CN104977603A - 一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，在隧道掌子面及其四周2米深的未开挖围岩范围内布置地震波接收点，在其后已开挖段的范围内一定距离的隧道轴线或与其平行的底板上依次布置地震波激发点，每个激发点位置布置垫板；在地震波接收点钻孔后，孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波采集仪器相连，利用本发明可在衬砌无破坏的前提下，利用稳定可控安全的机械能量来激发地震波，并通过合理布置激发点和接收点位置使地震反射波在“第一时间”到达接收孔，而实现隧道地质超前预报。

Description

一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法

技术领域

 本发明涉及隧道地质超前预报技术领域，具体是指一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法。利用本方法可在衬砌无破坏的前提下，利用稳定可控安全的机械能量来激发地震波，并通过合理布置激发点和接收点位置使地震反射波在第一时间到达接收孔，从而减少杂波干扰，提高预报准确性，最终达到隧道地质超前预报的无损效果。

背景技术

 随着基础设施投资建设的不断加强，我国将于几十年内在铁路公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程以及其他领域修建大量的隧道(洞)工程。据预测，2008～2020 年，仅铁路领域新建隧道将达到 10000 km，我国已成为世界上隧道修建规模和难度最大的国家（参见李术才, 刘斌, 孙怀凤等. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(6):1090-1113.）。随着隧道数量的大幅度增多，长度的明显增加，规模的不断扩大，隧道安全事故有增无减，突泥涌水、坍塌、冒顶等隧道地质病害给国家及施工单位造成了巨大的经济损失。因此，如何探明隧道掌子在前方的地质状况，有效避免隧道地质病害，是隧道工程一项重要任务和需要解决的技术难题。在隧道工程的勘察设计阶段，已经投入大量的地质勘察工作，但是由于工程地质条件的复杂性以及时间、经费等条件的限制，勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段的精度要求。现行行业要求规定（如铁建设[2008]105号，铁路隧道超前地质预报技术指南[S].中华人民共和国行业标准），任何隧道掘进前都必须进行隧道地质超前预报，其重要性显而易见。因此，在隧道施工中进行隧道地质超前预报是必需的，是隧道施工不可缺的重要工序，是隧道等洞室工程安全施工的指导书。隧道地质超前预报是利用钻探、地质调查、物理探测等手段探明正在开挖的隧道掌子面前方一定范围内的围岩地质状况。目的是探明隧道掌子面前方存在的地质构造破碎带、软弱带、节理裂隙发育带、岩溶发育带、不同岩性接触带等地质病害的规模、位置及状态。根据探测的结果，为隧道掘进及支护提前选择正确的开挖支护方案提供依据，以指导施工，节约成本，杜绝事故的发生（参见叶英. 隧道施工超前地质预报[M]. 北京：人民交通出版社, 2011）。

当前，物理探测技术因其探测成本低、时间短、灵活方便、占用空间资源少等特点，是隧道地质超前预报主要采用的检测技术。地质超前预报的物探技术主要有地震波、高密度电、电磁波等多种技术。在众多隧道超前预报方法中，地震波法隧道超前探测技术精度高，探测距离远，技术方法也相对比较成熟（参见杜立志. 隧道施工地质地震波法超前探测技术研究[D]. 吉林大学博士学位论文, 2008）。地震波隧道地质超前预报法（TSP）是利用地震波的体波、反射波等进行隧道地质超前预报的，其工作原理是：在隧道左边墙或右边墙上以排列方式用等量炸药激发地震波，地震波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的。常规TSP技术的应用仅有十余年的历史，是一个正在发展的技术，对技术的研究还不够深入，现场检测与理论研究上还存在一定差距。随着该技术的应用，其自身的不足已经凸显，如：成本高、破坏衬砌、工序繁锁、使用炸药不安全、占用的时间长、占用空间资源大、影响施工、“抗测”行为严重、数据存在干扰等问题，这些都是迫切需要深入研究和创新的。

发明内容

针对上述问题，为在隧道地质超前预报中实现既能节约成本又能提高安全系数、简化操作规程、保护衬砌质量、最大程度提高预报结果的准确性。本发明的目的旨在提供一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，在隧道掌子面6及其四周2米深的未开挖围岩1范围内布置地震波接收点4，在其后已开挖段3的范围内一定距离的隧道底板轴线或与其平行的隧道底板上依次布置地震波激发点5，每个激发点位置布置垫板；在地震波接收点4钻孔后，孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波采集仪器相连，在机械激发装置上安装触发装置，并用信号传输线将触发装置与采集仪器相连。

上述激发点数目为12~24个，激发点之间距离为0.2-1.5m；

上述激发点垫板尺寸为15cm×15cm×2cm；

上述激发装置为金属锤，激发锤重量为18磅；

上述掌子面及其四周接收点距最近激发点的距离为5-10m，接收点数目为2-4个，接收孔深度2m；

本发明与以往技术的主要区别在于：

（1）改变常规TSP技术中激发点与接收点排列位置，即接收点布置在激发点前方的掌子面及其四周，这样使反射波旅行时间缩短，使反射波在第一时间到达检测波器，避免杂波的干扰，保证数据的真实可靠。（反射波“第一时间进入检波器”是指从掌子面前方未开挖围岩中传来的反射波在进入第二种介质前被接收的时间点）；

（2）彻底改变常规TSP检测技术在隧道左壁或右壁初衬及二衬上布置激发点及接收点的破坏性布孔方式，使激发点及接收点的布置方便快捷，不钻孔、不破坏衬砌及防水层，使检测所需的时间、人力、物力、场地资源大幅节约，且不影响施工。

（3）用机械方式替代炸药进行地震波的激发。消除使用炸药时的安全隐患；解决在破碎易坍塌段不能使用炸药检测的问题；解决用炸药采集数据差异性大、不稳定、声波干扰等问题；降低检测成本，大幅缩短检测时间，简化检测过程。

本发明的主要优点和产生的有益效果是：

（1）本发明不在衬砌上打孔，不破坏衬砌和防水板，不影响隧道施工质量；

（2）本发明将测线布置在上导，尽量缩短测线，避免台阶干扰和占用空间；

（3）本发明不使用炸药，利用机械能量来激发地震波，有效压制声波或使声波微弱，不干扰反射数据；

（4）本发明通过调整激发点和接收点位置使地震反射波“第一时间进入接收器”，缩短反射波的旅行时间，避免杂波干扰，确保地震波反射波的有效性、真实性；

（5）本发明占用的人力、物力、空间资源低，不影响施工；

（6）本发明还具有工作原理明确、检测流程简单快捷、易于操作等优点。

附图及附表说明

图1是本发明测点布置平面示意图；

图2是是利用本发明对甘肃省定西黄土隧道超前地质预报采集的原始波形图；其中：a）为左侧探头P、SH、SV波形图，（b）为右侧探头P、SH、SV波形图

图3是利用本发明对甘肃省定西黄土隧道超前地质预报综合偏移处理成果图。其中：a）为左侧偏移处理成果图，（b）为右侧偏移处理成果图。

具体实施方式

在实施本发明过程中，使用地震波激发系统，地震波接收系统，数据分析系统。

所述地震波激发系统，包括机械激发装置、触发装置、信号传输线、垫板；

所述地震波接收系统，包括检波器、信号传输线和地震波采集仪器；

所述数据分析系统，主要为计算机。

下面结合附图，对本发明技术方案再做进一步的说明：

如图1所示，一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，在隧道掌子面6及其四周2米深的未开挖围岩1范围内布置地震波接收点4，在其后已开挖段3的范围内一定距离的隧道轴线或与其平行的底板上依次布置地震波激发点5，每个激发点位置布置垫板；在地震波接收点4钻孔后，孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波采集仪器相连，在机械激发装置上安装触发装置，并用信号传输线将触发装置与采集仪器相连。

本发明具体实施方法为：在隧道掌子面6及其四周2米深的未开挖围岩1范围内布置2-4地震波接收点4，接收孔深度2m；在其后已开挖段3范围内的一定距离的隧道底板轴线或与其平行的隧道底板上依次布置12~24个地震波激发点5，激发点之间距离为0.2-1.5m。在地震波接收点4处钻孔后，在孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波采集仪器相连。在机械激发装置金属锤上安装触发设备，并用信号传输线将触发装置与采集仪器相连。在激发时，在每个激发点位置布置垫板，在垫板上用机械激发装置金属锤进行冲击产生地震波。在激发的同时，金属锤第一时间给采集仪器传输采集信号。由于地震波在传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象。地震波激发后，这种反射波和激发后的直达波都会被布置在隧道围岩内的检波器实时接收与存储；对接收和存储的地震波采集仪器（直达波和反射波）用计算机数据分析系统进行分析处理即可获取掌子面前方未开挖围岩1的信息，从而实现在隧道开挖过程中不良地质体2的超前预报。

具体操作步骤为：

（1）在隧道已开挖段初支混凝土施工完毕后携带运行正常的设备进入隧道，并进行操作前的准备工作

（2）在隧道掌子面6及其四周2米深的未开挖围岩范围内选择地震波接收点4的位置，根据隧道现场实际施工状况选好位置。正常情况下，为了操作方便，在掌子面6及其四周对称选取2个接收点4，或在掌子面中垂线左右两侧，或在掌子面6四周左右两侧，接收孔距隧道底板高度1米，孔深2米；

（3）根据检波器直径尺寸，选取钻头，钻成2m深的孔，在孔内放置适量的耦合剂，将检波器依次装入到孔底，封闭孔口；

（4）在隧道已开挖范围内，距掌子面及其四周接收点5-10m的水平距离处，在隧道中轴线或与其平行的底板上开始依次选取12-24个地震波激发点5，相邻激发点之间的距离在0.2-1.5m内选取，应选取固定的数值；激发点应布置在隧道上导内，且应尽量缩短测线；

（5）将接收点处的检波器通过信号传输线与地震波采集仪器连接，开启地震波采集仪器，根据地震波采集仪器设备显示确定检波器信号传输正常；

（6）在机械激发装置上安装金属锤，并用信号传输线将触发装置与采集仪器相连，根据采集仪器设备显示确定触发设备信号传输正常；

（7）在激发过的过程中，要停止一切能产生振动的施工活动，确保激发时无其它震源。正常情况下，所有激发点从开始激发至激发完成需要5分钟时间。5分钟后恢复任何施工活动；

（8）在激发点位置放置好垫板，从距接收点最近的激发点开始，依次用金属锤对每个激发点5进行冲击来激发地震波；每激发一点，地震波采集仪器手动或自动储存一次；但某一激发点数据采集不合格时，可重复采集，直至合格为止；

（9）所有激发点的激发工作完成后，关闭采集仪器设备，所有设备装箱，安全撤出隧道；

（10）对采集到数据在电子计算机上进行分析处理，出具预报结果。

测试实例

利用本发明，选取具有典型弱性围岩特征的甘肃省定西黄土隧道进行隧道地质超前预报现场试验研究。定西隧道主要穿越第三系泥岩，属于典型的弱性围岩隧道，能够代表甘肃境内黄土地区所有隧道岩性的特征。定西隧道位于干旱少雨的黄土梁峁地带，隧址区地下水类型属于孔隙裂隙水，地表沟谷平时干涸，暴雨来临，洪水在山沟容易形成小的山洪。地表覆盖着第四系上更新统风积新黄土，受历年的剥蚀风化，厚薄不均，中部为上第三系全风化泥岩，分布较为普遍，下部为上第三系强风泥岩，埋藏较深。

如图2所示，隧道左右侧壁为7，隧道掌子面为6，预报检测时掌子面里程为SK325+713；掌子面接收孔的里程为SK325+712；激发点布置在隧道中轴线，激发点的起止里程为SK325+681～SK325+704，激发孔的间距为1.0m，共布置24个激发点。接收孔距离掌子面的距离为0米；接收孔距离最近的激发点8米。

利用本发明对甘肃省定西隧道超前地质预报结论

中轴线SK325+681～SK325+712段布置预报的激发与接收，通过对记录的分析计算，此段岩体的弹性参数如表1所示。

表1是利用本发明对甘肃省定西黄土隧道超前地质预报检测段岩体参数表

从表1可以看出检测段的纵波和横波速度很低，具有极软岩特征。结合图2和图3，经过综合分析,掌子面前方围岩地质超前预报分段如下：

1、SK325+713～SK325+742（29米）

工程地质特征：围岩状况相比掌子面较破碎。

主要不良地质：节理裂隙及弱结构面发育，易坍塌，局部极易坍塌。

围岩总体评价：围岩较破碎，局部破碎，一致性较差，左壁显于右壁，总体相比掌子面较差。

2、SK325+742～SK325+774（32米）

工程地质特征：岩体相比掌子面破碎。

主要不良地质：节理裂隙及弱结构面发育，软硬相间，岩体破碎，极易掉块、坍塌。

围岩总体评价：围岩左壁SK325+748-SK325+774和右壁的SK325+742-SK325+768段基本处于破裂带上。此段围岩岩体破碎，一致性差，左壁明显显于右壁，总体相比掌子面差。

3、SK325+774～SK325+802（28米）

工程地质特征：岩体相比掌子面破碎。

主要不良地质：节理裂隙及弱结构面发育，软硬相间，岩体破碎，极易掉块、坍塌。

围岩总体评价：围岩左壁SK325+748-SK325+774和右壁的SK325+742-SK325+768段基本处于破裂带上。此段围岩岩体破碎，一致性差，左壁明显显于右壁，总体相比掌子面差。

4、建议

建议在施工时短开挖、弱爆破、强支护，防止坍塌、冒顶。

Claims (5)

1.一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，在隧道掌子面6及其四周2米深的未开挖围岩1范围内布置地震波接收点4，在其后已开挖段3的范围内一定距离的隧道轴线或与其平行的底板上依次布置地震波激发点5，每个激发点位置布置垫板；在地震波接收点4钻孔后，孔底内布置检波器，检波器通过信号传输线与地震波采集仪器相连，在机械激发装置上安装触发装置，并用信号传输线将触发装置与采集仪器相连。

2.根据权利要求1 所述一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，所述激发点数目为12~24个，激发点之间距离为0.2-1.5m。

3.根据权利要求1 所述一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，其特征在于，所述激发点垫板尺寸为15cm×15cm×2cm。

4.根据权利要求1 所述一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，其特征在于，所述机械激发装置为金属锤，或橡皮锤，重量为18磅。

5.根据权利要求1 所述一种基于机械能无损检测隧道地质超前预报方法，其特征在于，其特征在于，所述掌子面及其四周接收点距最近激发点的距离为5-10m，接收点数目为2-4个，接收孔深度2m。