CN103399358A - 隧道地质的预报方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道地质的预报方法和系统。其中，该方法包括：对隧道的地质进行地震波反射法勘测；根据上述地震波反射法勘测的结果确定可疑地质段；对确定的可疑地质段进行短距离法勘测；根据上述短距离法勘测的结果确定不良地质段；对该不良地质段进行超前钻探法勘测，得到该不良地质段的地质分析数据；根据上述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。根据本发明，解决了单一方式的隧道地质勘测方法无法准确预报隧道的地质情况，导致隧道施工存在安全隐患的问题，提升了预报的实用性。

Description

隧道地质的预报方法和系统

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体而言，涉及一种隧道地质的预报方法和系统。

背景技术

隧道施工方法中，超前地质预报是在隧道设计的基础上，为保证隧道施工安全、指导隧道工程施工、提高隧道工程施工质量而开展的隧道不良地质和施工地质灾害超前预报工作。同时，针对不同的地理环境，隧道施工所用的超前地质预报的方法也不同。例如，在存在暗河的地区，当需要下穿暗河进行隧道施工时，须进行超前地质预报，以探测掌子面前方可能发生涌突水的情况，从而能够指导隧道施工正确决策，避免施工地质灾害的发生。

但是，相关技术中，隧道地质情况的勘测方式比较单一，无法准确预报隧道的地质情况，导致隧道施工存在安全隐患；针对该安全隐患的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道地质的预报方法和系统，用以解决上述问题。

根据本发明的一方面，提供了一种隧道地质的预报方法，包括：对隧道的地质进行地震波反射法勘测；根据上述地震波反射法勘测的结果确定可疑地质段；对确定的可疑地质段进行短距离法勘测；根据上述短距离法勘测的结果确定不良地质段；对该不良地质段进行超前钻探法勘测，得到该不良地质段的地质分析数据；根据上述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。

优选地，上述将地震波反射法勘测的结果中的以下位置确定为可疑地质段：可造成坍塌50m³以上的断层破碎带所在位置；可造成涌水速度为50m³/h以上的富水位置；突泥突水的不良地质体所在位置。

优选地，上述对确定的可疑地质段进行短距离法勘测包括：对确定的可疑地质段进行地质素描法和/或地质雷达法勘测。

优选地，上述对不良地质段进行超前钻探法勘测，得到不良地质段的地质分析数据包括：对不良地质段进行钻孔，得到测试数据；根据测试数据确定不良地质段的地质分析数据，其中，地质分析数据至少包括以下之一：岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性数据、岩体完整程度、地下涌水量与涌水水压数据和瓦斯浓度与压力数据。

优选地，上述根据不良地质段的地质分析数据进行地质预报包括：当不良地质段的地质分析数据确定至少存在以下情况之一时，进行地质灾害临近预报：不良地质段存在涌突水；不良地质段存在塌方；不良地质段存在突泥突水；不良地质段存在岩爆；不良地质段存在瓦斯突出。

根据本发明的另一方面，提供了一种隧道地质的预报系统，包括：隧道地震勘测设备，用于对隧道的地质进行地震波反射法勘测；短距离勘测设备，用于根据隧道地震勘测设备的勘测结果确定可疑地质段，并对确定的可疑地质段进行短距离法勘测；超前钻探勘测设备，用于根据短距离勘测设备的勘测结果确定不良地质段；对不良地质段进行超前钻探法勘测，得到不良地质段的地质分析数据；地质预报设备，用于根据超前钻探勘测设备得到的上述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。

优选地，上述短距离勘测设备包括：探地雷达设备。

优选地，上述地质预报设备包括：灾害预报判断模块，用于判断不良地质段的地质分析数据是否至少存在以下情况之一：不良地质段存在涌突水；不良地质段存在塌方；不良地质段存在突泥突水；不良地质段存在岩爆；不良地质段存在瓦斯突出；灾害预报模块，用于当灾害预报判断模块的判断结果为是时，进行地质灾害临近预报。

本发明逐步采用地震波反射法、短距离法勘测和超前钻探法进行勘测，得到不良地质段的地质分析数据，该数据因综合了上述多种勘测方法，因此可靠性比较强，基于该数据进行的地质预报比较准确，进而解决了单一方式的隧道地质勘测方法无法准确预报隧道的地质情况，导致隧道施工存在安全隐患的问题，提升了预报的实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的隧道地质的预报方法流程图；

图2是本发明实施例提供的隧道地质的预报系统结构框图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了优化隧道地质的勘测技术，得到更为准确的勘测结果，进而为隧道施工提供可靠的数据，提升隧道施工的安全性，本发明实施例提供了一种隧道地质的预报方法和系统。

如图1所示的隧道地质的预报方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S102，对隧道的地质进行地震波反射法勘测；

步骤S104，根据上述地震波反射法勘测的结果确定可疑地质段；

步骤S106，对确定的可疑地质段进行短距离法勘测；

步骤S108，根据上述短距离法勘测的结果确定不良地质段；

步骤S110，对上述不良地质段进行超前钻探法勘测，得到该不良地质段的地质分析数据；

步骤S112，根据上述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。

本发明实施例的上述方法逐步采用地震波反射法、短距离法勘测和超前钻探法进行勘测，得到不良地质段的地质分析数据，该数据因综合了上述多种勘测方法，因此可靠性比较强，基于该数据进行的地质预报比较准确，进而解决了单一方式的隧道地质勘测方法无法准确预报隧道的地质情况，导致隧道施工存在安全隐患的问题，提升了预报的实用性。

为了增强后续勘测过程的有效性，有针对性地确定需要继续勘测的路段，上述步骤S104可以包括：将地震波反射法勘测的结果中的以下位置确定为可疑地质段：可造成坍塌50m³以上的断层破碎带所在位置；可造成涌水速度为50m³/h以上的富水位置；突泥突水的不良地质体所在位置。

本发明实施例中，对确定的可疑地质段进行短距离法勘测可以包括：对确定的可疑地质段进行地质素描法和/或地质雷达法勘测。

上述对不良地质段进行超前钻探法勘测，得到不良地质段的地质分析数据可以包括：1）对不良地质段进行钻孔，得到测试数据；2）根据测试数据确定不良地质段的地质分析数据，其中，该地质分析数据至少包括以下之一：岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性数据、岩体完整程度、地下涌水量与涌水水压数据和瓦斯浓度与压力数据。

考虑到施工的安全性问题，本发明实施例中，根据不良地质段的地质分析数据进行地质预报可以包括：当不良地质段的地质分析数据确定至少存在以下情况之一时，进行地质灾害临近预报：

1）不良地质段存在涌突水；

2）不良地质段存在塌方；

3）不良地质段存在突泥突水；

4）不良地质段存在岩爆；

5）不良地质段存在瓦斯突出。

由此可见，本发明上述实施例中的地质预报方法，以超前钻探法为主，中间结合多种物探手段进行综合超前地质预报，形成宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报的方法。

具体实现上述方法时，可以采用物探法（TSP203+红外探测+地质雷达）+超前钻探法（超前钻探孔5孔+加深炮孔）相结合的方式进行。例如：采用地震波法反射法对掌子面前方100-150m范围内的不良地质进行预报；在地震波反射法勘探的基础上采用超前探测孔验证，对掌子面前方30m左右范围内的地质情况做更准确的预报，每个断面布设5个探孔（其中一个孔取岩芯），前后相邻探测孔之间的搭接长度为5m。对多项预测预报手段所得的资料进行综合分析与评判，相互印证，并根据掌子面揭示的地质条件、发展规律、趋势及前兆进行预测判断，根据超前地质预测预报结果，相应优化调整措施，以确保施工安全和结构安全。

考虑到隧道下穿暗河地质的复杂性，下面以暗河隧道为例，说明实现上述地质预报的具体过程：

第一步：确定钻孔位置，采用地震波反射法进行长距离探测，以预报施工会遇到的多水或富水不良地质体的位置和规模，预报隧道区段的围岩级别，探明岩层接触面积带和规模较大的岩溶形态，预报岩体的完整性及岩溶和地下水的发育情况，预报发生涌突水的可能性；长距离探测的距离为掌子面前方100-150m；

该步骤可得到的结果包括：准确地预报一般隧道施工遇到的断层破碎带等造成坍塌或塌方的不良地质体的位置和规模；一般不能遗漏可造成坍塌50m³以上的不良地质体；较准确地预报一般隧道施工遇到的断层裂隙水、岩溶隧道遇到的溶洞、暗河、岩溶淤泥带和瓦斯隧道可能遇到的老窑、老崆或其他多水或富水不良地质体的位置和规模；一般不能遗漏可造成大涌水（50m³/h以上），甚至突泥突水的不良地质体；较准确地预报区段的围岩级别（误差小于半级）；并能定性地预报区段主要不良地质发生塌方、突泥突水等施工地质灾害的可能性。

此外，该步骤中的地震波反射法可采用隧道地震探测仪（TunnelSeismic Prediction，TSP）探测；并且确定钻孔位置的方法为：在最先见到最主要不良地质的一侧隧道边墙布设炮眼钻孔；在距最后一个炮眼15-20m处布设传感器套管钻孔，并且传感器套管钻孔沿隧道两壁对称布置。

其中，TSP探测过程中，钻孔位置的确定直接影响探测结果的准确度。采用上述优选的钻孔位置的确定方法，可以提高结果预判的准确度。

第二步：采用地质雷达进行短距离探测，以查明岩溶的位置、规模和形态；预报涌突水的位置；短距离探测掌子面前方15-30m；

其中，地质雷达进行短距离探测的方法可采用探地雷达探测仪进行探测，并且探地雷达探测仪的天线与开挖面之间的距离＞1/2波长。探地雷达技术成熟，探测比较稳定。并且在探测过程中，天线耦合问题也是影响预报效果的一个关键因素，当探地雷达探测仪的天线与开挖面之间的距离＞1/2波长时，探测仪天线耦合程度高，进而提高了预报的准确度。

此外，探地雷达探测仪还具有以下性能：有效预报距离一般为掌子面前方20m，经验丰富者可达掌子面前方30-40m；在TSP长期超前地质预报成果的基础上，能较准确预报隧道隧洞不良地质体的性质：对于断层破碎带的判断，一般可达80%；经验丰富者可达90%以上；对于溶洞、暗河、岩溶淤泥带、老窑和老崆等洞穴式不良地质体判断一般可达80%；经验丰富者，可达90%以上；预报不良地质体位置的精度一般为80%，经验丰富者可达95%以上；预报不良地质体规模的精度一般为70%，经验丰富者可达90%以上。

第三步：采用超前钻探法近距离探测，同时结合第一、二步的探测结果，确定涌突水位置；近距离探测掌子面前方20-30m；

采用超前钻探法是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法，是对其他探测手段成果的验证和补充。在具体在钻探过程中，为提高结果预判的准确度，可以采用以下优选的钻孔方式：

若第一步或第二步的检测结果为掌子面前方存在断层破碎带时，则布置3个钻探孔，进行探测。

若第一步或第二步的检测结果为掌子面前方可能存在突水区段时，则布置5个钻探孔。

并且上述两种钻孔情况中，钻探孔的孔深为3m以上。

此外，在第一步的分析结果的基础上，采用地质素描法预报掌子面前方将要出现的岩层，求得不良地质体在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置；并在第四步中采用超前钻探法近距离探测验证地质素描法的分析结果。增加该过程，可以为结果的确定增加一个参考，从而提高结果预判的准确性。

第四步：根据超前钻探法的探测结果以及掌子面炮眼涌突水情况，对洞内涌突水展开监测，同时计算涌水量与涌水水压。

通过该步骤已经确定了涌水量与涌水水压。因而施工时，可根据该情况，进行后期预防措施，例如：根据本步计算的涌水量与涌水水压，对隧道内可能发生大规模（高压）涌（突）水、突泥的可岩溶地段进行超前预注浆。

具体的超前预注浆的方法可采用以下方式：在距离预报突水位置5-10m处打注浆孔，并且注浆孔自掌子面沿开挖方向以隧道中心线为中心呈伞状布置。采用该方式可以产生较大的注浆压力，从而更有效地防止灾害性的涌水情况。为了提高该效果的程度，更为优选地，可打8环注浆孔，且每环注浆孔间距为60cm。

如上文所述，上述方法中采用地震波反射法预报施工会遇到的多水或富水不良地质体的位置和规模，预报隧道区段的围岩级别，探明岩层接触面积带和规模较大的岩溶形态，预报岩体的完整性及岩溶和地下水的发育情况，预报发生涌突水的可能性。其中，第一步可探测的距离为掌子面前方100-150m。在此长距离探测的基础上，第二步采用地质雷达进行短距离探测，以查明岩溶的位置、规模和形态；预报涌突水的位置，完成掌子面前方15-30m的探测。接着第三步上述探测的基础上进一步确定涌突水位置。最后，第四步对出现的涌突水进行检测，计算涌水量与涌水水压，以备后期施工参考。

由此可知，上述方法采取由远至近、由预报到确定、由定性到定量的方式，实现了准确探测掌子面前方涌突水涌水量与涌水水压的目的。

基于上述预报，后续可以采取合适方法对隧道进行开挖支护施工。主要施工工艺可以包括：注浆堵水效果检验→超前支护施工→台阶法开挖→工字钢支护→喷射混凝土→下台阶落底→工字钢支护→锚喷混凝土→仰拱封闭成环→下一个循环。

对应于上述方法，本发明实施例还提供了一种隧道地质的预报系统，参见图2，该系统包括：

隧道地震勘测设备22，用于对隧道的地质进行地震波反射法勘测；

短距离勘测设备24，用于根据隧道地震勘测设备22的勘测结果确定可疑地质段，并对确定的可疑地质段进行短距离法勘测；

超前钻探勘测设备26，用于根据短距离勘测设备24的勘测结果确定不良地质段；对不良地质段进行超前钻探法勘测，得到不良地质段的地质分析数据；

地质预报设备28，用于根据超前钻探勘测设备26得到的上述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。

本发明实施例的上述系统逐步采用地震波反射法、短距离法勘测和超前钻探法进行勘测，得到不良地质段的地质分析数据，该数据因综合了上述多种勘测方法，因此可靠性比较强，基于该数据进行的地质预报比较准确，进而解决了单一方式的隧道地质勘测方法无法准确预报隧道的地质情况，导致隧道施工存在安全隐患的问题，提升了预报的实用性。

优选地，上述短距离勘测设备24包括：探地雷达设备。该探地雷达是一种有源电磁波装备，其基本原理是向地下发送高频电磁波（10MHz～1000MHz），然后接收从地下介质中反射回来的电磁波回波信号，通过对回波信号的分析、研究来识别地下目标及其特性。因此，探地雷达主要研究超高频电磁波在地下介质中的传播规律。由于雷达采用的是高频电磁波，因此其具有更高的探测分辨率，同时也带来更高的吸收和衰减作用，造成探测深度不大，一般在200MHz天线作用下，围岩电阻率在几百欧姆·米时，有效超前探测深度在30米以内。

具体地，上述地质预报设备28包括：灾害预报判断模块，用于判断不良地质段的地质分析数据是否至少存在以下情况之一：1）不良地质段存在涌突水；2）不良地质段存在塌方；3）不良地质段存在突泥突水；4）不良地质段存在岩爆；5）不良地质段存在瓦斯突出；灾害预报模块，用于当灾害预报判断模块的判断结果为是时，进行地质灾害临近预报。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隧道地质的预报方法，其特征在于，包括：

对隧道的地质进行地震波反射法勘测；

根据所述地震波反射法勘测的结果确定可疑地质段；

对确定的所述可疑地质段进行短距离法勘测；

根据所述短距离法勘测的结果确定不良地质段；

对所述不良地质段进行超前钻探法勘测，得到所述不良地质段的地质分析数据；

根据所述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述地震波反射法勘测的结果中的以下位置确定为所述可疑地质段：

可造成坍塌50m³以上的断层破碎带所在位置；

可造成涌水速度为50m³/h以上的富水位置；

突泥突水的不良地质体所在位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对确定的所述可疑地质段进行短距离法勘测包括：

对确定的所述可疑地质段进行地质素描法和/或地质雷达法勘测。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述不良地质段进行超前钻探法勘测，得到所述不良地质段的地质分析数据包括：

对所述不良地质段进行钻孔，得到测试数据；

根据所述测试数据确定所述不良地质段的地质分析数据，其中，所述地质分析数据至少包括以下之一：岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性数据、岩体完整程度、地下涌水量与涌水水压数据和瓦斯浓度与压力数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述不良地质段的地质分析数据进行地质预报包括：

当所述不良地质段的地质分析数据确定至少存在以下情况之一时，进行地质灾害临近预报：

所述不良地质段存在涌突水；

所述不良地质段存在塌方；

所述不良地质段存在突泥突水；

所述不良地质段存在岩爆；

所述不良地质段存在瓦斯突出。

6.一种隧道地质的预报系统，其特征在于，包括：

隧道地震勘测设备，用于对所述隧道的地质进行地震波反射法勘测；

短距离勘测设备，用于根据所述隧道地震勘测设备的勘测结果确定可疑地质段，并对确定的所述可疑地质段进行短距离法勘测；

超前钻探勘测设备，用于根据所述短距离勘测设备的勘测结果确定不良地质段；对所述不良地质段进行超前钻探法勘测，得到所述不良地质段的地质分析数据；

地质预报设备，用于根据所述超前钻探勘测设备得到的上述不良地质段的地质分析数据进行地质预报。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述短距离勘测设备包括：探地雷达设备。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述地质预报设备包括：

灾害预报判断模块，用于判断所述不良地质段的地质分析数据是否至少存在以下情况之一：所述不良地质段存在涌突水；所述不良地质段存在塌方；所述不良地质段存在突泥突水；所述不良地质段存在岩爆；所述不良地质段存在瓦斯突出；

灾害预报模块，用于当所述灾害预报判断模块的判断结果为是时，进行地质灾害临近预报。

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