超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用

第 卷 增 田月年 月 岩石力学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报 肠 ’ 叮 增 人 , 超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用 邓尤 东 ’ 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 中铁十二局集团有限公司 太原 摘要 隧道超前地质预报是工程地球物理研究中疑难问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一 。 具体阐述了 超前地质预报系统的数据采 集 、 数据处理解释结果以及工程实例的应用情况 。 关键词 隧道工程 , 乌鞘岭特长隧道 , 超前地质预报系统 , 工程实例 分类号 , 文献标识码 文章编号 一 一 增 一 · ’ , 吧人 , 昭 饰 今 , 价 刀 阳 , 朋 ’ , · , , , 之 窦 , 厂刁 随着我国西部大开发的深入 , 在铁路 、 公路 、 水利等工程施工中往往要遇到一些埋深大 、 长度大 的隧道 。 这些隧道工程在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 阶段有关地质资料多 在地表获得 , 而 由于受工程地质条件和水文地质条 件复杂多变性和 目前勘察技术水平的影响 , 要想在 施工前查明隧道围岩和其周围不 良地质体 断层 、 破 碎带 、 溶洞 、 暗河 、 软弱地层等 所处状态 , 特别是 要准确查明隧道施工 中可能发生的地质灾害的位 置 、 规模和性质是十分困难的 。 而由于地质灾害的 可能存在 , 仅靠施工揭露后再进行处理的办法 , 带 有很大的盲 目性 , 常常发生各种突发事故 , 造成投 资增加 、 资源浪费 、 人员和施工设备的损害 、 工期 延误等诸多问题 ,一 。 因此 , 采用科学的 、 先进的 隧道超前地质预报方法来准确地预测预报隧道开挖 工作面前方岩体及其状态 , 减少隧道施 一 二的盲 目性 一直是国内外隧道施工和地质工作的重要研究课 题 。 目前 , 国内外超前地质预报的方法有许多 , 总 体上分直接法和间接法 种 。 直接法采用导坑 、 超 前钻探等手段 间接法采用 法 、 负速度法 、 高 频地震反射法 、 水平声波剖面法 、 地质雷达等物探 方法 。 直接法涉及昂贵的费用和较长的预报时间 间接法采用物探手段 , 具有施工快捷 、 预报结果及 时 、 费用低廉等特点 , 是今后地质预报的发展方向 。 通过对上述各种方法的比较 , 从其使用效果 、 预报 年 月 日收到初稿 年 月 日收到修改稿 作者 邓尤东 简介 男 , 岁 现为上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院硕士研究生 , 主要从事隧道及地下工程施工与管理方面的研究工作 , 。 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷 增 邓尤东 超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用 · 成本 、 可操作性等方面综合考虑 , 瑞士 公 司研制的 超前地质预报系统 图 具有一定 的优势 。 该系统具有超前地质预报距离长 、 准确度 高 、 成本低 、 提交资料及时等优点 , 该系统已逐步 在很多长大隧道中发挥了较好的作用 。 图 超前地质预报系统组成图 工程概况 概 况 乌鞘岭特长隧道是兰新铁路兰州一武威南段增 建第 线的重点控制工期工程 。 其位于兰新线兰武 段打柴沟车站与龙沟车站之间 , 设计为 座单线隧 道 , 左右线隧道长 , 除隧道出口段线路位 于半径为 曲线上 、 左右线缓和曲线伸入隧 道 及 外 , 隧道其余地段均位于直线 上 , 线间距 座隧道纵坡相同 , 主要为 的单面下坡 , 右线隧道较左线隧道高 一 隧道洞身最大埋深 左右 。 中铁十二局集团 承担 斜井 一 , 斜井 , 竖井 及 , 段 正 洞 , 段平导施工任务 。 工程地质条件 乌鞘岭隧道被称为 “ 地质博物馆 ” , 其施工过程 就是同地质灾害作斗争的过程 。 地层岩性 本段地层岩性复杂 , 沉积岩 、 火成岩 、 变质岩 大岩类均有 , 但以沉积岩为主 , 其分布主要受区 域断裂构造控制 。 区内出露的地层主要有第四系 、 第三系 、 白坚系及三叠系沉积岩 , 志留系 、 奥陶系 变质岩 , 并伴有加里东晚期闪长岩侵入体 。 地质构造 褶皱构造在本区较为发育 , 褶皱形态复杂 , 据 其形成时代和所处的构造部位不同 , 由南向北划分 为加里东期和海西 印支期 个褶皱构造带 区内 断裂构造发育 , 主要为区域性大断裂 , 走向基本为 北西向 , 压性 压扭性 , 具有深切割 、 延伸长 、 规 模大的特点 , 破碎带一般较宽 , 断裂带内物质主要 为碎裂岩 、 断层角砾 。 本标段内断层由南向北依次 分布如下 毛 山南缘断层 为逆断层 , 延伸长度 , 断层走向近东西 向 , 倾向北 , 倾角 “ 一 。 , 断层带物质主要由断层泥砾 、 碎裂岩组成 , 松 散破碎 , 破碎带出露宽度 。 大柳树一黑马圈河断层 为逆断层 , 延 伸长度 , 断层走向北西西向 , 倾向南 , 倾角 “左右 , 断层带物质主要 由断层泥砾 、 碎裂岩组 成 , 松散破碎 , 破碎带出露宽度 。 毛毛山岭中断层 为逆断层 , 延伸长度 , 断层走向北西西向 , 倾向北 , 倾角 。左右 , 断层带物质主要由断层泥砾 、 碎裂岩组成 , 松散破 碎 , 破碎带出露宽度 。 可能的地质灾害 隧道最大埋深在 左右 , 地应力值较 高 岭脊为坚硬的闪长岩 , 川 类围岩占 左 右 洞身通过断层破碎带的长度约 岩性为 砂 、 页岩夹煤层 , 软硬不均 , 存在小褶皱 、 节理密 集带 , 工程地质条件复杂 。 施工中极度可能出现突 泥 、 涌水 、 围岩失稳 、 岩爆 、 高地温 、 瓦斯等地质 灾害 。 水文地质条件 澎斜井范围地表水 、 地下水均不发育 , 但正洞 穿过 , 断层及其影响带 , 有突然涌水的可能 斜井范围地下水主要为基岩裂隙水 。 其中 , 志留 系下统板岩夹千枚岩及 断层破碎带 , 地下水较丰 富 , 属中等富水区 三叠系上统砂岩夹页岩段地下 水较发育 , 为弱富水区 加里东晚期闪长岩段地下 水不发育 , 为贫水区 。 超前地质预报系统流程 超前地质预报系统流程见图 。 超前地质预报系统工作原 理 、 工作方法 工作原理 超前地质预报系统工作原理见图 。 超前地质预报系统 , 是由瑞士 飞 测量 技术公司开发应用于隧道超前预报的先进技术 , 其 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net · · 岩石力学与工程学报 年 签础资料收集 】】隧道 探测 地表地质调查 】掌子面地质描述 水文地质情况工程地质情况隧道野外路勘 涌水情况︶ 、产状等婆节理 、 断层岩岩性 、结构 、地表水系情况 ⋯ 一十鹰映储甩一准饰泪巍 暖睡嘎附丫陋博嗜曙味图图图甲引引引到荆尸 跟 踪对 比及信 息 反馈 预报的准确性 误差原因分析 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 总结 改进措施 图 超前地质预报系统流程图 斗 工作原理是利用隧道反射地震波法 , 即由人工弱爆 破产生的地震波在隧道中的岩体内传播 , 当遇到地 质界面时 如断层 、 破碎带等 , 一部分地震波被反 射回来 , 即反射波经过一段时间后到达接收传感器 , 再通过接收传感器被记录仪所接收 , 然后经专门的 分析软件进行处理 , 就得到清晰的反射波图像 , 反 射界面两侧的岩性差异越大 , 反射回来的信号就越 强 。 由于从产生地震波到反射信号被接收这段时间 是与反射界面的位置 、 反射信号的强弱与反射界面 的性质 、 产状有密切关系 , 因此 , 通过对反射波性 质的分析可以推断反射界面的性质 。 超前地质预报系统使用的是非常灵敏 的三分量传感器 图 中④ , 它可以接收来 自掌子 面前方和四周很远的地震反射波 。 因此 , 处理方法 有独到之处 , 该方法在欧洲 、 亚洲有广泛的应用 , 该系统预报距离远 、 预报范围大 。 一般情况下 , 超前地质预报系统可以预报 , 在地质条件较好时 , 甚至可以预报更长的距离 。 工作方法 超前地质预报系统的现场测试示意图 见图 。 超前地质预报系统的原始数据采集 是由一个三分量接收器承担 , 接收器孔布置在隧道 图 超前地质预报系统工作原理图 图 超前地质系统的现场测试示意图 两侧各 个 , 使用沪 钻头 , 钻孔深度为 , 钻孔倾角为向上 。 爆破孔布置在隧道任何一侧岩 壁上 , 使用 必 钻头 , 钻孔深度为 一 , © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷 增 邓尤东 超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用 · · 钻孔向下倾斜 士 。 。 爆破孔等间距 间距 一 布置在与接收点为 条平行于隧道轴线的直线上 。 在数据采集前 , 钻孔 、 接收传感器 图 中 。套管 的安装 、 以及接受器孔和爆破孔倾角 、 倾向和三维 坐标测量要先期完成 , 由于这些准备工作不干扰正 常施工 , 可与隧道施工平行作业 。 当正式爆破采集 数据时 , 洞内一切施工必须停止 , 以确保采集到的 数据尽可能少地受外界噪声的干扰 。 在数据采集时 , 相互间配合要做好 , 一般情况下数据采集时间可以 控制在 内 。 超前地质预报的实施 数据处理 数据处理结果见图 和 。 数据处理用专门处 理软件对隧道内采集到的原始资料不采用走时曲线 分析方法 , 而是采用深度偏移成像方法 。 偏移成像 方法偏移成像之前进行二维 变换 , 利用视速 的差异 , 消除与隧道走向近乎平行的反射界面 。 该 方法对纵横 , , 分别进行处理 , 可提供反 映掌子面前方结构的剖面及各种地震岩性参数 。 在 进行数据处理以前 , 应将描述隧道轮廓的参数 、 各 孔的三维坐标 、 各炮孔装药量等数据输入处理软件 中 , 数据处理共需 步 , 其流程见图 。 数据解释 超前地质预报系统 , 经过数据处理 以 后 , 提供了 个反射界面的空间位置 , 包括各反射 界面距基准点的距离 、 与隧道轴线的夹角 、 各反射 面处的岩性参数 包括波速 、 密度 、 泊松比 、 动静态 弹性模量 、 纵横波速比等 以及各反射面在隧道中的 里程 印 即 卯 田 印 卯 闷加 硼姗 ⋯⋯ 】 ‘ 二··一 ” ‘ · , ·· 一 · · 一‘ 一 一 一 ⋯ 一 ‘ · · ·· 一 ·· ·一一一 一 · ‘ · · 一 ··一 · · · 一 · 一 · 一 、 · 一 ‘ 一三三二 一 」一 一二二二二二三沁厂口 ‘‘‘益‘益‘二昌篇二石二吕盆孟‘孟二盖益益盆二汤益石石二‘益益益石石益益‘石二益益益渊 “目“ 哟‘滋‘ 一一 ‘‘城汤海 舀益带‘月月 舟舟一一一一斗一泣场己一 书川川 二二书 一一与只二上气丁爪一 初力力 下·写侧胃 旧卑吸 喇娜划橄 里程 印 如 印 印 叩 闷加 千、、, 、、 价夕撇 卜阵 已、曳 刃 石熏乒葬蜘 一褂 一十 一 禅竹带 ⋯ 】 干 什 十 图 斜井 段 图 抑确 仆 , 一 雄 一 一 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net · · 岩石力学与工程学报 年 工作的基本功。 同时 , 还需要认真参考设计勘察地质 资料 , 紧密结合现场的地质情况 。 图 即斜井 段 图 仆 一 一 一 ·· 值计算算算 · 爆破能 平衡衡 图 数据处理流程图 二维 、 三维图像 。 经过数据处理后 , 提供的直接成果仅仅描述了 围岩性质可能发生变化的位置及各反射界面围岩的 物理性质 、 类别 。 因此 , 根据各反射界面的岩性参 数 、 产状以及各步解释后的隐含信息 , 推断围岩的 岩性以及可能存在的不 良地质段的性质是数据解释 的难点和重点 。 在 超前地质预报实践中 , 要不断总结和积累经验 , 提高解释技术人员地质知 识 特别是工程地质力学的知识 和野外 、 洞内地质 工程实例 在 年 月 日对 禅斜井 一科 段做了一次超前地质预报 , 其成果与实际开挖情况 对比结果见表 。 对比结果显示 , 此次预报掌子面 前方 范围内地质情况与实际情况基本 吻合 , 为前方施工起到了指导作用 , 减少了施工的 盲 目性 。 本次预报中 , 段为重点预报段 , 主要表现为开挖后右侧拱顶向下 位置有股状水 涌出 , 其判断过程如下 从图 中可以看出 , 此地段反射面 节理面 非常多 , 从图 中也同样可以证实此观点 , 说明此 地段节理相当发育 , 岩体整体性差 。 从表 岩体力学参数中可以看出 此地段 岩体 波波速低 , 说明此地段中存在液体或空隙率 较大 此地段泊松比非常高 , 说明此地段有液体存 在 。 结束语 超前地质预报与施工 裹 超前地质预报与实际开挖地质情况对 比裹 里程 超前地质预报成果 实际开挖情况 千枚岩为主 , 完整性较好 , 局部有渗水 级 软硬岩互层 节理裂隙发育 , 稳定性差 局部有渗水 , 级 围岩稍有好转 并较稳定 , 完整性较好 少水 级 围岩比前面变硬 , 并较稳定 , 完整性较好 , 有水 , 级 围岩稳定性较好 , 石质较硬 , 少水 川一 级 围岩比前面变软 , 并较稳定 , 完整性较好 , 有水 围岩稳定性较好 , 完整性较好 石质较硬 , 少水 , 级 级 围岩比前面变软 , 完整性较好 有水 , 级 软硬岩互层 节理裂隙发育 , 较破碎 , 稳定性较差 , 水较大 , 级 围岩比前面变硬 , 并较稳定 , 完整性较好 , 少水 , 级 千枚岩为主 夹少量板岩 完整性较好 , 左侧拱膜有渗水 级 板岩与千枚岩互层 节理裂隙发育 , 稳定性差 , 拱顶有浓 水 , 级 板岩 并较稳定 , 完整性较好 无边无水 , 级 板岩 , 节理较发育 , 完整性较差 有水 , 级 板岩 , 围岩稳定性较好 , 石质较硬 , 无水 川‘ 级 千枚岩为主 , 夹少量板岩 , 并较稳定 完整性较好 , 少水 , 级 板岩 围岩稳定性较好 , 石质较硬 , 无水 , 川级 板岩与千枚岩互层 , 节理裂隙发育 , 围岩比前面变软 , 完整性 悠位子, 有水 , 级 板岩与千枚岩互层 , 节理裂隙发育 , 较破碎 , 涌水且水压较大 , 成股状 , 级 板岩为主 夹少 的千枚岩 并较稳定 完整性较好 , 少 水 , 级 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷 增 邓尤东 超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用 · 表 斜井。 一 段 岩体力学参数 序号 波形 里程 波波速 加 · 一 波速 密度 · 一 波 波 泊松比 一 剪切模量 服 拉梅常数 体积模量 动态弹 性模量 静态弹 性模量 几,山比月峥,‘,矛舟︸工曰,乙,‘内乙内‘,‘自 凡,‘,了, 、一门、︸,矛,少 咤一 气内、工 , 矛 , ,凡月了, , 一了﹃了 几内 , ‘ , 召 ”,石,‘,山,‘,‘,白,‘,‘,‘伟、︸ 二” ﹃勺肉 ,月呼 ‘产‘︸‘﹄月峥,‘﹃,矛‘心,仍,了目了乙,产六托︸︸ ‘‘且‘压位盈‘‘月盛‘卫且‘且‘皿‘ ,口乃 , 飞口︸月几月舟儿几︸门,﹄, 了 ‘ 加 超前地质预报的主要任务是为隧道施 工提供掌子面前方 一 范围内的地质情况 , 使隧道施工者对掌子面前方地质体 , 尤其是不良地 质体做到心中有数 , 提前作出应对 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 经过 次 的现场实践证明 , 花 的时间来判断掌子面前 方 左右范围内的地质情况是值得的 , 这种方 法在乌鞘岭隧道的施工中被广泛应用 。 超前地质预报费用 乌鞘岭隧道经常出现涌水 、 突泥及断层破碎带 等不 良地质情况 , 地质条件相当复杂 , 超前地质工 作尤为重要 , 其意义不同于一般的工作 。 除了为动 态设计提供依据外 , 更主要的是避免地质灾害的发 生 。 每做一次 超前地质预报的费用合计约 元 , 与处理塌体延长工期费用相比 , 工程成本 大大降低 。 关于 超前地质预报成果的看法 转变观念 , 机器不是万能的 , 主要靠人 。 地质预报的精确度是从不太准确到判断准确的 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net · · 岩石力学与工程学报 年 过程 , 只有重视了地质体的变化 , 对预报成果作出 准确的判断 , 并在实践中用所得的成果与现场揭露 的围岩进行对比 、 分析 、 查证 , 才能逐步提升预报 水平 。 采取宁多勿漏的原则 。 超前地质预报系统对反射面相当敏感 , 基本上可以揭露存在的所有反射面 , 但在预测成果 中出现的不 良地质体 , 在实际开挖后 , 可能会不存 在 。 因此 , 超前地质预报工作除了加强物探 方法的预报频度外 , 辅以超前水平钻探是必要的 , 只有多种方法相结合 , 才可以较准确地探明前方掌 子面的不 良地质情况 。 建 议 对于象乌鞘岭隧道这样地质条件复杂多变的情 况 , 建议采用以 超前地质预报系统作为长 距离宏观控制手段 , 以红外探水纳入地质素描作为 日常手段 , 同时以地质雷达 、 作为补充 , 加强 超前水平钻孔和地质综合分析的综合地质预报系 统 , 只有这样 , 才能对前方地质情况起到准确预 报 。 参 考 文 献 刘志刚 赵 勇 隧道隧洞施工技术 北京 中国铁道出版社 , 胡厚田 , 吴继敏 , 王 健 土木工程地质 】北京 高等教育出 版社 , 齐丽云 , 徐秀华 工程地质 】北京 人民交通出版社 中国科学院地质研究所 铁道部隧道工程局 军都山隧道快速施 工超前地质预报指南【 』北京 中国铁道出版社 , 铁道部第四勘测设计院 物理勘探基础知识 下册 】北京 中国 铁道出版社 , 李 忠 探测系统在新课纳隧进超前地质预报 中的研 究 地质与勘测 , 一 李 忠 , 汪 琦 新课纳隧道超前地质预报中 探测系统搜 索角研究 铁道工程学报 , , 一 一 陈成宗 工程岩体声波探测技术 北京 中国铁道出版社 , © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net