CN114296147A - 一种公路隧道综合超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种公路隧道综合超前预报方法，该方法包括以下步骤：⑴采用瞬变电磁仪法对公路隧道目标体进行探测，获得相应的地质数据A；⑵对所述目标体采用地质雷达进行测试，获得相应的地质数据B；⑶对所述目标体进行超前钻探及管道内窥镜，获得相应的地质数据C；⑷将所述地质数据A、所述地质数据B、所述地质数据C进行分析，即得所述目标体的真实地质情况。本发明通过地质雷达、超前钻探和瞬变电磁仪法三种探测方法，进行综合分析，即可得出准确可靠的隧道地质情况，实现提前预防、提前处理，不但提高了施工的效率，而且降低了施工的安全风险，保证了施工的安全。

Description

一种公路隧道综合超前预报方法

技术领域

本发明涉及公路工程、铁路工程隧道施工技术领域，尤其涉及一种公路隧道综合超前预报方法。

背景技术

随着公路建设技术难度的不断提高，穿越山岭地区的公路长大隧道也越来越多。在特长大隧道的工作开展中，最大的难题无疑是复杂的地质情况。由于隧道埋深于地下，工程地质条件和水文地质条件复杂多变，而且目前地质勘察工作又受技术、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道围岩的状态、特性，特别是要准确地预测隧道施工中可能发生的地质灾害的位置、规模和性质是十分困难的。

由于地质灾害的存在，仅依靠施工揭露再行处理的办法，带有很多的盲目性，常常发生各种突发事故，造成投资增加，人员和施工设备的伤害、工期延误等诸多万泰。如果可以提前预知基岩深度、水位深度、软土层厚度与深度、断裂构造等地质情况，便可以为特长大隧道的施工带来极大的方便，减少施工过程中的困难，并保证了施工的质量和安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种安全、可靠、高效的公路隧道综合超前预报方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种公路隧道综合超前预报方法，包括以下步骤：

⑴采用瞬变电磁仪法对公路隧道目标体进行探测，获得相应的地质数据A；

⑵对所述目标体采用地质雷达进行测试，获得相应的地质数据B；

⑶对所述目标体进行超前钻探及管道内窥镜，获得相应的地质数据C；

⑷将所述地质数据A、所述地质数据B、所述地质数据C进行分析，即得所述目标体的真实地质情况。

所述步骤⑴中瞬变电磁仪法中横向扫描断面包括斜向上45°顶板方向、斜向上22.5°顶板方向、水平方向、斜向下22.5°底板方向和斜向下45°底板方向。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过地质雷达、超前钻探和瞬变电磁仪法三种探测方法，进行综合分析，即可得出准确可靠的隧道地质情况，实现提前预防、提前处理，不但提高了施工的效率，而且降低了施工的安全风险，保证了施工的安全。

2、采用本发明方法，可提高隧道地质的探测的准确性，有效地规避因不明地质情况所带来的风险，同时也可以降低工程成本的消耗。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明中掌子面横向扇形观测***测线示意图。

图2为本发明中斜向上45°顶板方向探测剖面图。

图3为本发明中斜向上22.5°方向探测剖面图。

图4为本发明中水平方向探测剖面图。

图5为本发明中断层破碎带地质雷达特征图像。

图6为本发明中裂隙带的地质雷达特征图像。

具体实施方式

一种公路隧道综合超前预报方法，包括以下步骤：

⑴如图1所示，采用瞬变电磁仪法对公路隧道目标体进行探测，获得相应的地质数据A。

其中：瞬变电磁仪法中横向扫描断面包括斜向上45°顶板方向、斜向上22.5°顶板方向、水平方向、斜向下22.5°底板方向和斜向下45°底板方向。

由于瞬变场的强度及延迟时间是与地下地质目标体的电性、规模及产状等参数有关的, 地质体的导电性越好, 瞬变场的强度就越大且热损耗就越小, 故衰减越慢, 延迟时间越长。因此，根据瞬变场的特征, 就可以判断地下地质体的电性和规模, 根据剖面测量结果可推断出其赋存位置、埋深及产状等。

瞬变电磁仪法可以探测地下水流向、金属硫化矿、断层破碎带、熔岩发育带、含水厚度、埋深等地质情况。但需注意：①合理设定延迟时间：CDP -32||的延迟时间由三个部分组成，即由发射延迟，天线延迟和滤波器延迟组成。在实际使用中，发射延迟和天线延迟只在TX项填一个总值就可以了，RX可以填成0。②合理选择发射电流：一般情况下电流越大越好，但不要星号饱和和超出仪器的最大观测值。有时，电流太大导致铁淦氧棒磁化导致二次场衰变。③TX < 20m × 20m 时，不宜使用有铁淦氧磁心的探头，最好改用空心线圈。

数据处理：通过瞬变电磁专业软件处理后，得到图2~4中的结果。图中不同的颜色代表不同阻值的相对变化，表示迎头前方一定深度上电性横向-纵向变化的情况，遵循从冷色调到暖色调表示阻值从低到高变化的趋势。直观反映岩性电阻率横向-纵向变化的情况。

⑵对目标体采用地质雷达进行测试，获得相应的地质数据B。

地质雷达可以对基岩深度、水位深度、软土层厚度与深度、断裂构造等地质工程进行探查，也可以对城市路面塌陷、岩溶塌陷、土洞、滑坡面等地质灾害调查，以及地下水污染带监测，地基加固效果评价，路面、机场跑道、洞室衬砌检测，堤坝隐患、地下泄露、地下管线及其他埋设物探测，考古探查等。

地质雷达适用条件：①探测目标体与周边介质之间应存在明显介电常数差异，电性稳定，电磁波发射信号明显；②目标体在探测深度或距离范围内，其尺寸应满足探测分辨率的要求；③测线上天线经过的表面应相对平缓，无障碍，且易于天线移动；④测区内不应存在大范围金属构件、无线电发射频源等较强的电磁波干扰，或通过处理无法消除的干扰；⑤不应存在极低阻屏蔽层；⑥单孔或跨孔检测时不得有金属套管。

⑶对目标体进行超前钻探及管道内窥镜，获得相应的地质数据C。

具体技术要求：超前钻探是一直通过钻机在隧道开挖工作面上进行钻探获取地质信息的方法。

一般地段采用冲击钻。冲击钻不能取芯，但可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地下水发育情况等。

复杂地质地段采用回转取芯钻。回转取芯钻岩芯鉴定准确可靠，地层变化里程可准确确定，一般只在特殊地层、特殊目的地段、需要精确判定的情况下使用。比如煤层取芯及试验、溶洞及断层破碎带物质成分的鉴定、岩土强度试验取芯等。

冲击钻和回转取芯钻，二者应合理搭配使用，以提高预报准确率和钻探速度，减少占用开挖工作面的时间。

钻探的目的：利用钻探过程记录及芯样分析，了解隧道工作面前方围岩地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞、有无涌水、泥，根据探测结果提出科学合理支护方案，使得后续工作安全可控。

超前地质钻探法适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，在富水软弱层地带、富水岩溶发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段采用。

⑷将地质数据A、地质数据B、地质数据C进行分析，即得目标体的真实地质情况。

实施例 以2021年1月14日位置在敦当高速阿尔金山隧道出口右线（桩号YK289+615）的施工为例对本发明方法进行阐述。

【瞬变电磁仪法施工准备】

通过瞬变电磁仪法勘探，对开挖隧道掌子面前方顶板、顺层、底板100米范围内的富水性情况进行探测，结合地质资料分析可能存在岩溶发育区、含水断层、含水裂隙构造等地质情况。

本次施工探测区间处于断层破碎带及影响带范围内，隧道围岩以糜棱岩、石英片岩、碳质板岩为主，强风化，原岩结构已破坏，呈粉状，岩质较软；节理裂隙发育，岩性软弱，强度低，围岩破碎，级别为V级，拱顶有滴水淋水现象。

根据掌子面工作条件，本次瞬变电磁仪法共计布置5条横向扫描断面。以掌子面现有掘进方向为基准，分别为斜向上45°顶板方向、分别为斜向上22.5°顶板方向、水平方向、斜向下22.5°底板方向、斜向下45°底板方向。测线布置示意图如图1所示。施工测线范围为横向-60°~60°，扫描断面覆盖夹角为120°。

数据处理：通过瞬变电磁专业软件处理后，得到图2~4中的结果。图中不同的颜色代表不同阻值的相对变化，表示迎头前方一定深度上电性横向-纵向变化的情况，遵循从冷色调到暖色调表示阻值从低到高变化的趋势。直观反映岩性电阻率横向-纵向变化的情况。

【地质雷达施工准备】

①测线测点施工规范：工程物探应根据任务要求、探测方法、目的物的规模与埋深等因素综合确定比例尺，测网布置应该与工作比例尺一致，测网密度应能保证异常的连续、完整和便于追踪。

②布置测线时，测线方向宜避开地形及其他干扰的影响，应垂直于或大角度相交于目的物或已知异常的走向，熔岩、采空区、防空洞等走向多变体的探测宜布设两组相互正交的测线。

③测线长度应保证异常的完整和具有足够的异常背景。

④探测范围内有已知时，测线应通过或靠近该已知点布设。

⑤点测时，测点布设位置、测量应满足资料推算的要求。

【波形特征】

在工程勘测中常见的不良地质有：断层破碎带、裂隙带、富水带、岩溶洞穴、岩性变化带等。以下分别采用来自不同工区的地质雷达波形对以上典型地质进行对应关系的分析：

【断层破碎带和裂隙带】

断层是一种破坏性的构造，其内通常发育有破碎性的岩体、泥或地下水等，介质不均匀，电性差异大且断层两侧岩体常有节理和褶皱发育，介质均一性差。而裂隙带通常存在于断层影响带、岩脉以及软弱夹层内，裂隙内也有各种不同的非均匀充填物，介电差异大。他们一般都有明显的反射界面，这就为地质雷达创造了良好的应用条件。在断层或裂隙带，其地质雷达图像和波形特征较为相似，通常表现为断层和裂隙界面反射强烈，反射面附近振幅显著增强且变化大；能量团分布不均匀，破碎带和裂隙带内常产生绕射、散射，波形杂乱，同相轴错断，在深部甚至模糊不清；电磁波能量衰减快且规律性差，特别是高频部分衰减较快，自动增益梯度较大；一般反射波同相轴的连线为破碎带或裂隙带的位置。其典型地质雷达特征图像如图5~6所示。对不同地区的工程勘查，结合钻探和其它物探资料证实，利用这种地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系进行解释是比较准确的。当前期地质、水文及钻探资料不健全时，借助于这种地质雷达图像判别经验和其它物探方法，也可以最大程度地减少多解性，提高解释的准确性。

【超前钻探准备工作】

采用***的钻探程序：

①测量布孔：施钻前按孔位设计图设计的位置用经纬仪准确测量放线，将开孔孔位用红油漆标注在开挖工作面上。

②设备就位：孔位布好后，设备就位，接通各动力电源和供风、供水管路。安装电路要由专业电工操作，确保安全，供风管路要连接紧密，无漏气现象。

③对正孔位，固定钻机：将钻具前端对准开挖工作面上的孔位，调整钻机方位，将钻机固定牢固。

④开孔、安装孔口管：孔口管必须安设牢固。

⑤成孔验收：施钻满足设计要求，经现场技术人员确认签收后方可停钻终孔。

控制钻进方向：

①钻机定位完毕后，对钻机进行机座加固，使钻机在钻进过程中位置不偏移，做到钻孔完毕钻机位置不变。在钻进过程中应定期检查机器的松动情况，及时调整固定。

②对钻具的导向装置尽可能加长，并且选用刚度较强的钻杆，从而提高钻具的刚度，减少钻具的下沉量，达到技术的要求。不得使用弯曲钻具。

③当岩层由软***时应采用慢速、轻压钻进一定深度后，改用硬岩层的钻进参数。钻进中应减少换径次数。

④本循环钻孔完毕后，根据测量结果总结出钻具的下沉量，下一循环钻探时通过调整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在设计要求的范围内，达到技术要求的精度。

⑤准确鉴定岩性及其分布位置。

施工时需注意：

①超前钻探钻进中应防止地下水突出，可采取安设孔口管和控制闸阀等措施，确保工作人员和机械设备的安全，同时应使地下水处于可控状态。

②在富水区实施超前地质预报钻孔作业，必须先安设孔口管，并将孔口管固定牢固，装上控制闸阀，进行耐压试验，达到设计承受的水压后，方可继续钻进。特别危险的地区，应有躲避场所并规定避灾路线。当地下水压力大于一定数值时，应在孔口管上焊接法兰盘，并用锚杆将法兰盘固定在岩壁上。

③富水区隧道超前地质钻探时，发现岩壁松软、片帮或钻孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等异状时，必须停止钻进，立即上报有关部门，并派人监测水情。当发现情况危急时，必须立即撤出所有受水威胁地区的人员，然后采取措施，进行处理。

④孔口管锚固可采用环氧树脂、锚固剂，亦可采用快凝高强度微膨胀的浆液锚固，锚固长度宜为1.5~2.0m，孔口管外端应露出工作面0.2~0.3m，用以安装高压球阀。

综上所述，位置在敦当高速阿尔金山隧道出口右线（桩号YK289+615）的真实地质情况是：

1、顶板22.5°到顺层再到底板22.5°方向上，正前方方位~偏右15°方位距离掌子面约10～40m范围内均发现低阻异常区域，该异常在纵向上有一定的连通性，且有一定富水性，地质推断可能为纵向破碎带，该异常离隧道掘进方向偏右方向距离较近，可能为隧道后续出水主要来源。

2、顶板45°方向掌子面前方偏左15°~正前方方位距离掌子面20～50m范围内发现有条带状低阻异常区域，地质推断可能为局部岩层破碎，有一定富水性，该异常在掌子面近距离上有低阻通道侵入到距离掌子面10m左右位置，且不排除与右侧纵向破碎带有一定的关联性。

3、底板45°方向掌子面正前方偏左30°方位距离掌子面10～40m范围内发现有明显低阻异常区域，地质推断可能为局部岩层破碎，有一定富水性，该异常在掌子面近距离上有低阻通道侵入到距离掌子面5m左右位置，且不排除与右侧纵向破碎带有一定的关联性。

4、本次预报结果分析，前方0～5m段整体相对完整，局部存在节理裂隙发育，富水性不强；5～50m段整体围岩破碎，该段右侧顶板至底板方向存在自上而下的纵向破碎带，富水性较强，其中20～30m区间段为重点富水区段；50～100m岩性整体趋向于相对完整。

Claims (2)

1.一种公路隧道综合超前预报方法，包括以下步骤：

⑴采用瞬变电磁仪法对公路隧道目标体进行探测，获得相应的地质数据A；

⑵对所述目标体采用地质雷达进行测试，获得相应的地质数据B；

⑶对所述目标体进行超前钻探及管道内窥镜，获得相应的地质数据C；

⑷将所述地质数据A、所述地质数据B、所述地质数据C进行分析，即得所述目标体的真实地质情况。

2.如权利要求1所述的一种公路隧道综合超前预报方法，其特征在于：所述步骤⑴中瞬变电磁仪法中横向扫描断面包括斜向上45°顶板方向、斜向上22.5°顶板方向、水平方向、斜向下22.5°底板方向和斜向下45°底板方向。

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