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瞬变电磁法超前地质预报

2009-05-20 17:04:03
瞬变电磁法超前地质预报
在晋城至济源高速公路天并关隧道施工中的应用
长安大学  门小雄
交通部科学研究院科技交流中心 吕东旭
中国联合水泥有限责任公司 侯萍
摘要:
     要在隧道及地下工程前期勘察阶段准确无误地掌握其工程状态、特征,并防止可能引发的不良地质灾害几乎是不可能的,因此.必须在施工中结合地质超前预报工作对其进行分析。将瞬变电磁仪用于隧道地质超前预报是一种正在发展和探索中的综合技术,本文介绍了瞬变电磁仪在隧道工程中的工作原理和方法,及其在晋城至济源高速公路天井关隧道施工中的应用成果。
关键词:隧道施工地质超前预报瞬变电磁法
1、引言
     隧道设计与施工之前.要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察,但山与岩体的复杂性.使勘察工作获得的资料与隧道开挖后揭露出来的情况相比有很大的不同.由于对施工掌子面前方地质条件了解不清.施工带有很大的盲目性,施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故.这些事故的发生,往往会影响到工期,并增加工程投资,重则砸毁机械设备.甚至造成人员伤亡.而且事故发生后的处理工作难度较大。近几年.随着隧道工程数t的增加,规模的扩大,遇到的地质条件越来越复杂.这一问题变得更加突出。如何解决这一难题.备受世界各国隧道工程界的关注.隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。
     施工地质超前预报就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析和研究.从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。利用地质超前预报系统在隧道开挖过程中,对掌子面前方岩性进行比较准确的预报,可有效地防止工程事故.加快施工进度以及保证工程质量。
      在太原至澳门国家重点公路晋城至济源高速段山西境的隧道施工中.应用瞬变电磁仪对施工掌子面前方的岩石状况进行超前地质预报,主要目的是提供隧道掘进前方的地质情况.包括围岩的完整性、断层破碎带和溶洞的规模及位置、不良地层的赋水情况,进而对围岩类别的划分和坑道开挖时稳定性做出分析。通过对地形、地貌的观察及隧道掘进过程中地质情况的跟踪调查与掌子面的素描,分析本段电磁法所测资料,综合评价预测段洞室开挖岩土工程地质条件。从多座隧道的预报结果看.其与后来施工中的实际情况比较符合,从而为施工提供了可靠的支持和保障。
2、瞬变电陇仪超前地质预报系统应用方法
2.1工作原理
     瞬变电磁法(TEM)的基本原理就是电磁感应定律.其工作中于地面或空中设置以一定波形电流的发射线圈从而在其周围空间产生一磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流:断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减过程一般分为早、中、晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分衰减快;而晚期成分相当于频域中的低频成分.衰减慢。通过测量断电后各个时段的二次场随时间的变化率便可得到不同深度的地电特征。
     隧道超前探测的小装置瞬变电磁法是由地面移植到隧道中,它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场,在一次场的间歇期间.用线圈观测由地下地质体产生的感应电磁场(称二次场或瞬变场)随时间的衰减特性,通过观测该瞬变场在空间上的分布规律和随时间的变化规律来解决地质问题的电法勘探分支方法。
      由于瞬变场的强度及延迟时间是与地下地质目标体的电性、规模及产状等参数有关的,地质体的导电性越好,瞬变场的强度就越大且热损耗就越小,故衰减越慢,延迟时间越长。因此,根据瞬变场的特征,就可以判断地下地质体的电性和规模.根据剖面测量结果可推断出其赋存位置、埋深及产状等。
     针对目前瞬变电磁法普遍采用的大线圈发射、大线圈或中心探头接收装置受体积效应影响大且分辨率较差的缺点,在实际中提出了小回线(发射线圈一般采用3mx3m)大电流发射、中心探头接收方式的小装置瞬变电磁法。这种装置发、收同点.在近场观测不仅避免了记录点问题,而且减小了体积效应,受地形影响小.不受静态效应的影响.从而大大提高了瞬变电磁法的探测精度和分辨率。
瞬变电磁仪的具体设备和工作参数如下:
(1) 仪器设备
     小装置瞬变电磁法采用EMRS一3A型大功率瞬变场仪。该仪器采用单脉冲波形发射.最大发射电流可达I800A(本次工作采用99A),发射`接收一体,无需同步.可进行多次叠加。
(2)工作参数
     发射线框3mx3m:接收线框中心探头(等效于50mx50m的方形线框所测量感生电动势);发射电流:99A;采样延迟时间:10ms;叠加次数32。
2.2工作方法
(1)数据采集
      在用瞬变电磁法进行隧道地质超前预报时,隧道中测量处于全空间中,须根据实际情况和需要改变发射线圈与接收线圈角度进行连续观测,以获得扇形剖面。由于要在有限的隧道空间布置装置,线圈不能太大,且要达到一定的探测深度因此必须增加发射电流。瞬变电磁法采用一定的工作方式.最大超前探测距离可达到100m。
(2)数据分析处理
     在完成现场工作取得数据后,首先要检查验收原始记录数据、野外测点状况的编录以及仪器工作状况的记录.对原始记录数据进行整理、编号、汇总.然后进行处理分析。处理是通过专用软件把野外采集的数据解释为地质成果,具体要经过处理、计算、分析与解释等程序.其流程如图1所示。
     野外采集的数据含有发射线圈、发射电流、接收线圈、增益、盈加次数等因素的影响,必须进行归一化。仪器在硬件上虽然已经考虑了50HZ干扰及随机干扰的压制问题,但并不彻底.还必须通过软件进一步去噪,再做各种计算和反演.根据反演结果进行定量解释。
     根据剖面的显示情况可以直观地看出隧道掌子面前方岩石的状况。一般情况下.典型的超前探测剖面中,完整性较好的未风化灰岩的剖面图,电阻率较高,曲线比较规则,表明围岩较好;围岩完整性较差的剖面图.电阻率较低.曲线不规则,变化较大.这是节理较发育的表现。根据电性的变化.就可以进行围岩类别的划分。
与频率域电磁法相比,瞬变电磁法具有以下几方面的独特优点:
1、断电后观测纯二次场.不受一次场干扰.因而受地形影响较小。
2、可以按需要加大发射功率,以增大二次场提高信噪比.从而增大勘探深度。
3、一个脉冲激发可以观测整条衰减曲线,而且对线圈点位方位和收发距要求不严工作效率高。
3工程应用实例
3.1工程概况
     晋济高速公路全长30.049公里,起点位于晋城市泽州南路的泽州互通(与长晋高速公路相接),终点位于恶水站东南省界处.由于路线穿越太行山脉西侧地质构造极为复杂的地段.因而成为目前全国地形最复杂、桥隧比例最高、施工难度最大、公里造价最高的高速公路。影响到隧道施工的主要地质因素有岩性复杂(沉积岩、岩浆岩、变质岩)、构造复杂(断层、节理、地质破碎区)、地表水系发育、地下水丰富‘煤层及采空区等.并有局部岩溶区存在。其中.公路沿线区域大t的分布断裂带、煤层、溶岩及地下水已经对施工造成实际破坏在同线其它隧道中出现了塌方、厚煤层、以及少t涌水和溶洞.严重影响到工程进度和质量。
     针对工程地质条件复杂的实际情况采用瞬变电磁仪对第7合同段的天井关隧道进行了地质超前预报下面为隧道左线进口里程LK11+920一LK12+120段预报的情况。
3.2预报结果分折
(1)现场勘察
     进行地质超前预报前.通过工程地质人员结合施工设计文件对天井关隧道的现场勘察.从以下几个方面分析了隧道所处地质条件基本特征:
①围岩特征
     该段地层岩性主要为弱风化。Zf泥灰岩、白云质灰岩、025灰岩.掌子面出露的岩层为灰岩。围岩风化程度为弱风化,局部节理裂隙较发育层间结合一般,岩体较破碎。呈镶嵌碎裂结构及中厚层结构、围岩稳定性较差。掌子面、洞室侧墙节理、裂隙发育,连续性较好.主要节理组分布为:①灰岩节理,85。<88。节理密度3条/米,节理闭合~~微张,泥、钙质充填.节理面呈台阶状:②灰岩节理175。<46。节理密度3条/米,闭合节理。
    掌子面起拱线下方腰部有一单斜层间滑脱构造,泥质及角砾充填,对围岩稳定性影响轻微。
②地下水
    地下水主要为基岩裂隙水,受大气降水补给,掌子面全断面滴水.出水部位为岩体层间及节理裂隙.地下水对围岩稳定性影响小。
③围岩稳定性评价
     根据调查测试成果.左洞进口掌子面前方LKll+920一LK12+120段围岩岩性为奥陶系O2f泥灰岩及白云质灰岩、O2s灰岩,灰岩围岩以弱风化为主.隧道内地层呈单斜构造,节理较发育。呈裂隙块状、中厚层状结构,岩体完整性较差,围岩稳定性较差。
     报围岩类别为V类。围岩风化较强,岩体完整性较差.稳定性较差:LK12+070——LK12+120段设计洞室围岩类别为II类,预报围岩类别为II类,围岩整体上比较完整,无断层破碎带出现,无渗水、煤层和溶洞出现。针对实际情况,建议施工中采用上下台阶开挖要注意台阶不宜过长,以免影响断面的成环时间,循环进尺不应大于3米.开挖后应及时喷射混凝土支护.围岩不宜暴露时间过长。
(3)结果分析
    解释出的成果可以及时地为隧道的施工变更提供依据,大大地减少了因隧道施工塌方带来的危险,保证了施工安全同时也带来了很大的经济效益有必要在隧道及地下工程中推广应用。
参考文献:
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【2】]李忠.TsP一202探测系统在新保纳随道地质超前预报中的应用研究【J』.地质与勘探,2002,38
【3】刘国昌.地质力学及其在水文地质工程地质方面的应用[M].北京:地质出版社,1979一41
【4】刘志刚,赵勇.隧道隧洞施工地质技术区[M].北京:中国铁道出版社,2001,
【5』陈成宗.随道地质预测术.世界隧道,1995,6 : 74
【6]孙广忠,吴志功.军都山隧道施工地质超前预报技术。1991年地下工程建设中地质灾害预测预报及防治学术讨论会论文集.
备注:本文章下载于中国知网,无删节。
 
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