地质雷达与TSP在隧道超前地质预报中的使用对比分析
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d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.04.025地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用董伟伟,麦燕午(葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌443002)摘 要: 超前地质预报技术为隧道的安全施工提供强有力的保障㊂该研究以新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道为研究对象,考虑到宜昌山区喀斯特地貌丰富,隧道建设大概率会遇到溶洞等地质问题,采用地质雷达法对槐树店隧道进行超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判在槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂关键词: 地质雷达法; 隧道; 超前地质预报A p p l i c a t i o no fG e o l o g i c a lR a d a rM e t h o d i nA d v a n c eG e o l o g i c a l P r e d i c t i o no fT u n n e l C o n s t r u c t i o nD O N G W e i -w e i ,MA IY a n -w u(C h i n aG e z h o u b aG r o u p T e s t i n g C o ,L t d ,Y i c h a n g 443002,C h i n a )A b s t r a c t : T h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n t e c h n o l o g yp r o v i d e s a s t r o n gg u a r a n t e e f o r t h e s a f e c o n s t r u c t i o n o f t h e t u n n e l .T h i s s t u d y t o o k t h en e w l y b e i n g b u i l tH u a i s h u d i a nT u n n e l o f t h eD a n g y a n g -Y u a n ᶄa nB r a n c hR a i l w a y a s t h e r e -s e a r c ho b j e c t ,c o n s i d e r i n g t h a t t h ek a r s t l a n d f o r m s i nY i c h a n g M o u n t a i n s a r e r i c h ,a n d t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s l i k e l y t o e n c o u n t e r g e o l o g i c a l p r o b l e m s s u c ha sk a r s t c a v e s ,t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dw a su s e dt oc a r r y o u t t h ea d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o no f t h e H u a i s h u d i a nT u n n e l .R e s u l t ss h o w e dt h a t t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dh a sa d v a n t a g e s i n p r e d i c t i n g k a r s t c a v e d i s a s t e r ,a n d s u c c e s s f u l l yp r e d i c t e d t h e e x i s t o f k a r s t c a v e i n t h e s e c t i o no fD K 54+745~D K 54+753i n f r o n t o f t h e f a c e o f t h eH u a i s h u d i a nT u n n e l .K e y wo r d s : g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o d ; k a r s t t u n n e l ; a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n 收稿日期:2022-05-11.基金项目:中国能源建设股份有限公司重大科技项目(C E E C 2021-Z D Y F -16).作者简介:董伟伟(1991-),工程师.E -m a i l :1579285000@q q .c o m 公路和铁路为人民日常出行提供了很大的便利,尤其对于山区而言,公路和铁路是将其与外界连接的重要通道㊂在山区修建公路和铁路比在平原地区难度更大,因其面对的地形㊁地质条件等更加复杂[1]㊂例如,为了使线路尽可能平顺,保障行车速度,往往需要架桥或者修建隧道,因而山区公路和铁路的桥隧比一般都很高[2]㊂面对复杂的环境,快速识别相关风险因素是保证桥梁及隧道建设及服役安全的重要前提㊂如隧道建设常出现的溶洞㊁涌水突泥等灾害与围岩等级㊁岩体发育特征等息息相关[3]㊂如何快速㊁准确地识别或者预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键㊂为保障隧道建设的安全,隧道施工时工程人员迫切想掌握掌子面前方的地质情况,隧道超前地质预报技术应运而生㊂常见的超前地质预报方法主要有:以T S P 等设备为代表的地震波法[4]㊁以地质雷达为代表的电磁波法[5]㊁以激发极化为代表的电法等[6]㊂这些方法适用场景各不相同,为获取地层岩性㊁结构面产状㊁富水岩层㊁断层㊁溶洞等地质信息提供了便利,也为隧道的安全施工提供了重要保障㊂研究依托位于湖北宜昌山区的槐树店隧道实体工程开展超前地质预报工作㊂地下与地表水对可溶性岩石不断溶蚀㊁沉淀形成的喀斯特地貌广泛分布于湖北宜昌山区㊂因此,针对宜昌山区新建隧道开展超前地质预报时,非常重要的一项任务就是及时探明掌子面前方是否有溶洞的存在㊂大量研究表明地质雷达法对隧道岩溶地层的溶洞与岩溶水㊁破碎带等有较好的识别能力㊂因此,采用地质雷达法对位于湖北宜昌山区的槐69建材世界 2022年 第43卷 第4期树店隧道开展超前地质预报工作㊂1 工程介绍新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道段位于湖北省宜昌市远安县洋坪镇,起止里程为D K 54+540~D K 57+440,隧道全长2900m ,最大埋深312m ,其中Ⅲ级围岩1090m ,I V 级围岩1540m ,V 级围岩270m ;隧道进口采用端墙式洞门,出口采用环框式洞门;进口内轨设计标高271.748m ,出口内轨设计标高299.360m ㊂全隧道共设置洞室96处,其中小避车洞室77处,大避车洞室11处,弱电设备洞室2处㊂2预报原理 地质雷达法(G P R )超前地质预报主要是基于掌子面前方不同介质的电性(介电性和导电性)差异实现的,其包括两个主要的阶段:向岩体发射高频电磁波,再接收和解析介质反射的电磁波,如图1所示㊂具体的实现过程为:由发射天线将高频电磁脉冲波送入掌子面前方岩体,当高频电磁脉冲波在传播过程中遇到不同目标体(断层㊁空洞等)的电性介面时,部分反射回来的电磁波被接收器所接收㊁记录,并获取电磁波从发射到反射回来被接收所用的时间,当电磁波在介质中的传播速度已知时,即可确定目标体的位置㊂因此,地质雷达技术是由已知条件推断未知情况的一种方法㊂电磁波在介质中的传播速度主要由介质的相对介电常数决定,电磁波在传播过程中,当遇到不同的波阻抗界面时,将产生反射波和折射波,反射波能量大小取决于反射系数R ,计算式如式(1)所示,ε1㊁ε2分别为反射界面前后介质的介电常数㊂反射系数的大小取决于介质的介电常数差异,差异越大,反射系数越大,则越容易被地质雷达探测到㊂岩体的介电常数一般为4~8,水的介电常数为81,空气的介电常数为1㊂R =ε1-ε2ε1+ε2(1)3 数据采集及处理过程预报里程范围为D K 54+732~D K 54+762,长度30m ,采用的主要设备为MA L A P r o E x 型地质雷达㊂数据采集工作包括4个步骤:掌子面测线布置㊁仪器调试㊁雷达参数设置㊁激发并接收数据,具体实施过程为:选取距离隧道底部5m 左右的水平线作为掌子面测线;将天线与雷达主机连接,启动设备,检查设备状况;在开始采集前,为了提高精度,要进行雷达参数的设置,根据实际情况选择采样频率等参数;数据采集采用人工点测的方式,沿事先布置好的测线移动雷达设备,逐点激发并收集㊂地质雷达采集数据的处理步骤则主要包括去失真处理㊁水平信号去除㊁静校正㊁增益㊁带通滤波㊁二维滤波等㊂4 结果分析通常采用波形图表示雷达图像,如图2左侧㊂但当采用探地雷达进行连续测量时,由于采集的电磁脉冲数非常多,继续采用波形图则难以清晰表述雷达图像特征,此时可将波形图转换为灰度图,如图2右侧㊂波形图转换为灰度图的具体原理为:将没有反射信号的区域描绘为灰色,表示这些区域的反射信号振幅弱,没有有效反射㊂将反射界面的波谷相位描绘为黑色,波峰相位描绘为白色,即用黑色和白色表述出了信号的相位;黑色和白色的强度表述出了信号的振幅,即越黑或越白就表示振幅越强,该处的反射信号越强㊂桩号D K 54+732~D K 54+762的区段范围对应的地质雷达剖面波形图和灰度图分别如图3和图4所示㊂具体来看,在掌子面前方0~200n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度0~10m ),对应桩号D K 54+732~D K 54+742的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,结合79建材世界 2022年 第43卷 第4期地勘资料推测该区段围岩与掌子面相近㊂在掌子面前方200~420n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度10~21m ),对应桩号D K 54+742~D K 54+753的范围,掌子面前方有多组明显的电磁反射波,同相轴局部连续,振幅较强,频率中等偏低㊂结合地勘资料,初步判断此区段围岩较掌子面变差,节理裂隙发育,岩体破碎㊂且在D K 54+745~D K 54+753区段,有溶洞发育,溶洞边界非常清晰;溶洞首先在掌子面右侧揭露,且该溶洞可能有水填充,开挖至该桩号附近时应注意防范突水突泥等地质灾害㊂在掌子面前方420~600n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度21~30m ),对应桩号D K 54+753~D K 54+762的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,推测该段围岩较前段围岩完整性稍好㊂结合槐树店隧道具体开挖情况来看,基于地质雷达的超前地质预报结果与实际情况一致㊂进口掌子面开挖至D K 54+745时,掌子面右侧揭露一溶洞,溶洞中有股状水流,溶洞揭露部分宽度约3.5m ㊂5 结 论考虑到宜昌山区多为岩溶地质构造,采用对岩溶地层溶洞与岩溶水具有较好识别能力的地质雷达方法,对新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道D K 54+732~D K 54+762里程段进行了超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂参考文献[1] 黄 陈,陈 谊.山区公路路线设计的特点与策略探讨[A ].2020万知科学发展论坛论文集(智慧工程二)[C ].西安:中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会,2020:715-723.[2] 叶林海,陈修和,李 诚.安徽省高速公路隧道照明节能的实践与思考[J ].中国交通信息化,2011(4):105-107.[3] 许崇帮,王华牢.杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析[J ].公路交通科技,2019,36(8):93-99.[4] 洪卫良.基于T S P 地震波法的长大隧道不良地质探测[J ].土工基础,2012,26(1):60-62.[5] 吴 俊,毛海和,应 松,等.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J ].岩土力学,2003(S 1):154-157.[6] 聂利超,李术才,刘 斌,等.隧道激发极化法超前探测快速反演研究[J ].岩土工程学报,2012,34(2):222-229.89建材世界 2022年 第43卷 第4期。
GPR地质雷达法与TSP法在隧道超前地质预报中的运用摘要:介绍TSP法和地质雷达法的原理及数据处理中的注意事项,通过工程实例,验证了长距离预报手段(TSP法)与短距离预报手段(地质雷达法)相结合,可更精确地预报隧道工作面前方的地质情况。
关键词:GPR地质雷达法;TSP法;隧道超前地质预报;运用引言超前地质预报最早出现在上世纪的后期阶段,本身属于地质工程学当中的重要内容,我国对于这一内容的研究已经有了相当长的历史,并且在得到了一定的研究成果以后,开始广泛应用在各种地质工程建设当中,尤其以隧道最为明显。
伴随着铁路、公路的持续完善,隧道的长度也得到了实时的增加,而在隧道长度增加的过程中,所涌现出来的问题也越来越多。
为了实时避免由于地质问题而产生的各种工程事故,GPR地质雷达法与TSP法都被合理地应用到了隧道超前地质预报当中,而且发挥了相当高的实效性。
1、地质雷达原理地质雷达是用电磁波来确定地下介质分布的一种方法。
电磁波遇到不同反射界面(如地层分界面、溶洞、富水带等),其传播路径随通过介质的不同而变化,过程中会产生反射、折射、散射、绕射及吸收等现象。
根据天线接收到的反射脉冲波的振幅、相位、波长、频率等特征进行分析,便能够大致推测界面或异常区的空间位置及分布变化情况。
其工作原理见图1。
图1 雷达超前预报工作原理示意图2、TSP法探测原理TSP法是一种类似于零偏移距VSP地震多波反射波法,是专门为隧道超前地质预报而设计的,对隧道施工能够提供有效的帮助。
TSP法在指定的震源点用小量炸药激发而产生的地震波,以球面波的形式在岩石中传播。
当在传播过程中遇到岩石分界面时,一部分波被反射,被高灵敏度的地震检波器接收,一部分则经过折射继续向前传播。
反射信号的传播时间与界面距离成正比,反射信号的强度与相关界面的性质、界面产状等密切相关,因而能提供直接测量。
探测时,在选定的隧道侧壁上布置24个爆破探测孔,从掌子面与隧道壁的相交处开始布置第24号孔,依次到1号孔。
密级:公开TSP-202与地质雷达在超前地质预报中的应用Application of TSP-202 and GroundPenetrating Radar in GeologicalPrediction(申请石家庄铁道学院授予工学硕士学位论文)培养单位:土木工程分院专业:桥梁与隧道工程研究生:赵洪丽指导教师:刘志刚教授二○○七年十二月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。
签名:日期: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:导师签名:日期:摘 要近年来,隧道超前地质预报工作在我国越来越受到重视,许多隧道工程中都采用了相应的超前预报技术,对掌子面前方地质灾害进行了成功的预报,为设计和施工单位提供科学的参考依据。
但是客观地说,隧道超前地质预报在预报方法和手段上存在一定的局限性和尚未解决的一些难题,还需要对复杂地质条件下的隧道超前地质预报技术进行更深入的研究。
在将目前普遍采用的各种超前地质预报方法进行分类的基础上,介绍我国隧道施工超前预报采用的工作方法。
TSP探测技术是长期预报的重要手段,阐述了TSP-202进行超前地质预报的基本理论,包括地震波的传播规律、弹性力学理论和地质力学理论;分析影响所采集的地震波数据质量的激发和接收因素,包括接收器和震源钻孔的布置方式、接收器与围岩的耦合、震源炸药的选择问题。
以宜万铁路红瓦屋隧道作为研究与工程实践背景,运用地质力学关于“构造体系”和“构造型式”的知识,得出了影响红瓦屋隧道岩溶发育的地质构造因素;通过分析岩溶地质的成因特征,确定了影响隧道施工的岩溶地质类型;探讨岩溶地质条件下的TSP-202解译技术,分析了影响岩溶地质预报准确性的因素。
隧道工程—超前地质探测与预报方法根据隧道工程地质条件,结合以往施工中在超前地质探测与预报方面所积累的经验,拟采用TSP203地质预报系统、地质雷达、超前钻探法、红外线探水仪等进行地质预报,并预测开挖工作面前方一定范围内围岩的工程地质和水文地质条件。
初步确定本次施工采用以下方法进行超前地质探测与预报。
一、TSP203超前地质预报系统TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况。
它是在掌子面后方边墙一定范围内布置一排爆破点,进行微弱爆破,产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播,当岩石强度发生变化,比如有断层或岩层变化时,会造成一部分信号返回,界面两侧岩石的强度差别越大,反射回来的信号、返回的时间和方向,通过专用数据处理软件处理,得到岩体强度变化界面的信号也就越强。
返回信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大,根据信号返回的时间和方向,通过专用数据处理软件处理,就得到岩体强度变化界面的位置及方位。
TSP203地质预报系统实际操作中有如下特点:适用范围广,适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况;距离长,能预测掌子面前100m~200m范围内的地质状况,围岩越硬越完整预报长度就越大;对施工干扰小,可在施工间隙进行,即使专门安排时间,也不过一小时左右;TSP203地质预报系统现场测试示意见下图。
图 TSP203地质预报系统现场测试示意图提交资料及时,在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。
采用专用处理软件,将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。
将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后,可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质相对于隧道的空间位置,计算机自动绘出弹形波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。
但也存在预报准确性和预报精度方面的问题,需要采用其他预报手段来补充和完善。
数据处理流程见图3-5-4。
关于地质雷达和TSP法在隧道超前地质预报中的应用作者:李树凯来源:《卷宗》2020年第09期摘要:关于地质雷达和TSP法在隧道超前地质预报中的应用分析,首先需要对地质雷达技术、TSP法应用进行分析。
超前地质预报是地质工程学中重要的内容,我国对此内容研究有了很长时间,并且得到一定的成果,可以有效应用到各种地质工程建设中。
随着铁路和公路的持续完善,隧道的长度也会随着增加,同时出现很多地质问题,出现各种工程安全事故,所以地質雷达和TSP法已经被应用在隧道超前地质预报中,有效发挥自身价值作用,从而全面阐述地质雷达和TSP法在隧道超前地质预报中的应用重要性。
关键词:地质雷达;TSP法;隧道超前地质;预报应用1 地质雷达技术概述目前,我国最先进的电磁波是地质雷达技术得一种,通常应用社会各个领域,这一技术在我国工程检测中取得很好效果。
通常在具体实践中,相关工作人员和专家能够更好的掌握该项技术,应用地质雷达对质量进行检测,降低外部环境的干扰,例如;电流干扰和电磁干扰等,都能够起到有效保护作用,从而保证质量的检测结果。
同时,在隧道工程质量检测阶段,使用地质雷达,不会对隧道工程的紧密度造成影响。
地质雷达的使用是比较简单方便的,同时测量结果具有一定得明确性,最后的检测数据为后期工作奠定良好的基础。
总而言之,地质雷达技术的优势,是先进质量检测技术,对隧道工程的质量工作起到很大的作用,完善和解决工作中隐患,进一步地为隧道运营发展创造有利条件。
2 地质雷达技术的应用原理我国经济水平的提高,社会竞争越来越激烈,需要科学者对技术进行创新,在一定程度上推动中国工程的发展,同时采用相应检测技术,建筑质量得到保证。
但是在这个阶段,很多建筑工程的质量检测,都需要对工程地理信息进行检测和处理,为后期工作做好铺垫。
基于此,我国的检测手段不完善,对隧道工程质量造成很严重的影响。
地质雷达是一种先进技术,在施工阶段,能够及时的发现隧道地下障碍物,及时解决问题,提高工程质量。
超前地质预报(地质雷达法)和半航空物探(半航空瞬变电磁法)在隧道工程施工的运用摘要:复杂的地质条件和地质灾害是隧道施工中的难题,发生地质灾害将造成巨大的生命和财产损失。
因此,可靠地探测地质缺陷特征,如断层、岩溶洞穴和地下水,具有重要的现实意义和理论价值。
本文介绍了超前地质预报(地质雷达法)和半航空物探(半航空瞬变电磁法)在隧道工程施工的运用。
引言在中国,许多大型项目正在进行中水利、水利等建设水电站、铁路、公路、能源储存和运输系统,以及地下矿山。
这些项目为我们提供了一个重要的机会地球工程的进展。
然而,严重的由于环境复杂,也存在挑战地质条件和潜在地质灾害在隧道施工过程中,造成了巨大的生命损失还有财产。
因此,改进地质缺陷的探测能力是非常重要的,例如探测断层、溶洞和地下水涌出。
中国在建隧道具有长度长、体积大的特点覆盖层和复杂的地质条件。
例如,宜昌至万州铁路建在山区,以高风险岩溶程度高的突水危险。
该地区已发现严重的突水危险马鹿青隧道和沿途的野三关隧道宜昌至万州铁路发生严重伤亡事故经济损失。
在水电工程领域,北京锦屏二级水电站副洞四川省有2375米深和17.5公里深长覆盖层使隧道埋在下面极高的地应力。
1.隧道工程施工的探测技术1.现有的探测技术在这下面在这种情况下,隧道的施工可以受到潜在岩爆的影响通过释放地应力,尤其是在不良地质条件,如断层、软弱岩石特征和地下水。
地质灾害防治研究在隧道施工过程中已经成为一个重要的问题中国的问题,包括相关机制治疗技术和探测技术。
地质缺陷特征的探测在危险控制中起着重要作用本文提出。
目前,探测地质灾害的方法危险源可分为两类:地质调查和地球物理勘探。
地质调查包括工程地质分析、先导开挖和岩心钻探,同时地球物理勘探包括地震、电磁和地质雷达方法。
每种方法它有自己的优点和缺点。
2、隧道工程施工探测的难点可靠探测的挑战性问题包括:(1)故障的识别和定位,裂缝、溶洞和地下水体(如地下河);(2)含水层探测;(3)探测的解释结果在多种解释的背景下物探成果及优化探测方法的选择。
44交通科技与管理工程技术0 引言近年来,随着我国经济水平的蓬勃发展,我国开始注重完善基础设施建设,增加各类高速铁路、高速公路的建造量,除此之外也建造了大量如隧道工程般的隐蔽工程。
由于隧道工程是处于地下环境中的隐蔽工程,复杂多样、无法预知的地质因素为隧道工程带来了极大的影响和挑战。
在隧道工程的前期勘测阶段,容易因时间、技术和经济等因素影响勘测结果,导致设计结果与实际施工环境不匹配的情况。
而在施工过程中,尤其是在地质复杂的区域,易出现如地层破碎带、断层、溶洞、地下暗河等对施工不利的条件,若无法提前预测前方地质情况,不仅会影响正常施工,还会对施工队伍的安全造成威胁,造成较大的人员和经济损失,因此隧道地质超前预报对隧道工程具有重大意义。
隧道超前预报检测中常用的方法有:地质雷达法、红外探水法、TSP 预测法、超前钻探法等。
地质雷达法由于具有操作简单、成本较低、高效便捷、不会对施工环境造成影响等优点,且对于破碎岩体、溶洞等复杂地质探测效果较好,被广泛运用于隧道超前预报监测之中。
本文就地质雷达法对贵州某铁路隧道在建工程进行隧道超前预报检测,对地质雷达法在隧道超前预报监测中的准确性进行论述和验证。
1 地质雷达探测原理地质雷达是一种电磁无损探测技术。
通过向地下发射频率通常在106 Hz~109 Hz 的高频窄脉冲电磁波,对接收到的反射波形的振幅、波形、频率等特征进行分析,进而推断地质因素的探测技术。
该方法的理论依据是,探测对象内部存在明显的介电性差异,电磁波遇到地址分界面会产生不同的反射、散射差异,对于接收到的反射波形的差异进行相关分析,即可推断隧道前方是否存在不良地质,并对不良地质的空间位置、规模等信息进行推测。
2 雷达数据处理基本理论 (1)三振相:香味、振幅、频率。
三振相即瞬时相位、瞬时频率和瞬时振幅,是隧道超前地质预报中不可或缺的三个指标。
相位:一个垂直的单道波形的波峰和波谷可以直观地表达出波形的相位,每一个完整的信号周期都至少包含一个波峰和波谷,地下不同的介质的接触面反射的电磁波会在地质雷达探测设备上显示出一个完整的反射信号周期。
TSP探测在超前地质预报中存在的问题及解决方法摘要准确预报开挖前方的地质条件是隧道建设者们的迫切要求。
近几十年来世界各国都把这类问题列为重点的研究课题。
准确而有效的超前地质预报工作,不仅可为施工单位节约大量成本,加快施工进度,更重要的是提高隧道工程的施工质量,所以隧道施工中超前地质预报应用也越来越广泛。
本论文首先简单介绍了TSP探测技术的基本原理。
其次,简单分析了一下TSP探测在使用过程中存在的问题和对如何提高探测的准确度。
最后,针对TSP 探测存在的问题,提出解决方法。
其中重点总结突出TSP探测在隧道、涵洞等施工中的重要性。
超前地质预报能使施工单位准确、全面地掌握隧道开挖山体的地质情况,对超前地质预报一定要准确进行。
超前地质预报能是施工单位确定施工方案,选择施工工艺,确定衬砌类型,开挖方式,爆破方式等。
超前地质预报是施工的指南针,TSP探测是超前地质预报的指路明灯。
ABSTRACTAccurately forecast the geological condition in front of the excavation is the urgent request of tunnel builders.All countries in the world in recent decades to such problems as the research subject.Accurate and effective advance geological forecast work, not only can save a lot of cost for construction unit, to speed up the construction progress, more important is to improve the quality of tunnel engineering construction, so advance geological forecast in tunnel construction is becoming more and more widely applied.This paper first briefly introduces the basic principle of TSP detection technology.Secondly, a simple analysis of the TSP exploration on the problems existing in the use process and how to improve the accuracy of detection.Finally, aiming at the existing problem of the TSP exploration, and put forwardsolutions.Highlight the TSP detecting which emphatically summarized importance in construction of the tunnel, culvert, etc.Advance geological forecast can make the construction unit accurately and comprehensively grasp the geological situation of mountain tunnel excavation, to advance geological forecast must be accurate.Can advance geological forecast is the construction unit to determine construction scheme, construction technology, determine the lining type, excavation method, blasting methods and so on.Advanced geological prediction is the construction of the compass, the TSPdetecting is the beacon to advance geological forecast.Key Words:tunnel-seismic-prediction error radar seismic-wave tunnel look-ahead hole geology目录摘要错误!未定义书签。
地质雷达与TSP在隧道超前地质预报中的使用对比分析
摘要:现如今我国基础建设的发展非常迅速,隧道工程也在蓬勃兴起,人们对隧道的地质和质量问题也逐渐重视起来。
地质雷达勘察是最近几年应用较多的方法,其特点在于分辨率高、效率高。
本文就对地质雷达仪器和TSP法进行对比分析,明确两种技术的优缺点,并分析了在今后的工程中如何使两种仪器相互印证,提高地质检测的准确程度。
关键词:隧道;地质雷达;TSP;对比
在隧道地质检测工作中,重点在于掌握掌子面附近的围岩信息,能够对不同的围岩状况使用不同的施工工法。
现如今比较常见的两种探测工具分别为TSP和地质雷达仪器,这两种仪器的使用范围越来越广,本文就对两种仪器进行对比,分析两者的长处、弥补存在的短处,推动隧道地质检测工作更好的开展。
1、工程实例
某隧道为上下行分离的高速公路隧道,隧道左线起讫长度为3289米,右线起长度为3238米。
左线掘进到ZK32+280处时掌子面拱顶的位置出现涌水,由于渠道掘进方向为反坡段,掌子面同渠道的孔口之间相距15m,积水不能及时的排除,导致隧道中存在少量积水,掌子面位置的积水最深能够到达1.3米,最终导致隧道暂停施工。
本隧道左线掌子面围岩的材料为风化岗岩,比较坚硬,大多节理宽度低于1毫米,结构面为闭合状。
节理2组的间距为0.55米左右,隧道的走向为265度。
通过对隧道的实际情况进行严格的勘察能够看出,这段围岩为三级围岩,为了了解掌子面附近的地下水状况,同时了解地质构造,该工程中分别使用了TSP和地质雷达仪器对围岩进行检测。
2、TSP、雷达仪器技术分析
2.1 TSP仪器
2.1.1 TSP探测仪
在本工程中使用的探测仪为TSP203系统,该仪器的主要构成部分包括记录单元、接收单元、爆炸装置等。
2.1.2 TSP操作
在进行检测之前要先在隧道的墙边布设一条侧线,沿着测线的走向布置一些炮点,以此激发小型人工地震。
通常情况下采集数据能够在任意边墙上进行,如果断层最先出现在隧道的右边则炮点就应布置在隧道的右侧;为了更加清晰的探测到隧道围岩可以使用一个炮点剖面两个接受单元;对于一些比较复杂的隧道,可以在隧道的两边使用两个炮点刨面进行检测。
2.2雷达仪器技术
2.2.1工作原理
使用地质雷达测试仪进行地质的检测,首先由发射天线
向地下介质发射高频电磁脉冲波,由接受天线接受反射波,通过反射波的幅度和波形来分析介质的结构,地质雷达检测过程中使用的天线频率为100MHz。
通过电磁波反射系数公式能够求得隧道围岩内介质的位置以及构造,进而对围岩进行判断,为隧道的施工提供强有力的理论依据。
2.2.2设备构成
本工程中使用的是美国的SIR-20型地质雷达仪,主要的组成部分包括主机、天线、电脑、电缆线等。
2.2.3侧线布置
在采用地质雷达仪器进行隧道围岩预报时,通常情况下是把雷达侧线布置在掌子面上,也可以结合实际情况布置在隧道两侧的裸露围岩上。
侧线的布置形式为横竖各两条,呈井字状,侧线布置的大小要尽量能覆盖住掌子面。
3、TSP、雷达仪器检测结果分析
3.1 TSP检测结果
如图1和图2为TSP检测数据参数成果。
通过对图1的观察能够看出,注释1的位置为横波波速降低而纵波波速不变的位置,注释2的位置横波和纵波比值变化比较显著,因此能够推断这个区域为富水区域。
通过观察图2能够看出,一共有三条强反射面,由于在这个位置并没有纵波反射,而横波又有全反射的性能,所以能够推断出这三处为水流通道。
因此TSP检测结果如下:在ZK32+280~ZK32+380内,前段纵横波反射波比较强,在纵横波比值曲线上显示
ZK32+300~ZK32+347段横、纵的比值较为突出,以此推断为该段为富水构造破碎带。
3.2地质雷达检测结果
图3和图4所表示的分别为竖向和横向的地质雷达检测结果,分析图3可发现三条裂缝存在于围岩之上,它们贯穿于掌子面且存在强反信号。
因为水与围岩存在较大的介电常数,所以判断此裂缝为水流通道的依据就是电磁波在富水区域强反射的发生。
纵向裂隙和横向裂隙的距离较近,所以能够判断出裂隙之间是连接的,也就形成了水流通道。
因此地质雷达检测结果如下:隧道左线围岩的整体性较高,用水口并没有溶洞,掌子面前方围岩的裂隙水较少。
由于掌子面围岩竖向节理发育,节理构造面内为强风化物填充,所以在节理发育区容易出现水流通道。
此次围岩的情况为除了ZK32+286~+294.4处掌子面存在节理构造面之外,整体比较完好;在ZK32+298~+310为节理发育区,岩体比较零散,是地下水的主要通道。
3.3结果比较分析
TSP的预报距离大于为120米,而地质雷达的有效距离为30米,所以下面制度重叠的30米段落进行分析,也就是ZK32+280~+310,通过对二者的预测结果能够发现一些相
同之处和不同之处。
3.3.1相同之处
二者的相同之处在于都能检测出不同深度的地下水流经,都能检测出围岩前20米区域的完整性和后10米的节理发育。
3.3.2不同之处
二者的不同之处分为三点,首先TSP能够检测出围岩的参数,并能对围岩进行分级,而地质雷达而不能实现;其次二者对裂隙水流经的位置的判断不同;最后地质雷达仪器能够检测出掌子面中裂隙的分布,而TSP不能。
3.4地质实际情况
由于在开挖之前依照地质的预测情况对右侧拱顶的预
注浆进行了改善,有效的控制住了涌水现象,在对隧道进行开挖之后发现,围岩情况为ZK32+280~ZK32+300为III级围岩,ZK32+300~ZK32+310为IV级围岩,其结果同TSP、地质雷达二者的预报结果基本保持一致。
3.5 TSP、地质雷达两者的优缺点
3.5.1 TSP的优缺点
TSP的缺点在于不能明确结构面在掌子面的位置。
优点集中表现在可对围岩参数和围岩分级进行较为准确的掌握,具体操作方法为通过地震波在围岩的传播速度的计算来得
出岩性参数;除此之外,由于地震波实测结果的特性,明确
反射层的位置会具有更高的精确度,在检测结构面反射位置时要以TSP的结果为标准。
3.5.2地质雷达的优缺点
地质雷达的缺点在于难以实现分级处理围岩的要求,且在同TSP的比较中,检测精度又不具备优越性,特别是在反射面位置较为明确的检查中表现的更加明显。
但地质雷达的优点同样较为突出,具体包括:易于操作,可实现对掌子面不同位置的探测,可对掌子面中的结构面分布情况做到明确的了解。
4、总结:
综上所述,通过对TSP和地质雷达两种仪器进行对比分析之后能够看出,在工作上两者呈优势互补的关系,两者都存在一定的优势和一些不足之处,因此在检测的过程中最好能够同时使用这两种方法,对隧道地质的检测进行综合分析,提高地质检测的准确性,推动隧道工程向着更高的台阶发展。
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