隧道的地质超前预报方法与不良地质施工措施 建筑与工程 ChinascienceandTechnologyReview 隧道的地质超前预报方法与不良地质施工措施 (中铁八局集团第三工程有限公司)中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:1009—914X(2011)36—0536—03 我们在隧道的施工过程中会遇到各种不良地质,为避免盲目性,使施工 方案和技术措施更科学合理,开展地质超前预报十分必要.地质超前预报对 不良地质能做到早发现,早预防,从而采取恰当的处理措施,减少和化解不良 地质给施工带来的不利影响. 地质超前预报方法1.1 超前导坑法 长隧道和特长隧道大都设有平行导坑.平导一般与线路平行,距线路 20m~30m不等.施工过程中利用平导先行的优势,认真收集和积累地质资 料,并根据平导开挖过程中揭示的地质资料指导正洞施工,从而使正洞的施 工方案和技术手段都建立在科学合理的基础上.平导开挖断面小,即使出现 不良地质也容易处理,对施工影响不大.因此,超前导坑法在长隧道和特长 隧道施工中被广泛采用. 1.2 超前水平钻探法 采用隧道专用钻机进行超前水平钻探,来探明开挖前方的地质情况.超 前水平钻探其实并非完全"水平",带有一定的角度.与地震波反射法,地质 雷达探测法相比,超前水平钻探法具有更直观,更准确的特点.超前水平钻 探法虽是"一L 之见",却能起到"管中窥豹"的作用.超前水平钻探法主要 用于探测煤层,瓦斯,断层,溶腔,突水,涌泥等不良地质.超前水平钻探 法探测的距离长,探明的不良地质距工作面较远,便于提前调整施工方案和 技术措施. 1.3 超长炮孔钻探法 超长炮L 钻探法指的是在掘进过程中,每次打眼都用5m钻杆在隧道拱 部和底部各钻两个探测L,放炮则控制在3m以内,使工作面始终保持距不 良地质2m以上的安全距离.当钻孔出现不良地质征兆时,可以及时采取应 对措施. 采用超长炮孔钻探法,避免了钻机的频繁移动,可以不中断隧道的正常掘 进,简便易行,事半功倍.超长探孔还可兼做炮眼,节约成本,提高功效. 14 地震波反射法一TsP 一2O3 系统 TSP 超前地质预报系统是目前隧道及地下工程地质预报工作中,采用的 较为先进的设备.其工作原理是利用地震波的回波原理,人工制造一系列有 规则排列的轻微震源.形成一个地震源断面,同时,三维地震波接收器在计 算机的监控下,采集这些震源所发出的震波沿隧道前方及四周区域传播而遭 遇不良地质体(如地层层面,节理面,特别是断层破碎带界面和溶洞,暗河 等)被反射返回的地震波数据.这些回波信号的传播速度,延迟时间,波形, 强度和方向,是与相应不良地质体的性质和分布状况紧密相关的.在一定间 隔距离内连续采用上述方法,可以得到前方地层的地质力学参数,如杨氏模 量和横向变形系数等,从而预报隧道前方及周围临近区域的地质状况,判断 开挖面前方100m~200m范围内的地质情况.该系统的使用,可极大提高对 地质情况的判识能力,为施工生产提供安全保证.地震波反射法是复杂地质 隧道施工中采用的主要预报手段. (I)准备工作 TSP-203 地质超前预报系统测线设在工作面附近的边墙上.由两个接收 器孔和24 个炮孔组成.两个接收器孔对称分布在两侧边墙,24 个炮孔等间距 分布在一侧边墙.在数据采集前,钻孔,接收传感器套管的安装,以及接受 气孔,炮孔的倾向,倾角和各控基准点的测量可先期完成.这些准备工作不 影响正常施工,可与隧道施工作业同时进行. (2)相关参数 爆破点沿着隧道一侧洞壁平行于隧道底面呈直线排列,孔距1.5m,孔深 1.5m~2.Om.距最后一个爆破点15m~20m设接收点,接收点孔深2.Om,孔 口距隧底约I.Om与炮孔等高.接收器孔向上倾斜50~IOo,炮L 向下倾斜 15o~200.根据围岩软硬和完整破碎程度以及接受器位置的远近,每个炮孔 装药50g~lOOg.炸药为高爆速炸药,雷管采用零延时电雷管. (3)现场测量 接收器孔内置接收传感器.探测时逐次引爆炸药,制造出小型地震波.这 些地震波遇到节理面,地质界面和破碎带,溶洞,暗河等不良地质界面时会 产生反射波.反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质,产状,距接 收点的距离. (4)数据分析 接收点的接收传感器将所接收的反射波数据,发送到记录仪储存.利用 软件对储存数据进行处理,形成相关界面的隧道映象点图,通过分析获得前 方的地质情况. 15 地质雷达探测 (1)工作原理及方法 地质雷达或ZGS 型智能工程探测仪,是通过发射天线T 将高频电磁波以 脉冲形式发射至地层中,再由天线R 接收反射回的信息,最后通过分析,达 到对短距离进行超前预报的目地.地质雷达或ZGS 型智能工程探测仪探测范 倍误差作为预计误差预计)=70.205inm3.3 贯通点K 在高程方向上的误差预计 (1)井下水准测量引起的误差脚=l7.7j=3o.657mm (2)井下三角高程测量引起的误差为 Mm=-5ooq~.3=_+27.4mm 砰=/=+_29ram 倍作为预计误差埘f计,=+58ram 从上述误差预计的结果看,此方案在水平方向和高程上的误差预计均未 超过允许的贯通偏差值,说明本方案所选的测量方案和测量办法能够满足贯 通精度的要求.此方案具有可行性. 贯通精度南轨道大巷四号回风联巷于2010 日贯通.贯通导线全程共测42站,导线全长3200 米.贯通后进行联测.经联测后,进行精度评定得贯通水 平方向的误差为28ram,高程误差为32ram,见表3. 总结该工程的顺利贯通,为我们提供了许多值得借鉴的经验,具体归 536l 科技博览 (1)采用先进的仪器设备.本次贯通测量工作中,采用了高精度的NikonDTM一532 全站仪,并采用先进的测量方法,测量数据采用计算机处理,减 少了劳动量,提供了工作效率,保证了贯通精度. (2)本次测量导线采用的是四架法和四等水准检查,四架法可以避免对 中,整平过程中存在的误差.平面坐标传递时,利用全站仪具有的导线测量 软件,现场能够及时准确的计算出测点坐标,并与上次测量结果进行比较,对 本次测量结果做到心中有数. (3)巷道贯通方案的选择是一项很重要的工作.为了保证不盲目的追求 高精度而增加测量工作量,又不会由于精度达不到而造成贯通测量质量差, 就必须做好误差预计.误差预计的方案选择的依据,它从理论上保证了对巷 道贯通精度的要求.在实际施测过程中,尽量减少测量误差对工程的影响,证 巷遭能按设计的要求准确的贯通. 参考文献 【1】张美红,石秀山,煤矿测量学. 附表l,表2. 围为前方30m内,可作为TSP 地质预报系统的主要辅助手段. (2)数据处理及资料判释 地质雷达数据处理的目的是排除随机和规则的干扰,以最大可能的分辩 率在图像剖面上显示反射波,提取反射波的各种参数,包括振幅,波形,频 率等帮助判释. 资料判释方法:地质雷达反映的是地下介质的电性分布,将其转化为地 质体分布时必须把地质,钻探,地质雷达记录这三方面的资料有机结合,以 此获得检测对象的整体状况. 1.6 工程地质法 工程地质法是传统的地质预报方法.它根据零星的测绘,钻探和施工过 程收集的地质资料,来分析,推断隧道前方的围岩状况.例如可根据背斜,向 斜的一翼推测另一翼的地质状况.工程地质法是一切超前地质预测,预报方 法的基础.因此,在掘进过程中,要认真收集地质资料,绘制地质素描图,作 为各种预报手段的参考和补充. 地质超前预报方法综述以上各种探测方法各具特点,各有侧重,但都有其局限性. 超前导坑法能探明前方的地质情况,可增加正洞的工作面和实现巷道式 通风,并兼有排水功能,缺点是造价高.超前导坑法的造价相当于同长度正洞 的40%;水平超前钻探法直观,准确,并可提前排放前方岩体中的瓦斯和水, 起到卸压作用,但费工,费时,与隧道掘进相互干扰,TSP 一203 系统探测距 离远,抗干扰能力强,但分辨率低,难以查清2m以下的不良地质体,探测 缓倾角断层和溶洞效果不明显;地质雷达法探测溶洞效果好,分辨率高,可 查清0.3m以上的不良地质体.缺点是抗干扰能力差,探测的深度较小,约 在工作面前方lOm~20m范围内,对探测环境要求苛刻,不能在有泥,水和 电磁干扰的环境中使用,红外线探测仪仅限于探测前方20m一30m范围内含 水地层和含水构造,无法探测水量,水压,水质等信息.探测过程易受洞内 环境因素如灯泡,正在行驶的车辆,机械等热源和水的影响. 因此,在预报方法和手段的使用上,应根据探测对象有针对性的选择, 这样既保证探测效果,又节约成本. 不良地质处理措施31 对浅埋段的处理以防坍塌为目的,遵循"先地表后洞身,先超前支护后开挖"的原则进行处置. 首先对浅埋地表进行帷幕注浆,增加拱部的整体性和稳定性,完善防排水 措施,防止地表积水.开挖前施作超前管棚或小导管注浆,固结前方开挖面, 对地表帷幕注浆做进一步加固和补充.采用留核心土,分台阶环形开挖,微 药量爆破,尽可能减少对围岩的扰动.开挖后及时施作网喷,格栅钢架等初 期支护. 3.2 偏压 对偏压段的处理平衡偏压,重新调整围岩应力分布和受力状态为目的. 根据偏压程度,在洞外受偏压方采用钢筋混凝土桩,浆砌片石或回填混 凝土的方法进行加固.开挖前进行超前管棚注浆,开挖后架设钢支撑进行初 期支护或灌注钢筋混凝土,进一步提高洞身的整体性和抗拉,抗剪,抗压强 3.3软围岩 软围岩自稳力差且遇水软化,易坍塌,给施工带来困难.采用"超前支 护,屏蔽环境,及时封闭"的做法.即严格的超前支护,特殊的防,排水措 施,以及短进尺,早封闭,强支护的综合处理措施. 采用留核心土,分台阶环形开挖,视围岩软弱程度辅之以管棚或导管注 浆.石质松散和泥岩地段可采用机械配合小型机具开挖,严格限制施工用水. 若局部石质难以用机械开挖时,可采用电钻成孔,弱爆破,短开挖,仰拱超 前,尽早封闭成环.并加强围岩量测,根据量测反馈指导施工. 3.4 隧道穿越顺层地层时,开挖后易产生顺层滑坍,施工时必须采取措施进行控制,保证施工安全与质量. 顺层段施工采取小药量,弱爆破预留光爆层的施工方法,尽量减少对围 岩的扰动.开挖后视岩层倾斜情况及时对岩层进行锚固,喷射混凝土封闭岩 面,必要时设置格栅钢架加强支护,紧跟仰拱及二次衬砌,尽快形成封闭结 3.5热害 热害主要出现在通风不良的特长隧道和有巨厚覆盖层的隧道.对于热害 的防治,主要是采取加强通风,注浆堵水和喷洒水雾等措施来实现.在热害 建筑与工程 ChinascienceandTechnologyReview—I 不很严重时,加强通风是改善洞内温湿条件的最简便易行的方法.风机功率 要满足通风需要,通风系统要布置合理,要提高工作面的风速,增强局部通 风强度.在富水地段,地下水从围岩中获取热量,在洞内散热.因此,要加 强地下水的隔离和控制.施工中可在混凝土中添加防水剂,进行注浆堵水等, 以达到隔离和控制地下水的目的.在洞内高温段喷洒水雾,必要时在洞内设 置移动式空调机降温. 3.6 岩溶 岩溶主要发生在石灰岩地层中.岩溶的发育程度取决于围岩的溶蚀胜. 就围岩的溶蚀陛而言,石灰岩>自云质灰岩>白云岩>泥灰岩.治理岩溶地 层,首先要查明岩溶在隧道出露的位置,规模,形态,有无泥,砂充填,是 否与地下暗河连通,是否有地表水补给等.根据探明的情况分别采取相应的 处置措施. 位于拱部及边墙的小型溶洞,在衬砌断面外用浆砌片石或低等级混凝土 回填,有水时则视水量大小采用埋管或凿槽的方法将水引入边墙水沟内.位 于隧底的溶洞,采取换填,钢管注浆加固的处理方法,也可根据溶洞规模采 用架设钢筋混凝土梁的方法.对于有泥,砂,水充填的大型溶洞,应遵循"限 量排放,排堵结合,因地制宜,综合治理"的原则进行处置.对其采取长管 棚或小导管注浆进行超前支护,短台阶预留核心土环状开挖,网喷和钢支撑 进行初期支护的综合处理措施.对于特大型溶洞一时难以处理的,可考虑设 置迂回道坑,后期再进行处理,以节省工期. 3.7 瓦斯 当隧道穿越煤系地层和含瓦斯地段时,坚持"全防爆,超前探,勤检测, 强通风的施工原则.通过煤系地层时使用煤矿安全炸药和毫秒电雷管,毫 秒电雷管的总延期时间不大于130ms,采用远距离放炮揭穿煤层.放炮时洞 内停电,洞外起爆,所有人员撤至洞外.洞口50m以内杜绝一切火源.远距 离放炮后及时对揭煤工作面喷混凝土或衬以气密性混凝土,以利于岩体的稳 定,并可封闭岩面,堵塞瓦斯排放通道. 牢记两个数值:当瓦斯浓度达到1%时,禁止打眼,装药,放炮;瓦斯浓 度达到1.5%时,撤人,停电,通风. 3.8 采空区 采空区常与煤层,瓦斯共存于同一隧道.