输水隧洞超前地质预报技术
0 引言
水利工程隧洞是一项复杂的工程,对工程水文地质条件的提前掌握能够有效的防止灾害的发生,从而保证隧洞施工安全。在此过程中这些信息能够帮助工作人员对于工程就能做好充足的事前准备,在不断提高施工安全性的同时减少不必要的资金支出。文章从超前地质预报的方法选择、地质预报的要求等方面进行技术探析,形成预报成果,从而为隧洞施工安全提供保障。
1 工程水文地质情况分析及地质预报方法的选择
1.1 富水部分
主要分布在断层破碎带及影响带,裂隙密集带,向斜核部、灰岩段,以及不同地层接触带等,其中断层破碎带及影响带是本工程主要的富水带,具备形成高压力突涌水和突泥等的地址条件,所以必须予以充分重视。
1.2 具备塌方条件
断层破碎带、影响带、不整合接触带、浸入接触带、岩体蚀变破碎带,节理裂隙密集带和Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段,以及存在不利结构面组合的局部洞段,具备发生塌方的条件。
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1.3 超前地质预报方法选择
因为隧洞的地质结构比预想复杂,所以为了能更加准确地对地下水的发育特点、地层岩的具体变化情况进行了解,掌握变化规律,笔者认为不能单独使用短期或中期地质预测预报系统,而是将两者结合,使它们在相互融合的基础上都能充分发挥作用。主要方法有:地质调查法、物探法及超前钻探法。隧洞超前地质预报为主要的地质预报法,本工程在进行超前地质预报工作时同时使用了掌子面地质素描以及隧洞使用钻孔两种方法,希望两者能相互结合,进而获得最佳使用效果。工程的综合超前地质预报以地质调查法为基础,以钻孔为主。
2 预测预报的工艺流程及常规地质预报方法
2.1 地质预测预报流程
每个工程在正式施工之前都要进行地质预报,这是不可或缺的关键环节。进行地质预报的主要目的是尽可能弱化不良地质对工程进度或施工安全造成的不利影响,所以短期与中长期预报相结合是最佳选择,两种方式能在互相配合的过程中分别发挥它们的优势。地质预报流程如图1所示。
图1 地质预报流程图
地质作图(几何作图、水平投影作图等):通过设计地质钻孔及柱状图推测洞身地段各地层厚度、洞身开挖断面范围地层分布,针对个别楔体状岩块作图推测楔体节理面走向。
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2.2 常规地质预报方法
隧洞超前地质预报对施工人员提出各方面要求,其中最重要的便是严谨的工作作风,重视每一个工作环节。施工人员要重视岩体地质不同阶段的变化情况,认真分析地质预报成果,并对其中的每一个具体数据进行比较全面的判断,及时确认施工过程中的各个异常现象,重点关注地质异常地段。
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超前钻探是现阶段内比较成熟可靠的探测技术,它可以钻探尚未开挖的岩体进行钻探,工作人员可以根据钻速、前进压力等判断前方岩体的具体特点,同时还能对岩石中的有害气体进行监测。超前探孔在中期地质预报十分常见,本工程采用潜孔钻100B型钻机施作超前探孔,在掌子面顶拱和掌子面中间部位各打设1个超前探孔,探孔直径Φ90 mm,长度15~20 m,在探测范围结束时,开始下一个超前探孔的打设。
地质素描主要指根据岩体节理产状对不稳定块体的出露位置进行确定,其包括三种比较具体的测量方法——不规则地质体影响隧洞长度预测法;岩层、岩性及层位预测法;条带状不良地质体影响隧洞长度预测法。
在施工中,每次成功爆破后,地质工程师都要进行地质素描,主要内容包括岩层产状、掉块现象、不良气体种类以及浓度等等。不仅如此还要间隔固定时间对水文环境进行记录,将相关数据进行整合与归纳,目的是能在第一时间确定地表水因隧洞施工发生的各方面变化,然后根据实际情况采取相应的控制措施,最终做出洞身地质展示图以及地质素描图。
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将地质素描用于判断掌子面已揭露出的岩层,对岩石的主要成分以及具体含量进行确定,然后给岩层确定名称,并且要对岩层厚度等特征进行测量。测量该岩层与已揭露的标志性岩层之间的距离,同时确定垂直层面的厚度。
2.2.2 地质素描
2.2.3 常规地质法预报频次
超前地质钻孔全隧每5 m探测一次。正洞掌子面与侧壁的量测和地质素描每开挖循环进行一次。地质构造的地下与地表相关性分析:Ⅴ级围岩开挖前对洞顶地表纵、横断面进行实测,以便开挖过程中准确掌握洞顶埋深、偏压程度。
隧洞地质条件复杂程度较高,并且还带有很多无法准确预测的地质灾害性质,所以正式施工前必须进行地质预报工作,进而确保施工安全性。如今超前地质预报工作已经受到各单位重视,所以其成为施工过程中一道正式的施工工序,现在各个工程项目在正式施工之前都要先开展探测工作,不探测便不施工。
3 超前地质预报的要求
3.1 超前地质预报与施工
仪器设备的配置:数码相机、凿岩机、地质锤等。
3.2 超前地质预报的准确度以及仪器设备配置
2.2.1 超前地质钻孔
地质预报的主要作用是为工程建设提供相对准确的资料,保障施工安全,超前水平钻探是正式施工前不可或缺的环节。正式开始施工后,要非常谨慎地进行掌子面地质素描以及洞内地质调查,目的是不断完善隧洞设计地质数据,为整治隧洞病害提供参考数据。
3.3 超前地质预报组织机构
成立超前地质预报小组,具体组织如下图2所示。
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图2 超前地质预报组织机构图
4 信息判释、数据采集与处理、预报成果报告的编制
4.1 信息判释
通过超前钻孔探测、地质素描,预报地质岩性、产状及其围岩结构的完整性与富水性,判释前方有无不良地质条件。如:软弱夹层、破碎地层等。通过超前地质预报工作,能准确掌握隧洞地质条件信息,及时对隧洞设计方案进行调整并制定相应的防护措施。施工安全紧急预案等也可以根据超前地质预报的数据进行调整。
4.2 数据采集与处理
超前地质预报工作作为隧洞施工中的一个重要组成部分,其资料收集完成后应整理归档,资料收集格式及填写要求参照《铁路隧洞超前地质预报技术指南》。超前地质预报成功建立一个信息系统,对已经获得的地质信息进行分析,并及时将数据反馈给施工单位。施工单位可以根据地质信息系统提供的有效信息及时对施工方案进行调整,进而减少施工损失。
在改变施工方法后,地质信息系统能收集到更多新的地质信息,此时施工单位便可获得更多有效信息,在整个过不断循环的过程中即可形成地质信息系统化。
4.3 预报成果报告的编制
通过超前钻孔探测、掌子面及侧壁地质素描、地质构造的地下与地表相关性分析、地质素描等收集到的数据及信息编制预报成果报告,根据《铁路隧洞超前地质预报技术指南》附录E——铁路隧洞围岩分级判定,会同设计单位地质人员判定围岩等级,调整施工方案,确定新的支护参数。
5 总结
总之,在隧洞建设过程中,准确掌握工程地质条件能有效提升工程的建设速度,提高施工安全性。隧洞超前预报有减少安全事故、提高施工效率等多方优势,能在一定程度上提高社会与经济效益。在正式施工前进行超前预测预报工作有利于施工方案的不断完善,帮助确定最佳施工工艺。
参考文献:
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[2]杨立财等.隧道施工超前地质预报技术应用研究[J].西部探矿工程,2014(12).
[3]郭朋超.隧道地质超前预报新技术概述[J].铁道建筑技术,2013(2).
[2]介绍了在柱面坐标下的一个投影法,即将积分区域投影到极坐标面上,将三重积分转化为先一后二的积分,再将外层的二重积分转化为二次积分,最终实现将三重积分转化为三次积分。
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