地質超前預報

1、 查明掌子面前方的地質構造、圍巖性狀、查明掌子面前方的地質構造、圍巖性狀、結構面發(fā)育特征，特別是結構面發(fā)育特征，特別是溶洞、斷層、各類溶洞、斷層、各類破碎帶、巖體含水情況破碎帶、巖體含水情況，以便提前、及時、，以便提前、及時、合理地制定安全施工進度、修正施工方案，合理地制定安全施工進度、修正施工方案，確保施工安全、加快施工進度確保施工安全、加快施工進度。定量準確的超前地質預報，是隧道施工地質界尚未定量準確的超前地質預報，是隧道施工地質界尚未攻克的技術難題。攻克的技術難題。在國外，瑞士、日本等發(fā)達國家進行隧道在國外，瑞士、日本等發(fā)達國家進行隧道( (特別是鐵特別是鐵路、公路隧道路、公路隧道) )

2、修建過程中，隧道施工地質工作都是非修建過程中，隧道施工地質工作都是非常重要的、不可缺少的工序。常重要的、不可缺少的工序。目前在隧道施工期間采用的超前地質預報方法從專目前在隧道施工期間采用的超前地質預報方法從專業(yè)技術方面可分為業(yè)技術方面可分為地質法和物探法地質法和物探法兩大類。兩大類。p 一、地質法一、地質法1. 1. 超前導坑法超前導坑法超前導坑法可分為超前平行導坑和超前正洞導坑。超前導坑法可分為超前平行導坑和超前正洞導坑。u超前平行導坑超前平行導坑平行導坑的布置平行于正洞，斷面小而且和正洞之平行導坑的布置平行于正洞，斷面小而且和正洞之間有一定的距離，在施工過程中對導坑中遇到的構造、間有一定的

3、距離，在施工過程中對導坑中遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質素描圖，通過做結構面或地下水等情況作地質素描圖，通過做地質素地質素描圖描圖對正洞的地質條件進行預報。對正洞的地質條件進行預報。(2)(2)超前正洞導坑超前正洞導坑正洞導坑正洞導坑布置在正洞中，其作用與平行導坑相比，布置在正洞中，其作用與平行導坑相比，效果更好。效果更好。但是采用超前導坑法進行預報也有缺陷：一是成本但是采用超前導坑法進行預報也有缺陷：一是成本太高，有時需要全洞進行平導開挖；二是在構造復太高，有時需要全洞進行平導開挖；二是在構造復雜地區(qū)準確度不高。雜地區(qū)準確度不高。 2 2超前鉆孔法超前鉆孔法超前鉆孔法是在超前鉆孔法是

4、在隧道掌子面隧道掌子面上進行鉆孔，以探明隧上進行鉆孔，以探明隧道開挖面前方的地質情況的一種方法。道開挖面前方的地質情況的一種方法。鉆孔的數(shù)量、角度及鉆孔長度可人為設計和控制。鉆孔的數(shù)量、角度及鉆孔長度可人為設計和控制。液壓鉆孔臺車鉆進時液壓鉆孔臺車鉆進時, ,在掌子面范圍內布置在掌子面范圍內布置2 24 4個個鉆孔鉆孔, ,孔深孔深5m,5m,用秒表計時用秒表計時, ,記錄鉆進各進尺段所用時記錄鉆進各進尺段所用時間長短來判別軟弱圍巖和不良地質構造的位置。間長短來判別軟弱圍巖和不良地質構造的位置。超前地質鉆孔法適用于隧道開挖面前方地質情況復超前地質鉆孔法適用于隧道開挖面前方地質情況復雜、且又有地

5、下水出露的情況。該方法既能探明隧道雜、且又有地下水出露的情況。該方法既能探明隧道開挖面前方的開挖面前方的地質情況地質情況，且探孔又能起到，且探孔又能起到排水作用排水作用。其缺點是：其缺點是：在復雜地質條件下預報效果較差，很在復雜地質條件下預報效果較差，很難預測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，難預測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，特別是與隧道軸線平行的結構面，其預報無反映；特別是與隧道軸線平行的結構面，其預報無反映；鉆孔與鉆孔之間的地質情況反映不出來。鉆孔與鉆孔之間的地質情況反映不出來。3.3.地面地質調查地面地質調查 地質調查可分為地質調查可分為重點復查和全面調查重點復查和全面

6、調查兩類。兩類。u前者適用于地質勘察工作做得較好、精度較高的長前者適用于地質勘察工作做得較好、精度較高的長大隧道大隧道; ;u后者適用于地質勘察工作做得較差、設計圖紙與施后者適用于地質勘察工作做得較差、設計圖紙與施工實踐不符或嚴重不符的隧道工實踐不符或嚴重不符的隧道, ,主要是占大多數(shù)的中長、主要是占大多數(shù)的中長、中小隧道。中小隧道。u地質調查的工作方法地質調查的工作方法, ,不外穿越調查法和追索調查法不外穿越調查法和追索調查法兩種。具體調查方法和工作步驟兩種。具體調查方法和工作步驟, ,則視調查對象而定。則視調查對象而定。主要調查對象劃分如表主要調查對象劃分如表1 1所示。所示。表表 1 4

7、.掌子面編錄掌子面編錄主要是通過掌子面已揭露地質體主要是通過掌子面已揭露地質體(巖層、不良地質巖層、不良地質體等體等)進行進行觀測與編錄觀測與編錄,對掌子面前方一定范圍內可能對掌子面前方一定范圍內可能出現(xiàn)的地質體及位置及掌子面實見地質體向掌子面前出現(xiàn)的地質體及位置及掌子面實見地質體向掌子面前方延伸情況進行有依據(jù)地推斷。方延伸情況進行有依據(jù)地推斷。對掌子面進行地質素描是對開挖面的地質情況如實對掌子面進行地質素描是對開挖面的地質情況如實而準確的反映。而準確的反映。u在施工循環(huán)過程中在施工循環(huán)過程中, 爆破后或出碴后打眼裝藥前即爆破后或出碴后打眼裝藥前即可對隧道開挖工作面進行地質素描。可對隧道開挖工

8、作面進行地質素描。u正洞地質素描的優(yōu)點是正洞地質素描的優(yōu)點是不占用施工時間不占用施工時間，設備簡單，設備簡單，不干擾施工，出結果快，預報的效果好，而且為整個不干擾施工，出結果快，預報的效果好，而且為整個隧道提供了隧道提供了完整的地質資料完整的地質資料；缺點是對與隧道夾角較；缺點是對與隧道夾角較大而又向前傾的結構面容易產生漏報。大而又向前傾的結構面容易產生漏報。u掌子面編錄主要內容包括以下五個：掌子面編錄主要內容包括以下五個：u（1）巖性）巖性:是最基本的地質資料。主要描述巖石名是最基本的地質資料。主要描述巖石名稱、顏色、結構、構造、礦物成分、風化程度等。稱、顏色、結構、構造、礦物成分、風化程度

9、等。u（2）貫穿性節(jié)理）貫穿性節(jié)理:是造成塊體塌方的主要原因之一。是造成塊體塌方的主要原因之一。主要描述節(jié)理產狀、密度、寬度、延伸情況、節(jié)理面主要描述節(jié)理產狀、密度、寬度、延伸情況、節(jié)理面特征特征(光滑、粗糙、起伏不平光滑、粗糙、起伏不平)、出露位置等。、出露位置等。u（3）巖脈）巖脈:巖脈侵入的位置往往是地殼的薄弱點。巖脈侵入的位置往往是地殼的薄弱點。主要描述巖脈的巖性主要描述巖脈的巖性,出露位置、寬度、接觸關系、破出露位置、寬度、接觸關系、破碎情況、風化程度等。碎情況、風化程度等。u（4 4）斷層：是地殼上主要的構造痕跡）斷層：是地殼上主要的構造痕跡, ,它的形成、特性及它的形成、特性及規(guī)

10、模決定地區(qū)地質構造復雜程度規(guī)模決定地區(qū)地質構造復雜程度, ,對隧道施工影響極大對隧道施工影響極大, ,是是開挖時發(fā)生塌方的主要地質原因之一。開挖時發(fā)生塌方的主要地質原因之一。u針對斷層而言，主要描述針對斷層而言，主要描述斷層位置、產狀、斷層破碎帶寬斷層位置、產狀、斷層破碎帶寬度及構造類型、斷層性質度及構造類型、斷層性質及其與其它斷層的關系、派生節(jié)及其與其它斷層的關系、派生節(jié)理產狀、密度及充填物等。理產狀、密度及充填物等。u斷層露頭作圖法對斷層露頭作圖法對結構面向開挖后方傾斜結構面向開挖后方傾斜的斷層預報效果的斷層預報效果較好，因為斷層先在隧道底出露，對巖體穩(wěn)定性影響不大較好，因為斷層先在隧道底

11、出露，對巖體穩(wěn)定性影響不大時就可以發(fā)現(xiàn)；時就可以發(fā)現(xiàn)；u對于向掌子面前方傾斜的結構面因為先在頂部出現(xiàn)，預報對于向掌子面前方傾斜的結構面因為先在頂部出現(xiàn)，預報時效果相對較差。時效果相對較差。u（5）地下水：水增加了隧道施工難度。地層滲水影響噴射）地下水：水增加了隧道施工難度。地層滲水影響噴射混凝土的質量；若在斷層帶內巖體破碎，或節(jié)理被次生粘土混凝土的質量；若在斷層帶內巖體破碎，或節(jié)理被次生粘土充填地段有水，則會大大降低圍巖的自穩(wěn)能力，增加坍塌的充填地段有水，則會大大降低圍巖的自穩(wěn)能力，增加坍塌的可能?？赡?。u主要描述主要描述出水點位置及其與斷層和節(jié)理的關系出水點位置及其與斷層和節(jié)理的關系、出水狀

12、態(tài)出水狀態(tài)(滴、流、涌滴、流、涌)、水味、水色、水溫、出水點附近有無沉淀物等。、水味、水色、水溫、出水點附近有無沉淀物等。同時了解水對混凝土的侵蝕性。同時了解水對混凝土的侵蝕性。u對于地下水與地表水可能存在水力聯(lián)系的地方進行了地下水對于地下水與地表水可能存在水力聯(lián)系的地方進行了地下水動態(tài)觀測，提前確定施工中的排水措施，以防止造成涌水事動態(tài)觀測，提前確定施工中的排水措施，以防止造成涌水事故。故。5.5.臨近前兆預測法臨近前兆預測法 很多不良地質體很多不良地質體( (如斷層破碎帶、暗河、老窖水如斷層破碎帶、暗河、老窖水等等) )和某些地質災害和某些地質災害( (如煤和瓦斯突出如煤和瓦斯突出) )都

13、有臨近前都有臨近前兆。施工地質工作者正是依據(jù)這些前兆的出現(xiàn)兆。施工地質工作者正是依據(jù)這些前兆的出現(xiàn), ,緊緊密結合地面調查、長期密結合地面調查、長期( (長距離長距離) )超前預報的成果和超前預報的成果和短期短期( (短距離短距離) )儀器探測的成果儀器探測的成果, ,預測掌子面前方不預測掌子面前方不良地質的位置、規(guī)模良地質的位置、規(guī)模, ,預測地質災害出現(xiàn)的可能性。預測地質災害出現(xiàn)的可能性。幾種臨近前兆：幾種臨近前兆： 1)1)斷層破碎帶臨近前兆斷層破碎帶臨近前兆節(jié)理組數(shù)的急劇增加節(jié)理組數(shù)的急劇增加。臨。臨近斷層破碎帶時近斷層破碎帶時, ,節(jié)理組數(shù)可能多達節(jié)理組數(shù)可能多達6 61212組組;

14、 ;出現(xiàn)出現(xiàn)牽牽引褶曲和牽引褶皺引褶曲和牽引褶皺; ;有時會出現(xiàn)由弧形節(jié)理組成的小有時會出現(xiàn)由弧形節(jié)理組成的小型施卷構造或旋轉節(jié)理型施卷構造或旋轉節(jié)理; ;巖石強度明顯降低巖石強度明顯降低。逆斷層。逆斷層為主的斷層破碎帶附近會出現(xiàn)壓裂巖和破碎巖為主的斷層破碎帶附近會出現(xiàn)壓裂巖和破碎巖, ,多數(shù)多數(shù)情況下情況下, ,特別是上盤會出現(xiàn)夾泥裂巖。特別是上盤會出現(xiàn)夾泥裂巖。2)暗河臨近前兆大量出現(xiàn)暗河臨近前兆大量出現(xiàn)含有泥砂的小溶洞含有泥砂的小溶洞；鉆孔；鉆孔中的中的涌水量劇增，且夾有泥砂和小礫石涌水量劇增，且夾有泥砂和小礫石。為確保超。為確保超前預報的準確性，在施工時要及時發(fā)現(xiàn)這類前兆，前預報的準確

15、性，在施工時要及時發(fā)現(xiàn)這類前兆，并做到細致觀測、編錄。結合其它的超前預報成果，并做到細致觀測、編錄。結合其它的超前預報成果，經綜合分析，做出短期經綜合分析，做出短期(短距離短距離)超前預報或地質災害超前預報或地質災害可能發(fā)生的警報。可能發(fā)生的警報。n 1.水平聲波剖面預測法水平聲波剖面預測法(HSP法法) HSP法的基本原理是：向巖體中輻射一定頻率法的基本原理是：向巖體中輻射一定頻率的聲波，當聲波傳播路徑中存在兩種不同介質界面的聲波，當聲波傳播路徑中存在兩種不同介質界面時，聲波將發(fā)生折射、反射，時，聲波將發(fā)生折射、反射，頻譜特征頻譜特征發(fā)生變化發(fā)生變化,通通過過探測反射波信號探測反射波信號，求

16、得其傳播特征后，便可了解，求得其傳播特征后，便可了解前方的巖體特征。前方的巖體特征。 n2. 地質雷達預測法地質雷達預測法 地質雷達方法是一種用于探測地下介質分布的廣譜地質雷達方法是一種用于探測地下介質分布的廣譜(11)電磁技術。地質雷達用電磁技術。地質雷達用1個天線發(fā)射高個天線發(fā)射高頻電磁波，另頻電磁波，另1個天線接收來自地下介質界面的個天線接收來自地下介質界面的反射波反射波。地質雷達的雷達接收機利用分時采樣原理和數(shù)據(jù)組合方式地質雷達的雷達接收機利用分時采樣原理和數(shù)據(jù)組合方式把天線接收到的信號轉換成數(shù)字信號；主機系統(tǒng)再將數(shù)字把天線接收到的信號轉換成數(shù)字信號；主機系統(tǒng)再將數(shù)字信號轉換成模擬信號

17、或彩色線跡信號，并以時間剖面顯示信號轉換成模擬信號或彩色線跡信號，并以時間剖面顯示出來。出來。 n3 3聲波測試聲波測試 聲波對裂隙反應很敏感，遇到聲波對裂隙反應很敏感，遇到裂隙裂隙即發(fā)生介面效應即發(fā)生介面效應（反射、折射和繞射），耗損波能，波形變復雜，波速減（反射、折射和繞射），耗損波能，波形變復雜，波速減緩，此外，聲波速度的大小還和巖體強度有關。緩，此外，聲波速度的大小還和巖體強度有關。 聲波測試方法有多種，主要有巖面測試和孔內測試聲波測試方法有多種，主要有巖面測試和孔內測試兩種，其中孔內測試又分為單孔和雙孔測試兩種。兩種，其中孔內測試又分為單孔和雙孔測試兩種。巖面測試是在巖面測試是在已開

18、挖地段已開挖地段進行的，由于隧道開挖放炮進行的，由于隧道開挖放炮形成許多張裂隙，所測波速形成許多張裂隙，所測波速表面巖石比實際巖體的波速表面巖石比實際巖體的波速略偏低略偏低。孔內測試分單孔和雙孔兩種。單孔測試是把發(fā)射源和孔內測試分單孔和雙孔兩種。單孔測試是把發(fā)射源和接收器放在同一孔內，但只能測到鉆孔周圍一倍波長左接收器放在同一孔內，但只能測到鉆孔周圍一倍波長左右范圍內的地質情況。雙孔測試是把發(fā)射源和接收器放右范圍內的地質情況。雙孔測試是把發(fā)射源和接收器放在不同的鉆孔內，測試兩孔之間的巖體波速。在不同的鉆孔內，測試兩孔之間的巖體波速。n4紅外探測紅外探測 所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，這能量的所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，這能量的大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質和它的表面狀況。當隧道掌子面前方及周邊介質單的物質和它的表面狀況。當隧道掌子面前方及周邊介質單一時，所測得的紅外場為正常場，當前面存在一時，所測得的紅外場為正常場，當前面存在隱伏含水構隱伏含水構造或有水造或有水時，他們所產生的場強要疊加到正常場上，從而時，他們所產生的場強