浅谈地质超前预报中TSP203PLUS与地质雷达的综合应用.docx
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浅谈地质超前预报中TSP203PLUS与地质雷达的综合应用
浅谈地质超前预报中TSP203PLUS与地质雷达的综合应用
浅谈地质超前预报中TSP203与地质雷达的综合应用
摘要:
隧道地质超前预报在隧道的开挖中作用十分重要。
选择有效的预报措施对隧道的开挖中的人员、设备和隧道洞室的支护具有重要的意义。
本文对TSP203和地质雷达的工作原理以及在施工中的综合应用实例系统的作了阐述。
关键词:
地质超前预报、TSP203、地质雷达、综合应用
1前言
随着我国铁路和公路技术等级的不断提高,长大隧道在路网中的含量在逐步增加,隧道工程施工工期要求也越来越高,大跨度隧道在新奥法施工中对地质条件要求更趋量化。
由于隧道工程的复杂性和不可预见性,在现有的技术经济条件下,隧道施工中各种不良地质灾害的预测和治理成为隧道施工中面临的最主要任务,目前采用的方法主要有地质调查法、超前钻探法、物探法(TSP法、地质雷达法、红外探测、高分辨直流电法)、超前导坑预报法等。
TSP法和地质雷达法是目前国内外超前预报方法中较为先进的预报方法。
TSP是以岩石的
图2地质雷达工作原理示意图
电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的,因此根据探地雷达记录上的地面反射波与反射波的时间差ΔT,即可据下式算出异常的埋藏深度H:
(1)
式中,H即为目标层厚度;
V是电磁波在地下介质中的传播速度,其大小由下式表示:
(2)
式中,C是电磁波在大气中的传播速度,约为3×108m/s;ε为相对介电常数,取决于地下各层构成物质的介电常数。
雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比,在以位移电流为主的低损耗介质中,反射系数r可表示为:
(3)
式中,ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异,电性差异越大,反射信号越强。
雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。
导电率越高,穿透深度越小;中心频率越高,穿透深度越小,反之亦然。
3.TSP203PLUS与地质雷达在山西云台山隧道的综合应用
3.1山西云台山隧道的工程概况
云台山隧道隧址区地貌单元属太岳山脉南缘之构造剥蚀基岩中山区,为构造运动上升区,以剥蚀作用为主,侵蚀作用次之。
海拔高程介于1146m至1353m之间,相对高差207m。
隧址区出露地层为:
石炭系上统太原组(C2t)、二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)、第四系上更新统离石组(Q2l)、中更新统丁村组(Q1d)。
隧址区位于沁水块坳之次级构造郭道至安泽近南北向褶皱带和沾尚至武乡至阳城北北东向褶皱带控制区。
隧址区地质构造条件简单,地层总体表现为倾向NW的单斜构造,对隧道工程影响小。
隧址区地表水不发育,附近冲沟大部分为季节性河流,地表水的主要来源为大气降水。
良地质主要为关门煤矿采空区,给隧道施工带来很大的安全隐患和不确定性。
采用TSP方法在隧道施工过程中进行探测的目的,主要目的是了解开挖面前方围岩的工程地质和水文地质情况;采用地质雷达方法在隧道施工过程中进行探测的目的,主要目的是了解隧道拱顶采空区的具体位置。
3.2数据处理与评估
3.2.1TSP法的数据处理与评估
该次TSP超前地质预报的范围是ZK60+594~ZK60+710.经过对TSP203PLUS系统所采集到数据分析,得出深度偏移图、反射层提取图、预报结果2D视图显示与岩体物性图等成果图。
在成果解释中,以P波资料为主对岩层进行划分,结合横波资料对地质现象进行解释:
1)ZK60+594~ZK60+624段:
长度约30米,本段围岩强度基本稳定,其中ZK60+602~ZK60+606段及ZK60+612附近节理较发育,注意做好支护,防止局部掉块。
2)ZK60+624~ZK60+642段:
长度约18米,ZK60+624~ZK60+629段在开挖掌子面的右半部位围岩岩性较差,节理较为发育,可能含水。
建议此处区域加强支护,防止塌方。
ZK60+634~ZK60+642段开挖面右半部位弱反射明显,可见该处围岩强度较低,鉴于巷道底板距隧道顶部较近,提请施工至此时特别注意加强支护。
3)ZK60+642~ZK60+710段:
长度约68米,ZK60+642~ZK60+655段附近围岩强度降低。
其中ZK60+660附近围岩强度降低明显,节理较发育,岩性变化较大,推断其可能为煤层,此处施工过程中提前做好防护工作,防止发生坍塌。
ZK60+678~ZK60+710段围岩较为稳定,但岩性较差。
3.2.2地质雷达法的数据处理与评估
此次用地质雷达预报的范围是ZK60+570~590;探地雷达数据处理包括预处理(标记和桩号校正,添加标题、标识等)和处理分析,其目的在于压制规则和随机干扰,以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波,突出有用的异常信息(包括电磁波速度,振幅和波形等)来帮助解释。
附图1云台山隧道左线拱顶中线ZK60+570~590雷达剖面图
(图中框内表示采空区,下同)
附图2云台山隧道左线拱顶左测线ZK60+590~570雷达剖面图
附图3云台山隧道左线拱顶右测线ZK60+570~590雷达剖面图
经过地质雷达探测,获得的雷达探测剖面见附图1~附图3。
根据探测剖面分析得出成果如下:
1、在ZK60+582.5~584.5段发现拱顶后方有采空区,顶部距离隧道表面5米;
2、在左侧测线上,ZK60+579~577段,拱顶后方可能有采空区,顶部距离隧道表面6米。
对上述预报结论的验证表明,TSP法对断层和破碎带的预报结果与实际基本相符,地质雷达法对采空区的位置的预报与实际相符。
4结语
通过工程实践,笔者对隧道的超前预报工作方面有了一些认识,得出以下结论:
(1)对于所有隧道的地质预报工作,必须地质调查为先
(2)再采用TSP和地质雷达的有效结合,可满足绝大部分隧道的地质预报工作
(3)对于围岩较好的区段采用TSP法就可以得到满意的预报结果
(4)对于一些地质情况复杂,应针对其特有的不良工程特性,采用超前水平钻探、红外探测、TSP、地质雷达等多种手段相互验证。
各种预报方法都有一定的局限性,加之预报人员的地质判译经验、对隧道所在地区地质背景的掌握程度等因素,均有可能影响预报的准确度。
因此需要预报人员大量的工程实践,并在施工中不断积累经验,总结规律。
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