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探地雷达技术在隧道超前地质预报中的应用--王亮

探地雷达技术在隧道超前地质预报中的应用

汇报人:王亮(工学博士)

移动电话:139********

E-mail:wltey@https://www.doczj.com/doc/5610380515.html,

中铁二院工程集团有限责任公司

2012年10月南昌

汇报内容

一、超前地质预报工作是隧道施工信

息化管理的需要

二、隧道地质风险等级划分

三、隧道超前地质预报技术发展现状

四、铁路隧道超前地质预报工作模式

五、探地雷达技术在隧道超前地质预

报中的应用

六、采用探地雷达方法进行隧道超前

地质预报实例介绍

一、超前地质预报工作是隧道施工

信息化管理的需要

1、隧道施工常见不良地质

由于隧道工程的地质条件和水文条件复杂多变,使得隧道开挖极具风险。

隧道施工常见的不良地质大致有以下几种:

▲岩溶、岩石破碎、断层、裂隙发育

▲岩体变形、岩爆、塌方、涌水突泥

▲有害气体的突然溢出,产生爆炸或高放射性

▲高地温和高寒地区的冻融灾害。

2、不良地质容易造成的灾害(后果)

▲岩爆、高地应力等→隧道周围的围岩变形或垮塌

▲岩石破碎、小煤窑等→局部塌方或大范围垮塌

▲岩溶、断层、裂隙等→涌水突泥

▲瓦斯、天然气、二氧化硫等→有害气体溢出、燃烧或爆炸

最终,造成机械设备损坏、人员伤亡、工程停工、工程成本大增等等。

3、隧道施工信息化管理

减少或避免隧道施工中的各种灾害发生,降低各类风险;加强安全质量的管控。

隧道施工信息化管理是地下工程施工中必须实施项目。它可以随时向管理部门提供地下工程施工中的各种信息,使施工过程处于监控状态。

隧道超前地质预报就是隧道施工信息化管理的重要内容之一。

4、隧道超前地质预报概述

隧道超前地质预报是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的重要基础。

隧道超前地质预报是在施工隧道掌子面上或其附近采用适当的方法(地质、钻探和物探等)对掌子面前方的地质状况进行准确预报,科学地指导下一道施工工序,降低或避免机械设备损坏、人员伤亡、工程停工等现象的发生。

二、隧道地质风险等级划分

根据隧道不同段落的地质复杂程度,通常将隧道的地质风险分为以下四级:

1、复杂:存在重大地质灾害隐患的地段,如:大型暗河系统,可溶岩与非可溶岩接触带,软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带,特殊地质地段,重大物探异常地段,可能产生大型、特大型突水突泥地段,诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯、天然气严重的地段等。

2、较复杂:中型突水突泥地段,较大物探异常地段,断裂带等。

3、中等复杂:水文地质条件较好的地段、小型断层破碎带,发生突水突泥的可能性较小。

4、简单:工程地质条件和水文地质条件较好,发生地质灾害的可能性极小。

三、隧道超前地质预报技术发展现状

1、早在国外(如:英、法、日、德等国家)均将该方法列为隧道工程建设的重点研究内容。

2、我国的隧道超前地质预报研究始于二十世纪50年代末,但真正应用于隧道工程(或其它地下工程)建设是在二十世纪70年代,到了二十一世纪初期,它得到了大量应用和发展。

3、从采用的预报方法来看,一般采用地质、钻探和物探三大类。

4、从物探的应用来看,我国铁一院的曾兆璜在1991年提出地震负视速度法。后来,瑞士安伯格技术公司研制了TSP202、TSP203和TSP303超前预报技术,美国又研制了TRT与TRT6000超前预报技术,国内一些学者又将地陆地声纳法、声波 HSP水平剖面法、TGP206超前预报技术、TST隧道超前预报技术、雷达方法、瞬变电磁法和红外探测方法等应用到隧道超前地质预报中。

5、目前,各工程项目建设中,因种种原因,采用预报方法各不相同,预报工作模式也千差万别,其预报的效果也各不相同。

四、铁路隧道超前地质预报工作模式

1、方法选择:全隧道采用地质调查法,全隧道采用弹性波反射法(TSP),复杂段常和异常段落辅以地质雷达方法、红外探测法、瞬变电磁法和钻探法(瓦斯隧道例外)。

2、解释原则:坚持多种物探相结合,坚持物探与地质、钻探相结合的解释原则,提高预报准确率。

3、工作模式:

▲收集资料:前期的地形、水文、地质资料,前期钻探资料,前期物探资料,隧道施工设计资料等。

▲对全隧道进行地质风险等级划分。

▲超前地质预报方法的确定。

●复杂: 在地质调查法的基础上,以超前钻探法和加深炮孔探测为主,并综合弹性波反射法(TSP)长距离预报、地质雷达法

和红外探测法的短距离预报相结合的方式进行预报。

●较复杂:以地质调查法为基础,以弹性波反射法(TSP)为主,辅以红外探测法和地质雷达探测法,必要时采用超前钻探法验证。

●中等复杂:以地质调查法为基础,以弹性波反射法(TSP)为主,当TSP探测发现前方存在异常时,采用红外探测法和地质雷达探测法对前方的地质情况进行探测,必要时采用水平钻法验证。

●简单:以地质调查法为基础,以弹性波反射法(TSP)探测为主,当TSP发现前方存在节理裂隙密集带时,采用红外探测法和加深炮孔法对前方的地质情况进行探测。

▲资料解释与预报成果提交:快报(1天内),正式报告(3天内)。

▲信息反馈:钻探资料和开挖资料收集→对比分析物探预报成果→提高下一次预报准确率。

五、探地雷达技术在隧道超前地质

预报中的应用

1、基本原理

采用地质雷达方法对施工隧道掌子面前方进行超前地质预报时,由发射天线向掌子面前方的岩体内发射电磁波,当电磁波传至两种不同介质的分界面(如:断层、洞穴和岩层分界面等)时,由于两种介质的介电常数存在差异而使电磁波在界面处会发生反射、折射和透视等现象,入射波、反射波和折射波的传播遵循反射定律和折射定律,反射波返回被接收天线所接收,形成雷达图像。

图5.1 电磁波在空洞和岩层分界面处反射示意图

如图5.1所示,由发射天线(T)将电磁波送入掌子面前方岩体内,电磁波在传播过程中遇到洞穴后,一部分波反射后返回掌子面被接收天线(R)接收,电磁波旅行时间为:

t

=(5.1.1)

v

在(5.1.1)式中,x为发射天线与接收天线之间的距离,h为掌子面前方洞穴的埋深,t为电磁波从掌子面传播至洞穴反射回来的双程时间,v为电磁波在掌子面前方介质

中的传播速度。

对于自发自收天线,发射天线(T )与接收天线(R )间的距离很小,相对探测深度而言,可以认为天线距0x →,则有: 2h t v =,即:

1

2

h vt = (5.1.2) 由(5.1.2)式可以计算掌子面前方洞穴的深度。

2、探地雷达法在隧道掌子面上的工作特点

▲异常图像直观、工作效率和分辨率高→广泛应用到隧道超前地质预报探测中。

▲分辨率高→对异常探测准确。

▲天线→一般采用100MHz屏蔽天线。

▲掌子面的工作范围小→测线长度短、条数少。

▲掌子面平整度差→天线与掌子面耦合不理想。

▲探测深度有限→一般探测15~20米,岩层好的硬质岩可达30米。

3、测线布置

由于掌子面空间有限,在掌子面上分别沿水平方向和竖直方向各布3~4条测线(如图5.2所示)。一般采用连续测量方式,不能连续测量的可采用点测方式。

图5.2 掌子面上测线布置示意图

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