专利名称：：一种过煤系地层隧道施工地质预报系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及隧道施工地质预报系统，尤其是一种过煤系地层隧道施工地质预才艮系统。
背景技术：
：随着我国基础建设事业的高速发展和西部大开发的进程，大量隧道工程纷纷上马，其中不乏穿越煤系地层的复杂地质长大隧道。如南昆铁路的家竹菁隧道全长4990/,其中通过煤系地层长度达1157m又如达成线云顶山隧道全长7858/,瓦斯最高时浓度达98%。对于过煤系地层的隧道施工，进行地质预报不仅必要并且迫切。同时，大量的工程实践也为探索瓦斯隧道地质灾害的形成规律和如何进行成功预报提供了良好的机遇和素材。在建的都汶高速公路紫坪铺隧道穿越三迭系上统须家河组，其岩性主要为深灰色、灰黑色泥岩、粉砂岩及砂岩，局部夹炭质泥岩、不稳定的薄煤层、煤线等、隧址区位于龙门山构造带中南段，二王庙断裂(龙门山前山断裂)与映秀断裂(龙门山中央断裂)所限制的断块上，其间展布了一系列一系列走向北东-北北东的背、向斜以及逆冲断裂；隧址区内褶曲有F1U、F1(M、Fu、F12、F13、F4等，小断层、揉皱及节理裂隙发育，岩体破碎较破碎。隧址区煤层和瓦斯分布具备如下特点l.煤层和瓦斯分布无规律性；2.瓦斯以裂隙瓦斯为主，部分区域存在承压瓦斯；3.岩体破碎，节理裂隙发育，瓦斯具备良好运移条件；4.煤体结构以碎粒煤、糜棱煤为主，呈碎块状、鳞片状、粉状，强度极低。由于地质构造的复杂性和多变性，若不能准确纟笨明掌子面前方地质状态极易发生坍方、涌水及瓦斯危害，将造成重大的安全事故。隧道工程是一个地质工程，而大多数隧道都具有埋深大、洞线长的特点，穿越的地质条件复杂，前期的勘察工作很难完全查明存在的地质问题，尤其对于安全风险极大的瓦斯隧道，施工必须做好地质分析和超前地质预报等施工地质工作。隧道工程超前预报近几年蓬勃兴起，新研发了多种预报仪器和设备，尽管如此，由于各种仪器和设备在预报中都或多或少存在一些不足的地方，仅凭单一的预报方法很难保证预报成果的准确性。可以看出，目前国内地质预报工作重在发展超前探测技术和开展超前探测工作，对地质分析的方法重视不够，没能将探测的方法和地质分析的方法进行合理结合，此外，分析及预测的方法单一，没有建立起一套完整的技术方法体系。
发明内容本发明的目的是提供了一种较完善的并能较准确的对过煤系地层隧道施工地质进行预报的系统。本发明的技术方案如下一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，采用如下步骤步骤l,宏观分析查阅大量的勘察资料，设计图纸，对工程区的地质情况进行较全面的了解，通过对前期资料的分析，并结合已挖洞段的预报和开挖实际对比总结，总体上把握煤系地层的分布；步骤2,在宏观分析的基础上根据具体情况通过采用地质编录、物探分析或超前钻孔手段对过煤系地层隧道情况进行具体分析；所述地质编录是在隧道或洞开挖时，将揭露的地层、岩性、地质构造、地下水及其它不良地质现象如实反映在洞身展示或平切图上，并与隧道纵剖面图进行对照；所述物探分析是采用TSP和HSP超前预报方法相互验证，初步判断掌子面前方0~150m范围内可能存在的较大异常情况及岩体的完整状况；所述超前钻孔是开挖中当接近煤层时通过超前钻孔测试查明煤层走向、倾角、厚度等参数。步骤3，将步骤1与步骤2所获取的信息分类并进行主要工程地质条件预测与过煤系地层地质灾害预测；所述主要工程地质条件预测包括岩性及围岩完整性预测、断层预测、煤层预测、地下水状况预测；所述过煤系地层地质突害预测包括掛方预测、瓦斯突出预测。步骤4,结合步骤l、2、3所获取的相关信息和数据完成过煤系地层隧道施工地质预^^艮系统的构建。按工程项目地质特征和主要地质问题的不同，编制地质剖面图、煤层分布图、开挖对比图，编制时随工程进展逐步将地质编录主要地质要素和物探成果一并反映到相关图上，并根据开挖揭露的地质情况修编工程地质剖面图。在所述超前钻孔中钻探深度控制在30~50m,钻孔布置根据前述预报不良地质体的产出M^莫、展布形式确定。所述超前钻孔中钻取的岩芯由专业地质人员编写并存放在专门的岩芯箱中。所述宏观分析包括的内容是区域稳定、地质构造、地层岩性、地形地貌、煤层结构。所述地质编录包括的内容是掌子面地质素描、洞身地质素描及地质调查。有益效果本发明以宏观分析为前提通过各种手段，对岩性及围岩完整性、断层、煤层、地下水状况、坍方、瓦斯突出等情况进行了全方位的分析和预测，建立了一套完善的并能较准确的对过煤系地层隧道施工地质进行预报的系统。本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中图1本发明的流程图2TSP观测系统中炮孔与接收孔的布置图；图3TSP^:测原理具体实施例方式如图1所示一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，采用如下步骤步骤l，宏观分析查阅大量的勘察资料，设计图纸，对工程区的地质情况进行较全面的了解，通过对前期资料的分析，并结合已挖洞段的预报和开挖实际对比总结，总体上把握煤系地层的分布；步骤2，在宏观分析的基础上根据具体情况通过采用地质编录、物探分析或超前钻孔手段对过煤系地层隧道情况进行具体分析；所述地质编录是在隧道或洞开挖时，将揭露的地层、岩性、地质构造、地下水及其它不良地质现象如实反映在洞身展示或平切图上，并与隧道纵剖面图进4亍对照；所述物探分析是采用TSP和HSP超前预报方法相互验证，初步判断掌子面前方0~150m范围内可能存在的较大异常情况及岩体的完整状况；所述超前钻孔是开挖中当接近煤层时通过超前钻孔测试查明煤层走向、倾角、厚度等参数。步骤3，将步骤1与步骤2所获取的信息分类并进行主要工程地质条件预测与过煤系地层地质突害预测；所述主要工程地质条件预测包括岩性及围岩完整性预测、断层预测、煤层预测、地下水状况预测；所述过煤系地层地质突害预测包括掛方预测、瓦斯突出预测。步骤4，结合步骤l、2、3所获取的相关信息和数据完成过煤系地层隧道施工地质预报系统的构建。按工程项目地质特征和主要地质问题的不同，编制地质剖面图、煤层分布图、开挖对比图，编制时随工程进展逐步将地质编录主要地质要素和物探成果一并反映到相关图上，并根据开挖揭露的地质情况修编工程地质剖面图。在所述超前钻孔中钻探深度控制在30~50m,钻孔布置根据前述预报不良地质体的产出M^莫、展布形式确定。所述超前钻孔中钻取的岩芯由专业地质人员编写并存放在专门的岩芯箱中。所述宏观分析包括的内容是区域稳定、地质构造、地层岩性、地形地貌、煤层结构。所述地质编录包括的内容是掌子面地质素描、洞身地质素描及地质调查。在每一步骤中具体做法如下一、地质条件宏观分析地质综合分析是依据地质理论对隧道(洞)工程的基本地质条件，在开挖过程中将面临的诸多地质问题，如瓦斯、地质构造、地下水等，及对物探、钻孔探测资料的任何解释与应用，都离不开地质综合判断其发生、发展的必然结果。地质综合分析运用地质学的成因演化论，采用合理的途径和先进的探测技术手段综合确定不良地质体的性质、位置和危害性做出预测评价，是将地(质)、物(探)、钻(探)三者有机结合于一体，是一个综合性的地质成果用于指导生产，并是一项连续性的研究工作。地质综合分析手段方法很多，亦都有一定效果。根据工程性质、基本地质条件和地质环境的不同，其手段和方法的应用亦各有所异，因此在选择手段、方法时应据工程实际情况合理应用。在进行地质工作前，应先对工程地质情况进行宏观分析，收集和分析研究工程地勘资料，并在熟悉理解勘察设计资料的基础上，认真分析研究工程主要地质问题存在的可能性，以及这些问题是否与工程区地质背景一致，查找工程勘察设计中存在的疑点和难点。从宏观上把握隧址区域地质构造、地层岩性、地形地貌以及煤层结构分布。l.地质编录及掌子面素描地质编录法是在隧道(洞)开挖时，将揭露的地层、岩性、地质构造、地下水及其它不良地质现象如实反映在洞身展示(平切)图上，并与隧道纵剖面图进行对照。图中重点反映地层岩性、地质界线、断层、节理裂隙等结构面产状、煤层、地下水及物探成果等。通过展示图的连续编制结合物探成果和洞线剖面等资料综合分析，即可掌握不良地质体的变化趋势，预测掌子面前方可能出现何种地层岩性或不良地质情况。地质编录既反映开挖段的地质变化特征，又预示着未开挖段一定范围的地质问题。因为不论何种不良地质灾害的发生和发展，它总是有其特殊前兆特征。通过地质编录掌握了这些变化规律和地质特征，则是地质综合分析和对物探资料解释的珍贵依据同时也是编写工程基础资料证据。2.收集各类物探成果资料及时收集各类预报成果并汇集于综合图件上，作为地质综合分析的基础。3.编制各种图件按工程项目地质特征和主要地质问题的不同，据情图件，如剖面图、洞身展示(平切)图、煤层分布图、开挖对比图等。编制时随工程进展逐步将地质编录主要地质要素和物探成果一并反映到图上，并根据开挖揭露的地质情况修编工程地质剖面图。4.收集钻探资料但物探手段表明掌子面前方有煤层或其它不良地质构造时，施工部分水平探测钻孔，因钻孔资料最直观可靠。5.编写阶段性地质总结及下步地质预测和建议综上所述，在隧道施工过程中，自始至终的进行地质综合分析，以及时指导施工，为科学施工组织提供地质依据。二、物探手段(一)TSP法TSP(TunnelSeismicPrediction)法即隧道前方地震预报，属多波多分量高分辨率地震反射波探测技术。其基本原理是应用了震动(波)的回声原理。l.探测方法由微爆破引发的地震信号分别沿不同的途径，以直达波和反射波的形式到达传感器，与直达波相比，反射波需要的传播时间较长，TSP系统由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算成地震波传播速度式中《一一爆破孔到传感器的距离；？;一一直达波的传播时间。在已知地震波的传播速度下，就可以通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接受传感器的距离，以及在隧道断面的距离，其理"i仑公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)式中《——反射波传播时间；z2——爆破孔与反射界面的距离；义3——传感器与反射界面的距离。地震反射波的振幅与反射界面的反射系数有关，在简单的情况下，当平面简谐波垂直入射到平面上时，其上的反射波振幅和透射波振幅分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(4)式中4一入射波振幅；4,4一反射波和透射波振幅；^一反射界面两侧介质的速度；Pl，p2—反射界面两侧介质的密度；w—界面的反射系数。当入射波振幅4一定时，反射波振幅4与反射系数i成正比；而反射系数与反射界面两侧介质的波阻抗Pl有关，其主要由界面两侧介质的波阻抗差决定，波阻抗差的绝对值越大，则反射波振幅4就越大，当介质II的波阻抗大于介质I的波阻抗，即地震波从较为疏松的介质传播到较致密的介质时，反射系数7〉0,此时，反射振幅和入射振幅的符号相同，反射波和入射波具有相同的极性；反之，如果地震波从较为致密的介质传播到较疏松的介质时，此时，反射系数7〈0,则反射振幅和入射振幅的符号相反，因此反射波和入射波的极性相反，从而可清楚的判断地质体的变化。2.观测系统TSP超前预报观测系统是布置是在隧道掌子面1临近洞段的左右边墙内，如图2所示，根据其预报目的的不同，选择不同的边墙。如果是对断层的预报，根据反射原理，炮孔布置应在与断层走向交角小的边墙内。其炮孔(C1-C24)及接收孔(Bl、B2)的具体布置要求见下表<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>3.数据采集数据采集是为TSP的数据处理和资料解释提供第一手资料。要获得高质量的原始数据，除了TSP仪器本身提供了高灵敏的数据激发接受系统外，还需要解决好四个问题观测系统的设计、地震波的激发与接收以及环境对地震波的干扰。4.反演技术反射界面及不良地质体规模的确定，其原理见图3:在点A2、A3等位置激发震源.ff为不良地质体的俯角，即真倾角；-为不良质体的走向与隧道前进方向的夹角；K为空间角，即隧道轴线与不良地质体界面的夹角。产生的地震波遇到不良地质体界面(即波阻抗界面)，发生反射而被G位置的传感器接收。在计算时，利用波的可逆性，可以认为(^位置发出的地震波经过不良地质界面反射而传到A"A2、A;等点，即可认为波是从像点IP(《)发出而直接传到A"A2、A3等点的。此时的0和IP(0)是关于不良地质界面(波阻抗面)对称的.因0、A,、A2、A;各点的空间坐标已知，由联立方程可得像点IP(0)的空间坐标，再由0和IP(a)的空间坐标求出两点所在直线的空间方程.由于不良地质界面是线段0IP(0)的中垂面，所以可以求出该不良地质界面相对于坐标原点(的空间方程，进一步可以求出不良地质界面与隧道轴线的交点和隧道轴线与不良地质界面的交角.通过求出的不良地质体两个反射面在隧道中轴线上的坐标《和《，从而求出不良地质体的规模步I《-《I。通过测得的纵波波速,和横波波速、利用针对变质岩、火山岩、深成岩和沉积岩四类岩石类型所使用不同的经验公式，TSPWin软件可以获得岩石密度p，然后根据下列公式求出各个动态参数。动态弹性模量泊+>比v〗—2v(6)体积模量《+》(7)式中拉梅常数j:尸(v:-2v且)；剪切模量//=;^2。以左线LK16+865-LK16+733段范围的地质预报为例本次地质超前预报里程范围主要处于沙金坝向斜内，受F10断层破碎带及向斜轴部褶皱挤压带，岩性为泥岩为主夹砂岩。受构造影响很严重，岩体挤压强烈，节理裂隙发育，破碎。岩体呈碎石状结构或块碎状镶嵌结构。断层下盘可能有层间承压水呈股状裂隙水或淋水出现。根据TSP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合地震波速、反射波相位、泊松比和动态杨氏模量等参数对围岩异常区进行划分，最终分析结论如下本次预报时掌子面1里程为LK16+865，预报里程范围为LK16+865~LK16+733,即预报掌子面1前方132m,结论如下LK16+865~LK16+838段围岩破碎、节理裂隙发育；LK16+838~LK16+806段围岩较破碎；LK16+806~LK16+803段围岩破碎、节理裂隙发育或软弱夹层；LK16+803~LK16+773段围岩较破碎，其中LK16+795~LK16+793存在一组节理裂隙；LK16+773~LK16+760段围岩破碎、节理裂隙发育、含水~富水；LK16+760~LK16+733段围岩较破碎，含水。(二)HSP法以地质法为基础的HSP声波反射法施工地质超前预报和地震波探测原理基本相同，其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理。理论研究和实践证明，声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关。当声波传播路径中存在两种不同固体介质的界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换。声波由完整岩体传播至碎裂岩或土组成的破碎带时，就是声波从高阻抗介质到低阻抗介质的典型情况。通过探测反射波信号，根据不良地质体(带)，如断层、风化破碎带、地下水富集带等，与周边地质体的声学特性差异明显，便可了解前方岩体的变化情况。测试时，在隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号，在另一点接收反射波信号。采用时域、频域分析探测反射波信号，进一步根据隧道施工掌子面地质调查、地面地质调查推测掌子面前方地质条件的预报方法，便可了解前方岩体的变化情况，探测掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层、以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等。超前预报采用了ZGS1610-2型智能工程探测声波仪，超前预报软件采用ZGS1610-2型智能工程探测声波仪现场采集软件、与该仪器采集数据匹配的专用反射谱分析和反射子波分析软件，结合地质调查方法，实施"以地质法为基础的、以HSP声波反射法为主要手段的综合物探技术"，确保了探测的快速、资料的准确和分析结果的可靠。现场测试方法采用通道触发一发一收的方式出行。用大锤敲击木桩作振源触发换能器，另一个换能器同时接收信号，信号采集和数据储存都通过便携式计算机控制。三、超前钻孔水平钻探法是短期超前预报最直接的手段。它是通过钻探取芯编录，对掌子面前方左右两侧揭露出的地层岩性、构造、围岩级别、含水性、含煤构造等的位置、规模作出较准确的判断。对于煤系地层的地质预报而言，超前钻孔可实现1)煤层分布、走向及厚度探测；2)前方岩体瓦斯赋存情况探测及瓦斯涌出预测；3)岩体瓦斯压力、瓦斯含量、突发性涌出等预测。当采用上述手段综合分析确定掌子面前方有不良地质体存在时，应采用水平钻纟笨—险证后施工。钻探深度宜控制在30~50m,以减少对掌子面占用时间；钻孔布置应根据预报不良地质体的产出关J^f莫、展布形式等确定，一般应采用三角形布置，使钻探成果具有代表性。1、煤层探测煤层在大范围中是任意不规则的曲面，但在隧道附近的小范围内，可以假定煤层是平面，设其方程是^c+^y+z+C=0(4.8)15若探测孔为三个，则其见煤点坐标为A(A，凡a)、4(X2,/2,Z2)、A(/3，Z3)。则煤层面的方程为XZ少ix2少2z，x3少3Z3坐标轴失见定隧道掘进方向为/轴；开挖面底部右侧4黄断面方向为x轴；向上为z轴。式(4.9)为利用三个超前探孔得到的平面方程，而仅用三个探测孔的数据是不能精确确定煤层位置的，因为煤层并不是一个严格的平面，而探测孔的见煤点往往在隧道边界之外距离较远，由此推算的隧道掘进见煤点往往有相当大的误差。为了精确确定煤层厚度和位置，除探测孔外，应该利用瓦斯预测、排放孔的参数，共同确定煤层的平面方程。此时，理想的煤面方程应满足煤面至各探孔过煤点垂距平方和最小的条件。用求最小值的原理，可求得式(4.8)的各项系数。j=(Zzj广zI^')(I^'义二少I^')—(E乂2_—yZ少,)(I^A(410)8=z》,-gx,z,—j.》,2一，,(4.11)》,义-}》，》J,-y》，C=—;—乂；一(4.12)式中x,,",Zi为各探孔见煤点坐标，S、7、；为这些坐标的平均值。煤层参数计算倾角^1(4.13)力2+52+1煤层走向与隧道中线夹角=arC/gi(4.14)煤层厚度:《=+取+z,-+Z)|(4.15)(4.16)+52+C22、瓦斯探测钻孔施工完成后对前方煤岩体的瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出流量、钻孔瓦斯涌出衰减系数进行测定考察，并计算出隧道在开挖过程中可能产生的瓦斯涌出量。瓦斯压力考察采用当今世界上最先进的主动式快速测压方法，其测压时间仅仅相当于传统测压方法的0.56%,测压准确率和成功率都远远高于传统的测压方法。钻孔瓦斯涌出量，以及钻孔瓦斯涌出衰减系数采用容积式流量计进行测定计算。为了减少探测时间和保证测试的准确性，采用快干膨胀水泥注浆封孔工艺。其材料配比为525硅酸盐水泥高铝水泥=3:1(重量比)。四、开挖^iit经过地质分析、物探和超前钻探后，对掌子面前方地质做出综合分析预报，在开挖后进行对比，进行系统总结.五、小结1.以宏观地质分析为基础，地质调查、物探和超前钻孔为手段，多种方法相互验证和补充，构建煤系地层超前预报体系。2.在隧道施工过程中，将地质分析、物探成果、钻探结果三者有机结合，进行地质综合分析，及时指导施工，为科学施工组织提供地质依据。3.超前预报工作中的物探方法TSP和HSP测试表明，在对地质背景深入分析的情况下，这两种方法在判别地质构造方面具有相当的可靠性。地质分析与物探方法相结合，能取得较好的预测效果。4.对于煤层的分布和走向，必须采用超前钻孔才得取得比较可靠的预测结果。权利要求1、一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，其特征在于采用如下步骤步骤1，宏观分析查阅大量的勘察资料，设计图纸，对工程区的地质情况进行较全面的了解，通过对前期资料的分析，并结合已挖洞段的预报和开挖实际对比总结，总体上把握煤系地层的分布；步骤2，在宏观分析的基础上根据具体情况通过采用地质编录、物探分析或超前钻孔手段对过煤系地层隧道情况进行具体分析；所述地质编录是在隧道或洞开挖时，将揭露的地层、岩性、地质构造、地下水及其它不良地质现象如实反映在洞身展示或平切图上，并与隧道纵剖面图进行对照；所述物探分析是采用TSP和HSP超前预报方法相互验证，初步判断掌子面前方0～150m范围内可能存在的较大异常情况及岩体的完整状况；所述超前钻孔是开挖中当接近煤层时通过超前钻孔测试查明煤层走向、倾角、厚度等参数。步骤3，将步骤1与步骤2所获取的信息分类并进行主要工程地质条件预测与过煤系地层地质灾害预测；所述主要工程地质条件预测包括岩性及围岩完整性预测、断层预测、煤层预测、地下水状况预测；所述过煤系地层地质灾害预测包括坍方预测、瓦斯突出预测。步骤4，结合步骤1、2、3所获取的相关信息和数据完成过煤系地层隧道施工地质预报系统的构建。2.根据权利要求1所述的一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，其特征在于按工程项目地质特征和主要地质问题的不同，编制地质剖面图、煤层分布图、开挖对比图，编制时随工程进展逐步将地质编录主要地质要素和物探成果一并反映到相关图上，并根据开挖揭露的地质情况修编工程地质剖面图。3.根据权利要求1所述的一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，其特征在于在所述超前钻孔中钻探深度控制在30~50m,钻孔布置根据前述预报不良地质体的产出^bf莫、展布形式确定。4.根据权利要求1或3所述的一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，其特征在于所述超前钻孔中钻取的岩芯由专业地质人员编写并存放在专门的岩芯箱中。5.根据权利要求1所述的一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，其特征在于所述宏观分析包括的内容是区域稳定、地质构造、地层岩性、地形地貌、煤层结构。6.根据权利要求1所述的一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，其特征在于所述地质编录包括的内容是掌子面地质素描、洞身地质素描及地质调查。全文摘要本发明公开了一种过煤系地层隧道施工地质预报系统，依次采用了宏观分析，在宏观分析的基础上根据具体情况通过采用地质编录、物探分析或超前钻孔手段对过煤系地层隧道情况进行具体分析；将前述获取的信息分类并进行主要工程地质条件预测与过煤系地层地质灾害预测；然后将相关信息和数据完成过煤系地层隧道施工地质预报系统的构建。本发明提供了一种较完善的并能较准确的对过煤系地层隧道施工地质进行预报的系统。文档编号G01V3/00GK101526629SQ20091005882公开日2009年9月9日申请日期2009年4月2日优先权日2009年4月2日发明者睿丁,何开伟,卿三惠,波廖申请人:中铁二局股份有限公司;中铁二局第四工程有限公司