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三维成像地质超前预报隧道工程实例，检测结果一目了然！
发布时间：2021-05-12 浏览次数：1555 来源：欧美HJC黄金城

近年来，我国国民经济发展迅速，高速铁路、高速公路、城市轨道交通等工程大规模建设，长大隧道数量也越来越多，隧道施工进度经常成为控制整个工程进展的瓶颈。

隧道快速掘进的主要难题是了解掌子面前方的地质情况和岩石力学参数，其中隧道轴线的地质界面可能会在施工掘进中发生严重的问题，如塌方、突泥、突涌水等灾害，尤其是当这些灾害交叉发生时，问题会更加严重。隧道超前地质预报就是解决这个难题行之有效的方法。

隧道超前地质预报是通过物探、钻探或导坑，并配合地质测绘或地质调查等手段探获的资料，对整个隧道、隧道的某个段落、隧道的某个部位及其前方一定范围内的结构特征和穿整状态、围岩级别及隧道开栘后的稳定性进行预测，并提出隧道前方的开挖和支护建议的报告。

本文将对基于弹性波三维成像方法的南昏隧道、大营坡隧道、大尖山隧道超前地质预报结果进行分析介绍。

 

探测依据

《隧道施工超前地质预报技术规程》CECS-2019

《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）

《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）

《公路工程物探规程》（JTG/T C22-2009）

《工程岩体分级标准》（GB/T 50218-2014）

《公路隧道施工技术细则》(JTG/T F60-2009)

隧道设计、变更资料、工程任务书

 

测试设备

AGI-T3三维成像隧道地质超前预报仪，该系统主要由计算机终端、无线采集器、三分量检波器、无线信号触发计时器、锤击触发传感器（或起爆机连接器）、信号采集处理和三维成像预报软件等组成。

 

 

探测原理


 

弹性波三维成像方法

弹性波三维成像方法和其它地震波反射法一样，采用了回声测量原理，是一种多波多分量反射地震勘探的地球物理方法。

弹性波法探测原理示意图

现场工作方法是在隧道左、右边墙各设多个震源点，然后用人工锤击方式激发地震波（或使用炸药震源，可提高探测长度和成像精度），地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射（或散射）回来，一部分信号折射进入前方介质。反射回来的地震波将由高灵敏度的地震检波器接收，这部分信号就是隧道三维成像超前地质预报野外采集的原始数据。弹性波法探测原理如图1所示，根据反射信号旅行时间和传播速度（图中斜率为负、又称负速度），可探测掌子面前方地质的变化情况及灾害体的分布、性质；同时根据反射信号传播速度可测算出超前地质预报范围段的岩体波速，为判定围岩级别提供重要依据。

三维成像预报原理示意图(AGI-T3)

现场工作方法是在隧道左、右边墙各设多个震源点，然后用人工锤击方式激发地震波（或使用炸药震源，可提高探测长度和成像精度），地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射（或散射）回来，一部分信号折射进入前方介质。反射回来的地震波将由高灵敏度的地震检波器接收，这部分信号就是隧道三维成像超前地质预报野外采集的原始数据。弹性波法探测原理如图1所示，根据反射信号旅行时间和传播速度（图中斜率为负、又称负速度），可探测掌子面前方地质的变化情况及灾害体的分布、性质；同时根据反射信号传播速度可测算出超前地质预报范围段的岩体波速，为判定围岩级别提供重要依据。

 

 

探测方法

 

根据三维成像超前预报原理要求，理想条件下从掌子面开始，在隧道左、右边墙各设10～15个震源点(点距约1.5m～2.0m)。如果是锤击震源，在距第1个震源点约3m处安置三分量检波器；反之如果使用的是炸药震源，为保证安全在距第1个震源点约10m～15m处安置三分量检波器。在同一断面左、右边墙高度约1.0m处和拱顶各安装一个检波器（共3个）。另一方面，仪器应用考虑到现场条件的复杂多样性，探测方法同时具有很大的灵活性，可以在隧道左或者右边墙单边设置震源点，检波器可以根据条件选择安置1～3个。

工作布置示意图

 

案例分析

 

 

01

右幅进口

南昏隧道

对南昏隧道右幅（进口端）用T3方法进行地质超前预报工作，本次预报里程段为K133+810～+910，长100m。

探测内容：

  1. 探测掌子面前方地质情况，可能出现的地质断层及岩石破碎带的地质情况等；

  2. 地质超前预报范围段的围岩级别。

隧道工程地质勘察资料

K133+435～K135+355隧道围岩主要为新近系砂砾岩、砾岩，其承载力基本容许值450kPa。呈紫红色、灰绿色，碎屑结构，中厚层状构造，节理较发育，岩体较破碎。Rc=0.5-5MPa、Kv=0.36-0.81、K1=0.4、K2=0、K3=0、【BQ】=78.5～215，围岩分级为Ⅴ级；地下水类型主要为基岩裂隙水，富水性较差，施工时可能出现潮湿或点滴状出水。围岩稳定性差，开挖后遇水易风化破坏，初期支护及时易产生中～大规模的坍塌。

 

隧道掌子面地质情况

隧道掌子面为灰白色、灰绿色，强～全风化砾岩与砂质泥岩为主，为极软岩，节理裂隙发育，呈泥砂质半胶结状态，多呈碎石镶嵌结构，岩体极破碎，自稳能力弱，扰动后易破碎坍塌。掌子面稍湿，无地下水，围岩完整性和稳定性很差。

K133+810～+910段围岩级别设计为Ⅴ级。依据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中3.6条围岩分级，判定掌子面地质情况符合Ⅴ级围岩条件。

 

K133+810掌子面照片图

 

K133+810掌子面地质素描图

 

探测结果分析

超前地质预报

通过对采集到的信号进行处理分析，得到本次超前地质预报波速扫描分析和三维成像结果。

 

 波速扫描分析

 

三维成像结果图

 

根据探测结果，结合地质情况和相关资料综合分析：

预报里程：K133+810~K133+830 L=20m

物性参数描述：

平均速度：Vp=3410m/s ~3553m/s

主要物探异常：

K133+810~ +830范围内，有多处较明显反射界面。

该段岩性为全风化角砾岩、砂砾岩，为极软岩，呈泥质半胶结状态，多呈碎石镶嵌结构，岩体松散破碎，自稳能力弱，扰动后易破碎坍塌，围岩完整性和稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。施工中应加强防护措施，确保安全。

预报里程：K133+830~K133+850 L=20m

物性参数描述：

平均速度Vp=3530m/s~3553m/s

主要物探异常：

K133+840附近有明显反射界面。

在K133+840附近有明显反射界面，施工时可能出现潮湿或点滴状渗水，围岩完整性和稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。施工中应加强防护措施，确保安全。

预报里程：K133+850~K133+910 L=60m

物性参数描述：

平均速度：Vp=3500m/s

主要物探异常：

K133+860和K133+900附近有明显反射界面。

在K133+860和K133+900附近有明显反射界面，施工时可能出现潮湿或点滴状渗水，围岩完整性和稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。施工中应加强防护措施，确保安全。

 

综上分析表明，推断此段围岩较掌子面一致，为全风化角砾岩、砂砾岩，为极软岩，呈泥质半胶结状态，局部裂隙水发育；多呈碎石镶嵌结构，岩体松散破碎，自稳能力弱，扰动后易破碎坍塌，围岩完整性和稳定性差。

结果

探测分析

综合掌子面地质情况和AGI-T3探测分析结果，得到如下结论：

01

掌子面前方0～20m（K133+810～+830）段围岩较掌子面一致，为全风化角砾岩、砂砾岩，为极软岩，呈泥质半胶结状态，多呈碎石镶嵌结构，岩体松散破碎，自稳能力弱，扰动后易破碎坍塌，围岩完整性和稳定性差。

02

掌子面前方20～100m (K133+840、K133+860、K133+900) 附近有明显反射界面。推断此段岩体松散破碎，局部少量裂隙水，围岩完整性和稳定性很差。

03

K133+810～+910段围岩级别设计为Ⅴ级；预报建议围岩级别为Ⅴ级。

 

02

左幅出口

大营坡隧道

大营坡隧道左幅（出口段）运用地震波三维成像方法(AGI-T3)进行超前地质预报工作，本次预报起讫里程段为ZK66+855～ZK66+755，预报距离100m。

探测内容：

  1. 超前地质预报范围段的岩体波速及围岩级别判定；

  2. 探测掌子面前方地质的变化情况及灾害体的分布、性质。

 

隧道掌子面地质情况

该段围岩设计级别为Ⅴ级。隧道掌子面 ZK66+855岩性：为黑褐色全风化玄武岩，裂隙较发育，岩体破碎。岩石锤敲清脆，有回弹，震手，难击碎，属软岩。掌子面稍湿，主要为基岩裂隙水及地表渗水，围岩完整性和稳定性差。

 

掌子面照片图

 

探测结果分析

超前地质预报

通过对采集到的信号进行处理分析，得到本次超前地质预报波速扫描分析和三维成像结果。

速度扫描分析结果图

 

三维预报成像结果图

 

根据探测结果，结合地质情况和相关资料综合分析。

预报里程：K66+855～K66+821 L=34m

物性参数描述：

平均速度Vp：2365m/s～3060m/s

主要物探异常：

该段在K66+849、K66+830、K66+821处附近有强反射界面。

推断该段围岩强度与掌子面基本相同，为黑褐色全风化玄武岩，裂隙较发育，以点滴状渗水为主，围岩破碎，围岩完整性和稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。开挖时应短开挖，弱爆破，控制超/欠挖，确保安全。

预报里程：K66+821~K66+785 L=36m

物性参数描述：

平均速度Vp=2936 m/s

主要物探异常：

该段在K66+815、K66+785处附近有强反射界面。

推断该段围岩强度与掌子面基本相同，为全风化玄武岩，裂隙发育，出水多为点线状、小股状，围岩破碎，围岩完整性和稳定性差。

推断该段围岩等级可能由Ⅴ级向Ⅳ级转变。应根据实际开挖情况，合理选择施工方法，确保安全。

预报里程：K66+785~K66+755 L=30m 

物性参数描述：

平均速度：Vp=1710 m/s

主要物探异常：

该段在K66+760处附近有较强反射界面。

推断该段围岩强度与掌子面基本相同，为全风化玄武岩，裂隙发育，出水多为点线状、小股状，围岩破碎，围岩完整性和稳定性差。

推断该段围岩等级可能由Ⅴ级向Ⅳ级转变。应根据实际开挖情况，合理选择施工方法，确保安全。

 

结果

探测分析

综合掌子面地质情况和AGI-T3探测分析结果，得到如下结论：

01

推断本次预报段受构造影响，裂隙发育，总体上围岩的自稳能力一般。

02

推测掌子面前方0～34m（K66+855～+821）段围岩以黑褐色全风化玄武岩，裂隙较发育，以点滴状渗水为主，围岩破碎，围岩完整性和稳定性差。

03

推测掌子面前方34～70m（K66+821～+785）段以全风化玄武岩，裂隙发育，出水多为点线状、小股状，围岩破碎，围岩完整性和稳定性差。在K66+815、K66+785处附近岩性可能会有略微的变化。推断该段围岩等级可能由Ⅴ级向Ⅳ级转变。应根据实际开挖情况，合理选择施工方法，确保安全。

04

推测掌子面前方70～100m（K66+785～+755）段以全风化玄武岩，裂隙发育，出水多为点线状、小股状，围岩破碎，围岩完整性和稳定性差。在K66+785、K66+760处附近岩性可能会有略微的变化。推断该段围岩等级可能由Ⅴ级向Ⅳ级转变。应根据实际开挖情况，合理选择施工方法，确保安全。

 

03

左幅出口

大尖山隧道

思茅至澜沧高速公路大尖山隧道左幅（出口段）运用弹性波三维成像方法(AGI-T3)进行超前地质预报工作，本次预报起讫里程段为ZK26+046～ZK25+946，预报距离100m。

探测内容：

  1. 超前地质预报范围段的岩体波速及围岩级别判定；

  2. 探测掌子面前方地质的变化情况及灾害体的分布、性质。

 

隧道掌子面地质情况

该段围岩设计级别为Ⅴ级。隧道掌子面ZK26+046 岩性：以灰色中～强风化灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎，多呈薄层状结构，掌子面局部有溶蚀现象，裂隙间充填大量黄色粉质粘土，无地下水，结构面结合程度差，开挖时局部有掉块现象，围岩完整性及稳定性差。依据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中3.6条围岩分级，判定掌子面地质情况符合Ⅴ级围岩条件。

 

掌子面照片图

 

探测结果分析

超前地质预报

通过对采集到的信号进行处理分析，得到本次超前地质预报波速扫描分析和三维成像结果。

速度扫描分析结果图

 

三维预报成像结果图

 

根据探测结果，结合地质情况和相关资料综合分析。

ZK26+046~ZK25+018 L=28m

物性参数描述：

平均速度Vp：2388 m/s～2711 m/s

主要物探异常：

在ZK26+030～+018段附近有多处较强反射界面。

推断该段围岩强度与掌子面基本相同，以中～强风化灰岩为主，受断裂构造影响，在ZK26+030～+018段附近岩体破碎，多呈薄层状结构，局部溶蚀强烈，裂隙间夹泥质物较多，含少量裂隙水，层间结合程度差，围岩完整性及稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。开挖时应短开挖，弱爆破，控制超/欠挖，确保安全。

预报里程：ZK26+018~ZK25+982 L=36m

物性参数描述：

平均速度Vp=2617 m/s

主要物探异常：

在ZK25+982处附近有较强反射界面。

推断该段围岩为以中～强风化泥灰岩为主，受断裂构造影响，在ZK25+982处附近岩体破碎，多呈薄层状结构，局部溶蚀强烈，裂隙间夹泥质物较多，含少量裂隙水，层间结合程度差，围岩完整性及稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。开挖时应短开挖，弱爆破，控制超/欠挖，确保安全。

预报里程：ZK25+982~ZK25+946 L=36m 

物性参数描述：

平均速度：Vp=2230 m/s

主要物探异常：

在ZK25+946处附近有较强反射界面。

推断该段围岩为以中～强风化泥灰岩为主，受断裂构造影响，在ZK25+946处附近岩体破碎，多呈薄层状结构，局部溶蚀强烈，裂隙间夹泥质物较多，含少量裂隙水，层间结合程度差，围岩完整性及稳定性差。

推断该段围岩等级为Ⅴ级。开挖时应短开挖，弱爆破，控制超/欠挖，确保安全。

 

结果

探测分析

综合掌子面地质情况和AGI-T3探测分析结果，得到如下结论：

01

推断本次预报段受构造影响，裂隙发育，总体上围岩的自稳能力一般。

02

推测掌子面前方0～28m（ZK26+046～+018）段围岩以中～强风化灰岩为主，受断裂构造影响，在ZK26+030～+018段附近岩体破碎，多呈薄层状结构，局部溶蚀强烈，裂隙间夹泥质物较多，含少量裂隙水，层间结合程度差，围岩完整性及稳定性差。

03

推测掌子面前方28～64m（ZK26+018～+982）段以中～强风化灰岩为主，受断裂构造影响，在ZK25+982处附近岩体破碎，多呈薄层状结构，局部溶蚀强烈，裂隙间夹泥质物较多，含少量裂隙水，层间结合程度差，围岩完整性及稳定性差。

04

推测掌子面前方64～100m（ZK25+982～ZK25+046）段围岩以中～强风化灰岩为主，受断裂构造影响，在ZK25+946处附近岩体破碎，多呈薄层状结构，局部溶蚀强烈，裂隙间夹泥质物较多，含少量裂隙水，层间结合程度差，围岩完整性及稳定性差。

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