CN109613616B - 一种浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，该方法包括：步骤1：根据开挖面揭露地质情况，对隧道工作面进行素描记录；步骤2：根据隧道工作面地质情况，在隧道工作面前方进行地质雷达测线、测点布置；步骤3：采用地质雷达探测隧道工作面不同深度的地质情况，然后进行图像判释，并根据探测信息，推断隧道工作面前方出现不良地质发育情况；步骤4：在地面利用地震波法进行三维探测，预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件。本发明提供的浅层岩溶隧道地质探测方案，利用地质雷达和地震波法等对浅层岩溶隧道施工地质进行综合立体探测，不仅可以准确预报浅层岩溶的立体形态，而且对施工影响较小，保证施工进度。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程岩溶与溶洞预测预报方案，尤其涉及浅层岩溶隧道施工的综合立体岩溶地质预测预报方案。
背景技术
浅层岩溶一般是指埋深较浅(几十米，一般不超过100m)的岩溶隧道，经过大量的工程实践其具有如下工程特点：隧道位于岩溶垂直循环带，一般较为发育，并与地面存在着直接水力联系；溶洞发育不规律，其内充填泥、砂、水；施工处理难度大，工期长，施工处理时易坍塌至地表。目前岩溶隧道的超前预报采用的探测方法有：TSP(系列)、陆地声纳、地质雷达、瞬变电磁、电法、红外线、声波CT等方法。
浅层岩溶隧道进行超前地质探测时，现有超前地质预报方法针对浅层岩溶溶洞发育复杂不规律的特点难以立体探测其形态、空间分布，且洞内长距离探测费用昂贵，经济性较差。
发明内容
针对现有探测技术对浅层岩溶隧道地质进行探测时所存在的问题，需要一种新的浅层岩溶隧道地质探测方案。
为此，本发明的目的在于提供一种浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其采用洞内地质雷达法与地面地震波法对隧道前方与上覆地层的地质条件进行立体探测，准确判断隧道工作面前方岩溶等不良地质体的发育形态，提出合理的超前支护方案，为优化隧道施工掘进与支护方案提供依据。
为了达到上述目的，本发明提供的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，包括：
步骤1：根据开挖面揭露地质情况，并利用地质罗盘仪对隧道工作面进行素描记录；
步骤2：根据隧道工作面地质情况，在隧道工作面前方进行地质雷达测线、测点布置；
步骤3：采用地质雷达探测隧道工作面不同深度的地质情况，将采集到的电磁波反射信号进行处理与分析，然后进行图像判释，并根据探测信息，推断隧道工作面前方出现不良地质发育情况；如果无异常不良地质存在，进行下一步施工；如果认为探孔周围岩溶发育，则在地面利用地震波法进行三维探测；
步骤4：在地面利用地震波法进行三维探测，预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件；
步骤5：综合分析步骤3所获得的雷达信号数据和步骤4所获得的地震波信号数据，判断隧道工作面前方的洞身及上覆地层中是否存在不良地质体；并结合超前钻孔进行验证，形成超前支护建议。
进一步的，所述步骤2中在进行地质雷达测线和测点布置时，以纵向布线为主，对于地质复杂的区段，按照横向布设测线。
进一步的，所述步骤3中采用地质雷达探测隧道工作面不同深度的地质情况时，运用400MHz，脉宽2.5ns雷达，探测深度范围1～5m；运用100MHz，脉宽10ns雷达探测隧道工作面深度4～25m的地质情况。
进一步的，所述步骤3中进行图像判释时，首先利用收集到的电磁波反射信号的振幅和频率的数值变化大小、相位的正负变化来初步判断岩溶存在和其大致范围，再利用相位正负变化来复核岩溶范围边界。
进一步的，所述步骤4中利用地震波法进行三维探测时，产生的地震波在岩石中以球面波形式传播，并测量接收地震波遇到弹性波阻抗差异界面时被反射的地震波信号，以及测量接收地震波遇到弹性波阻抗差异界面时透射进入前方介质继续传播的直达的地震波信号，最后根据测量得到的直达地震波信号和反射地震波信号的属性，来预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件。
进一步的，所述步骤5中，针对洞内地质雷达探测所获得的雷达信号数据，分析地质雷达反射波波谱、频率变化，在溶洞边界具体表现为波形形成强反射带，溶洞内部波形较周边岩体振幅较大，但在溶腔内较为统一，表现为弱反射，低幅、高频、波形细密，判断为充填黏土介质的溶洞，进而可以得出其隧道开挖面纵向的形态；其次分析浅层岩溶地面地震波法所得到的数据，根据波形反馈得到隧道掌子面至地表竖向的不良地质体，综合得出不良地质体的三维空间分布状态。
进一步的，所述步骤5中进行超前钻孔验证时，钻孔深度在15m至50m之间，对于30m深的钻孔的孔径不小于48mm。
本发明提供的浅层岩溶隧道地质探测方案，利用地质雷达和地震波法等对浅层岩溶隧道施工地质进行综合立体探测，不仅可以准确预报浅层岩溶的立体形态，而且对施工影响较小，保证施工进度。
再者，本方案操作方便、结果可靠性高，对减少塌方冒顶事故、控制隧道变形、保障围岩与隧道稳定以及快速施工都能起到重要的作用，因此，具有重要的实用价值。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例中进行浅层岩溶隧道地质综合立体探测工艺的流程图；
图2为本发明实例中涉及到的隧道的工作面情况效果图；
图3为本发明实例中隧道工作面地质雷达测线布置示意图；
图4为本发明实例中地质雷达测试信号示意图；
图5为本发明实例中进行地震波法的原理示意图；
图6为本发明实例中进行综合分析得到浅层岩溶的分析预报成果示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
地质雷达是用高频脉冲电磁波来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法，因其操作简单、分辨率高、图像直观、屏蔽效果好、对施工干扰小等优点而受到重视与广泛应用。地震波法是利用地震反射波进行人工地震勘探的方法，利用地震波在介质中传播判断隧道上覆地层的地质条件，地面操作可控性较强，且不影响施工进度。
据此，本实例针对浅层岩溶的特点，采用洞内地质雷达法与地面地震波法相结合的方式对隧道前方与上覆地层的地质条件进行立体探测，准确判断隧道工作面前方岩溶等不良地质体的发育形态，提出合理的超前支护方案，为优化隧道施工掘进与支护方案提供依据。
参见图1，其所示为本实例给出的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方案的实施流程图。
由图可知，本实例中在采用洞内地质雷达法与地面地震波法相结合的方式对隧道前方与上覆地层的地质条件进行立体探测时，主要包括如下基本步骤：
步骤1：根据开挖面揭露地质情况，并利用地质罗盘仪对隧道工作面进行素描记录；
步骤2：根据隧道工作面地质情况，在隧道工作面前方进行地质雷达测线、测点布置；
步骤3：采用地质雷达探测隧道工作面不同深度的地质情况，将采集到的电磁波反射信号进行处理与分析，然后进行图像判释；
步骤4：根据探测信息，推断隧道工作面前方出现不良地质发育情况；如果无异常不良地质存在，进行下一步施工；如果认为探孔周围岩溶发育，则在地面利用地震波法进行三维探测；
步骤5：在地面利用地震波法进行三维探测，预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件；
步骤6：综合分析前面步骤所获得的雷达信号数据和地震波信号数据，判断隧道工作面前方的洞身及上覆地层中是否存在不良地质体；并结合超前钻孔进行验证，形成超前支护建议。
针对上述施工步骤，以下通过一应用实例来具体说明本方案的实施过程。
参见图2，其为本应用实例针对的隧道的工作面情况效果图，对此隧道采用本实例给出的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方案对隧道前方与上覆地层的地质条件进行立体探测。
整个探测过程下：
步骤1：首先根据开挖面揭露地质情况，利用地质罗盘仪对隧道工作面(如图2所示)进行素描记录，隧道工作面情况。
步骤2：根据隧道工作面地质情况，在隧道工作面进行测线、测点布置。
本步骤中雷达检测以纵向布线为主，对于地质复杂的区段，按照横向布设测线。其中纵向布置测线可实现连续检测，防止纵向遗漏，探测覆盖范围广；适应雷达检测的特点，探测效率高。
据此，本步骤中测线布置方案如图3所示，根据地质情况，布置四条测线，测线布置在拱顶两条横向，延伸至左、右拱腰，预留核心土部分增加布设两条横纵测线。
步骤3：根据步骤2布置的测线和测点，采用地质雷达，向探测目标发射高频宽带不同频率的电磁波脉冲，再由接收天线接收来自岩溶周边界面、土石界面等的反射波。具体的，运用400MHz，脉宽2.5ns雷达，探测深度范围1～5m；运用100MHz，脉宽10ns雷达探测隧道工作面深度4～25m的地质情况；将采集到的电磁波反射信号进行处理与分析，然后进行图像判释；最后根据探测信息，推断隧道工作面前方约25m范围内可能出现的地层、构造、岩性、岩溶等情况：果无异常不良地质存在，进行下一步施工；如果认为探孔周围岩溶发育，在地面利用地震波法进行三维探测。
这里对电磁波反射信号的数据处理包括增强有效信息，抑制随机噪声，提高图像的信噪比和分辨率。
再者，基于雷达反射电磁波信号对于岩溶地质所表现出的振幅显著增强、频率显著下降、相位发生正负变化、振幅和频率变化较为直观、相位分辨率较高的波形特点，本实例中先利用振幅和频率的数值变化大小、相位的正负变化来初步判断岩溶存在和其大致范围，再利用相位正负变化来复核岩溶范围边界，得到较为准确的结果。
具体的，本实例基于雷达产生的电磁脉冲在地下介质中传播时，其传播路径、反射强度与波形由于经过介质的电性性质及地下岩溶几何形态而发生变化的特性，继而根据反射波的旅行时间(双程走时)、反射波振幅与波形资料，推断岩溶等不良地质的分布情况，并将采集的信号成果进行处理，然后进行图像判释；得到四条测线的雷达波形图，具体如附图4中(a)、(b)、(c)、(d)所示。
根据图4所示的地质雷达图像结果，推测隧道工作面前方以全风化粘土及二迭系下统茅口组(P1m)弱风化石灰岩为主，局部伴有裂隙水，开挖时存在岩体潮湿、少量渗水现象，隧道工作面前方0～5m岩体极破碎，且溶蚀发育，左侧相对于右侧较发育；前方右侧12～20m多发育成溶洞。该段围岩自稳能力差，开挖易发生掉块、掉渣现象，该洞整体稳定性差。
步骤4：根据步骤3的判断结果，需要进一步在地面利用地震波法进行三维探测，以预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件。地震波法
参见图5，本步骤在利用地震波法进行三维探测时，按照要求，布置两个接收孔，每个接孔深2.0m，同时在地面沿着隧道平面走向布置24个炮孔，每个炮孔深1.5m，并且相邻炮孔之间间距1.5m；每个炮孔炸药用量为50g，采用毫秒一段电雷管逐个引爆。
如图所示，震源产生的地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩溶发育带等，一部分地震波信号反射回来，一部分地震波信号透射进入前方介质继续传播；其中反射的地震波信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比。由此，本步骤通过测量直达地震波信号的速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件的目的。
步骤5：综合分析所获得的雷达信号资料和地震波法记录系统反馈的信息，判断隧道工作面前方25m范围内的洞身及上覆地层中是否存在岩溶等不良地质体及其空间位置、三维空间形态等；并结合超前钻孔进行验证，钻孔深度不小于15m但也不宜超过50m；对于30m深的钻孔，其孔径不小于48mm，在上述推断的基础上，提出准确的超前支护建议，为优化隧道施工掘进与支护方案提供依据。
本步骤中，通过洞内地质雷达探测，分析地质雷达反射波波谱、频率变化，在溶洞边界具体表现为波形形成强反射带，溶洞内部波形较周边岩体振幅较大，但在溶腔内较为统一，表现为弱反射，低幅、高频、波形细密，判断为充填黏土介质的溶洞，当波谱图上显示为黑色，波形振幅较小，波形近乎为直线，判断为空溶洞，通过以上判别可以得出其隧道开挖面纵向的形态；其次通过浅层岩溶地面地震波法，反射波的强度及传送时间反映了不良地质体的性质、产状、距离。通过波形反馈得到隧道掌子面至地表竖向的不良地质体，综合得出不良地质体的三维空间分布状态。
进一步的，可根据综合探测的岩溶等不良地质的发育特征，提出超前小导管注浆或大管棚等超前支护方式，并根据岩溶发育特征优化开挖方案。
具体的，本步骤中综合分析所获得的雷达信号资料和地震波法记录系统反馈的信息，判断隧道工作面前方25m范围内岩溶发育形态如图6所示；同时进行超前钻探工作，超前钻探结果与预报结果基本一致，将钻探结果报告设计，判断有无必要进行超前支护。
本探测点的预测结果为围岩较差、岩体极破碎、岩溶发育较强，建议施做大管棚，并进行超前小导管注浆。开挖时必须做好超前支护工作，建议控制施工的速度、短进尺、少扰动、弱爆破，采用台阶法开挖且开挖前后距离需严格按照设计要求进行，开挖后必须尽快施做初期支护。
由上实例可知，本浅层岩溶隧道地质综合立体探测方案可以探明隧道前方岩溶等不良地质的发育特征及围岩变化特征，给出浅层岩溶的立体形态。本方案可对隧道工作面前方与上覆岩溶等不良地质发育进行预报准确，对减少塌方冒顶事故、保障围岩与隧道稳定以及快速施工都能起到重要的作用，具有重要的实用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其特征在于，所述方法采用洞内地质雷达法与地面地震波法相结合的方式对隧道前方与上覆地层的地质条件进行立体探测，由以下步骤依次配合构成：
步骤1：根据开挖面揭露地质情况，并利用地质罗盘仪对隧道工作面进行素描记录；
步骤2：根据隧道工作面地质情况，在隧道工作面前方进行地质雷达测线、测点布置；雷达检测以纵向布线为主，对于地质复杂的区段，按照横向布设测线，其中纵向布置测线实现连续检测，防止纵向遗漏；
步骤3：采用地质雷达探测隧道工作面不同深度的地质情况，将采集到的电磁波反射信号进行处理与分析，然后进行图像判释，并根据探测信息，推断隧道工作面前方出现不良地质发育情况；如果无异常不良地质存在，进行下一步施工；如果认为探孔周围岩溶发育，则在地面利用地震波法进行三维探测；
步骤4：在地面利用地震波法进行三维探测，预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件；
步骤5：综合分析步骤3所获得的雷达信号数据和步骤4所获得的地震波信号数据，判断隧道工作面前方的洞身及上覆地层中是否存在不良地质体；并结合超前钻孔进行验证，形成超前支护建议。
2.根据权利要求1所述的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其特征在于，所述步骤3中采用地质雷达探测隧道工作面不同深度的地质情况时，运用400MHz，脉宽2.5ns雷达，探测深度范围1～5m；运用100MHz，脉宽10ns雷达探测隧道工作面深度4～25m的地质情况。
3.根据权利要求1所述的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其特征在于，所述步骤3中进行图像判释时，首先利用收集到的电磁波反射信号的振幅和频率的数值变化大小、相位的正负变化来初步判断岩溶存在和其大致范围，再利用相位正负变化来复核岩溶范围边界。
4.根据权利要求1所述的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其特征在于，所述步骤4中利用地震波法进行三维探测时，产生的地震波在岩石中以球面波形式传播，并测量接收地震波遇到弹性波阻抗差异界面时被反射的地震波信号，以及测量接收地震波遇到弹性波阻抗差异界面时透射进入前方介质继续传播的直达的地震波信号，最后根据测量得到的直达地震波信号和反射地震波信号的属性，来预报隧道工作面前方与上覆地层地质条件。
5.根据权利要求1所述的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其特征在于，所述步骤5中，针对洞内地质雷达探测所获得的雷达信号数据，分析地质雷达反射波波谱、频率变化，在溶洞边界具体表现为波形形成强反射带，溶洞内部波形较周边岩体振幅较大，但在溶腔内较为统一，表现为弱反射，低幅、高频、波形细密，判断为充填黏土介质的溶洞，进而得出其隧道开挖面纵向的形态；其次分析浅层岩溶地面地震波法所得到的数据，根据波形反馈得到隧道掌子面至地表竖向的不良地质体，综合得出不良地质体的三维空间分布状态。
6.根据权利要求1所述的浅层岩溶隧道地质综合立体探测方法，其特征在于，所述步骤5中进行超前钻孔验证时，钻孔深度在15m至50m之间，对于30m深的钻孔的孔径不小于48mm。
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