CN107367772A - 一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法。包括以下几个步骤：(一)详细研究隧址区勘察设计资料；(二)采用地质雷达进行探测；(三)构建隧道三维地质仿真模型；(四)开展隧道现场监控量测，并根据监控量测结果对仿真模型进行修改；(五)将隧址区勘察设计资料、地质雷达数据、现场监控量测资料与仿真数据相结合，划定出不良地质地段的具体范围，以及大致分析出不良地质体的类型。通过使用本发明中的超前预报方法，可以对隧道掌子面前方的不良地质环境进行大致分析和提前预报，以便提早、及时采取有效的施工方法，减少隧道施工安全隐患，并具有操作简单、安全可靠、预报准确性高等优点。

Description

一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下空间工程施工技术领域，具体涉及一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法。

背景技术

随着我国经济和社会的持续健康发展，基础设施的建设力度持续加大，我国目前正在进行的大规模基础设施建设中，有大量的铁路、公路、引水、城市地铁等工程包括隧道建设。在隧道设计与施工之前，需要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察，但是，由于岩体的复杂性，使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大出入。如果对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大的盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、突水、突泥等事故，这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程成本，重则砸毁机械设备，甚至可能造成人员伤亡，而且，事故发生后的处理工作难度较大。因此，在隧道工程中如何超前预报掌子面前方的地质构造，准确查出隧道掘进方向的围岩性状、结构面发育情况，特别是溶洞、断层、破碎带和含水情况，以便提早、及时采取有效的施工方法，对于减少安全隐患、确保施工安全至关重要。

发明内容

本发明目的在于：针对在建隧道穿越岩性复杂、构造作用强烈地段时，由于未能清楚掌握掌子面前方地质环境，导致存在施工安全隐患的问题，提供一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法，通过使用该超前预报方法，可以对隧道掌子面前方的不良地质环境进行准确分析和预报，以便提早、及时采取有效的施工方法，减少安全隐患、确保施工安全。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法，包括以下几个步骤：

步骤一、根据隧址区勘察设计资料确定断层和其他不良地质体与拟建隧道轴线交点的大概位置，并估测岩层、断层和其他重要地质界面的产状，预测地下水富存段；

步骤二、在地面上使用地质雷达对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行探测，并对探测所得数据进行分析和解译；

步骤三、根据拟建隧道工程地段的岩土物理力学参数，构建隧道三维地质仿真模型，模拟隧道开挖过程；

步骤四、开展现场监控量测，根据监控量测结果对仿真模型进行修改；

步骤五、将隧址区勘察设计资料、地质雷达数据、现场监控量测资料与仿真数据相结合，划定出不良地质地段的具体范围，以及大致分析出不良地质体的类型；

步骤六、根据分析结果判断是否需要采取处理措施，在无异常情况下可继续掘进并开始下一阶段的超前地质预报工作。

本方法根据隧址区勘察设计资料对隧道附近的不良地质体进行预测，采用地质雷达对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行探测，同时构建隧道三维地质仿真模型，模拟隧道开挖过程，并根据现场实际监控量测结果对仿真模型进行修改，将隧址区勘察设计资料、地质雷达数据、现场监控量测资料与仿真数据相结合，划定出不良地质地段的具体范围，以及大致分析出不良地质体的类型，通过使用该超前预报方法，可以对隧道掌子面前方的不良地质环境进行大致分析和提前预报，以便提早、及时采取有效的施工方法，减少隧道施工安全隐患，并具有操作简单、安全可靠、预报准确性高等优点。

作为本发明的优选方案，在步骤二中，探测时地质雷达的天线选用100MHz的屏蔽天线，以保证足够的探测深度。

作为本发明的优选方案，探测时地质雷达的时窗设置为400～450ns，以保证目标地质体所在深度处地质信息的完整性，采样频率设置为天线中心频率的6～15倍。

作为本发明的优选方案，在采用地质雷达进行探测时，测线采取井字形布设，并记录测线的始点和终点。

作为本发明的优选方案，探测过程中要对每条测线分别进行两次探测，且探测过程中应使地质雷达在地面上匀速滑动，从而确保能够获得较为准确的探测数据。

作为本发明的优选方案，在步骤三中，构建隧道三维地质仿真模型所用的数据可根据现场和室内试验进行确定，隧道规模根据实际规模进行设计，以确保仿真结果更加接近实际情况。

作为本发明的优选方案，在步骤四中，现场监控量测时埋设的监控量测点应位于同一开挖断面上。

作为本发明的优选方案，监控量测点应布置在距离掌子面9～11m的位置，避免监控量测点在下一循环施工过程中遭到破坏，确保监测数据的连续性。

作为本发明的优选方案，现场监控量测时，隧道拱顶下沉量采用精密水准仪进行量测，隧道周边位移采用数显收敛计进行量测。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过对隧址区勘察设计资料进行详细研究，并结合现场和室内测试，可以对拟建隧道区域的地质构造、地形地貌、地层岩性、地应力特征、地下水储运条件、隧道区的岩体原始地应力场等有大致了解；

2、通过在地面上使用地质雷达对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行探测，设备轻便，操作简单、灵活，适应性强，对施工干扰小，探测精度高，探测空间范围广，特别是能形成围岩的总体和立体信息；

3、通过建立隧道三维地质仿真模型，进行数值模拟、分析模拟结果，确定理论分析地质灾害可能发生地段和规模；

4、通过对现场施工监控量测并利用围岩周边位移、拱顶下沉的观测值可对隧道周边围岩的应力动态过程及发展趋势、围岩稳定性以及支护的合理性进行监控，这对安全施工及保证工程质量具有重要作用，同时，将监控数据与仿真数据进行比对，不断修改仿真模型，可以使预报结果更加精准；

5、通过将隧址区勘察设计资料、地质雷达所获得数据、现场监控量测数据与仿真数据相结合，使其能够更为准确地确定不良地质体的范围及形状，与传统的使用单一预报方法相比，其预报精确度显著提高。

附图说明

图1为本发明中的预测隧道前方不良地质的超前预报方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本发明提供一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法；

如图1所示，本实施例中的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据施工图纸，划定出拟建隧道工程地段的具体范围，并对隧址区勘察设计资料进行详细研究，确定断层和其他不良地质体与隧道轴线交点的大概位置，估测岩层、断层和其他重要地质界面的产状，预测地下水富存段。通过对隧址区勘察设计资料进行详细研究，并结合现场和室内测试，可以对拟建隧道区域的地质构造、地形地貌、地层岩性、地应力特征、地下水储运条件、隧道区的岩体原始地应力场等有大致了解。

步骤二：在地面上使用地质雷达对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行探测，将探测所得数据进行保存，并采用雷达图像处理软件如radan7、reflexw等其中之一即可，对所获得的数据进行分析和解译。地质雷达设备轻便，操作简单、灵活，适应性强，对施工干扰小，探测精度高，探测空间范围广，特别是能形成围岩的总体和立体信息；地质雷达在10～30米的范围内可以进行精确的短距离预报，精度可控制在50厘米以内，在隧道工程中一般使用地质雷达在隧道掌子面上沿水平方向移动，使其探测隧道掘进方向上的地质情况，以达到超前预报的目的，鉴于隧道埋深一般小于30米，因此，在地面上沿隧道掘进方向进行预测，既能达到超前地质预报的目的，也能使探测距离极大的增长，对施工影响更小。

步骤三：运用上述探测结果并根据拟建隧道工程地段的岩土物理力学参数，使用仿真软件如FLAC3D等进行隧道三维地质模型构建，模拟隧道开挖过程。通过建立起FLAC3D仿真模型，进行数值模拟、分析模拟结果，确定理论分析地质灾害可能发生地段和规模。

步骤四：开展现场监控量测，根据监控量测结果对三维地质仿真模型进行修改，使仿真结果更加接近真实情况。通过将现场施工监控数据与FLAC3D仿真数据进行比对，不断修改FLAC3D仿真模型，可以使预报结果更加精准。

步骤五：将隧址区勘察设计资料、地质雷达数据、现场监控量测资料与仿真数据相结合，划定出不良地质地段的具体范围，以及大致分析出不良地质体的类型，达到超前地质预报的目的。通过将隧址区勘察设计资料、地质雷达所获得数据、现场监控量测数据与FLAC3D仿真数据相结合，使其能够更为准确地确定不良地质体的范围及形状，与传统的使用单一预报方法相比，其预报精确度显著提高。

步骤六：根据结果判断是否需要采取处理措施，在无异常情况下可继续掘进并开始下一阶段的超前地质预报工作。

本实施例中的地质雷达可选用常见的类型，如美国GSSI的SIR系列、瑞典MalaGeoscience Inc的RAMAC系列、意大利IDS的RIS系列等其中之一即可；地质雷达的天线可选用100MHz的屏蔽天线，以保证足够的探测深度；地质雷达的时窗主要是设置采样深度，为保证目标地质体所在深度处地质信息的完整性，时窗可设为400～450ns，采样频率以取天线中心频率的6～15倍为宜，在不影响图像质量的条件下应尽可能取较大值。

本实施例中的地质雷达使用方法如下：在地面对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行勘测，测线采取“井”字形布设，长、宽各10米，同方向上的测线间距为3.3米，并详细记录下测线的始点和终点，必要时也可加密地质雷达测线以提高测试资料结果的解释。为了能够获得较为准确的探测数据，探测过程中要对每条测线分别进行两次探测，每条测线位置需要保存两份探测数据，探测过程中应使地质雷达尽可能匀速在地面上滑动。

本实施例中，步骤三构建隧道三维地质仿真模型所用的数据可根据现场和室内试验进行确定，隧道规模根据实际规模进行设计，以确保仿真结果更加接近实际情况。

本实施例中的现场监控量测时埋设的监控量测点应位于同一开挖断面上，同时，鉴于监控量测点易在下一循环施工过程中遭到破坏，从实际的经验来看，要确保监测数据的连续性，测点布置应距离掌子面10米左右，以避免在施工过程中受到破坏。隧道现场拱顶下沉量采用精密水准仪进行量测，并在隧道现场设多个基准点，基准点主要位于通过监控量测结果分析得到的围岩已经稳定的里程段。隧道周边位移采用数显收敛计进行量测，两次量测之差即为周壁两点在该时间间隔内收敛值。隧道施工监控量测是新奥法的重要特点，利用围岩周边位移、拱顶下沉的观测值可对隧道周边围岩的应力动态过程及发展趋势、围岩稳定性以及支护的合理性进行监控，这对安全施工及保证工程质量具有重要作用。同时，将监控数据与FLAC3D仿真数据进行比对，不断修改FLAC3D仿真模型，可以使预报结果更加精准。

综上所述，本方法根据隧址区勘察设计资料对隧道附近的不良地质体进行预测，采用地质雷达对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行探测，同时构建隧道三维地质仿真模型，模拟隧道开挖过程，并根据现场实际监控量测结果对仿真模型进行修改，将隧址区勘察设计资料、地质雷达数据、现场监控量测资料与仿真数据相结合，划定出不良地质地段的具体范围，以及大致分析出不良地质体的类型，通过使用该超前预报方法，可以对隧道掌子面前方的不良地质环境进行大致分析和提前预报，以便提早、及时采取有效的施工方法，减少隧道施工安全隐患，并具有操作简单、安全可靠、预报准确性高等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、根据隧址区勘察设计资料确定断层和其他不良地质体与拟建隧道轴线交点的大概位置，并估测岩层、断层和其他重要地质界面的产状，预测地下水富存段；

步骤二、在地面上使用地质雷达对隧道掘进方向上尚未开挖部分进行探测，并对探测所得数据进行分析和解译；

步骤三、根据拟建隧道工程地段的岩土物理力学参数，构建隧道三维地质仿真模型，模拟隧道开挖过程；

步骤四、开展现场监控量测，根据监控量测结果对仿真模型进行修改；

步骤五、将隧址区勘察设计资料、地质雷达数据、现场监控量测资料与仿真数据相结合，划定出不良地质地段的具体范围，以及大致分析出不良地质体的类型；

步骤六、根据分析结果判断是否需要采取处理措施，在无异常情况下可继续掘进并开始下一阶段的超前地质预报工作。

2.根据权利要求1所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，在步骤二中，探测时地质雷达的天线选用100MHz的屏蔽天线。

3.根据权利要求2所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，探测时地质雷达的时窗设置为400～450ns，采样频率设置为天线中心频率的6～15倍。

4.根据权利要求1-3之一所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，在采用地质雷达进行探测时，测线采取井字形布设，并记录测线的始点和终点。

5.根据权利要求4所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，探测过程中要对每条测线分别进行两次探测，且探测过程中应使地质雷达在地面上匀速滑动。

6.根据权利要求1所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，在步骤三中，构建隧道三维地质仿真模型所用的数据可根据现场和室内试验进行确定，隧道规模根据实际规模进行设计。

7.根据权利要求1所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，在步骤四中，现场监控量测时埋设的监控量测点应位于同一开挖断面上。

8.根据权利要求7所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，监控量测点应布置在距离掌子面9～11m的位置。

9.根据权利要求8所述的预测隧道前方不良地质的超前预报方法，其特征在于，现场监控量测时，隧道拱顶下沉量采用精密水准仪进行量测，隧道周边位移采用数显收敛计进行量测。