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        綜合物探方法在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

        2016-04-01 05:03:04楊嘉明
        東北水利水電 2016年9期
        關(guān)鍵詞:探地掌子面含水

        楊嘉明,劉 凱,韓 飛,郭 奇,2

        (1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130062;2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130062)

        綜合物探方法在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

        楊嘉明1,2,劉 凱1,韓 飛1,2,郭 奇1,2

        (1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130062;2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130062)

        通過兩種方法綜合應(yīng)用,探討選擇合理有效的預(yù)報(bào)方法,采用探地雷達(dá)和地震波反射相結(jié)合的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法,對吉林省某供水工程二標(biāo)段樁號23+706掌子面進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào),取得了較好的效果。

        地質(zhì)超前預(yù)報(bào);探地雷達(dá);地震波反射

        0 引言

        隧洞開挖是水利、鐵路、公路等各個行業(yè)在實(shí)際工程中遇到的必要環(huán)節(jié),而地下不良地質(zhì)體的特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重影響實(shí)際開挖及處理。近年來,國內(nèi)外很多單位結(jié)合工程對隧道施工進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)理論研究與應(yīng)用。目前國內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)較領(lǐng)先的技術(shù)方法是探地雷達(dá)法和地震波反射法結(jié)合探測較為廣泛。

        鑒于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時,應(yīng)根據(jù)實(shí)際巖性設(shè)置合理參數(shù),盡可能取得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù),并結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合處理分析,探測出不良地質(zhì)體實(shí)際規(guī)模、走向,為施工處理提供科學(xué)依據(jù)。

        1 工程概況

        吉林省某供水工程總干線70 km,其中二標(biāo)段樁號為2+000~24+600。此段涉及地層巖性主要有凝灰?guī)r、安山巖、砂巖、花崗巖。斷裂構(gòu)造多有繼承性和復(fù)合型的特點(diǎn)。斷層多位于溝谷部位,和地下水、地表水很容易形成密切的聯(lián)系,工程地質(zhì)性質(zhì)差,往往成為隧洞涌水、突水、突泥的主要部位。

        根據(jù)現(xiàn)場勘查,樁號23+706掌子面處巖性為凝灰?guī)r,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石完整性差,伴有基巖滲水,常有掉塊現(xiàn)象,圍巖類別為V類圍巖。地上地貌為河谷,常年流水。掌子面及前方55 m內(nèi)均為引水洞過溫德河段,且埋深較淺。

        2 預(yù)報(bào)方法及原理

        2.1 探地雷達(dá)法

        探地雷達(dá)采用的是時間域脈沖雷達(dá),將寬頻帶的脈沖電磁波發(fā)射到地下介質(zhì)中,通過接受反射信號達(dá)到探測地下目標(biāo)的目的,雷達(dá)系統(tǒng)向被探測物發(fā)射電磁波脈沖,電磁脈沖穿過介質(zhì)表面,碰到目標(biāo)物或不同介質(zhì)的界面而被反射回來,根據(jù)電磁波的雙程走時,分析確定探測目標(biāo)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性,詳見圖1。

        圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理圖

        此次預(yù)報(bào)使用Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)儀,根據(jù)探測前方的巖性特征及現(xiàn)場的工作條件,探測距離可以達(dá)到30 m左右。測試時在掌子面處布置“井”字形剖面4個,采用點(diǎn)測方式,雷達(dá)天線貼近掌子面20 cm,并且垂直掌子面正前方施測,測試點(diǎn)距為5 cm。沿井字剖面逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。本次超前探測的天線中心頻率為75 MHz,所以在進(jìn)行數(shù)字濾波時,選擇頻率為19~150 MHZ的帶通濾波器進(jìn)行濾波。

        2.2 地震波反射法

        此次預(yù)報(bào)中地震波超前預(yù)報(bào)法使用的是TRT6000,原理是當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時,一部分信號被反射回來,一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收,通過分析,被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等),位置及規(guī)模。

        此次在探查區(qū)共安裝10個傳感器,隧道左右邊墻各布置4個,洞頂2個,錘擊震源點(diǎn)共計(jì)12個,隧道左右邊墻各6個,震源需盡可能的靠近掌子面。這樣共獲取120組反射地震波信號。震源與傳感器點(diǎn)代號分布如圖2。

        圖2 TRT傳感器布設(shè)

        3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

        3.1 探地雷達(dá)法

        在成果解釋中,雷達(dá)的起始初至相位一般為正相位,如發(fā)現(xiàn)有明顯的正相位強(qiáng)波反射波組出現(xiàn),應(yīng)是巖層巖性變好的表現(xiàn);如發(fā)現(xiàn)有明顯的反相位反射波組出現(xiàn),應(yīng)是巖性變壞的反映;根據(jù)反射波反射強(qiáng)度的大小可以區(qū)分反射界面前方介質(zhì)的巖性特征,比如地下水賦存情況等。

        依據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果,見圖3中1~6不同部位;

        ①樁號23+710~23+713雷達(dá)反射信號強(qiáng)烈為含水裂隙破碎帶,見部位1;

        ②樁號23+716~23+719雷達(dá)反射信號強(qiáng)烈為大面積含水裂隙破碎帶,見部位2;

        ③樁號23+719~23+722米雷達(dá)反射信號強(qiáng)烈有2處含水裂隙破碎帶,見部位3,4,樁號23+ 722~23+732處有幾處含水裂隙,見部位5,6;

        ④樁號23+737~23+738處有裂隙含水,見部位6。

        3.2 地震波反射法

        3.2 .1 TRT6000數(shù)據(jù)處理流程由下面八個步聚組成:

        ①下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置的坐標(biāo);

        ②設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度(節(jié)點(diǎn)數(shù)目)的大?。?/p>

        ③設(shè)定濾波,選取每個記錄的直達(dá)波,并計(jì)算地震波的平均波速;

        ④為所選區(qū)塊構(gòu)建地震波速度模型;

        ⑤為數(shù)據(jù)處理設(shè)定過濾參數(shù);

        ⑥重復(fù)步聚③,④,⑤處理數(shù)據(jù),直到處理結(jié)果達(dá)到平衡,噪音干擾衰減到足夠??;

        ⑦設(shè)定背景2(比例、顏色代碼)來顯示結(jié)果;

        ⑧審查和分析在巖層中探測到的異常的平面(二維)和立體(三維)繪圖。

        3.2 .2 TRT6000成像圖

        采用相對解釋原理,即確定一個背景場,所有解釋相對背景值進(jìn)行,異常區(qū)域會偏離背景區(qū)域值,根據(jù)偏離與分布多少解釋隧道前方的地質(zhì)情況。

        1)一般來說,軟件設(shè)定圍巖相對背景值破碎、含水區(qū)域呈藍(lán)色顯示,相對背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示;

        2)從整體上對成像圖進(jìn)行解釋,不能單獨(dú)參照一個斷面的圖像;

        3)根據(jù)異常區(qū)域圖像相對于圍巖背景,從背景波速分析異常的波速差異,進(jìn)而判斷圍巖類別。

        依據(jù)TRT6000地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果:樁號23+716~23+ 723范圍內(nèi)破碎,含水,詳見圖4。

        圖3 探地雷達(dá)成果圖

        圖4 TRT6000三維側(cè)視成果圖

        4 結(jié)語

        通過綜合物探方法探測隧洞中的不良地質(zhì)體可行、有效,且在后期的工程開挖中得到了驗(yàn)證,為隧洞的開挖處理提供了可靠依據(jù),避免盲目施工誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,可在以后的工程中廣泛應(yīng)用。

        [1]曾昭發(fā),劉四新,王者江,薛建.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)

        表1 實(shí)際洪水、洪水預(yù)報(bào)及修正預(yù)報(bào)結(jié)果

        1002-0624(2016)09-0043-03

        P618

        A

        2016-06-11

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