gè)隧道、隧道的某個(gè)段落、隧道的某個(gè)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(jí)別及隧道開栘后的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè),并提出隧道前方的開挖和支護(hù)建議的報(bào)告。

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

 

探測(cè)依據(jù)

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

《公路隧道設(shè)計(jì)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(jí)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(jì)、變更資料、工程任務(wù)

 

測(cè)試設(shè)備

AGI-T3三維成像隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀,該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)終端、無(wú)線采集器、三分量檢波器、無(wú)線信號(hào)觸發(fā)計(jì)時(shí)器、錘擊觸發(fā)傳感器(或起爆機(jī)連接器)、信號(hào)采集處理和三維成像預(yù)報(bào)軟件等組成。

 

 

探測(cè)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(cè)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(cè)原理示意圖

現(xiàn)場(chǎng)工作方法是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個(gè)震源點(diǎn),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(cè)長(zhǎng)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(shí),一部分地震信號(hào)反射(或散射)回來(lái),一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射回來(lái)的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收,這部分信號(hào)就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報(bào)野外采集的原始數(shù)據(jù)。彈性波法探測(cè)原理如圖1所示,根據(jù)反射信號(hào)旅行時(shí)間和傳播速度(圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度),可探測(cè)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(shí)根據(jù)反射信號(hào)傳播速度可測(cè)算出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速,為判定圍巖級(jí)別提供重要依據(jù)。

三維成像預(yù)報(bào)原理示意圖(AGI-T3)

現(xiàn)場(chǎng)工作方法是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個(gè)震源點(diǎn),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(cè)長(zhǎng)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(shí),一部分地震信號(hào)反射(或散射)回來(lái),一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射回來(lái)的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收,這部分信號(hào)就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報(bào)野外采集的原始數(shù)據(jù)。彈性波法探測(cè)原理如圖1所示,根據(jù)反射信號(hào)旅行時(shí)間和傳播速度(圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度),可探測(cè)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(shí)根據(jù)反射信號(hào)傳播速度可測(cè)算出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速,為判定圍巖級(jí)別提供重要依據(jù)。

 

 

探測(cè)方法

 

根據(jù)三維成像超前預(yù)報(bào)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(gè)震源點(diǎn)(點(diǎn)距約1.5m~2.0m)。如果是錘擊震源,在距第1個(gè)震源點(diǎn)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(gè)震源點(diǎn)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(gè)檢波器(共3個(gè))。另一方面,儀器應(yīng)用考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜多樣性,探測(cè)方法同時(shí)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(diǎn),檢波器可以根據(jù)條件選擇安置1~3個(gè)。

工作布置示意圖

 

案例分析

 

 

01

右幅進(jìn)口

南昏隧道

對(duì)南昏隧道右幅(進(jìn)口端)用T3方法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作,本次預(yù)報(bào)里程段為K133+810~+910,長(zhǎng)100m。

探測(cè)內(nèi)容:

  1. 探測(cè)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(bào)范圍段的圍巖級(jí)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(jí)為Ⅴ級(jí);地下水類型主要為基巖裂隙水,富水性較差,施工時(shí)可能出現(xiàn)潮濕或點(diǎn)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(hù)及時(shí)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(qiáng)~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(dòng)后易破碎坍塌。掌子面稍濕,無(wú)地下水,圍巖完整性和穩(wěn)定性很差。

K133+810~+910段圍巖級(jí)別設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)中3.6條圍巖分級(jí),判定掌子面地質(zhì)情況符合Ⅴ級(jí)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(cè)結(jié)果分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析,得到本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(cè)結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析:

預(yù)報(bào)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(dòng)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(jí)為Ⅴ級(jí)。施工中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施,確保安全。

預(yù)報(bào)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(shí)可能出現(xiàn)潮濕或點(diǎn)滴狀滲水,圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。施工中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施,確保安全。

預(yù)報(bào)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(shí)可能出現(xiàn)潮濕或點(diǎn)滴狀滲水,圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

推斷該段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。施工中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)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(dòng)后易破碎坍塌,圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

結(jié)果

探測(cè)分析

綜合掌子面地質(zhì)情況和AGI-T3探測(cè)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(dòng)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(jí)別設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí);預(yù)報(bào)建議圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

 

02

左幅出口

大營(yíng)坡隧道

大營(yíng)坡隧道左幅(出口段)運(yùn)用地震波三維成像方法(AGI-T3)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,本次預(yù)報(bào)起訖里程段為ZK66+855~ZK66+755,預(yù)報(bào)距離100m。

探測(cè)內(nèi)容:

  1. 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速及圍巖級(jí)別判定;

  2. 探測(cè)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(jì)級(jí)別為Ⅴ級(jí)。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(cè)結(jié)果分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析,得到本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào)成像結(jié)果圖

 

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

預(yù)報(bào)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(qiáng)反射界面。

推斷該段圍巖強(qiáng)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(diǎn)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(jí)為Ⅴ級(jí)。開挖時(shí)應(yīng)短開挖,弱爆破,控制超/欠挖,確保安全。

預(yù)報(bào)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(qiáng)反射界面。

推斷該段圍巖強(qiáng)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(diǎn)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(jí)可能由Ⅴ級(jí)向Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況,合理選擇施工方法,確保安全。

預(yù)報(bào)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(qiáng)反射界面。

推斷該段圍巖強(qiáng)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(diǎn)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(jí)可能由Ⅴ級(jí)向Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況,合理選擇施工方法,確保安全。

 

結(jié)果

探測(cè)分析

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

01

推斷本次預(yù)報(bào)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(cè)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(diǎn)滴狀滲水為主,圍巖破碎,圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

03

推測(cè)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(diǎn)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(huì)有略微的變化。推斷該段圍巖等級(jí)可能由Ⅴ級(jí)向Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況,合理選擇施工方法,確保安全。

04

推測(cè)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(diǎn)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(huì)有略微的變化。推斷該段圍巖等級(jí)可能由Ⅴ級(jí)向Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實(shí)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(yùn)用彈性波三維成像方法(AGI-T3)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,本次預(yù)報(bào)起訖里程段為ZK26+046~ZK25+946,預(yù)報(bào)距離100m。

探測(cè)內(nèi)容:

  1. 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速及圍巖級(jí)別判定;

  2. 探測(cè)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(jì)級(jí)別為Ⅴ級(jí)。隧道掌子面ZK26+046 巖性:以灰色中~強(qiáng)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(wú)地下水,結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差,開挖時(shí)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(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)中3.6條圍巖分級(jí),判定掌子面地質(zhì)情況符合Ⅴ級(jí)圍巖條件。

 

掌子面照片圖

 

探測(cè)結(jié)果分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析,得到本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào)成像結(jié)果圖

 

根據(jù)探測(cè)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(qiáng)反射界面。

推斷該段圍巖強(qiáng)度與掌子面基本相同,以中~強(qiáng)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(qiáng)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(jí)為Ⅴ級(jí)。開挖時(shí)應(yīng)短開挖,弱爆破,控制超/欠挖,確保安全。

預(yù)報(bào)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(qiáng)反射界面。

推斷該段圍巖為以中~強(qiáng)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(qiáng)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(jí)為Ⅴ級(jí)。開挖時(shí)應(yīng)短開挖,弱爆破,控制超/欠挖,確保安全。

預(yù)報(bào)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(qiáng)反射界面。

推斷該段圍巖為以中~強(qiáng)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(qiáng)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(jí)為Ⅴ級(jí)。開挖時(shí)應(yīng)短開挖,弱爆破,控制超/欠挖,確保安全。

 

結(jié)果

探測(cè)分析

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

01

推斷本次預(yù)報(bào)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(cè)掌子面前方0~28m(ZK26+046~+018)段圍巖以中~強(qiáng)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(qiáng)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(cè)掌子面前方28~64m(ZK26+018~+982)段以中~強(qiáng)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(qiáng)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(cè)掌子面前方64~100m(ZK25+982~ZK25+046)段圍巖以中~強(qiáng)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(qiáng)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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