隧道地质超前预报北京中铁瑞威工程检测有限责任公司2014年3月主要内容一、什么是地质超前预报一、什么是地质超前预报二、地质超前预报的必要性二、地质超前预报的必要性三、当前地质超前预报的主要内容与方法三、当前地质超前预报的主要内容与方法四、地质素描法四、地质素描法五、五、TSP203地质超前预报地质超前预报六、掌子面地质雷达法六、掌子面地质雷达法七、如何做好地质超前预报工作七、如何做好地质超前预报工作八、主要业绩八、主要业绩一、什么是超前地质预报一、什么是超前地质预报1、广义：广义：洞内外、前期勘察、工程施工中；可行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的预报。2、狭义：狭义：隧道工程施工阶段，根据隧道开挖揭示的洞身围岩变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测。二、超前地质预报的必要性二、超前地质预报的必要性1、根本原因、根本原因p 根据勘察资料做出的设计与实际情况不符p 目前隧道工程区域地质情况本身的复杂性（尤其是灰岩地区）p 隧道工程的开展须保证安全、按期、节约p 地质超前预报纳入常规隧道安全施工环节 2、具体原因、具体原因 勘测设计资料分辨率低、准确性低； 勘测设计的地质预估，隧道地质背景的宏观把握，对复杂的地质情况不可能做出微观的把握（地质条件的复杂性）； 复杂隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响； 人为作用（施工开挖）引起地质的变化只有在施工期才能显现； 施工期对地质的掌握不能只停留在定性评价，要有定量评价； 作为地质工作的全过程的组成部分，是完善设计地质资料、优化施工方案、指导施工决策和保证施工人员、设备的安全的需要，也是隧道运营阶段地质灾害治理的依据。各种隧道地质灾害各种隧道地质灾害 围岩的变形，失稳破坏（软、弱岩）隧道涌水隧道涌水（节理密集裂隙、断层及其影响带、充水岩溶等）隧道洞内泥砂石流隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）有害气体有害气体（煤层、炭质泥岩、炭质页岩有关的瓦斯气体瓦斯气体突出、燃烧、爆炸）岩爆（脆性岩体）高地温地表生态环境灾害(地表塌陷、地表水枯竭等)突发性事故，影响施工安全、进度、成本突发性事故，影响施工安全、进度、成本成昆线、大秦线、宜万线、衡广复线，因地质原因造成停工占总施工的1/4-1/3，直接和间接损失巨大。3、成昆铁路米攀段隧道区的复杂特点、成昆铁路米攀段隧道区的复杂特点隧道线路长，比重大，占到区段线路的80%以上；地下水道复杂（孔隙水、基岩裂隙水、断层带水及少量可溶岩岩溶水 ）；地下水季节性； 地质构造及地层岩性复杂，断裂构造及侵入接触带发育 ； 存在岩溶发育段（垭口隧道 ）；地表勘探较难（盐边隧道最大埋深945米）； 1、地质超前预报的主要内容、地质超前预报的主要内容围岩级别变化及其稳定性；掌子面前方与隧道附近岩溶发育位置、规模及其填充性质；掌子面前方与隧道附近地下水的发育情况；断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质；风化破碎带、不良地质灾害的分布；在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；针对预报内容，给出相关指导支护意见 三、当前地质超前预报的主要内容与方法三、当前地质超前预报的主要内容与方法2、当前超前地质预报的主要方法、当前超前地质预报的主要方法弹性波法弹性波法原理：原理：人工激发弹性波（地震波或声波），弹性波在球形扩散过程中，在相关反射界面上（断层、破碎带、岩溶、地下水溶腔、岩性变化等界面）发生反射和透射代表性方法：代表性方法：TSP203，TGP，TRT，TSP24，（超）声波反射透射等。特点：特点：国外+国内；关键看是否成熟；红外探水法红外探水法红外探水技术就是通过红外探水仪探测前方一定范围内红外辐射场的变化，即通过探测仪探测显示出红外辐射的变化。在隧道掘进现场，当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会叠加到围岩正常辐射场上，仪器显示屏上的曲线出现数据突变。而当掌子面前方没有含水构造时，所测定的红外辐射场为正常场值，数据曲线为一条近似直线。红外探水法的应用及特点在探测岩层含水变化有重要作用无法判断富含水位置的规模与位置能推断含水变化，但无法评估其危害其探测效果受多种因素影响：高能热源场（电动空压机）、掌子面围岩与后方围岩温差、掌子面附近施工用水、放炮后初支混凝土距离温度差异等。总之，实际应用效果不理想。超前水平钻超前水平钻在掌子面用水平钻进钻机，或单独钻进或钻进取芯（或孔内成像），根据钻进速度、取芯情况、出水位置、水量、压力（孔内成像则包含围岩图像）等情况进行前方地质情况预报。超前水平钻的特点：超前水平钻的特点：取芯或成像则直观、可靠，但数量有限；非取芯则，只能凭钻进速度和感官记录；经验判别很重要。台车风钻等钻进长度有限；长水平钻（包含非取芯、取芯和成像），占用施工时间较长，造价较高；专业化与非专业化差异悬殊；四、地质素描法四、地质素描法1、内容据已开挖段与当前掌子面地层的年代、岩性、产状（走向、倾角、）、完整性、接触关系、节理裂隙发育程度及产状、围岩应力（稳定性）状态、地下水活动，断层、岩溶等结构构造信息等推断前方地质情况；2、方法随开挖及时进行，现场详细记录以上信息；作相关隧道地质填图、结合背景地质资料、勘察及设计资料做推断；3、特点好的地质素描，能整体、全面、较准确推断前方实际情况定性的描述性认识，无法定量；需要丰富的地质专业知识、现场经验；专门、及时、完整的地质素描几乎不可能；培养环境差、周期长，导致人员流动性太强； 1、简介、简介TSP（Tunnel Seismic Predicting)，即隧道地震波预报法；目前各种地震波反射法(TSP203，TGP,TRT,TSP24等)皆可认为是TSP超前地质预报，然以TSP203为代表，甚至特指。TSP203隧道地质超前预报系统，由瑞士安伯格公司生产 ，国内由昆明西普瑞格科技有限公司代理，专业应用于隧道工程地质超前预报。其通过激发并三分量接收地震波，根据反射波的旅行时间差异，求取地震波在围岩中的速度，围岩的Q值，泊松比等，以预报隧道掌子面前方0150m范围的地层、构造、应力及含水状况。目前，被广泛的应用于铁路与公路隧道工程中。五、五、TSP超前地质预报超前地质预报TSP203超前地质预报的原理与组件2、TSP203的成果材料三分量的原始数据反射波频谱分布图反射面提取及偏移图波速、波速比及泊松比曲线二维反演成果图三维反演成果国预报结果报表三分量的原始数据反射波频谱分布图反射面提取及偏移图波速、波速比及泊松比曲线二维反演成果图三维反演成果国预报结果报表3、TSP203的特点系统集成、操作简单技术成熟、实践丰富预报结果准确可靠一次预报距离长（100-150M）费用较低(15000元一次，或120元/每米)占用配套资源（人员与设备）及施工时间短成果丰富、直观4、如何开展、如何开展TSP地质超前预报地质超前预报接收孔、炮孔的钻孔准备；接收器的埋设工作；炸药的包装及埋设工作；数据采集；数据处理分析；综合判别，给出结论；编写报告 5、如何确保做好、如何确保做好TSP地质超前预报地质超前预报提高现场数据采集质量；确保炮孔几何参数，耦合，激发，最低干扰等；做好现场地质素描及记录工作；选好处理参数；搜集设计资料及开挖记录；结合其他资料相对比分析；选择经验丰富的技术负责人。水平断面图激发炮孔，直径38，间距及深度1.5m，离地面1.2m左右，计同侧24个，一线排列，距离掌子面最近10m；接收炮孔，直径43-45，1个，深度2m，离地面1.2m左右，与激发孔同侧一线排列，距离掌子面最近55m左右；TSP所能解决的问题围岩级别变化及其稳定性；掌子面前方与隧道附近岩溶发育位置、规模；掌子面前方与隧道附近地下水的发育情况；断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质；风化破碎带、不良地质灾害的分布；在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；1、地质超前预报的主要内容、地质超前预报的主要内容围岩级别变化及其稳定性；掌子面前方与隧道附近岩溶发育位置、规模及其填充性质；掌子面前方与隧道附近地下水的发育情况；断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质；风化破碎带、不良地质灾害的分布；在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；针对预报内容，给出相关指导支护意见 三、当前地质超前预报的主要内容与方法三、当前地质超前预报的主要内容与方法TSP同类产品除TSP法外，当前中长期的超前预报方法还有HSP、TGP、TRT、TST、负视速度等各种方法。其中，TGP、TRT与TSP理论相同，均应用的是反射理论。HSP隧道地质超前预报系统 ：该方法和地震波探测原理基本相同，其原理是建立在弹性波理论的基础上，探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。TST隧道地质超前预报系统： 地震波散射理论TGP隧道地质超前预报系统 ： 1、原理2、解决的问题3、现场实施4、成果提交六、掌子面地质雷达法六、掌子面地质雷达法1、地质雷达探测原理通过发射并接收从各电性界面上反射回来的电磁波，根据反射电磁波的时间，振幅，频率等单项和组合特征，来获得反射界面的深度、形态和属性特征。地质雷达探测原理介电性差异，是地质雷达应用的基础中心频率干灰岩中的速度时窗(ns)波长(cm)纵向分辨率穿透深度100MHz12cm/ns60012030cm1500-3000cm200MHz12cm/ns4006015cm1000-2000cm250MHz12cm/ns1604812cm600-800cm400MHz12cm/ns100307.5cm200-500cm500MHz12cm/ns60246cm100-300cm900MHz12cm/ns3013.33.3cm70-150cm1000MHz12cm/ns20123 cm50-100cm2、解决的问题对掌子面前方30米范围内，隧底、边墙和拱部等需做精细探测的区域。诸如，较近范围内的岩溶，节理裂隙发育情况，岩层变化（完整性、岩性变化），地层含水或含泥预报。特点：快捷，方便，但一次探测距离较近，且受围岩状态影响探测深度受掌子面附近开挖机械设备、台车、用电等影响。3、现场实施地质雷达法地质超前预报测线布置示意图SIR20主机与100M天线4、成果提交、成果提交地质雷达原始图像典型灾害图像解译成果图明确定量化结论探测报告(包含隧道背景，上次探测结果验证，本次探测现场参数等)2、大原则：、大原则：采用综合地质超前预报的思维，以物探方法为常规预报手段，结合其他方法结果，给出充分科学合理的预报结果；特殊地段，采用多种物探方法结合超前水平钻进行；地质超前预报必须起到其应用的指导作用。七、如何做好隧道地质超前预报工作1、什么是好的地质超前预报：、什么是好的地质超前预报：准确，快捷，节约，专业对比采用合理方法，TSP203技术；做好物探与地质素描的结合工作；充分重视地质素描对于超前预报结果准确的重要性。一种方法为主，多种方法结合；相信专业差别，采用专业人士，专业队伍用专业，有经验的、负责任的队伍和人员做好现场数据采集、后期数据处理与后期结果判读分析及报告编写工作。3、具体实现、具体实现八、典型案例及业绩八、典型案例及业绩TSP预报隧道突水TSP预报隧道突泥TSP预报隧道溶洞TSP预报隧道岩体破碎掌子面雷达预报隧道岩溶掌子面雷达预报隧道含水裂隙2006年初，宜万线马鹿箐隧道平行导洞内发生大规模突水事故。事故发生前两月，该里程段进行了TSP超前地质预报，结论显示该段PDK255+991 PDK255+972（19m）范围内岩体完整性较差，结合已有超前钻孔资料，在该段后半段富水，可能突水 。 下图为隧道突水段预报数据截图。在图上，方框圈定范围内纵、横波速度均降低，尤其纵波速度下降幅度较大，纵横波速度比增大，泊松比也增大，密度变小。结合相关资料，推断该区域为富水段。TSP预报隧道突水下面为宜万线云雾山隧道突泥段TSP超前预报数据截图。在左图中，方框圈定范围内有多组P波负相位，反射能量较强；从右图中可以看出，相对应区域内纵、横波速度均有所降低，泊松比等参数增大，密度变小。结合相关资料，推断该区域为软弱地层，含水。经开挖后验证，该段内为含水粘土夹层，并伴有突泥现象发生。 TSP预报隧道突泥下图为宜万线鲁竹坝隧道溶腔发育段的预报数据截图。前一图为纵波的深度偏移图，后一图为其横波的深度偏移图。二者相比较，不难看出在所圈定的范围内岩体纵波反射波能量远强于横波，另通过二维成果图及其它数据资料，推断该区域内裂隙发育，并伴有溶腔或溶洞。实际开挖后表明，该区域内均为一系列连通或孤立干燥溶腔。TSP预报隧道溶洞纵波的深度偏移图横波的深度偏移图下图为某隧道破碎带的预报数据截图。在距接收器前方160米左右有一组负相位的强反射波（见下图），结合二维成果图其它资料分析，在该处附近岩体较破碎，岩体稳定性较差。实际开挖证明：在该里程附近有一宽约4米左右的破碎带，岩体自稳性极差，多次发生坍塌。TSP预报隧道岩体破碎下面为德靖线某隧道的掌子面雷达预报，从下图中可以看出，圈定范围内反射波振幅显示为微弱振幅，能量损失大，电磁波能量的吸收。判定圈定区域内为充泥溶洞。经开挖验证，在里程DK35+328处，在右侧拱脚位置开始发现充泥溶洞，溶洞大小约为隧道右侧边墙23m，高度2m多，溶腔位置不超过隧道中线，沿线路右侧边墙方向约发育至DK35+335。总共大概10多方的土。为一小型的充填溶腔，与探测结果相符良好。掌子面雷达预报隧道岩溶下面为德靖线某隧道的掌子面雷达预报，掌子面里程为DK33+010，围岩为级。掌子面整体出露为灰岩，节理裂隙发育，充填大量方解石岩脉，厚度4mm20cm不等，局部节理充填褐黄色泥质。当前掌子面未见渗漏水现象和岩溶出露特征。其中左图为雷达检测剖面，在纵向320ns深度处有一强反射界面，推测为破碎含水，经开挖后验证，该处为一条4050cm宽度的含水裂隙。右图为当前掌子面图像。掌子面雷达预报隧道含水裂隙带2、主要业绩、主要业绩2004年-2007年，宜万线上50%长大隧道的地质超前预报，由我公司承担。2008年-2009年，两伊线24个隧道超前地质预报。2009年3月至今，赣韶线超前地质预报2009年8月至今，南广铁路50%左右隧道2010年初至2012年中，德靖线超前地质预报2011年6月至2011年12月，中南部通道超前预报2013年9月至今，牡绥线超前地质预报感谢各位领导、专家！北京中铁瑞威工程检测有限责任公司2014年3月