Y 1044Y75 密级:公丌 隧道不良地质超前预报 及地质灾害防治 The bad geology of tunnel to be predicted ahead and the geology calamity to be provided prevention and cure (申请石家庄铁道学院授予工学硕士学位论文) 培养单位: 土木工程分院 专 研 业: 桥梁与隧道工程 究 生: 付 国 永 指导教师: 刘志刚教授 二o o六年十二月 摘要 摘 要 隧道工程是人类文明发展的产物,随着人类社会的进步而不断发展。在我 国,随着改革开放的深入和经济的发展,隧道建设必将提到议事日程上来。但 是由于隧道工程都处于复杂的水文地质、工程地质岩体中,设计单位和施工单 位对地质工作的重视程度不够,同时隧道超前地质预报工作还十分薄弱,导致 隧道施工中的地质灾害频繁发生。 基于上述情况,隧道工程建设的前提是要摸清前方的水文地质和工程地质 情况,并针对影响隧道施工的不良地质制定安全可靠、经济合理、技术可行的 防治方案,达到安全、优质、快速、不留后患的目的。预报和防治工作要从实 践中来,到实践中去,不仅要作到成果有用,而且要作到好用,为地质灾害防 治做贡献。 本文结合厦门海底隧道进行超前地质预报。首先,搜集工程区域的地质资 料,结合地面地质调查,分析地质、地貌形态得到宏观的预报。其次,利用TSP 和地质雷达进行仪器探测,扼要介绍仪器探测的原理及工作方法,通过对图象 的解译获得预报成果。最后通过地质监测使实际情况和预报结果相对照,找出 预报的优点和不足,为以后的预报提供参考。 地质预报的目的是进行地质灾害防治。论文首先分析了不良地质形成的原 因,对影响隧道施工最严重的三种断层进行了研究,分析每种断层可能产生的 灾害类型。其次提出可能的防治措施,其中对塌方和突水这一共有灾害进行综 合论述,对特有的岩爆等灾害进行分别论述。 地质超前预报可以对不良地质体进行高精度的预报,在预报的基础上研究 地质灾害防治,能够更好地为隧道施工服务,也为今后的隧道施工提供有益的 参考。 关键词:超前预报,TSP,地质雷达,断层,灾害,防治 Abstract Abstraet The tunnel en#neermg is the follow-on product of mankind civilization,and constantly develops along with the advance ofmankind society.In our country,along witll going deep into of reformation and economic development,tunnel construction are will certainly be put on the agenda.But as all the tunnels located in complicated hydrology geology and engineering geology area,and the design unit and the construction unit haven’t paid enough attention to geology work,at the same time,the tunnel geology prediction work is still very weak,all these lead to frequent occurring ofgeology calamity in the tunnel construction. Based on the circumstances mentioned above,the premise of tunnel engineering is that the forward hydrological geology and the engineering construction geology circumstances must be made clear.Next,in view ofbad the tunnel construction,lay down the prevention geology that may influence and cure scheme that is safe,reliable, economically reasonable and technologically feasible,so as to achieve the purpose of no safety,high quality,quickness and leaving prevention and oBre work should be based and research prevention room for later trouble.Predicting, oriented to the practice, 0n practice and achievements should be well applied so as to contribute to the and cure ofgeological calamity. work This text is concemad with the geology prediction based on the tunnel in Xiamen seabed.Firstly,the geology data ofthe engineering region are collected,and geology investigation configuration ofthe earth‘s ffLtrfaee is analyzed based on ground to get macroscopic prediction.Next,TSP and Ground Penetrating Radar is used to carry on the instrument detection,the principle and work method of instrument by way detection is briefly of the introduced,geology prediction achievements are achieved explanation of the picture.Finally,the real circumstances arc contrasted witll prediction result of the by way of the geology monitoring,and o帆which the merits and shortcomings prediction results a阳pointed may provide reference for later prediction. Abstract The purpose of geology prediction is calamity.Thesis firstly analyses carrying the on prevention and cure of geological reasoll that bad geology forms, researches three kinds ofthe most serious faults to influence tunnel construction,and analyses per kind of calamity that the fault probably gave rise to.Next put forward the probably prevention and landslide etc ctlre measure,In these calamities,synthesizing discusses discusses respectively to the peculiar rock bursts and sticking out water,and calamity. The geology prediction Call provide the high precision prediction result to the bad geology,oll the prediction foundation studies the geology calamity and provides can prevention and cure,and better serve for the construction,at the same time call provide the profitable reference for the tunnel construction from now on. Key words:Prediction ahead,TSP,Ground Penetrating Rada,r9 Fault,Calamity, Prevention and cure 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定, 即:学院有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校 可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名:迹导师签名趔日期:业。}, 第一章引言 第一章引 言 1.1研究意义 我国是多山的国家,三分之二的国土由不同类型的山脉、高原组成。铁路 和公路交通工程、水电工程、南水北调工程、各种矿山工程以及军工防护工程 等的大发展,都离不开大量隧道隧洞的修建。由于隧道隧洞都处于地下各种复 杂的水文地质、工程地质岩体中,所以,安全、优质、快速、不留后患地修建 隧道隧洞的前提是要摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件。 近年来随着我国社会经济快速发展,交通增长十分迅速,基础建设已成为 进一步发展的需要,为了解决这~问题,海底隧道建设提到议事日程上来。2005 年4月30日厦门翔安海底隧道正式动工,厦门东通道(翔安隧道)项目是一项规 模宏大的跨海工程,其全长约9 km,其中海底隧道5.95 kin,设计双向六车道, 采用钻爆暗挖法旌工,是我国大陆自行设计、自行施工的第一条跨海隧道。是 连接厦门本岛和翔安区陆地的重要通道,也是陆地和厦门本岛的第三条通道(厦 门岛北有厦门大桥,西有海沧大桥),它具有高速公路和城市道路双重功能。目 前,我国正在计划建设的有5条跨海隧道,分别是大连到烟台的渤海湾跨海隧 道,由上海到宁波的杭州海湾工程,连接香港、澳门与广州、深圳和珠海的伶 仃洋跨海工程,连接广东和海南两省的琼州海峡的跨海工程,连接福建和台湾 的台湾海峡跨海工程。伴随大量隧道隧洞的修建,隧道隧洞施工地质工作作为 隧道隧洞施工必不可少的工序,必将得到广泛的普及。 隧道超前地质预报是防止隧道开挖时发生突发性灾害、保证施工工期、施 工质量和评判围岩稳定与否的积极手段。它是隧道施工的“侦察员”。“知己知 彼,百战不殆”。进行隧道施工。必须对施工的隧道围岩地质情况有一定程度的 了解,而且了解的越详细、越真实,就越能保证施工的安全、优质、快速进行, 隧道隧洞超前地质预报就是要从时间上、提前距离上超前了解隧道围岩地质情 况。从一定意义上说,设计院提交的隧道设计纵断面图、地质总平面图等资料 也是隧道施工超前地质预报的成果,但由于勘察设计精度的限制及隧道地质的 复杂性等种种原因,设计图中常常遗漏很多只有在隧道藏工中才能发现的不良 地质体,因而对隧道围岩特征描述就不是十分准确。 第一章引言 隧道隧洞施工中的地质灾害监测与警报,是隧道隧洞施工地质工作的核心 任务和落脚点。可以这样说,所有的其它隧道隧洞施工地质工作,包括长期、 短期超前地质预报,围岩稳定性评价等,归根结底都是为它服务、围绕它进行 的,它在隧道隧洞施工地质工作中,占有突出重要的位置。隧道隧洞施工中的 重大地质灾害有塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和岩爆等,一般的、 经常性的小型施工地质灾害还有片帮、掉块等。 超前地质预报工作主要分为长期和短期超前预报两类,它们是超前地质预 报工作步骤的先后两步。此两类预报工作各有不同的预报距离,它们相辅相成, 只有综合运用两种方法,才能对不良地质进行准确的预报。但短期超前预报是 在长期超前预报的基础上进行的,只有对长期超前预报进行扎实的工作,才能 在此基础之上运用短期超前预报方法进行更为精确的预报。因此,研究超前预 报方法,必须先对长期超前预报方法进行研究,然后利用短期超前预报方法进 行更为精确的预报,才能取得理想的成果。 长期超前预报方法包括地面地质调查法、断层参数法和TSP探测法。其中 地面地质调查法是长期超前预报方法的前期工作,它只能预测不良地质体的大 概位置,不能精确确定其具体规模,它的工作成果为其它长期超前预报工作进 行铺垫和参考。对于断层参数法,由于它是通过辨认1l节理来进行不良地质的 预报,而1l节理的辨认需要深厚的理论知识和现场工作经验,一般的工作技术 人员很难达到这方面的要求,因此对该方法的推广造成了一定的障碍,使其不 能得到很好的普及。近年来,TSP探测法由于克服了上述各种方法的缺点而逐渐 受到了工作单位的欢迎。它不需要断层参数法所必须具备的深厚知识,且由于 TSP仪器的探测操作较易上手,同时能够达到实际所需要的探测精度,它越来越 受到各方的青睐。虽然TSP有其优点,但也有其缺点,那就是TSP是根据发射 爆破波并通过对爆破波的反射波进行接收、处理和解译进行预报的,只有对TSP 的具体工作原理进行深入的研究才能把仪器所探测到的不良地质进行准确的预 报。基于此,有必要对TSP实际应用技术进行研究,以便在工程实践中取得理 想的成果,更好的为地质灾害防治服务。 1.2国内外的发展现状 隧道修建技术比较发达的国家如英国、法国、日本、德国等都非常重视隧 .2. 第一章引言 道施工过程中的超前地质预报,均将此工作列为隧道工程建设的重要研究内容。 隧道施工地质技术人员要么由施工单位配备,要么由业主提供,并由业主拨出 专款开展工作,在施工过程中,他们在设计部门提交的设计图纸的基础上,做 好超前地质预报和地质灾害防治工作。 我国隧道施工地质超前预报研究始于20世纪50年代末,但真正应用于隧 道工程建设是在20世纪70年代。目前,总体上来看我国铁路、公路隧道施工 过程中还不是十分重视超前预报工作。即使有施工单位做了一些预报的工作, 但在成果运用以及处理上都还没有真正地从超前预报中受益。总的来说,我国 的隧道隧洞旄工地质工作比较薄弱,具体施工单位则基本处于盲目施工,“靠 侥幸”施工和“地质科盲”施工状态。可以说,除水电行业某些施工单位的隧 洞施工外,国内绝大多数铁路、公路施工单位没有自己的施工地质队伍,设计 院驻点的地质人员也不承担具体的施工地质工作;同时存在一些认识上的误区: 关于“塌方不可抗拒论”、“塌方越多,地质条件越复杂”等,这些错误观念 的形成,是多年来我国隧道旌工不重视地质工作的严重后果。科研实践和大量 的施工实践证明:只要作好施工地质工作,并与恰当的不良地质区段辅助工法 紧密配合,地质条件再复杂的隧道隧洞,也可以做到不塌方,至少可以保证不 发生大塌方;反之,地质条件并不复杂的隧道,如果缺少施工地质这道工序, 对不良地质区段不能鉴别或不能进行恰当的预支护,塌方,甚至大塌方也会发 生。 1996年~1998年,铁道部第一勘测设计院西安分院首次在秦岭特长隧道开 展了施工地质综合测试工作及超前预报工作,并将地质工作贯穿隧道建设全过 程。这实际上是在开展全面隧道施工地质工作的道路上迈出的极重要的~步。 1999年~2000年6月,石家庄铁道学院桥隧施工地质技术研究所与中铁十 四局隧道处合作,在株六复线新倮纳隧道正式开展了全面施工地质工作。该隧 道全长2080 m,属于典型的“烂洞子”型隧道,它溶洞、暗河、煤系、软岩俱 全,断层十分发育,最大涌水量近2x105 tYd,施工难度之大可以想象。然而, 因为在施工过程中,全面正规地开展了隧道施工地质工作,系统的贯穿施工全 过程的实施了超前地质预报工作,并在指挥部领导的大力支持下,与正确的不 良地质区段辅助施工方法紧密结合,致使该隧道从开挖至贯通没出现一次塌方, 也没发生任何其它施工地质灾害。这是全面、正规的隧道施工地质工作首次应 用于我国隧道施工所取得的第一个丰硕成果,也创造了我国隧道修建史上不可 .3. 第一章引言 多见的奇迹。 2000年6月,石家庄铁道学院以刘志刚教授为首的桥隧施工地质技术研究 所开始正式在若干铁路隧道和水电隧洞进行全面正规施工地质工作,并于2000 年6月~2001年3月在公伯峡水电站右岸导流洞施工中,与水电四局第一施工 局合作,应用TSP-202探测和围岩级别的准确鉴定以及施工地质灾害的监测判 断等跟踪地质技术手段,开展了隧洞施工地质工作,取得了令人信服的工作成 果:应用TSP.202,探明了两个宽达30~50 m的压性断层和两条断层交会组成 的断层破碎带;通过监测与判断的跟踪地质工作,及时发出了塌方紧急警报, 避免或极大地减少了两次大塌方和特大塌方事故。 厦门海底隧道的建设,将超前地质预报及地质灾害防治工作全面纳入工程 质量管理控制体系,说明施工地质工作已经得到业主的重视,并且作为~项必 不可少的重要研究内容。超前地质预报及灾害防治工作将为大兴土木、方兴未 艾的交通建设锦上添花,确保海底隧道具有以下优点:(1)通道不会受恶劣的气 候影响;(2)不会影响任何航运;(3)不仅能做到不拆迁或少拆迁还可降低造价; (4)对生态环境干扰影响小;(5)承载能力远高于桥梁:(6)抵抗战争破坏和抗自然 灾害的能力较强;(7)水下隧道结构抗腐蚀性强、耐久性好,使用年限长;(8)隧 道结构维护保养费用比桥梁的维护保养低很多;(9)建设用钢量比桥梁少;(10) 易做到一隧多用,可安排供水、电、气、通信等的通过。 综上所述,我国隧道隧洞施工地质工作虽然起步较晚,但是已有一个良好 的开端…。 1.3研究内容及方案 本文的主要研究内容是地质超前预报应用技术及地质灾害防治。 地质超前预报是一项系统的工作,根据刘志刚教授的科研成果,在预报前, 必须运用地质力学对工程地质情况做出全面综合分析之后,才能够达到精确预 报前方不良地质体的目的。地质力学对鉴定构造形迹的力学性质;辨别构造形 迹的序次和等级;确定构造形迹的存在和它们的范围;划分构造体系的存在类 型和鉴定构造形式;分析构造体系的联合和复合;探讨岩石力学的性质和各种 类型构造体系的应力活动方式等方面,进行了较为深入的研究。对于隧道超前 地质预报技术,以上这些研究成果的应用,是正确指导其成功准确预报的关键。 .4- 第一章引言 地质灾害防治是地质超前预报的目的,主要包括塌方、突泥突水、瓦斯爆 炸、煤与瓦斯突出和岩爆等重大地质灾害的防治,还有片帮、掉块等一般施工 地质灾害的防治。厦门海底隧道的建设,对我国隧道技术的进一步发展和缩小 世界先进水平的距离将起着里程碑式的作用。本工程的地质条件复杂多变,海 底有Fl、F2、F3断裂带,风化带槽,F4断裂带风化囊和沉砂层等,稍有不慎, 突泥、涌水、流砂极有可能发生,针对这些潜在的重大地质灾害,一般应注意 以下几点: (1)塌方的防治措施。①做好长期、短期超前预报工作,对塌方地段或塌方 体准确定位和定性;②做好塌方监测、判断和临近警报;⑧断面很大的双线隧 道或大断面隧洞遇到以V~Ⅵ级围岩出现的塌方区段和塌方体,则一般采用长 管棚超前支护,放小炮、控制爆破,侧壁导坑分步开挖,挂网喷锚、架立工字 钢拱(加密钢拱之间的纵向连接)进行施工支护等措旋来通过。 (2)突水的防治措施。①做好断层水和溶洞、暗河的超前预报的定位、定性 工作和临近前兆、涌水量监测和警报工作;②隧道隧洞开挖接近水源体时,施 钻大口径超前孔,探放地下水,切勿盲目放炮;③岩溶发育地区的断层破碎带 承压水以排为主,堵排结合,即当涌水量减小后,以深孔顶注浆超前固结围岩, 来防治地下水;④岩溶发育地区的暗河及大溶洞水,采取以排为主,截排结合 的方法防治突水;⑤岩溶突水地段,采取超前小导管预注浆超前支护,短台阶 开挖、工字钢钢拱强施工支护方案通过。 (3)突泥的防治措施。①做好超前地质预报的定位、定性和突泥前兆的监测 和警报工作;②隧道隧洞开挖临近淤泥带时,施钻大口径超前孔探放;③如果 淤泥流动小,来势不大,则以堵为主,以深孔预注浆超前固结围岩,放小炮, 小心施工,并配合强支护(工字钢支撑、厚喷混凝土)通过,如果淤泥流动快,来 势很猛,同溶洞、暗河、老窖水一样,以排为主,截排结合。 (4)岩爆的防治措施。①超前钻孔卸压法,在可能发生岩爆的掌子面上,钻 数个孔径60~80 him、孔深10 m的钻孔,释放岩体中的高构造应力:②喷雾洒 水卸压,在干燥的围岩表面上洒水,或用高压水冲洗隧道隧洞拱项、掌子面和 侧壁,目的是增加岩石湿度,松弛岩体中积累的高构造应力;③光面爆破或尽 量减少超欠挖,习的是减少围岩的局部应力集中区的形成;④锚杆支撑或挂网 固项,这是一种减少危害的应急临时措施;⑤超前支撑及紧跟衬砌法、超前开 挖顶板,超前做顶板支撑和紧跟衬砌均可减少岩爆危害。 -5- 第一章引言 (5)片帮与掉块的防治措施。①在隧道隧洞施工过程中,要跟踪掘进,开展 全面、细致、系统地节理、小断层和有层间滑移岩层层面及其产状的编录;② 应用作图法或赤平投影法,求解和确定不稳定岩体、岩块;③采取恰当的方法 清理部分危石;④对不能清除的危石,采取与之匹配的施工支护方法。 当然,地质灾害防治没有现成的公式可以套用,也不是一成不变的,要具 体情况具体分析,需要在施工中积累工作经验并参考他人以往成功的经验,因 地制宜,发挥优势,更好的为四化建设做出贡献。 1.4论文总体时间安排 2005年下半年以来,对于论文,已断断续续的做了不少的准备工作,翻阅 了一些相关的资料、文献等,对于其总体方向和内容也有了大致的把握。论文 的写作从2006年3月份正式开始,预计到2006年12月份结束,具体的安排大 致如下: 第一阶段:2006年3月~6月,论文的大体框架成型。 第二阶段:2006年7月~9月,工地实习,收集资料。结合现场实际,充 实论文内容,特别是集中于对TSP解译及地质灾害防治的研究。 第三阶段;2006年10月~2006年11月,对前两阶段的工作进行总结,使 得两者能够浑然一体。 第四阶段:2006年12月上旬,针对存在的遗留问题集中解决,扫清答辩前 的障碍。 第五阶段:2006年12月下旬,毕业论文答辩。 .6. 第二章厦门海底隧道概况 第二章厦门海底隧道概况 厦门东通道海底隧道工程位于厦门岛东北端的湖里区五通村与同安区西滨 村之间(见图2-1),呈北东向展布,隧道全长约6.0 km,其中海域段长约4.2 km(见 图11。东通道工程是厦门市公路骨干网规划中的重要组成部分,是厦门岛连接 大陆的第三条通道。东通道工程的建成对厦门市经济的发展、尤其是厦门市东 部地区的经济发展将起到重要作用。 图2-1厦门海底隧道地理位置示意图 2.1土建设计概况 厦门翔安隧道按高等级公路标准设计,同时兼具城市道路功能n1。 .7. 第二章厦门海底隧道概况 2.1.1横断面布置 翔安隧道设计为设置服务隧道的三孔隧道方案(见图2-2)。主洞隧道测设线 间距为52 nl,中间设置服务隧道,三隧道内轮廓净间距为22 m。服务隧道的主 要功能是:(1)作为紧急避难通道及检修通道;(2)服务隧道先行掘进,可有效地 超前探明地质情况和取得对局部不良地质地段处理的方法和工艺,获取对特殊 地段的施工经验;O)通过服务隧道取得对行车主洞局部不良地质地段超前处理 的工作空间;(4)有利于设置市政跨海管线。 ._ 赛…砸 图2-2隧道横断面布置示意图 、\. _ 2.1.2主洞断面 针对本隧道为三车道大断面的特点,隧道内轮廓采用多心圆形式较为经济 合理。主洞隧道建筑限界净宽为13.50 m(O.75+0.5+3×3.75+0.75+0.25),净高为 5.0 m;内侧设检修道。隧道建筑内轮廓断面面积为122.09 m2,行车道以上净空 断面面积为100.5 m2。主洞隧道横断面参见图2.3。 2.1.3服务隧道断面 服务隧道采用受力合理的似圆形断面形式,其建筑内轮廓断面面积为30.9l In2。洞体上方预留检修车辆兼逃生空间3.0 m(宽)×2.5 m(高)。洞体下方内设置供 水自来管道预留空间2.6m(宽)×2.15 m(高)和2.2x105V高压电缆预留空间3.0m (宽)×2.15 m(高)。服务隧道断面参见图2.4。 .8. 第二章厦门海底隧道概况 图2_3主洞隧道横断面 1Jl捌叫1●I—慰茵 图2-4服务隧道横断面 2.2 自然地理及工程地质概况 2.2.1场区地形地貌 -9.. 第二章厦门海底隧道概况 工程场址位于厦门岛东北侧,地貌单元属闽东南沿海低山丘陵~滨海平原 区。场址区陆域为风化剥蚀型微丘地貌,海岸带为海蚀海岸及堆积海滩地貌; 两岸地势开阔平坦,主要为残丘~红土台地,丘顶高程20~35m,丘体多呈椭 圆体,坡度和缓。丘间洼地高程一般5~15m,沟、塘较多。海滨局部为全新世 冲海积阶地,地面高程一般2~5m,略向海边倾斜。海岸带为海蚀海岸及堆积 海滩地貌,岸线曲折,岸坡以土质陡坎为主,坎高7~20m,部分地段坎底基岩 裸露。五通岸多为侵蚀海岸,海滩多礁石,西滨岸为堆积海岸,海滩宽阔,滩 面被浮泥覆盖,被辟为海产养殖场。 2.2.2水文与气象 厦门海域为正规半日潮,历年来最高潮位4.53 m,最低潮位.3.30 m,平均 高潮位2.39 m,平均低潮位.1.53 m,平均潮差3.92 m,最大潮差6.92 m,平均 海平面一0.32m(黄海高程)。潮流形式属往复型,涨潮时最大流速1.3节,流向 3330;落潮时最大流速1.4节,流向137。。 场区陆域没有河流,大气降雨靠丘(岗)间沟谷排泄流入港湾或海中。区内小 型水体较多,池塘遍布。 厦门地区属亚热带海洋性气候,冬无严寒,夏无酷暑,四季如春。年均气 温20.8℃,极端最高气温38.4℃,极端最低气温2.0℃。每年2~8月为雨季, 年均降雨量1143.5 mm。主要风向为东北向,次为东南向,9月至次年4月为沿 海大风季节,多为东北风,平均风力3~4级,最大8~9级。7~9月为台风季 节,风力7~10级,最大可达12级,最大风速60m/s。 2.2.3区域地质背景 2.2.3.1地层岩性 厦门地区出露的地层主要为: 上三叠系文宾山组(T3W):见于嵩屿、东渡、火烧屿及大任屿等地,为海陆 交互沉积,灰、灰黄色石英细砂岩,粉砂岩、中细粒石英砂岩、长石石英砂岩、 灰黑色泥岩及含砂泥岩,经变质具片理化、白云母化。厚度大于100 要为浅酸性火山碎屑熔岩,最大厚度约2700 m。 m。 上侏罗系南园组(J3r1):出露于海沧、大帽山、文圃山、东渡、嵩屿等地,主 -10. 第二章厦门海底隧道概况 上第三系佛昙群上段州+tb):见于小金门岛,为玄武岩夹砂砾岩,厚度大于 100Ill。 第四系(Q):地层发育齐全,受地形及沉积环境所控制,成因类型繁多,分 布零星,岩性、岩相和厚度各地相差悬殊。 侵入岩:侵入岩体时代均为燕山期,岩石类型以花岗岩为主。其次为二长 花岗岩及花岗闪长岩等;脉岩有石英岩脉、细晶岩脉、伟晶岩脉、石英斑岩脉、 石英正长斑岩脉、正长斑岩脉、细粒花岗岩脉、闪长岩、闪长玢岩脉、辉绿岩 脉及未分基性岩脉,北东向构造控制,其次是北西向构造。 2.2.3.2地质构造 厦门地区所处大地构造单元为闽东中生代火山断拗带(二级构造单元)之闽 东南沿海变质带(三级构造单元)。在此构造单元内,对隧址区地质构造具有控制 意义的断裂构造为长乐~诏安断裂带和九龙江断裂带。 长乐~诏安深断裂带:位于东南沿海丘陵地带,呈北东向平行海岸线展布, 北起闽江口,经长乐、惠安、泉州、厦门、诏安,向南延伸至广东南澳、惠来 入海,长约450 km。该断裂带由一系列近于平行、长短不一的断层组成,带宽 38~58 krn。该断裂带上地震活动较弱,最新活动年代为晚更新世早期。 九龙江断裂带:分布于厦门、漳州和南靖等地,走向北西至东西,由二到 三条次级断裂组合丽成,长120 km以上。断裂形成于晚侏罗世,沿断裂片理化、 糜棱岩化现象明显。在晚第四纪时期,该断裂某些地段有较强活动,扭断水系, 断错上更新统。此外,沿断裂是地热异常带,发生过多次5~6.5级地震。 据l:50000厦门地质图显示,邻近场址区的构造有; 北东向钟宅断层组:由穆厝断层(F11)、五通断层口12)、官浔断层(F13)、莲坂 断层(F14)、洪山断层(F15)、尚中断层伍16)等推测断层组成,发育在燕山晚期厦门 岩体中(主要为花岗闪长岩及黑云母花岗岩),属于新第三纪~第四纪应力场作用 产物。该断层组分布在钟宅村至厦门市区,影响宽度约2 km,走向60~70。, 两端隐没于海域。地面所见断层破碎带宽一般小于10 m,延长5~lO km。如果 该断层组穿过浔江,则与隧址相距不足2 km;另有资料显示该断层是北东向区 域性断裂的组成部分,目前在穆厝断层与尚中断层交汇处尚有温泉出露。 北东向东排山断层组:主要有140.2高地断层(F25)、无尾塔山(F26)、东排山 断层(F27)等断层,总体走向25。,宽约4 km,两端延出区外。发育在燕山晚期 第二章厦门海底隧道概况 厦门岩体中,以密集的剪裂面为特色,岩石被切割成l~2 cnl的板块体,断面平 直光滑,由宽1~10 m,长500~700 m的许多小断层呈左行斜列形式展布,具 剪切性质。在东界村东部一带,还发育有走向340。的平推断层——宋洋断层 (F28)。在五通侧海边的礁石上可见与隧道轴线接近平行的数组裂隙,裂隙面平直, 如刀劈状,辉绿岩岩脉沿裂隙侵入。 北西向浔江推测断层(F31),其西北端在后溪村出露,在燕山期花岗岩中发育 一组走向310。、倾向南西、倾角68~84。的断层。该断层大部隐伏于海域中, 卫星照片线性影象清晰,向东南穿过浔江。 海域地震反射勘探发现呈北西及近南北向展布的三条强风化基岩深槽和一 条呈串珠状的风化囊,在十余条轴向测线上(沿隧道衬砌线或平行隧道衬砌线的 地震反射勘探测线)均有反应。其中:F1强风化基岩深槽走向北西276。,F4强 风化基岩深囊走向北西290。,F2强风化基岩深槽走向北西304.5。,F3强风化 基岩深槽走向北西345.5。。经钻孔验证,风化槽/襄处强风化层深厚,在风化槽 两侧斜坡上钻孔岩芯可见密集的高角度裂隙及碎裂特征;在F1强风化基岩风化 槽、F4强风化基岩风化囊处二长岩岩脉发育;Fl强风化基岩风化槽北东侧球状 风化严重,弱~微风化岩岩面形态复杂,呈锯齿状。 .12. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 第三章厦门海底隧道超前地质预报 随着我国经济建设的不断发展,地下工程应用领域越来越广,其规模也越 来越大,在水利水电、铁路、公路、矿山、化工、国防等部门的地下工程建设 已成为支柱产业。而施工中遇到的地质灾害是制约隧道发展的主要问题,隧道 建设常遇到的地质灾害有:塌方和片帮破坏、涌水和突水、岩爆等。 施工过程中进行超前地质预报是有效防止发生地质灾害的有效手段,目前 各种预报方法很多,但各种方法的准确性、精度以及适用范围都不尽相同。厦 门海底隧道主要采用了以地面地质调查、TSP202和地质雷达仪器探测为主的综 合预报方法,结合掌子面地质素描以提高预报的准确性和精度。 3.1 超前地质预报技术的主要内容 隧道超前地质预报分为长期(长距离)和短期(短距离)超前地质预报两类,它 们是超前地质预报工作步骤中的先后两步,承担不同的任务,也具有不同的精 度。短期超前预报是在长期超前预报的基础上进一步开展的预报工作,其技术 方法和技术手段主要包括掌子面编录预测法、超前探孔预测法和地质雷达等仪 器探测法。 3.1.1长期超前地质预报 长期超前地质预报的方法和技术手段有三种,即地面地质调查及其超前预 报方法、断层参数预测法和TSP等仪器探测法。预报的距离,可达掌子面前方 100~500 m,甚至更远。长期超前地质预报的主要任务是预报掌子面前方一定 范围内的不良地质的性质、位置、宽度和影响隧道隧洞的长度;并根据各类不 良地质的性质、影响范围粗略地预报地下水情况、围岩级别和对施工的影响。 不同预报方法t其预报精度不尽相同,应用三种方法进行综合预报时,其精度 一般可达85%~90%以上。它的目标是为开挖指明工作面前方概略的地质轮廓, 使施工决策人对不良地质和围岩级别的变化作好思想准备,做到心里有数;在 施工中,对围岩异常区段小心处理,对正常区段放心大胆掘进,最终达到加快 .13. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 掘进速度的目的。长期超前地质预报一般要对整个隧道或隧洞连续进行,采用 的技术手段和方法可以是其中的一种,也可以采用其中的两种、甚至三种技术 手段和方法进行综合预报,要视施工和围岩具体情况而定。 3.1.2短期超前地质预报 短期超前地质预报又称为跟踪预报,或称跟踪地质工作。它是在长期超前 地质预报的基础上进一步开展的预报工作。其技术方法和技术手段也有两种, 即掌子面编录预测法和地质雷达等仪器探测法。预报的距离,一般可达掌子面 前方15~30 m。由于是在长期超前地质预报的基础上进行的,所以其主要任务 是结合长期超前预报成果,更准确地预报工作面前方15~30m范围内可能出现 的地层、岩性情况,预报掌子面及其附近围岩中实见的各种不良地质体向掌子 面前方延伸的情况,较准确的预报工作面前方15~30 m范围内可能的地下水涌 出情况和隧道隧洞围岩级别及其对施工的影响。同样,不同预报方法有不同的 预报精度,如果应用两种方法进行综合预报,其精度可达90%~95%以上。它的 目标是为旌工决策人提供掌子面前方15~30m范围内较准确的围岩地质条件和 不良地质的情况,并粗略地预报地质灾害发生的可能性。短期超前地质预报一 般只在隧道或隧洞的部分构造复杂、不良地质多发区的局部地段进行;当然, 如果条件允许,对整个隧道或隧洞进行“全方位”的、连续的短期超前地质预报当 然是最理想的。 一般情况下,为了保障超前地质预报的质量,在采用的方法和技术手段上 要作到:长期和短期超前地质预报要兼而有之、搭配进行:长期预报应当不间 断、连续进行;短期预报可以只在重点地段进行,也可以连续进行;不论长期 预报还是短期预报,都应该采用两种或三种方法进行综合超前地质预报。 结合厦门海底隧道,超前地质预报工作采用长期和短期相结合的综合预报 方法,其工作内容主要包括:见流程图3.1。 -14. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 图3-1超前地质预报工作流程图 3.2基础资料收集 此部分内容已经在第二章进行了叙述,在此不再赘述。 3.3地表地质调查 3.3.1地表地质调查的重要性 地面地质调查是在设计单位提交给施工单位《隧道地质平面图》和《隧道 一15— 第三章厦门海底隧道超前地质预报 地质剖面图》的基础上,进一步开展的修改和完善工作。由于工程地质勘察精 度所限,不可能将施工期间所有遇到的地质情况全部查清,或者由于其它种种 原因,前述图纸常常遗漏很多影响施工的地质构造或不良地质,有时甚至出现 设计失误的可能,所以施工地质工作人员第一项重要工作就是对设计单位提交 的两种图纸进行地表地质调查。 水平高、经验丰富的地质工作者通过细致的地表地质调查方法,可以再发 现一些设计图中遗漏的新断层,并纠正原设计图搞错了的断层位置、产状和破 碎带厚度pJ,因此,地面地质调查法是一种较好的长期超前地质预报方法和技术 手段。 3.3.2地表地质调查实例 针对厦门海底隧道,进行仪器探测之前,首先了解工程所在地区的大地构 造位置,工程位于福建沿海丘陵,新华夏系第二隆起带上。存在的主要构造体 系为新华夏系和华夏式构造体系,以后者为主;主要经历两期构造活动,并且 后者成生晚于前者。前者主干压性断层走向NEIO。左右,张性断层走向NW2800 左右;后者主干压性断层走向NFA5。左右,张性断层走向NW315。左右,前 者经历了两期构造运动的叠加。 地区围岩岩性为全强风化燕山期晚期黑云母花岗岩,已风化呈粉状,属于 软质V级围岩。隧道掌子面前方右侧30 m处存在宽10 m左右的小河;再往前 是40~50 m大小的水塘,现己填平植草。小河属于自然形成的地貌,形成年代 久远(至少几百万年),对隧道围岩可能会产生较大影响;水塘属于人工修建而成, 地质年代较短,对隧道围岩影响较小。 根据调查情况,作出宏观预报: (1)掌子面前方30 m的小河区段,可能出现第四系河流冲积粘土和沙等沉积 层,或者对基底的黑云母花岗岩产生更强烈的风化;该区段多水多泥。 (2)掌子面前方80 m以后,可能会出现较坚硬的“孤石”带。 3.4超前地质预报技术 3.4.1 TSP方法 一16. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 TSP超前地质预报技术在应用于隧道施工上取得了良好的效果。TSP超前地 质预报系统由瑞士Amberg测量技术公司研制、开发,是目前国内外超前地质预 报领域最先进的隧道探测设掣Ⅷ。 3.4.1.1基本原理 在掌子面后方一定距离内布置一 定数量的钻孔(见图3-2),通过TSP 系统的爆破装置在钻孔中施以微型爆 破来发射地震波信号,爆破引发的地 震波在岩体中以球面波的形式向四周 传播,其中一部分向隧道掌子面前方 传播,经前方的反射界面(不良地质界 面)反射回来,由TSP系统的传感器接 收,同时转换成电信号并放大。最后 经由TSP系统的数据处理软件分析处理,工程技术人员完成解译,即可提交预 报成果嗍。 图3-2 TSP系统原理图 由于从起爆到发射信号经反射被接收的这段时间与反射面到起爆点和接收 器的距离之和成正比的,因此通过反射时问与地震波传播速度的换算就可以将 反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与掌子面的距离确定下来【71。 TSP地震波的反射界面实际上是指地质界面,主要包括大型节理面、断层破 碎带界面、岩性变化界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等。这些不良地 质界面的存在对于隧道施工能否正常进行往往起着决定性的作用,因此准确的 对其规模、位置进行预测具有重要的意义。 3.4.1.2 TSP探测方法 TSP探测系统分数据采集 系统和数据处理系统两部分。 (1)数据采集系统。 由记录仪、接收仪和启爆 装置等组成。探测过程中,所 需要的材料包括:炸药、雷管、 导线、接收器套管。如图3.3。 一17. 图3_3 TSP采集系统示意图 第三章厦门海底隧道超前地质预报 ①记录仪。 记录仪用来进行震波信号的记录,它本质上是由一个用来进行震波信号数 模转换的电子部分和一个用来操作记录单元、打印记录和储存数据的HUSKY数 据记录仪组成。系统通常配备4个输入通道(配置B),如有其它应用(折射和反射 震波,桩测试和振动监测)也可以扩展至12个通道。 震波预报(TSP)的可靠性主要依靠记录数据的质量,特别是探测范围和解决 方案依靠系统记录震波的合适的动态范围以及记录的震波的频带宽度。 数据记录器(Husk 16/80)是记录系统的一个附带部分,它具有防水、防灰尘 功能,即使在隧道掘进的极恶劣情况下仍可以工作。 ②接收仪。 用来获取震波信号的接收系统由一个特殊的机壳和接收单元组成。机壳通 过水泥胶合物牢固地和岩层相连接,接收单元在开始探测前插入接收机壳。 可以采用单接收型和双接收型,如果采用单接收型,则将接收器钻孔与爆 破孔布置在同一侧,此方法能减少套管耗材,但需要解译人员有丰富的解译经 验和较全面的地质知识;如果采用双接收型,则将接收器钻孔与爆破孔布置隧 道两侧,此方法对构造复杂和溶洞、暗河地段的探测或解译人员经验不足时, 采用较为理想。 ③启爆装置。 启爆装置由一个带有插入发射环路的外部触发盒组成。一旦记录单元准备 记录一次震波,就可以执行点火,触发箱上指示灯变为绿灯时,就可以启爆。 然后,爆破手可以根据自己的决定进行点火,通过电子爆破雷管触发炸药。 ④炸药。 建议使用爆速大于6000 m/s的高爆炸药。若有困难,也可以采用一级岩石 乳化炸药或二级岩石乳化炸药。一般情况下,前十个孔的装药量为20~30 后十个孔的装药量为30~40 g。 ⑤雷管和导线。 建议使用电爆破雷管,延期时间越短越好。 ⑥接收器套管。 由瑞士安伯格公司提供,标准的接收器机壳本身由正方形截面为22 mm×22 mm,长为2 400 g, mm的薄壁钢管组成,它和接收器有着良好的耦合,因此它能 把接收到的震动信号不失真地传递给接收器。为了避免震动过程中钢管本身所 -18. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 产生的回音,在其表面按一定方式排列着小的加劲肋。 探测过程每次使用l或2支。由于接收器套管价格比较贵,每次使用1或2 支会增加很多费用,如何进行套管的重复利用是人们一直关心的问题。目前, 刘志刚教授在多年潜心研究的基础上解决了这一难题,重复利用率达3~4次。 (2)数据处理系统。 TSP处理系统由窗口式软件TSPwin组成,其对现场采集的数据进行处理。 主要的处理步骤有[161: ①提取反射波。 TSP记录的各种波当中,只有那些从掌子面前方和隧道旁边反射过来的携带 了岩石性质的波才有用。这些有用的反射波可以通过滤波器能从其它波里分离 出来。 ②分离P波和S波。 把x、y和z方向上的记录转换成P波、品波和品波。尸波为压缩波(纵 波),s波为剪切波(横波),其中￥波表示质点在垂直面内运动的横波,品波表 示质点在水平面内运动的横波。 ③提取反射面。 运用图像处理和分割,提取P波和S波反射面。反射界面岩石的性质可以通 过以下几个方面判断:①出现较高的反射振幅、较大的反射系数和较小的弹性 阻抗,表示反射界面的岩石密度和波速较高。②波形中央出现正的反射振幅, 表示反射界面的岩石是坚硬的。如果是负的反射振幅,表示反射界面是软弱岩 石。③如果s波反射比P波反射更强,这表示反射界面富含水。④%/略增大或 突然增大,常常由于流体的存在而引起。⑤若K下降,则表明裂隙或空隙度增 大f17】。 ④结果显示。 地震数据处理完以后,可以在2D或3D窗口里面察看选择的反射面。2D窗 口是一个水平分开的窗口,显示了两个面板:侧视图和顶视图或岩石属性。3D 窗口用事先确定的隧道剖面显示从参考系位置到掌子面已经开挖的隧道以及所 选择的反射面位置,并显示接收器和发射孔的位置【18】。 3.4.1.3 TSP成果解释 解译技术是TSP实现高水平超前地质预报的最关键技术,也是难度最大的 .19. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 技术。它一方面要求解译人员具有丰富的解释经验,另一方面,要求解译人员 具有丰富的地质工作经验。高水平的TSP解译必须与地面地质调查技术、断层 参数法预报隧道断层技术紧密结合,实行综合预报才能达到。 影像点图的一般特征: (1)影像点图主要表现为由不同能量点圆组成的弧形带,分为红色点圆带和 黄色点圆带,彼此相间出现; (2)大的红色点圆带反映围岩由软到硬的突变,是硬岩突变为软岩的界面标 志: (3)能量小的红圆、红点,或者能量小的黄圆、黄点,则表示无明显突变、 无明显界面的、岩石强度差别很小的较均匀的地质体; (4)一个弧形带,不是绝对的、均匀的弧形,而是由走向接近、夹角较小的 不同界面系列的直线组成,多数一个点圆弧形带反映2~3个系列界面,每一个 直线状界面系列,表现为带内由小圆到大圆,再到小圆的过程。 各种不良地质体或结构面影像点图的一般特征: (1)断层破碎带:左侧红色大圆带与右侧黄色小圆带彼此相邻,且相互呈直 线状平行;两者之间全部为红色点或夹有少量黄色点。 (2)节理:孤立的、大大小小、直线状的红圆带或黄圆带。 (3)特殊硬岩层:明显、孤立的很大黄色圆带。 (4)特殊软岩带:孤立或系列红点、很小的红圆组成的像带。溶洞、暗河、 不规则或规则黑洞。 (5)充水地质体(富水断层破碎带、水化软岩带等):表现为黑洞与小红点混杂 区域。 3.4.1.4探测实例 厦门海底隧道施工至掌子面里程NKl2+371时,采用TSP超前预报系统对 隧道进行长期预报。对采集数据进行处理,可得影象点图,如图3.4所示。 .20. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 图3-4 NKl2+371 TSP探测成果图 根据TSP影象点图进行解译,预报如下: (1)NKl2+371~347(24 nI)。全强风化、局部有水的黑云母花岗岩围岩(w4) 区段。见2个有水带,具体位置、规模和特征如下: 0365~363。带宽2 m,松散,有水夹泥; ②357~353。带宽4 Ill,松散,多水。 围岩总体松散,粉状,局部多水,稳定性差,易塌方,估计总体为V级围 “J 4:1 4 (2)NKl2+347~332(15 m)。多水多泥的全强风化黑云母花岗岩围岩(w4)区 段。可见2个多水多泥带、1个较坚硬的“孤石”带和1个泥化带。具体位置、规 模和特征如下: ①345~341。带宽4 m,松散,粉状,一般多水带; ②34l~340。带宽1 m,较坚硬的“孤石”带; ③340~338。带宽2 m,松散,粉状,一般多水带; (g)334~333。带宽l in,松软,泥化多水多泥带。 总体围岩松散~松软,且多水多泥,稳定性很差,极易塌方,估计总体为 V级加强围岩。 .21. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 建议:分部开挖,超前疏干并进行超前小导管注浆,初期支护采用密集格 栅支撑+挂网锚喷。 (3)NKl2+332~325(7 m)。强~弱风化、局部有水黑云母花岗岩围岩(w3~ W2)区段。见2个较坚硬的弱风化带和1个有水带,具体位置、规模和特征如下: ①332~330。带宽2 nl,较坚硬的弱风化花岗岩带(w21; ②329~327。带宽2 nl,有水带; ③327~325。带宽2 m,较坚硬的弱风化花岗岩带(w2)。 围岩总体稍完整,风化程度稍差,稍坚硬,局部有水,稳定性较差.易坍 塌,估计总体为Ⅳ级围岩。 (4)NKl2+325~287(38 m)。全强风化、且个别地段有水的黑云母花岗岩围岩 (w4)区段。见3个有水带,具体位置、规模和特征如下: ①323~32l。带宽2 m,松散,一般有水带; ②320~318。带宽2 111-,松散,一般有水带; ③304~302。带宽2 m,松散,一般有水带。 围岩总体松散,粉状,局部多水,稳定性差,易塌方,估计总体为V级围 岩。 (5)NKl2+287~281(6 m)。含“孤石”带的弱风化黑云母花岗岩(W2)围岩区段。 ‘‘j氟石”带的位置、规模和特征如下: NKl2+285~2s3。带宽2 m,微风化黑云母花岗岩,完整,坚硬。 总体围岩稍完整,较坚硬,且少水~无水,稳定性稍差,但可出现掉块~ 坍塌,估计总体为m级围岩。 建议:钻爆法开挖。 (6)NKl2+29I~271(10 m)。强风化、少水~无水的黑云母花岗岩围岩(W3) 区段。 围岩总体仍较松散,无水~少水,稳定性差,易塌方,估计总体为V级围 岩。 (7)NKl2+271~266(5 n1)。弱风化、少水~无水的黑云母花岗岩围岩(w2)区 段。 围岩总体稍松散,无水~少水,稳定性较差,易掉块~塌方,估计总体为 Ⅳ级围岩。 .22. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 3.4.2地质雷达方法 地质雷达技术的提出可以追 溯到上世纪初,但直到七十年代 末期才得到较大的发展。在近十 余年的时间内,地质雷达技术更 是得到了长远的发展,目前已进 入工程实用化阶段。~套完整的 雷达系统通常由控制单元、发射 机、接收机和电源、光缆、触发 盒等辅助元件组成(见图3.5)。 3.4,2。1地质雷达原理 探测目标 图3—5雷达系统组成示意图 地质雷达方法是一种用于确 定地下介质分布的广谱电磁技 术,是一种高分辨率探测方法。 GPR方法是利用高频电磁波 (】MHz~1GHz),以脉冲形式通过 发射天线被定向地向地下发射。 电磁波在地下介质中传播,当遇 到存在电性差异介质的界面时, 电磁波便发生反射,采集的数据 返回后通过处理,可以获得时间 图3-6地质雷达反射探测原理 iHl\、1’ ““少““‘ z 南nh j\\ 融 / 棚 或深度剖面(见图3.6)。分析接收的地下界面反射回来的电磁波时间、频率和振 幅等特征,就可以推断地下介质的空间位置、结构性质及几何形态,从而达到 对地层或地下目标体的探测【191。 根据波动理论,电磁波的波动方程为 P=I纠e一/似17).e-肛 D.1) 式(3.1)中第一个指数一所是一个与时间无关的项,它表示电磁波在空间各 点的场值随着离场源的距离增大而减小,∥称为吸收系数。式中第~个指数幂 中凹表示电磁波传播时的相位项,a称为相位系数,与电磁波的传播速度的关 .23. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 系为 v=∞|Ⅸ 当电磁波的频率极高时上式可简略为 “ Q-2) V=c/, 式中,c为电磁波在真空中的传播速度;占为介质的相对介电常数。 (3?3) 地质雷达所使用的是高频电磁波,因此地质雷达在地下介质中的传播速度 主要由介质中的相对介电常数确定。 电磁波向地下介质传播过程中,遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和 透射波。反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R, 反射系数的数学表达式为 R=(压一压)/(石+压)(3-4) 式中,￡和岛分别表示反射界面两侧的相对介电常数。 由上式可知:预报过程中的反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质 的相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大,探测出的异常越明显。这些 不利的介质与完好基岩的相对介电常数均有较大差异,为采用地质雷达对隧道 掌子面前方进行地质预报提供了良好的地球物理基础[20l。 3.4.2.2地质雷达预报方法 地质雷达经过不断研究已发展到单点探测和连续实时自动成图,国外的探 测地质雷达均为单脉冲雷达,其特点是发射信号为高压窄脉冲,工作频率为50~ 1000 MHz,分辨率高,但设备不易满足地下工程防爆要求。由于地层对电磁波 的衰减随工作频率的升高而增大,低频率多用于探测衰减较大的目标或远距离 目标,而高频率多用于衰减小的地层中的探测,浅部或表面探测,由于中闯频 率段既有较大的探测距离又兼顾了分频率,所以多用于普查勘探,而高频段和 低频段仪器多用于详查、精查勘探或针对性强的探测。 预报过程中一般要求提供掌子面前方20 m范围内的地质情况。这一要求经 现场多次试验,测试过程中以采用100 MHz的天线为主要测试频率。测试剖面 布置根据掌子面的情况,一般水平方向布置l~3条,垂直方向沿中心布置1条。 由于施工过程中掌子面不规范,测试剖面在现场测试时进行一定的调节,以满 足资料解释要求为准。为提高测试准确性,测试过程中一般至少重复测试2遍。 100 MHz的天线在每个剖面上至少应进行1次点测和1次连续测试,点测的叠 一24. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 加次数一般不得少于64次120l。 3.4.2.3地质雷达成果解释 雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像,对测试的图像进行异常 分析,根据异常的形态、特征及电磁波的哀减情况对测试范围内的地质情况进 行推断解释。一般来说反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异就越大,根 据掌子面的地质情况就可对掌子面里面的地质情况作出推断;另外,电磁波衰 减对地质情况判断也极为重要,因为完整岩石对电磁波的吸收相对较小,衰减 较慢,当围岩较破碎或含水量较大时对电磁波的吸收较强,衰减较快。解释过 程中电磁波的传播速度主要根据岩石类型进行确定,在有已知地质断面的洞段 则以现场标定的速度为准。 测试过程中为配合地质雷达进行地质解释,需要地质人员进行地质的推断 解释。由于隧道内地质情况较为复杂,仅从雷达测试资料进行地质解释准确程 度较差,因此测试过程中专设地质人员对测试剖面上的地质情况进行现场记录, 结合前面已开挖的围岩地质情况,对掌子面前方的地质情况作出预测。最后把 纯地质的预测结果同雷达测试的结果迸行对比分析,根据雷达测试的异常特征, 结合地质特征作出最后的地质解释12lJ。 3.4.2.4探测应用 厦门海底隧道在TSP预报基础上针对不良地质区段进行地质雷达超前预报, 现场测试采用美国生产的SIR-20型地质雷达100MHz的雷达天线(发射与接收置 于一体1,掌子面里程为NKl2+360。因为全风化花岗岩的岩体结构彻底遭受破 坏,已风化成均匀的细颗粒物质,由于其粒度均一,雷达反射波很弱甚至消失, 反射波同相轴连续;强风化带的岩体结构基本破坏,岩体破裂成大小不一的碎 块,由于粒度的不均一性,强风化带内反射波强度加大,反射波同相轴连续性 变差,所以此次预报的距离较近,有效预报距离为18 m,即NKl2+360~NKl2 +342。其探测成果如图3.7所示。 其探测的主要成果为: (1)NKl2+360~358(2 m)。少水砂状全强风化花岗岩,总体为V级团岩。 (2)NKl2+358~355(3咖。多水~富水全强风化花岗岩,总体为V级围岩。 0)NKl2+355~351.50.5 m1。少水~多水全强风化花岗岩,总体为V级围岩。 (4)NKl2+351.5~349(2.5 n1)。多水全强风化花岗岩,总体为V级围岩。 .25. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 固3.7 NKl2+360地质雷达探测成果图 (5)NKl2+349~342(7m)。少水全强风化花岗岩,总体为V级围岩。 其中富水多水带主要分布于隧道上部断面的中上部。 3.5掌子面地质素描 地质素描是对开挖揭露出来的工程地质及水文地质现象做详细的编录,采 集必要的数据,地质素描的内容包括:开挖面层理产状、单层厚度、地质岩性、 矿物成分、岩脉、节理发育程度、断层位置及性质、地下水情况、围岩级别、 围岩稳定状态及其与隧道的关系等,必要时附上照片保存。 3。5.1地质素描实例 地质素描必须在洞身开挖期间边开挖边进行,在实际施工中每天做一次, 必要时根据蔸工现场情况进行复查。