一种高速铁路隧道综合超前地质预报方法与流程

本发明涉及施工地质预报技术，尤其涉及一种高速铁路隧道综合超前地质预报方法。

背景技术：

高速铁路施工中，当遇到较长山脉时，需要开凿长达数百米、数千米甚至数十千米的隧道，由于山脉下不同地段、不同深度的岩体的复杂性，即使在前期勘测设计进行过仔细的地质勘察，但在实际施工进程中，隧道开挖后实际中碰到的各岩体的特性会与预先依据地质勘查进行的设计有较大的误差。例如，在隧道开挖施工过程中，可能出现突发塌方、冒顶、突水、涌泥等工程事故，从而导致地表塌陷。工程事故的发生不仅降低了施工的安全性，还会影响工期，增加工程投资，而且还会造成地表水资源枯竭及地表生态环境等灾害。因此，做好超前地质预报是隧道施工过程中十分重要的一项工作，而超前地质预报中，如何准确预报施工掌子面前方是否存在断层破碎带、富水带及溶洞暗河等不良地质就成为了隧道施工中亟待解决的关键技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种高速铁路隧道综合超前地质预报方法，能够进行超前地质预报以提升施工的安全性。

第一方面，本发明实施例提供一种高速铁路隧道综合超前地质预报方法，包括：

进行待施工高速铁路隧道的地质素描以及地质观察；

采用tsp长距离超前地质预报方式对所述地质素描以及地质观察进行分析，获取掌子面前方结构的剖面及各种地震参数；

结合获取的掌子面前方结构的剖面及各种地震参数，利用地质雷达探测法，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模；

依据获取的掌子面前方不良地质体的位置和规模，利用红外探水探测法获取掌子面前方含水体；

基于所述掌子面前方不良地质体的位置和规模以及掌子面前方含水体，采用长距离超前钻孔以及炮眼超前钻孔对隧道进行超前钻探。

结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述进行待施工高速铁路隧道的地质素描包括：

对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描，测量岩层产状和厚度；

测量所述已揭露出的岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度；

将所述已揭露出的岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图进行比较，确定其在地表岩层层序中的位置和层位；

依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合tsp探测成果，推断出掌子面前方预定范围内即将出现的岩层在隧道中的位置和规模；

定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终绘制掌子面地质素描图和洞身地质展示图。

结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述方法还包括：

及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，以对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见。

结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述方法还包括：

在绘制地质素描图后，填写开挖工作面地质调查记录表；

检查喷射混凝土有无开裂及发展，锚杆有无松动，钢架支护状态，并做好相应记录；

查看边仰坡有无开裂、起壳，地表有无裂纹；地表水位有无异常变化。

结合第一方面、第一方面的第一种至第三种中任一种实施方式，在第一方面的第四种实施方式中，所述依据获取的掌子面前方不良地质体的位置和规模，利用红外探水探测法获取掌子面前方含水体包括：

从掌子面后方的探测段起点，按5m点距布设测点；

使用红外线探水仪量测各测点的初始场强；

对场强发生变化的测点重复量测，并作横向、垂向扫描，记录所在测点场强的极大和极小值；

以红外辐射场强为纵坐标，测点为横坐标，绘制红外探测曲线图；

根据曲线图，采用趋势外推法，判断掌子面前方的含水体构造。

结合第一方面、第一方面的第一种至第三种中任一种实施方式，在第一方面的第五种实施方式中，所述长距离超前钻孔采用长距离超前钻机进行长距离超前水平钻探，炮眼超前钻孔采用短距离超前水平钻探。

结合第一方面、第一方面的第一种至第三种中任一种实施方式，在第一方面的第六种实施方式中，所述采用长距离超前钻孔以及炮眼超前钻孔对隧道进行超前钻探包括：

测试钻孔钻进速度，观察钻孔岩芯，对钻孔岩芯进行预先设置的试验，以获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况资料。

结合第一方面的第六种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，所述方法还包括：

开孔采用φ120钻头，孔内放入3.0m长的φ108钢管作为孔口管，孔口管伸出掌子面50cm，孔壁间用环氧环脂加水泥浆锚固，孔口管伸出部分安封闭装置，并与注浆泵联接，以便遇高压水时及时封堵并注浆。

结合第一方面、第一方面的第一种至第三种中任一种实施方式，在第一方面的第八种实施方式中，所述方法还包括：

结合所述掌子面前方不良地质体的位置和规模、所述掌子面前方含水体以及进行超前钻探得到的超前水平钻探分析结果，制定隧道施工处置方案。

结合第一方面、第一方面的第一种至第三种中任一种实施方式，在第一方面的第九种实施方式中，所述方法还包括：

减少环境噪音，预先确定好采样间隔和采样数目，采用早强膨胀水泥砂浆使接收器与岩体粘贴好，以保证采集信号的质量。

本发明实施例提供的一种高速铁路隧道综合超前地质预报方法，通过进行待施工高速铁路隧道的地质素描以及地质观察；采用tsp长距离超前地质预报方式对所述地质素描以及地质观察进行分析，获取掌子面前方结构的剖面及各种地震参数；结合获取的掌子面前方结构的剖面及各种地震参数，利用地质雷达探测法，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模；依据获取的掌子面前方不良地质体的位置和规模，利用红外探水探测法获取掌子面前方含水体；基于所述掌子面前方不良地质体的位置和规模以及掌子面前方含水体，采用长距离超前钻孔以及炮眼超前钻孔对隧道进行超前钻探，能够进行超前地质预报以提升施工的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的实施例一高速铁路隧道综合超前地质预报方法流程示意图；

图2为本发明的实施例二tsp203地质预报测试示意图；

图3为本发明的实施例三数据处理流程示意图；

图4为本发明的实施例四红外探水探测法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的实施例一高速铁路隧道综合超前地质预报方法流程示意图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101，进行待施工高速铁路隧道的地质素描以及地质观察；

本实施例中，地质素描可以结合预测进行，其中，地质素描预测包括但不限于：岩层岩性及层位预测、条带状不良地质体影响隧道长度预测以及不规则地质体影响隧道长度预测。

本实施例中，作为一可选实施例，进行待施工高速铁路隧道的地质素描包括：

a11，对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描，测量岩层产状和厚度；

本实施例中，作为一可选实施例，地质素描包括：观察并获取岩石的矿物成分及其含量、结构构造特征、特殊标志、掌子面正面及侧面稳定状态、岩层产状、岩性风化程度、节理裂隙发育程度、喷射混凝土开裂、掉块现象、涌水情况、水质情况、水的影响、不良气体浓度等的一种或其任意组合。其中，节理裂隙发育程度包括但不限于：产状、间距、长度、充填物、数量等。

a12，测量所述已揭露出的岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度；

a13，将所述已揭露出的岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图进行比较，确定其在地表岩层层序中的位置和层位；

a14，依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合tsp探测成果，推断出掌子面前方预定范围内即将出现的岩层在隧道中的位置和规模；

本实施例中，作为一可选实施例，地质观察在爆破后、初喷前进行。

本实施例中，作为一可选实施例，在施工过程中，每次爆破后由地质工程师进行地质素描以及地质观察。

a15，定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终绘制掌子面地质素描图和洞身地质展示图。

本实施例中，作为另一可选实施例，该方法还包括：

及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，以对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见。

本实施例中，将提出的处理意见上报专管地质工作的项目工程师，以利采取有效的防护措施。

本实施例中，作为再一可选实施例，该方法还包括：

在绘制地质素描图后，填写开挖工作面地质调查记录表；

检查喷射混凝土有无开裂及发展，锚杆有无松动，钢架支护状态，并做好相应记录；

查看边仰坡有无开裂、起壳，地表有无裂纹；地表水位有无异常变化。

步骤102，采用隧道超前地质预报(tsp，tunnelgeologicalprediction/prospecting)长距离超前地质预报方式对所述地质素描以及地质观察进行分析，获取掌子面前方结构的剖面及各种地震参数；

本实施例中，作为一可选实施例，采用tsp203超前地质预报。

本实施例中，地震(声)波由特定点上的小规模爆破产生，并由电子传感器接收。当地震波遇到岩石强度变化大(如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现)的界面时，在绕射点处，部分射波的能量被反射回来。

图2为本发明的实施例二tsp203地质预报测试示意图。参见图2，该tsp203测试方式特别适用于高分辨率的隧道折射地震(微地震)勘探，以及断裂和岩石强度降低地带的监测。

本实施例中，tsp203测试理论上可预测150～300m的距离。

本实施例中，进行预报时，在接收器及传感器套管安装完成12h后，进行爆破孔装药、传感器插入及功能性测试，然后引爆爆破孔，对每次爆破进行地震信号记录，依据记录的地震信号进行预报。

本实施例中，在正式爆破采集数据时，停止隧道洞内一切施工，以尽可能减少采集到的数据受外界噪声的干扰。

本实施例中，tsp203测试采用专用软件，可以对隧道内采集到的原始资料进行以压制干扰、提高信噪比和分辨率、提取地震参数为目的的技术处理。数据处理前，先确定隧道轮廓的参数、各炮孔的装药量等数据，再通过专用软件处理，输出掌子面前方结构的剖面及各种地震参数。

图3为本发明的实施例三数据处理流程示意图。参见图3，包括：

数据设置；

带通滤波；

初至波拾取；

提取处理；

能量平衡；

品质因素估算；

反射波拾取；

p、s波分离；

速度分析；

时深转换；

反射界面抽取。

本实施例中，进行数据处理后，输出的结果(预报)是围岩性质可能发生岩性变化的位置、各反射界面围岩的物理性质。通过人工解译，可以得出反射界面的岩性参数、产状及其相互关系，以及各步解释后的隐含信息，以预测不良地质段的性质。

本实施例中，为保证预报长度以及预报精度，提高预报质量，作为一可选实施例，该方法还包括：

减少环境噪音，预先确定好采样间隔和采样数目，采用早强膨胀水泥砂浆使接收器与岩体粘贴好，以保证采集信号的质量。

步骤103，结合获取的掌子面前方结构的剖面及各种地震参数，利用地质雷达探测法，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模；

本实施例中，地质雷达是基于电磁波在有效介质中的传播特性工作的。具体来说，发射天线发出微波频段的电磁波后，遇到不均匀介质或介电常数有差异时会发生反射，反射信号由接收天线接收记录，经微机处理形成雷达剖面图，解译人员对雷达剖面图进行解译分析，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模。

本实施例中，地质雷达探测法对30m范围内的不良地质体，尤其是含水地质体探测效果好。作为一可选实施例，地质雷达探测法主要在临近含水构造地段使用，近距离探测富水溶洞、含水断层等。

步骤104，依据获取的掌子面前方不良地质体的位置和规模，利用红外探水探测法获取掌子面前方含水体；

本实施例中，红外探水探测法是利用地下水活动引起岩体红外辐射场场强变化的特性，从而推测出掌子面前方含水体的一种探测方法。

本实施例中，作为一可选实施例，依据获取的掌子面前方不良地质体的位置和规模，利用红外探水探测法获取掌子面前方含水体包括：

b11，从掌子面后方的探测段起点，按5m点距布设测点；

b12，使用红外线探水仪量测各测点的初始场强；

b13，对场强发生变化的测点重复量测，并作横向、垂向扫描，记录所在测点场强的极大和极小值；

b14，以红外辐射场强为纵坐标，测点为横坐标，绘制红外探测曲线图；

b15，根据曲线图，采用趋势外推法，判断掌子面前方的含水体构造。

图4为本发明的实施例四红外探水探测法示意图。其中，a为供电电极；m以及n均为测量电极；b为相对无穷远点(ab＞300m)；p为含水体接触点。

本实施例中，该标段隧道采用红外线探水仪，主要在tsp-203和超前水平钻孔初步确定含水地段前30m左右开始探测，以进一步确定含水体位置及规模。

步骤105，基于所述掌子面前方不良地质体的位置和规模以及掌子面前方含水体，采用长距离超前钻孔以及炮眼超前钻孔对隧道进行超前钻探。

本实施例中，作为一可选实施例，长距离超前钻孔采用长距离超前钻机进行长距离超前水平钻探，炮眼超前钻孔采用短距离超前水平钻探。

超前钻探是隧道施工期超前地质预测预报中最直接、最有效的方法，也是对其它探测手段成果的验证和补充。

本实施例中，作为一可选实施例，采用长距离超前钻孔以及炮眼超前钻孔对隧道进行超前钻探包括：

测试钻孔钻进速度，观察钻孔岩芯，对钻孔岩芯进行预先设置的试验，以获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况资料。

本实施例中，作为一可选实施例，超前水平钻探分为单孔水平钻探和多孔水平钻探两种，其中，多孔水平钻探按3孔设计，孔深设置为40～60m，采用地质钻机接杆钻孔。

本实施例中，为防止遇高压水时突水失控，该方法还可以包括：

开孔采用φ120钻头，孔内放入3.0m长的φ108钢管作为孔口管，孔口管伸出掌子面50cm，孔壁间用环氧环脂加水泥浆锚固，孔口管伸出部分安封闭装置，并与注浆泵联接，以便遇高压水时及时封堵并注浆。

本实施例中，作为一可选实施例，在施钻过程中，由地质工程师详细记录钻速、水质、水量变化情况，统一编录、收集，综合判断预报前方水文、地质情况。

本实施例中，作为另一可选实施例，该方法还包括：

结合所述掌子面前方不良地质体的位置和规模、所述掌子面前方含水体以及进行超前钻探得到的超前水平钻探分析结果，制定隧道施工处置方案。

本实施例中，依据掌子面前方不良地质预报结果(掌子面前方不良地质体的位置和规模以及掌子面前方含水体)选择超前水平钻，确定钻点布设位置并进行现场钻探，从而获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况资料等信息，通过分析可以得到超前水平钻探分析结果，结合掌子面前方不良地质预报与超前水平钻探分析结果，从而生成隧道施工处置方案。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。