CN101251605B - 隧道施工超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道施工领域的一种超前地质预报方法，首先根据中短期预报确定探孔方案，钻孔后放入雷达天线，采集雷达信号，确定是否存在异常地质体，如果确定无，继续进行施工，如果确定有，再次钻孔，放入雷达天线进行信号采集，确定是否存在异常地质体，如果确定无，继续进行施工，如果确定有，再次钻孔，放入雷达天线进行信号采集。依据三次信号把异常地质体的空间位置描述出来，为下一步的处理提供了可操作性的地质资料。本发明方法探测范围广，对掌子面前方的空间异常地质现象预报准确，对减少塌方、快速施工提供了可靠的保证，适用于地下深部及隧道掌子面深部的高分辨率探测，在许多情况下是深部工程唯一可行和有效的探测手段。

Description

隧道施工超前地质预报方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域的一种超前地质预报方法。

背景技术

铁路、公路施工中常遇到埋深超过数百米，长度达数公里或数十公里的隧道，虽然在前期勘测设计过程中，都做过相应的地质勘察工作，对施工也有一定的指导意义，但由于岩体的复杂性，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的出入。隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方，冒顶，涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大，因而做好超前地质预报是隧道工程建设过程中十分重要的一项工作。超前预报采用的物探方法目前常有：TSP(系列)、陆地声纳、表面雷达、瞬变电磁、电法、红外线、声波CT等方法，这些方法常结合钻探法、工程地质分析等手段进行综合预报，并使用多种方法相互印证而得出预报成果。其运用范围越来越广泛、解释水平也越来越高，工艺越来越成熟，但既便如此，这些方法仍然无法解决地下深部及隧道掌子面深部的异常地质情况的空间位置的高分辨率探测和准确预报问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种隧道施工中地下深部及隧道掌子面深部的异常地质情况的超前地质预报方法。

本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的：

采用以上所述的发明方法，根据在中、短期预报成果，借助于合理布置的超前探孔的孔位，将雷达天线放入孔底，由雷达记录出测试信息，测试范围是以钻孔中心15m为半径范围内的地质信号，并将钻孔深度洞身范围内的信息全部投影到平面上。根据雷达图像并结合地质分析判断前方地质异常情况。探孔数量1～3个，具体孔数将依据测试信号首次分析预报成果，如果初步怀疑前方有异常地质情况存在，再作第二个超前探孔，如第二个探孔也怀疑存在不良地质情况，则再作第三个，最多三个探孔。探孔可设置一定外插角度，可依据三次信号把异常地质体的空间位置描述出来。本发明方法避免了超前探孔的一孔之见，结合钻孔雷达，能了解掌子面前方在钻孔深度范围，以钻孔15m为半径的空间地质构造；能准确预报掌子面前方的空间地质现象，给出地质异常体的具体位置，为施工制定可行的处理措施提供了可操作性的地质资料，减少了灾害性事故的发生几率，如突涌水(泥)，直接利用探孔再作钻孔雷达测试，除探孔施工占用较长时间外，钻孔雷达测试方便、用时比其它物探方法相对较少，对减少塌方、快速施工起着极为重要的作用，为施工安全和按时完成工期提供了可靠的保证。

附图说明

图1是本发明实施例工艺流程图。

图2探孔布置示意图。

图3本发明实施例的探孔1的测试信号。

图4本发明实施例的探孔2的测试信号。

图5是本发明实施例三次采集的信号成果综合分析预报成果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1所示为本发明的工艺流程图：

步骤1、先根据中期预报结果初步分析判断不良地质体的大致位置，然后根据中短期预报成果，判断出掌子面前方存在的地质异常信号；根据中、短期预报成果现场确定超前探孔方案，确定具体位置与探孔深度；

中期预报可采用TSP、陆地声纳方法，预报距离80～120m；短期预报可采用瞬变电磁、电法、表面雷达方法，距离在20～50m。本发明实施例采用表面雷达进行短期预报。掌子面表面雷达测试容易受到外界的干扰，经常会出现假异常，当在掌子表面雷达预报发现前方存在异常后，根据掌子面表面雷达的测试成果准备第一次(单孔)钻孔布孔方案。

步骤2、通过初步预报分析判断，合理布置超前钻孔的具体孔位，目的是防钻孔直接打在地质异常带上引起的高压突涌水、塌孔等影响测试。在掌子面的前方钻取水平超前探孔，探孔要选择在稍微远离容易出水的构造位置附近或在掌子面中间的适当位置，探孔高度位置可根据施工方便灵活选择，探孔深度不小于15m但也不宜超过50m，50m深钻孔孔径不小于64mm，30m深钻孔孔径不小于48mm；

钻超前探孔时，有可能会揭露出高压地下水，为确保施工安全，在超前探孔开孔时先埋孔口管，当有高压地水揭露时，可作到有效控制。

步骤3、将雷达天线绑在软杆上缓慢放入探测孔中，防止损坏天线，软杆可以采用通过丝扣接长的细长塑料杆。

步骤4、使用SIR-20雷达采集信号。探测参数选择如下：

报告天线：中心频率100MHz，时窗：取决与最大探测深度及地层电磁波速度，采样率：最少应达到记录的反射波中最高频率的2倍，测点点距(应遵循Nyquist定律)与发射、接收天线间距：最深目的体相对接收与发射天线的张角为临界角的2倍。

步骤5、将采集的信号进行处理和图像判释，根据探测信息，判断洞身15～50m深度范围内有无含水岩溶管道和裂隙的异常地质体；如果无，进入步骤6；

否则重复以上步骤2-5，在第一个探孔周围作第二个水平探孔，放入天线，孔内雷达信号采集与处理、判释；如果判断无异常不良地质存在，进入步骤6；否则，重复以上步骤2-5，围绕第一个探孔再作第三个水平探孔，放入天线，孔内雷达信号采集和处理、判释；如果判断无异常不良地质存在，进入步骤6；

在选择探孔时，3个探孔位置选择不能在同一直线上或靠得太近，在掌子面上相互要构成三角形，边长大于2m、最小角度不小于30°；同时探孔要选择在稍微远离出水构造位置的附近，探孔高度位置可根据施工方便灵活选择。

钻孔雷达天线是在360°全空间范围内发射电磁波，雷达测试的所有不良地质现象都投影到以通过钻孔为轴线的剖面上，能够判断出它离掌子面的大致位置，但不能判断出它在隧道的具体那个空间位置，即在左、在右、在上、在下均不能准确判断。因此，单孔钻孔雷达预报不能够精确地对异常的空间分布位置进行定位，只能得出地质异常体与钻孔的距离关系。如果要精确定位，必须采用三个钻孔对同一个异常进行探测。将第三个孔预报的资料结合前两次资料进行综合分析，可以准确地判断出掌子面前方在以钻孔深度范围内的洞身空间是否存在不良地质体以及准确的空间位置。

雷达在数据采集时的信号触发方式一般有三种，即测量轮触发、时间触发和键盘触发，根据信号触发方式的不同，天线的移动也不同，测量轮触发天线的移动可以时快时慢。时间触发天线的移动速度必须连续均匀；键盘触发天线的移动可以时快时慢。但在触发瞬间要求天线不能移动。在用钻孔雷达进行预报时，一般采用时间触发，天线的移动速度连续均匀。数据的采用一般分连测和点测，可以根据现场需要采取不同的采集方式，一般情况选择连测。

雷达采集的数据进行处理包括增强有效信息，抑制随机噪声，压制非目的体的杂乱回波，提高图像的信噪比和分辨率；

钻孔雷达层析成像数据处理过程如下：

(1)对原始数据做滤波处理，去除随机噪声；

(2)将扫描序列和钻孔资料录入微机，建立钻孔、射线以及振幅(走时)之间的内在联系；

(3)对射线进行计算机自动处理，求得射线走时和振幅，并以人机对话方式进行错误射线校正；

(4)选定层析成像参数，采用共轭梯度法迭代求解各像元的衰减系数或慢度；

(5)为避免像元边界处所得物性参数突变，采用样条插值法对各像元参数做圆滑处理；

(6)生成雷达层析图像；

(7)将慢度层析图像转化为速度层析图像。

图像判释主要依据地质雷达图像(包括单孔反射剖面和雷达层析图像)的正演结果和已知的地质、钻探资料，对获得的雷达资料进行合理的地质解释。

步骤6、根据分析成果，采取针对的处理措施，如果没有异常地质体，进行下一步施工，如果有但不影响施工安全或预测突涌水较小时，可继续下步开挖；当存在大的构造和突涌水构造时，实施超前灌浆或其它的有效处理方案。

如图2所示，为水平探孔布置示意图，第一个孔选在掌子面中心孔上，第二个孔选在第一个孔的一侧，距第一个孔有2米，距掌子面边距分别有1.5米和1.7米，第三个孔和前面2个孔在掌子面上相互构成三角形(梅花型布置)，距第一个孔垂线距离有2米，以上3个水平超前探孔位置选择不能靠得太近，不在同一直线上，边长均大于2m，最小角度不小于30°，确保在探测范围内仪器分辨率相同、管道定位准确。

如图3、4所示，为钻孔雷达的孔1、孔2反射雷达图像，可以清楚的看到富水裂隙。将第三个孔预报的资料结合前两个孔的资料进行综合分析，得出预报成果见图5，可以准确地判断出掌子面前方存在不良地质体以及准确的空间位置。

钻孔雷达单孔反射雷达图像上，溶洞和岩溶裂隙反应清晰，说明单孔雷达反射法用于研究碳酸岩的岩石特性效果显著，但在全方位天线的单孔反射雷达图像，点状反射体和面状反射体的空间方位不能确定。要确定这些反射体空间方位可通过3个或以上钻孔的单孔反射测量联合求得，也可通过单孔方向性天线测量求得。

采用本发明方法，钻孔雷达径向探测距离大，可以发挥钻孔的最大效益，雷达层析成像技术可以探明地下深部的岩层破碎程度、裂隙和岩溶发育程度，适用于地下深部的岩层特性研究。本发明方法探测范围广，对掌子面前方的空间异常地质现象预报准确，对减少塌方、快速施工提供了可靠的保证。适用于地下深部及隧道掌子面深部的高分辨率探测，在许多情况下是深部工程唯一可行和有效的探测手段。

Claims (4)

1.一种隧道施工超前地质预报方法，其特征在于：采用如下步骤：

步骤1、先根据中期预报结果初步分析判断不良地质体的大致位置，然后根据中、短期预报成果，较准确地判断出掌子面前方存在的地质异常信号；根据中、短期预报成果现场确定超前探孔的具体位置与探孔深度；

步骤2、在掌子面的前方水平钻取超前探孔，探孔要选择在稍微远离容易出水的构造位置附近或在掌子面中间适当位置，探孔高度位置可根据施工方便灵活选择，探孔深度不小于15m但也不超过50m，50m深钻孔孔径不小于64mm，30m深钻孔孔径不小于48mm；

步骤3、将雷达天线用软杆绑扎缓慢放入探测孔中，使用雷达采集信号，将采集的信号成果进行处理，然后进行图像判释；

步骤4、根据探测信息，得出洞身15～50m深度范围内有无含水岩溶管道和裂隙的预报成果；如果无异常不良地质存在，进行下一步施工；如果认为探孔周围有大的突涌水构造时，重复步骤2、3，即在第一个探孔周围作第二个水平探孔和孔内雷达信号采集和处理、判释；如果无异常不良地质存在，进行下一步施工；当认为存在不良地质现象，重复步骤2、3，即围绕第一个探孔再作第三个水平探孔以及孔内雷达信号采集和处理、判释；

综合分析所获得的雷达信号资料，判断掌子面前方在以钻孔中心15米半径范围内的洞身空间是否存在不良地质体以及不良地质体的准确空间位置；

3个水平探孔位置不能在同一直线上或靠得太近，在掌子面上相互要构成三角形，边长大于2m、最小角度不小于30°。

2.如权利要求1所述的隧道施工超前地质预报方法，其特征在于，步骤3、4所述的雷达信号采集和处理、判释采用如下方法：

雷达在信号采集时，天线移动方式和雷达数据采集时的信号触发方式相对应；

数据处理包括增强有效信息，抑制随机噪声，压制非目的体的杂乱回波，提高图像的信噪比和分辨率；钻孔雷达层析成像数据处理过程如下：

(1)对原始数据做滤波处理，去除随机噪声；

(2)将扫描序列和钻孔资料录入微机，建立钻孔、射线以及振幅即走时之间的内在联系；

(3)对射线进行计算机自动处理，求得射线走时和振幅，并以人机对话方式进行错误射线校正；

(4)选定层析成像参数，采用共轭梯度法迭代求解各像元的衰减系数或慢度；

(5)为避免像元边界处所得物性参数突变，还须采用样条插值法对各像元参数做圆滑处理；

(6)生成雷达层析图像；

(7)将慢度层析图像转化为速度层析图像；

图像判释主要依据地质雷达图像的正演结果和已知的地质、钻探资料，对获得的雷达资料进行合理的地质解释。

3.如权利要求1或2所述的隧道施工超前地质预报方法，其特征在于，所述步骤2超前探孔开孔时先埋孔口管。

4.如权利要求1或2所述的隧道施工超前地质预报方法，其特征在于，所述步骤1中期预报可采用TSP、陆地声纳方法，预报距离80～120m；短期预报可采用瞬变电磁、电法、表面雷达方法，预报距离在20～50m。

Images