盾构施工中球状孤石的探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种盾构施工中球状孤石的探测方法，要解决的技术问题是提高盾构区间球状孤石的探测能力。本发明的方法包括以下步骤：用井中地质雷达采集到沿钻孔深度方向的地质雷达回波信号，初步圈定球状孤石可能存在的空间方位，在两钻孔之间采集电位差和电流，得到两孔之间地层的真电阻率，将真电阻率绘制成等值线图，圈定得出两孔之间地层中球状孤石的大小和分布情况。本发明与现有技术相比，利用井中地质雷达和跨孔超高密度电法，联合探测盾构隧洞范围内球状孤石，能最大限度地探查隧洞范围内球状孤石的分布，同时还能减少钻孔数量，探测成本较小，同时提高了复杂地层盾构区间发现球状孤石的几率，保证了盾构机的顺利推进。
【专利说明】盾构施工中球状孤石的探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道施工的地质勘察方法，特别是一种探测盾构区间球状孤石分布的方法。
【背景技术】
[0002]中、微风化花岗岩球状孤石探测是地铁盾构隧道施工建设亟待解决的关键问题。现有技术用于花岗岩球状孤石探测的地质调查方法主要有钻芯取样和工程物探两种。其中，钻芯取样方法最为直接，往往作为地铁设计阶段最主要的地质勘查手段。但钻芯取样只是“一孔之见”，仅能反映钻孔及其周围有限范围内的球状孤石分布，通过钻芯取样揭露球状孤石的信息十分有限。
[0003]工程物探利用球状孤石与围岩介质之间的物性差异，如电阻率、磁化率、介电常数、弹性波速度等，来选择合适的物探方法对球状孤石进行探测。用地表观测系统的二维电阻率层析成像和地震波反射能探测到盾构区间10?30米深度内的球状孤石目标，但得到的数据质量受采集环境影响较大，从电阻率剖面与地震映像或叠加剖面上很难圈定球状孤石的大小。地质雷达虽探测精度高，但其穿透能力有限。在富水地层中，IOOMHz的天线仅能穿透5?10米，远未达到盾构区间10?30米的要求。地微动方法直接利用天然源来探测地层结构的S波速度，该方法能直观显示围岩的纵、横向变化，但其要求天然源为随机源，在交通繁忙地段其适用能力受限，且其探测细粒径球状孤石的能力还需要进一步研究。
[0004]现有技术用于山岭隧道地质超前探测的TSP、HSP和TRT地震散射成像方法，震源由炸药或破岩振动产生，地震波接收需要在隧洞壁上钻炸药孔和检波器埋设孔，对于盾构隧道管片衬砌一般不可取。在盾构机刀盘上安装地质雷达天线，同济大学做过类似实验且取得了一些进展，但其真正实用还尚待时日，而且盾构机刀盘结构改造和地质雷达天线保护的结构依旧具有挑战。在盾构机上安装声波软土探测系统或聚焦电流激化极化装置BEAM是国外盾构机常用的做法，这两类方法能实时了解盾构前方地层情况，包括土或岩的强度、均质性以及其它物理特性，特别适合地下工程施工，但由于受国外技术出口限制、采取只租不卖的形式或价格特别昂贵的原因，因此在国内盾构施工现场使用并不常见。
[0005]城市的工程物探因受地表条件、金属管线和居民/工业用电等的干扰，勘探精度大大降低。井中物探不但可以避开这些干扰因素，且人工或自然地球物理场更接近勘探目标体，测量数据能有效反映异常体信息，提高了原始数据的信噪比，反演更为准确，勘探精度高。广州地铁建设中针对球状孤石探测问题，选用过多达10余种工程物探方法，先后在3号线和6号线二期工程多次开展球状孤石工程物探方法试验和专题研究，结果表明:瞬变电磁、地面地质雷达、地震映像等地面物探方法均达不到理想效果，但钻孔物探优势明显，不同方法的效果也不尽相同。跨孔超高密度电法和跨孔地震CT虽然能取得较好效果，但其探测范围只是二维剖面，三维探测成本高且技术还不成熟。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种盾构施工中球状孤石的探测方法，要解决的技术问题是提闻盾构区间球状孤石的探测能力。
[0007]本发明采用以下技术方案:一种盾构施工中球状孤石的探测方法，包括以下步骤:
[0008]一、在确定探测盾构隧道区域的上方，沿盾构隧道轴线，在既有地质补勘钻孔里，用井中地质雷达对孔壁周围地质情况进行探测，采集到沿钻孔深度方向的地质雷达回波信号，对地质雷达回波信号做数据处理:零时调整、漂移处理与水平同相轴消除、时域滤波和增益处理，得到整个钻孔深度、沿孔壁周向距离的以回波信号双程走时为横坐标，以距离地表深度为纵坐标的井中地质雷达反射剖面图；
[0009]二、在地质雷达反射剖面图中找出代表球状孤石的弧状反射信号线，拾取弧状反射信号线中的弧状的顶点的双程走时t，根据地质补勘中测量的土壤孔隙率和含水饱和度，通过复折射系数(CRM)公式:
【权利要求】
1.一种盾构施工中球状孤石的探测方法，包括以下步骤: 一、在确定探测盾构隧道区域的上方，沿盾构隧道轴线，在既有地质补勘钻孔里，用井中地质雷达对孔壁周围地质情况进行探测，采集到沿钻孔深度方向的地质雷达回波信号，对地质雷达回波信号做数据处理:零时调整、漂移处理与水平同相轴消除、时域滤波和增益处理，得到整个钻孔深度、沿孔壁周向距离的以回波信号双程走时为横坐标，以距离地表深度为纵坐标的井中地质雷达反射剖面图； 二、在地质雷达反射剖面图中找出代表球状孤石的弧状反射信号线，拾取弧状反射信号线中的弧状的顶点的双程走时t，根据地质补勘中测量的土壤孔隙率和含水饱和度，通过复折射系数(CRIM)公式:
2.根据权利要求1所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤一零时调整为将每道地质雷达回波信号具有最大振幅波形的起跳时间作为零时刻点； 所述漂移处理与水平同相轴消除为去除地质雷达回波信号中的直流漂移量和水平干扰:
3.根据权利要求2所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤一井中地质雷达沿孔壁的探测半径不小于3m，能分辨的球状孤石粒径不小于0.5m，井中地质雷达的竿状天线的发射频率不高于300MHz，时间采样率不低于512，采样窗口长不少于200ns。
4.根据权利要求3所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤一用于井中地质雷达探测钻孔的孔径不小于90mm，孔底位于隧洞底板以下3~5m。
5.根据权利要求4所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤一在富水砂层或泥浆难以护住孔壁的松软地层环境中，将内径不小于60mm聚氯乙烯(PVC)管插入孔中构成护壁。
6.根据权利要求1所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤二在地质雷达反射剖面图中无弧状反射信号，进行下一个地质钻孔探测，直至所有补勘钻孔探测完成。
7.根据权利要求1所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤三在一个孔地质雷达反射剖面上发现弧状反射信号后，再根据该孔左右两边的孔的地质雷达反射剖面来确定在哪两个孔中之间进行跨孔超高密度电法探测，或直接在与该孔相邻的两孔中进行跨孔超高密度电法探测。
8.根据权利要求1所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤三对于地下水位较深，孔中最深和最浅两处有效电极水位之间的距离D不满足D > 2L时，L为两孔之间的孔间距，需往钻孔中注水至满足该条件的水位。
9.根据权利要求1所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤三在富水砂层或泥浆难以护壁的松软地层环境中，采用透水无纺布包裹的开有3~8mm的小孔、孔间距不超过20cm的聚氯乙烯(PVC)管构成护壁。
10.根据权利要求1所述的盾构施工中球状孤石的探测方法，其特征在于:所述步骤三不能圈定球状孤石位置的情况，在两孔连线的中间位置的两侧增加地质钻孔，重复步骤一、步骤二、步骤三，若球状孤石位于原有钻孔与新增钻孔的剖面上，探测完成； 若球状孤石不位于原有钻孔与新增钻孔的剖面上，根据雷达反射三点定位方法确定球状孤石在钻孔构成的三角区域内的空间位置，再用地质钻孔验证。
【文档编号】G01S13/08GK103913776SQ201410164382
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】龙桂华, 江建, 苏军, 陈智斌, 刘铁军, 胡巍 申请人:深圳市市政工程总公司