隧道反射层析扫描成像超前预报技术在隧道工程施工中的应用

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ＤＩ ５ ＋ ６ 。 Ｋ２ ２ ９ ６
应 用 方 法 论
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３）Ｔ Ｔ Ｒ 系统参数 。记录单元 ：使用２位ＡＤ ４ ／ 转换器 ， 所接收信号的频率范围为０ 赫兹一 ０ ． ７ ３ ０ ９ 赫兹 ；接收单元 灵敏度 ：１ ／；岩体Ｐ ｇ Ｖ 波波 速
为 ：３ ７ ／。 ０ｍｓ ３
代面 。在隧道 ＿程 的施工阶段 ，可靠 的超前 地质预报技术显 的尤为重要 。本文 ￣Ｔ Ｔ ００ Ｔ Ｒ ６０ 系统 为例 ，从工作 原理 、对 比分析 、实 际应用等 方 面进行系统 的分析 研究 。Ｔ Ｔ ０ ０ Ｒ ６ ０ 超前 预报技术在那 禄１ 隧道ＤＩ ２ ２ ９ ６ Ｄ Ｋ ５ ＋ ４ 段 的实 际运用 ，对提 前确定合 理的开挖 １ 、支 ＃ Ｋ ５＋ ６一 Ｉ ２３ １８ ： 法 护参 数提供 了依据 ，确保 了该 段施Ｔ 的安全 与质量 。
岩心呈碎块状，块状，颜色陈旧，厚５ １ ｍ，属Ⅳ级软石；弱风化层 ｍ一 ５
（ ＾ 钻 出岩心呈块状 ，短柱状 ，岩体较破碎 ，节理 、裂隙较发育，砂 ｗ ） 岩弱风化层属 Ｖ级 次坚石 ，泥岩弱风化层属Ⅳ级软石 ，砂岩与泥岩比例 为６ ４ ：。 ２ 工作概况。本次测试 日 ） 期为２ １￣ｏ Ｙ １ １，测试隧道掌子面位 ０ １ ５ｌ ８ ３
种 直 接 的 测量 。 Ｔ Ｔ ００ Ｒ ６ ０ 地质超前预报 系统是 利用地震波 的反射原理进行 地质预
报。预报时 ，通过垂击或激震器产生的地震波 ，地震 波在隧道中的岩体 内传播 ，当遇到一地震界 面时 ，如断层 、破碎带 、溶 洞 、大的节理面 等 ，一部分地震波就被反射 回来 ，反射波经过一短暂时间到达传感器后 被接收并被记 录主机记录下来 ，通过分析 ，被用来了解隧道＿ Ｔ作面前方 地质体的性质 （ 软弱带 、 破碎带 、断层 、 含水等 ），位置及规模。正常 入射到边界的反射系数计算公式如下 ：
围岩 岩体出现较 多的裂隙 ，岩体完整性 变差 ，
需 要 加 强 支护 。 里 程 Ｄ１ ２ ３ ０ ４７～Ｄ１ ２ ３ １ ８ ：该 Ｋ５＋７． Ｋ ５＋ ４段
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段 围 岩岩 体 出现 很 多 的小 裂 隙 ，岩体 完整 性 变差 。 ６）实际地质情况 。２ １ 年０ 月２ 日，掌子 ０１ ５ １ 面上导施 ｌ 至Ｄ Ｋ ５ ＋ ７ 时 ，现场记录掌子面 Ｔ １２２９２ 左侧 存在一处软 弱带 。２ １年Ｏ 月１ 日，掌子 ０ ７ ０ １ 面上 导施 工至Ｄ１ ２ ３ ０ ０ ，掌子面 为砂质夹 Ｋ ５ ＋ ８时 泥岩 ，青灰 色 ，弱风化 ，薄层 至中厚层状 ，局 部泥岩呈灰 黑色 ；层理 明显 ，倾角较陡 ，走 向 与线路夹 角约呈４ 度 ，倾 向小里程方 向；岩体 ５ 节理 发育 ，掌子 面揭示 ２ 组贯通 性节理 ，未 见 构造现象 ，岩体破碎 ，岩质软硬不均 ，完整性 较差 。围岩地下水 弱发 育。综合分析 ，围岩 整 体稳定性 较差 ，易发 生剥落掉块 。经业主 、 设
１ ）工作平台 ： Ｐ ｏ需要在距离掌子面约６ ２３ ０ｍ的隧道开挖支护面上 钻２ 或２个孔 ； Ｒ ６ ｏ 需要 在距离掌子 面约３ 的隧道开挖支护面上 ５ ６ Ｔ Ｔｏｏ ０ｉ ｎ 附着 ｌ＋传感器和布设１ 个震 源点 。Ｔ Ｔ ０ ０ Ｏ ２ Ｒ ６ ０ 相对于Ｔ Ｐ ０ 所需工作空 Ｓ２３ 间更小 ，有利于隧道开挖后围岩的及时封闭和衬砌。 ２ 震源 ： Ｓ ２３ 般采用爆破所产生的球面波作为震源 ；Ｔ Ｔ ０ ０ ） ＴＰ０－ Ｒ ６ ０ 采用锤击等可重复使用的方法作为震源。Ｔ Ｔ ０ ０ Ｒ ６ ０ 相对于Ｔ Ｐ ０ 不对初 Ｓ２３ 支背后的岩体构成破坏 ， 有利于围岩稳定。 ３ 预报距离 ：Ｔ Ｐ０ 的预报距离一般为１ ｍ １ ｍ Ｔ Ｔ ００ ） Ｓ ２３ ０ 一５ ； Ｒ ６０ 的预 ０ ０ 报距离一般为１０ 一０ 。 Ｒ ６ ０ 相对 于ＴＰ ０ 预报距离更长 ， ５ ３０ｍ Ｔ Ｔ ００ ｍ ｓ ２３ 能减 少预报次数 ，节约预报成本 。 ４ 预报效果 ： Ｓ ２ ３ ） Ｔ Ｐ ０ 对垂 直于 隧道 的不 良地 质体预报效果好 ，对 大角度斜交 的不 良地质体预报效果 不好 ；Ｔ Ｔ ０ ０ Ｒ ６ ０ 技术类似给隧道周围 岩体做ｃ ，能较好的反应各 角度不 良地质体。Ｔ Ｔ ０ ０ Ｔ Ｒ ６ ０ 相对于Ｔ Ｐ ０在 Ｓ ２３ 预报效果上更好 ，能更有效地防治不 良地质体 。
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３ 工程 实际应 用分 析 １ ）Ｔ程概况及原设计地 质情况 。那禄 １ 隧道位于广西 壮族 自治区 ＃ 百 色～ 阳圩区 间，双线 隧道 ，左右线线间距为４ ，设计为７１ 的单 ．Ｉ ６ｎ ． ‰
面上坡 ，全 隧均位 于直线段上 。隧道进 口里程Ｄ１ ２ ２ ８０。出 Ｖ里程 Ｋ ５＋ ０ Ｊ Ｄ１ ２ ３ ６ ０ Ｋ ５ ＋ ２ ．全长８ ０ｍ。本 隧Ｄ１ ２ ２ ８６ ２ Ｋ ５ ＋ ０ ￣发育一处断层 ，断层走 向 与线路走向交角为６ 。 ，断层附近岩性为砂岩 、泥岩 ，断层内位断层角 ５ 砾 ，破碎带宽度约４ ０ｍ；Ｄ１ ２ ３５ ９ Ｋ ５＋ ２ 处发育一逆断层 ，走 向与线路走 向 交 角 为 ６。 。 ６ 原勘测设计地质情况 ：隧区上覆第四系全新统坡残积层 （ ４ ） Ｑ ” 粉 质黏土 ，下伏基 岩为三叠系 中统百逢组上段 （ ，３ Ｔｈ ）砂岩夹泥岩 ，ｉ叠 系中统百逢组中段 （ ， ） Ｔｂ 砂岩 、泥岩，断层角砾岩 （ ｈ ） ２ Ｆｒ 。 预报段岩体岩性 如下 ：砂岩为青灰色 、灰绿色 ，中厚层状 ，钙质胶 结 ，细砂质结构 ，泥岩为灰色 ，泥质 、钙质胶结 ，含砂质，局部相变为 砂质泥岩 ，薄至中厚层状 ， 整套地层岩性 水平层理和韵律发育 ， 节理 、 裂隙较发育 ，岩体微含磷 。据钻探揭示 ，全风化层 （ ）岩心呈 土状 ， Ｗ４ 角砾状 ，手捏砂感重 ，厚０～１ ０ｍ，属 Ⅲ级硬土 ；强风化层 （ ）钻 ｗ
置安装１＋传感器 ，隧道左右边墙各布置 ５ ， ０ 个 锤击震源点共计 １个 ， ２
隧道左右边墙各六个。 检测范围 ：横向为中心线左右各 ２ ０ｍ，纵向为１ ２ ｎ ８ ，分析结果图 Ｉ
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中震 源 布置 点 、传 感器 布 置点 、掌 子面 层析 扫描成 像地 质图一 俯视 图及立体 图如 图所示 ， 掌子 面在 图 中的 位置 为 １ ｍ，掌子 面里 程 为 ８
关键 词 Ｔ Ｔ Ｒ ；超前 地质预报 ；隧道施工 中图 分类 号 Ｔ 文 献标 识码 Ａ ｕ 文章 编 号 １７— ６ １（ １） ２０２ —２ ６３９７一２ ２０ — １８０ ０ ２
随着我国经济建设的快速发展，高速铁路 、高速公路的里程正在飞 速增长 ，隧道工程也 因而大量施 工。我 国工程地质 的多样性 、复杂性 给隧道工程施工带来了一 定的难度。施工过程 中随时可能遇到断层 、暗 河 、破 碎带等不 良地质体 。如果防护不 当，可 能导致岩爆 、塌方 、涌 水 、突泥等地质灾害。这些灾害可能会影响施工进度 ， 甚至造成人员伤 亡 ，给 国家和人民带来严重的经济损失 ，给施工单位造成极大的负面影 响。因此 ，做好超前地质预报工作 ，能及时的调整隧道工程施工的工法 及 支护衬砌参 数 ， 对不 良地质体提前做好预防和整治措施 ， 能够有效 的 预防地质灾害的发生 。好的超前地质预报工作在隧道工程中的地位和作
４）分析结果 罔，见图１ ，图２ ，图３ 。 ５）预报 结 论 。通 过 勘 测 区域 的 地 震 波 反 射 扫 描 成 像 维 图 、Ｐ 波 速 、掌 子面 地 质 观 测 的 波 信息可以得 出如下结论 ： 里程Ｄ１ ２ ２ ９ ６ Ｉ ２２ ９ ６ ：该段存 Ｋ ５ ＋ ６ ～Ｄ Ｋ ５＋ ８ 段 在一些小裂隙，岩体完整性一般。 里 程 Ｄ１ ２ ２ ９ ６～Ｄ Ｋ ５ ＋ ６ ．段 ：该 段 Ｋ ５＋ ８ １ ２ ３ ０ ４７ 岩体 与掌子面相 比没有较大变化 ，岩体 完整性 般。
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里程 Ｄ Ｋ ５＂６ ８ Ｉ ２２ ６ ６ ￣ ９
图１ 层析扫描成像地质图— 俯视图
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里 程Ｄ１ ２ ３ ０４７～ Ｋ ５ ＋７ ． ：该 段 Ｋ ５ ＋６ ． Ｄ１ ２ ３ ０４ 段 ７
用 都 是 十 分重 要 的 。
解释依据 ：成像图采用 的是相对解释原理 ，即确定一个背景场 ，所 有解释相对背景值进行 ，异常区域会偏离背景区域值 ，根据偏离 与分布 多少解释隧道前方的地质情况 。反射体越多 、越离散代表岩体越破碎 。
２ Ｔ Ｔ Ｓ 的对 比分 析 Ｒ 与Ｔ Ｐ
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应 用 方 法 论
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隧道 反射层析扫描 成像
超前预报技术在隧道工程施工中的应用
吕红 军 （ 中铁 十九局集团第七Ｔ程有限公 司，广 东珠 海 ５ ９ ０ １ ０ ０）
摘 要 隧道 丁程 在勘测设计 阶段 ，由于勘测资源 的有 限性 和地质情况 的不确定性 ，造成 了隧道 通过 区域 的地 质情况在设 计时只能 是以点
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假设Ｒ 为反射系数 ， 为岩层的密度 ，ｖ ｐ 等于地震波在岩层 中的传播 速度 。地震波从一种低阻抗物质传播 到一个高阻抗 物质时 ，反射 系数是 正的 ；反之 ，反射 系数是负的。然后经Ｏ Ｒ ３ 软件进行分 析处理 ，对 — ＶＤ 地震波进行叠加 ，就得到清晰的异常体 的层析扫描三维 图象 。再通过对 异常体 的里程 、形状 、 大小 、走向 ，并结合 区域地质资料 、 跟踪观测地 质资料就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。
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目前，常用 的地质预报方法一般分为三大类：地质调查法 、 钻探法和
物探法。而隧道施工超前地质预报应 以地质分析为基础 ， 进行综合的超前
地质预报分析。在物理探测法中，使用最为普遍的就是地震波法。本为将 从工作原理 、 比分析 、 对 实际应用等方面对ｒ ｒ Ｒ 技术进行分析研究。 Ｉ １Ｔ Ｔ ０Ｏ Ｒ ６ ｏ 工作 原理 ＴＰ Ｓ 法是一种新颖 、快速 、有效 、无损的反射地震技术 。它是为隧 道超前地质预报而专门设计 的，可以在隧道施工 、地下矿藏 、洞穴 和地 下墓穴开挖前提供帮助 ， 目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方 其 的三维空间 的工程地质预报。Ｔ Ｐ Ｓ 和其他反射地震波方法一样 ，采用 了 回声测 量原理 。地震 波在 指定的震源点 （ 常在隧道的左边墙或右 边 通 墙 ，大约２ 个炮点布成一条直线 ） ４ 用小药量激发产生 。 地震波在岩石中 以球面波形式传播 。当地震波遇到岩石物性界面 （ 即波阻抗差异界面， 例如断层 、岩石破碎带和岩性变化等 ） ，一部分地震信号反射 回来 ， 时 部分信号透射进入前方介质。反射 的地震信号将被高wenku.baidu.com敏度 的地震检 波器接收。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正 比，故而能提供