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深埋長(zhǎng)大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法淺析
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一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作概況 (1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作概況 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為TBM掘進(jìn)施工中隧洞地質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要組成部分,它包括隧洞圍巖描述、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)、施工地質(zhì)測(cè)繪、圍巖變形監(jiān)測(cè)、圍巖類別判別、儀器現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)及相應(yīng)的地質(zhì)、測(cè)試資料分析和成果整理等工作,并及時(shí)提供超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果資料。 (2)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作實(shí)施特點(diǎn) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作主要是對(duì)圍巖及水文地質(zhì)條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào),及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)第一手地質(zhì)資料和儀器測(cè)試數(shù)據(jù),是地質(zhì)預(yù)報(bào)工作成敗的關(guān)鍵,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工作和儀器測(cè)試與隧洞TBM掘進(jìn)施工相互干擾、又相輔相成。因此,進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)工程師要在充分了解前期地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上,對(duì)隧洞的工程及水文地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查,時(shí)時(shí)跟進(jìn)TBM施工,在TBM檢修維護(hù)的空隙時(shí)間里及時(shí)的進(jìn)行儀器測(cè)試,保證采集的資料、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤,并盡快提供分析成果,為圍巖支護(hù)和不良地質(zhì)體的超前處理提供依據(jù)。二、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作項(xiàng)目和內(nèi)容
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作包括:隧洞圍巖描述、圍巖監(jiān)測(cè)、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)、施工地質(zhì)測(cè)繪、圍巖類別判別等常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前地質(zhì)勘探、超前儀器現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、不良地質(zhì)體長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào),以及相應(yīng)的地質(zhì)、測(cè)試資料分析和成果整理等工作。 (1)常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)是指:對(duì)已開挖洞段及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄、測(cè)繪、取樣及試驗(yàn),依據(jù)已知圍巖的風(fēng)化、裂隙發(fā)育狀況及開挖石渣的粒徑、形狀、質(zhì)量狀況和較大滲水點(diǎn)的滲水量、水溫、PH值、導(dǎo)電性等條件,預(yù)報(bào)掌子面前方未開挖地段的地質(zhì)情況、可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)體及圍巖類別。 (2)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是指:為防止TBM掘進(jìn)時(shí)遭遇未知的不良地質(zhì)體而進(jìn)行的超前地質(zhì)勘察、超前勘探鉆孔、超前儀器測(cè)試等,對(duì)隧洞掌子面前方長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)。所采用的主要手段為:地面地質(zhì)預(yù)測(cè)、超前鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試、地震波超前測(cè)試等,然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,從而對(duì)不良地質(zhì)體可能被揭示的位置進(jìn)行預(yù)報(bào)。三、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和步驟淺析
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)依據(jù)預(yù)報(bào)距離可分為長(zhǎng)期(長(zhǎng)距離)和短期(短距離)兩種預(yù)報(bào)形式。3.1 長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分為兩個(gè)部分:地面不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)勘察和隧洞內(nèi)長(zhǎng)距離儀器探測(cè),它是由兩種或兩種以上的勘查技術(shù)手段和技術(shù)進(jìn)行的綜合預(yù)報(bào)。長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分為兩步進(jìn)行,實(shí)施步驟見圖1。
(1)地面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作方法 ①首先收集、整理工程區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行資料分析,研究區(qū)域斷裂發(fā)育規(guī)律,從而判斷工程區(qū)優(yōu)勢(shì)斷裂發(fā)育方向、規(guī)模及可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害; ②仔細(xì)分析前期地質(zhì)資料,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核和勘察,在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、巖體質(zhì)量,精確調(diào)查和測(cè)量不良地質(zhì)體空間展布參數(shù); ③應(yīng)用地面地質(zhì)界面和地質(zhì)體的延展規(guī)律及推算理論進(jìn)行室內(nèi)分析; ④依據(jù)前述的分析結(jié)果,對(duì)可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體的性質(zhì)和位置進(jìn)行初步預(yù)報(bào)。 (2)隧洞內(nèi)儀器超前探測(cè) 隧洞內(nèi)儀器超前探測(cè)是在隧洞TBM掘進(jìn)中TBM的維護(hù)保養(yǎng)期間,使用探測(cè)儀器進(jìn)行探測(cè),主要儀器有:TSP系列隧洞地震探測(cè)儀、淺層地震儀等。TSP系列隧洞地震探測(cè)儀工作原理(圖2): ①首先在隧道內(nèi)人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源,震源發(fā)出的地震波逼到地層界面、特別是斷層破碎帶等不良地質(zhì)體時(shí)產(chǎn)生的反射波,其傳播速度、延遲時(shí)間、波形、強(qiáng)度和方向等均與相關(guān)地質(zhì)體的性質(zhì)密切相關(guān),并通過不同的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來(lái); ②通過震源反射波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(傳感器和記錄儀)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,將數(shù)據(jù)輸入帶有處理軟件的電腦,并經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理; ③將采集的數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)換為反應(yīng)相關(guān)地質(zhì)體反射能量的影視圖像或隧道平面、剖面圖; ④進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)資料處理、分析,由工程技術(shù)人員進(jìn)行解譯,對(duì)隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模等予以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 最大探測(cè)距離可達(dá)掌子面前方500m,有效探測(cè)距離150m,最高分辨率1m。
3.2 短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,預(yù)報(bào)距離為掌子面前方15~50m。對(duì)于短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào),主要是通過TBM開挖石渣識(shí)別、掌子面地質(zhì)素描,更重要的是采用地質(zhì)雷達(dá)或超前鉆孔進(jìn)行探測(cè)(見圖3)。前者是通過對(duì)不同地質(zhì)體標(biāo)志的確認(rèn),以及不良地質(zhì)體出現(xiàn)前的前兆標(biāo)志,對(duì)不良地質(zhì)體可能出露的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷,必要時(shí)輔助進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探;后者地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)屬于電磁波物探技術(shù),通過電磁波的反射波和透射波的分時(shí)采集和數(shù)據(jù)組合分析,對(duì)不良地質(zhì)體的類型、規(guī)模、位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。
(1)一般性超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 一般性超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是根據(jù)TBM掘進(jìn)的石渣(常規(guī)鉆爆法還包括掌子面)、洞壁揭露的結(jié)構(gòu)面及巖層與地表結(jié)構(gòu)面及巖層的對(duì)應(yīng)關(guān)系、以及揭露的不良地質(zhì)體的特征,通過類比、推測(cè)預(yù)報(bào)掌子面前方是否存在不良地質(zhì)體。 不良地質(zhì)體在被揭露之前往往表現(xiàn)出一些明顯或不明顯前兆標(biāo)志,這些標(biāo)志的出現(xiàn),預(yù)示著隧洞即將臨近不良地質(zhì)體,它們是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要信息,因此,仔細(xì)觀察、描述開挖石渣、洞壁結(jié)構(gòu)面及巖層形態(tài)、量測(cè)結(jié)構(gòu)面及巖層特征參數(shù),是正確進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。一些不良地質(zhì)體的前兆標(biāo)志: ①斷層破碎帶前兆標(biāo)志:節(jié)理裂隙組數(shù)及密度劇增、巖石強(qiáng)度降低、出現(xiàn)壓裂巖、碎裂巖、巖石風(fēng)化相對(duì)強(qiáng)烈、泥質(zhì)含量增加等。 ②突水、突泥前兆標(biāo)志:節(jié)理裂隙滲水量和組數(shù)增加、且常常含有泥質(zhì)物或渾濁(常規(guī)鉆爆法的炮孔中的涌水量劇增、且夾有泥沙或碎石)等。 ③巖爆前兆標(biāo)志:“餅”狀開挖石渣的數(shù)量增加、洞壁在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)“餅”狀脫落體或出現(xiàn)“片邦”現(xiàn)象,以及輕微的巖石崩裂聲等,嚴(yán)重時(shí)洞壁出現(xiàn)飛石。 (2)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào) 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)屬于電磁波物探技術(shù),電磁波通過天線向掌子面前方發(fā)射,遇到不同阻抗介質(zhì)時(shí),將產(chǎn)生反射波和透射波,接收機(jī)利用分時(shí)采樣原理和數(shù)據(jù)組合方式,把天線接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),主機(jī)系統(tǒng)再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)或彩色線跡信號(hào),并以時(shí)間剖面的形式顯示出來(lái),供解譯人員分析預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體位置、規(guī)模及可能出現(xiàn)的施工地質(zhì)災(zāi)害類型。 (3)進(jìn)行超前鉆孔探測(cè) 超前鉆孔探測(cè)是通過TBM攜帶的超前鉆機(jī)或?qū)iT的地質(zhì)鉆機(jī)的鉆探資料整理分析,包括:鉆進(jìn)速度、孔內(nèi)情況、涌水量、巖芯描述等,分析、判斷不良地質(zhì)體的位置。 (4)短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的特點(diǎn) ①由于短期預(yù)報(bào)是在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,所以,預(yù)報(bào)的精度一般要超過長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào),特別是對(duì)不良地質(zhì)體性質(zhì)的預(yù)報(bào)。 ②短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)針對(duì)性較強(qiáng),一般不適合在隧洞全程進(jìn)行,結(jié)合長(zhǎng)期地質(zhì)預(yù)報(bào)適時(shí)進(jìn)行。
3.3 施工地質(zhì)災(zāi)害的警報(bào)
施工地質(zhì)災(zāi)害警報(bào)是在短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上進(jìn)行的,是隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的成果,對(duì)可能出現(xiàn)的施工地質(zhì)災(zāi)害的類型、規(guī)模、位置,進(jìn)行較為準(zhǔn)確的警報(bào),并將警報(bào)通知TBM掘進(jìn)操作手,及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。 (1)施工地質(zhì)災(zāi)害警報(bào)的方法和步驟 ①通過TBM施工中出現(xiàn)的不良地質(zhì)體前兆標(biāo)志,作出正確的判斷; ②及時(shí)提交書面的預(yù)警報(bào)告,內(nèi)容包括不良地質(zhì)體的前兆特征、辨認(rèn)的標(biāo)志、精確定位、準(zhǔn)確定性、預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害類型及規(guī)模和造成的影響程度等。 (2)施工地質(zhì)災(zāi)害類型 施工地質(zhì)災(zāi)害主要類型有:斷層及破碎帶塌方、涌水或突水、突泥,圍巖不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體坍塌,片邦或巖爆,以及巖體蝕變、圍巖大變形等等。四、結(jié)語(yǔ)
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是深埋長(zhǎng)大隧洞TBM掘進(jìn)施工中,減少施工地質(zhì)災(zāi)害、順利進(jìn)行施工的關(guān)鍵,但由于對(duì)不良地質(zhì)體的認(rèn)識(shí)和判別存在主觀偏差,再加上勘測(cè)、測(cè)試手段的局限性和人為解譯的差異性,因此,難以保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確和及時(shí)。本文通過對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和步驟淺顯分析,宏觀地對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作方法和實(shí)施步驟進(jìn)行了探討,旨在拋磚引玉。如若實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的操作平臺(tái)與TBM操作平臺(tái)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù),將是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究和發(fā)展的方向。- 1功能性幕墻設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)
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