專(zhuān)利名稱：：一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，尤其是一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)才艮系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，大量隧道工程紛紛上馬，其中不乏穿越煤系地層的復(fù)雜地質(zhì)長(zhǎng)大隧道。如南昆鐵路的家竹菁隧道全長(zhǎng)4990/,其中通過(guò)煤系地層長(zhǎng)度達(dá)1157m又如達(dá)成線云頂山隧道全長(zhǎng)7858/,瓦斯最高時(shí)濃度達(dá)98%。對(duì)于過(guò)煤系地層的隧道施工，進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)不僅必要并且迫切。同時(shí)，大量的工程實(shí)踐也為探索瓦斯隧道地質(zhì)災(zāi)害的形成規(guī)律和如何進(jìn)行成功預(yù)報(bào)提供了良好的機(jī)遇和素材。在建的都汶高速公路紫坪鋪隧道穿越三迭系上統(tǒng)須家河組，其巖性主要為深灰色、灰黑色泥巖、粉砂巖及砂巖，局部夾炭質(zhì)泥巖、不穩(wěn)定的薄煤層、煤線等、隧址區(qū)位于龍門(mén)山構(gòu)造帶中南段，二王廟斷裂(龍門(mén)山前山斷裂)與映秀斷裂(龍門(mén)山中央斷裂)所限制的斷塊上，其間展布了一系列一系列走向北東-北北東的背、向斜以及逆沖斷裂；隧址區(qū)內(nèi)褶曲有F1U、F1(M、Fu、F12、F13、F4等，小斷層、揉皺及節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎較破碎。隧址區(qū)煤層和瓦斯分布具備如下特點(diǎn)l.煤層和瓦斯分布無(wú)規(guī)律性；2.瓦斯以裂隙瓦斯為主，部分區(qū)域存在承壓瓦斯；3.巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，瓦斯具備良好運(yùn)移條件；4.煤體結(jié)構(gòu)以碎粒煤、糜棱煤為主，呈碎塊狀、鱗片狀、粉狀，強(qiáng)度極低。由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和多變性，若不能準(zhǔn)確纟笨明掌子面前方地質(zhì)狀態(tài)極易發(fā)生坍方、涌水及瓦斯危害，將造成重大的安全事故。隧道工程是一個(gè)地質(zhì)工程，而大多數(shù)隧道都具有埋深大、洞線長(zhǎng)的特點(diǎn)，穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜，前期的勘察工作很難完全查明存在的地質(zhì)問(wèn)題，尤其對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)極大的瓦斯隧道，施工必須做好地質(zhì)分析和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等施工地質(zhì)工作。隧道工程超前預(yù)報(bào)近幾年蓬勃興起，新研發(fā)了多種預(yù)報(bào)儀器和設(shè)備，盡管如此，由于各種儀器和設(shè)備在預(yù)報(bào)中都或多或少存在一些不足的地方，僅憑單一的預(yù)報(bào)方法很難保證預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確性?？梢钥闯?，目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)預(yù)報(bào)工作重在發(fā)展超前探測(cè)技術(shù)和開(kāi)展超前探測(cè)工作，對(duì)地質(zhì)分析的方法重視不夠，沒(méi)能將探測(cè)的方法和地質(zhì)分析的方法進(jìn)行合理結(jié)合，此外，分析及預(yù)測(cè)的方法單一，沒(méi)有建立起一套完整的技術(shù)方法體系。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供了一種較完善的并能較準(zhǔn)確的對(duì)過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)的系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用如下步驟步驟l,宏觀分析查閱大量的勘察資料，設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)工程區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行較全面的了解，通過(guò)對(duì)前期資料的分析，并結(jié)合已挖洞段的預(yù)報(bào)和開(kāi)挖實(shí)際對(duì)比總結(jié)，總體上把握煤系地層的分布；步驟2,在宏觀分析的基礎(chǔ)上根據(jù)具體情況通過(guò)采用地質(zhì)編錄、物探分析或超前鉆孔手段對(duì)過(guò)煤系地層隧道情況進(jìn)行具體分析；所述地質(zhì)編錄是在隧道或洞開(kāi)挖時(shí)，將揭露的地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及其它不良地質(zhì)現(xiàn)象如實(shí)反映在洞身展示或平切圖上，并與隧道縱剖面圖進(jìn)行對(duì)照；所述物探分析是采用TSP和HSP超前預(yù)報(bào)方法相互驗(yàn)證，初步判斷掌子面前方0~150m范圍內(nèi)可能存在的較大異常情況及巖體的完整狀況；所述超前鉆孔是開(kāi)挖中當(dāng)接近煤層時(shí)通過(guò)超前鉆孔測(cè)試查明煤層走向、傾角、厚度等參數(shù)。步驟3，將步驟1與步驟2所獲取的信息分類(lèi)并進(jìn)行主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)與過(guò)煤系地層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)；所述主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)包括巖性及圍巖完整性預(yù)測(cè)、斷層預(yù)測(cè)、煤層預(yù)測(cè)、地下水狀況預(yù)測(cè)；所述過(guò)煤系地層地質(zhì)突害預(yù)測(cè)包括掛方預(yù)測(cè)、瓦斯突出預(yù)測(cè)。步驟4,結(jié)合步驟l、2、3所獲取的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)完成過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)^^艮系統(tǒng)的構(gòu)建。按工程項(xiàng)目地質(zhì)特征和主要地質(zhì)問(wèn)題的不同，編制地質(zhì)剖面圖、煤層分布圖、開(kāi)挖對(duì)比圖，編制時(shí)隨工程進(jìn)展逐步將地質(zhì)編錄主要地質(zhì)要素和物探成果一并反映到相關(guān)圖上，并根據(jù)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況修編工程地質(zhì)剖面圖。在所述超前鉆孔中鉆探深度控制在30~50m,鉆孔布置根據(jù)前述預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的產(chǎn)出M^莫、展布形式確定。所述超前鉆孔中鉆取的巖芯由專(zhuān)業(yè)地質(zhì)人員編寫(xiě)并存放在專(zhuān)門(mén)的巖芯箱中。所述宏觀分析包括的內(nèi)容是區(qū)域穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、煤層結(jié)構(gòu)。所述地質(zhì)編錄包括的內(nèi)容是掌子面地質(zhì)素描、洞身地質(zhì)素描及地質(zhì)調(diào)查。有益效果本發(fā)明以宏觀分析為前提通過(guò)各種手段，對(duì)巖性及圍巖完整性、斷層、煤層、地下水狀況、坍方、瓦斯突出等情況進(jìn)行了全方位的分析和預(yù)測(cè)，建立了一套完善的并能較準(zhǔn)確的對(duì)過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)的系統(tǒng)。本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中圖1本發(fā)明的流程圖2TSP觀測(cè)系統(tǒng)中炮孔與接收孔的布置圖；圖3TSP^:測(cè)原理具體實(shí)施例方式如圖1所示一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用如下步驟步驟l，宏觀分析查閱大量的勘察資料，設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)工程區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行較全面的了解，通過(guò)對(duì)前期資料的分析，并結(jié)合已挖洞段的預(yù)報(bào)和開(kāi)挖實(shí)際對(duì)比總結(jié)，總體上把握煤系地層的分布；步驟2，在宏觀分析的基礎(chǔ)上根據(jù)具體情況通過(guò)采用地質(zhì)編錄、物探分析或超前鉆孔手段對(duì)過(guò)煤系地層隧道情況進(jìn)行具體分析；所述地質(zhì)編錄是在隧道或洞開(kāi)挖時(shí)，將揭露的地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及其它不良地質(zhì)現(xiàn)象如實(shí)反映在洞身展示或平切圖上，并與隧道縱剖面圖進(jìn)4亍對(duì)照；所述物探分析是采用TSP和HSP超前預(yù)報(bào)方法相互驗(yàn)證，初步判斷掌子面前方0~150m范圍內(nèi)可能存在的較大異常情況及巖體的完整狀況；所述超前鉆孔是開(kāi)挖中當(dāng)接近煤層時(shí)通過(guò)超前鉆孔測(cè)試查明煤層走向、傾角、厚度等參數(shù)。步驟3，將步驟1與步驟2所獲取的信息分類(lèi)并進(jìn)行主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)與過(guò)煤系地層地質(zhì)突害預(yù)測(cè)；所述主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)包括巖性及圍巖完整性預(yù)測(cè)、斷層預(yù)測(cè)、煤層預(yù)測(cè)、地下水狀況預(yù)測(cè)；所述過(guò)煤系地層地質(zhì)突害預(yù)測(cè)包括掛方預(yù)測(cè)、瓦斯突出預(yù)測(cè)。步驟4，結(jié)合步驟l、2、3所獲取的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)完成過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建。按工程項(xiàng)目地質(zhì)特征和主要地質(zhì)問(wèn)題的不同，編制地質(zhì)剖面圖、煤層分布圖、開(kāi)挖對(duì)比圖，編制時(shí)隨工程進(jìn)展逐步將地質(zhì)編錄主要地質(zhì)要素和物探成果一并反映到相關(guān)圖上，并根據(jù)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況修編工程地質(zhì)剖面圖。在所述超前鉆孔中鉆探深度控制在30~50m,鉆孔布置根據(jù)前述預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的產(chǎn)出M^莫、展布形式確定。所述超前鉆孔中鉆取的巖芯由專(zhuān)業(yè)地質(zhì)人員編寫(xiě)并存放在專(zhuān)門(mén)的巖芯箱中。所述宏觀分析包括的內(nèi)容是區(qū)域穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、煤層結(jié)構(gòu)。所述地質(zhì)編錄包括的內(nèi)容是掌子面地質(zhì)素描、洞身地質(zhì)素描及地質(zhì)調(diào)查。在每一步驟中具體做法如下一、地質(zhì)條件宏觀分析地質(zhì)綜合分析是依據(jù)地質(zhì)理論對(duì)隧道(洞)工程的基本地質(zhì)條件，在開(kāi)挖過(guò)程中將面臨的諸多地質(zhì)問(wèn)題，如瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等，及對(duì)物探、鉆孔探測(cè)資料的任何解釋與應(yīng)用，都離不開(kāi)地質(zhì)綜合判斷其發(fā)生、發(fā)展的必然結(jié)果。地質(zhì)綜合分析運(yùn)用地質(zhì)學(xué)的成因演化論，采用合理的途徑和先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)手段綜合確定不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和危害性做出預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，是將地(質(zhì))、物(探)、鉆(探)三者有機(jī)結(jié)合于一體，是一個(gè)綜合性的地質(zhì)成果用于指導(dǎo)生產(chǎn)，并是一項(xiàng)連續(xù)性的研究工作。地質(zhì)綜合分析手段方法很多，亦都有一定效果。根據(jù)工程性質(zhì)、基本地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境的不同，其手段和方法的應(yīng)用亦各有所異，因此在選擇手段、方法時(shí)應(yīng)據(jù)工程實(shí)際情況合理應(yīng)用。在進(jìn)行地質(zhì)工作前，應(yīng)先對(duì)工程地質(zhì)情況進(jìn)行宏觀分析，收集和分析研究工程地勘資料，并在熟悉理解勘察設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析研究工程主要地質(zhì)問(wèn)題存在的可能性，以及這些問(wèn)題是否與工程區(qū)地質(zhì)背景一致，查找工程勘察設(shè)計(jì)中存在的疑點(diǎn)和難點(diǎn)。從宏觀上把握隧址區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌以及煤層結(jié)構(gòu)分布。l.地質(zhì)編錄及掌子面素描地質(zhì)編錄法是在隧道(洞)開(kāi)挖時(shí)，將揭露的地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及其它不良地質(zhì)現(xiàn)象如實(shí)反映在洞身展示(平切)圖上，并與隧道縱剖面圖進(jìn)行對(duì)照。圖中重點(diǎn)反映地層巖性、地質(zhì)界線、斷層、節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、煤層、地下水及物探成果等。通過(guò)展示圖的連續(xù)編制結(jié)合物探成果和洞線剖面等資料綜合分析，即可掌握不良地質(zhì)體的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)掌子面前方可能出現(xiàn)何種地層巖性或不良地質(zhì)情況。地質(zhì)編錄既反映開(kāi)挖段的地質(zhì)變化特征，又預(yù)示著未開(kāi)挖段一定范圍的地質(zhì)問(wèn)題。因?yàn)椴徽摵畏N不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展，它總是有其特殊前兆特征。通過(guò)地質(zhì)編錄掌握了這些變化規(guī)律和地質(zhì)特征，則是地質(zhì)綜合分析和對(duì)物探資料解釋的珍貴依據(jù)同時(shí)也是編寫(xiě)工程基礎(chǔ)資料證據(jù)。2.收集各類(lèi)物探成果資料及時(shí)收集各類(lèi)預(yù)報(bào)成果并匯集于綜合圖件上，作為地質(zhì)綜合分析的基礎(chǔ)。3.編制各種圖件按工程項(xiàng)目地質(zhì)特征和主要地質(zhì)問(wèn)題的不同，據(jù)情圖件，如剖面圖、洞身展示(平切)圖、煤層分布圖、開(kāi)挖對(duì)比圖等。編制時(shí)隨工程進(jìn)展逐步將地質(zhì)編錄主要地質(zhì)要素和物探成果一并反映到圖上，并根據(jù)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況修編工程地質(zhì)剖面圖。4.收集鉆探資料但物探手段表明掌子面前方有煤層或其它不良地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，施工部分水平探測(cè)鉆孔，因鉆孔資料最直觀可靠。5.編寫(xiě)階段性地質(zhì)總結(jié)及下步地質(zhì)預(yù)測(cè)和建議綜上所述，在隧道施工過(guò)程中，自始至終的進(jìn)行地質(zhì)綜合分析，以及時(shí)指導(dǎo)施工，為科學(xué)施工組織提供地質(zhì)依據(jù)。二、物探手段(一)TSP法TSP(TunnelSeismicPrediction)法即隧道前方地震預(yù)報(bào)，屬多波多分量高分辨率地震反射波探測(cè)技術(shù)。其基本原理是應(yīng)用了震動(dòng)(波)的回聲原理。l.探測(cè)方法由微爆破引發(fā)的地震信號(hào)分別沿不同的途徑，以直達(dá)波和反射波的形式到達(dá)傳感器，與直達(dá)波相比，反射波需要的傳播時(shí)間較長(zhǎng)，TSP系統(tǒng)由測(cè)得的從震源直接到達(dá)傳感器的縱波傳播時(shí)間換算成地震波傳播速度式中《一一爆破孔到傳感器的距離；？;一一直達(dá)波的傳播時(shí)間。在已知地震波的傳播速度下，就可以通過(guò)測(cè)得的反射波傳播時(shí)間推導(dǎo)出反射界面與接受傳感器的距離，以及在隧道斷面的距離，其理"i侖公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)式中《——反射波傳播時(shí)間；z2——爆破孔與反射界面的距離；義3——傳感器與反射界面的距離。地震反射波的振幅與反射界面的反射系數(shù)有關(guān)，在簡(jiǎn)單的情況下，當(dāng)平面簡(jiǎn)諧波垂直入射到平面上時(shí)，其上的反射波振幅和透射波振幅分別為<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；^一反射界面兩側(cè)介質(zhì)的速度；Pl，p2—反射界面兩側(cè)介質(zhì)的密度；w—界面的反射系數(shù)。當(dāng)入射波振幅4一定時(shí)，反射波振幅4與反射系數(shù)i成正比；而反射系數(shù)與反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗Pl有關(guān)，其主要由界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗差決定，波阻抗差的絕對(duì)值越大，則反射波振幅4就越大，當(dāng)介質(zhì)II的波阻抗大于介質(zhì)I的波阻抗，即地震波從較為疏松的介質(zhì)傳播到較致密的介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)7〉0,此時(shí)，反射振幅和入射振幅的符號(hào)相同，反射波和入射波具有相同的極性；反之，如果地震波從較為致密的介質(zhì)傳播到較疏松的介質(zhì)時(shí)，此時(shí)，反射系數(shù)7〈0,則反射振幅和入射振幅的符號(hào)相反，因此反射波和入射波的極性相反，從而可清楚的判斷地質(zhì)體的變化。2.觀測(cè)系統(tǒng)TSP超前預(yù)報(bào)觀測(cè)系統(tǒng)是布置是在隧道掌子面1臨近洞段的左右邊墻內(nèi)，如圖2所示，根據(jù)其預(yù)報(bào)目的的不同，選擇不同的邊墻。如果是對(duì)斷層的預(yù)報(bào)，根據(jù)反射原理，炮孔布置應(yīng)在與斷層走向交角小的邊墻內(nèi)。其炮孔(C1-C24)及接收孔(Bl、B2)的具體布置要求見(jiàn)下表<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>3.數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是為T(mén)SP的數(shù)據(jù)處理和資料解釋提供第一手資料。要獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，除了TSP儀器本身提供了高靈敏的數(shù)據(jù)激發(fā)接受系統(tǒng)外，還需要解決好四個(gè)問(wèn)題觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、地震波的激發(fā)與接收以及環(huán)境對(duì)地震波的干擾。4.反演技術(shù)反射界面及不良地質(zhì)體規(guī)模的確定，其原理見(jiàn)圖3:在點(diǎn)A2、A3等位置激發(fā)震源.ff為不良地質(zhì)體的俯角，即真傾角；-為不良質(zhì)體的走向與隧道前進(jìn)方向的夾角；K為空間角，即隧道軸線與不良地質(zhì)體界面的夾角。產(chǎn)生的地震波遇到不良地質(zhì)體界面(即波阻抗界面)，發(fā)生反射而被G位置的傳感器接收。在計(jì)算時(shí)，利用波的可逆性，可以認(rèn)為(^位置發(fā)出的地震波經(jīng)過(guò)不良地質(zhì)界面反射而傳到A"A2、A;等點(diǎn)，即可認(rèn)為波是從像點(diǎn)IP(《)發(fā)出而直接傳到A"A2、A3等點(diǎn)的。此時(shí)的0和IP(0)是關(guān)于不良地質(zhì)界面(波阻抗面)對(duì)稱的.因0、A,、A2、A;各點(diǎn)的空間坐標(biāo)已知，由聯(lián)立方程可得像點(diǎn)IP(0)的空間坐標(biāo)，再由0和IP(a)的空間坐標(biāo)求出兩點(diǎn)所在直線的空間方程.由于不良地質(zhì)界面是線段0IP(0)的中垂面，所以可以求出該不良地質(zhì)界面相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)(的空間方程，進(jìn)一步可以求出不良地質(zhì)界面與隧道軸線的交點(diǎn)和隧道軸線與不良地質(zhì)界面的交角.通過(guò)求出的不良地質(zhì)體兩個(gè)反射面在隧道中軸線上的坐標(biāo)《和《，從而求出不良地質(zhì)體的規(guī)模步I《-《I。通過(guò)測(cè)得的縱波波速,和橫波波速、利用針對(duì)變質(zhì)巖、火山巖、深成巖和沉積巖四類(lèi)巖石類(lèi)型所使用不同的經(jīng)驗(yàn)公式，TSPWin軟件可以獲得巖石密度p，然后根據(jù)下列公式求出各個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。動(dòng)態(tài)彈性模量泊+>比v〗—2v(6)體積模量《+》(7)式中拉梅常數(shù)j:尸(v:-2v且)；剪切模量//=;^2。以左線LK16+865-LK16+733段范圍的地質(zhì)預(yù)報(bào)為例本次地質(zhì)超前預(yù)報(bào)里程范圍主要處于沙金壩向斜內(nèi)，受F10斷層破碎帶及向斜軸部褶皺擠壓帶，巖性為泥巖為主夾砂巖。受構(gòu)造影響很?chē)?yán)重，巖體擠壓強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎。巖體呈碎石狀結(jié)構(gòu)或塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。斷層下盤(pán)可能有層間承壓水呈股狀裂隙水或淋水出現(xiàn)。根據(jù)TSP法的原理和工作經(jīng)驗(yàn)，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區(qū)，并綜合地震波速、反射波相位、泊松比和動(dòng)態(tài)楊氏模量等參數(shù)對(duì)圍巖異常區(qū)進(jìn)行劃分，最終分析結(jié)論如下本次預(yù)報(bào)時(shí)掌子面1里程為L(zhǎng)K16+865，預(yù)報(bào)里程范圍為L(zhǎng)K16+865~LK16+733,即預(yù)報(bào)掌子面1前方132m,結(jié)論如下LK16+865~LK16+838段圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育；LK16+838~LK16+806段圍巖較破碎；LK16+806~LK16+803段圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育或軟弱夾層；LK16+803~LK16+773段圍巖較破碎，其中LK16+795~LK16+793存在一組節(jié)理裂隙；LK16+773~LK16+760段圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、含水~富水；LK16+760~LK16+733段圍巖較破碎，含水。(二)HSP法以地質(zhì)法為基礎(chǔ)的HSP聲波反射法施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和地震波探測(cè)原理基本相同，其原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)上，傳播過(guò)程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費(fèi)馬原理。理論研究和實(shí)踐證明，聲波在巖土體中的傳播速度及幅度等參數(shù)和巖土體的組成成分、密度、彈性模量及巖體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)等有關(guān)。當(dāng)聲波傳播路徑中存在兩種不同固體介質(zhì)的界面時(shí)，波的傳播將發(fā)生折射、反射和波型轉(zhuǎn)換。聲波由完整巖體傳播至碎裂巖或土組成的破碎帶時(shí)，就是聲波從高阻抗介質(zhì)到低阻抗介質(zhì)的典型情況。通過(guò)探測(cè)反射波信號(hào)，根據(jù)不良地質(zhì)體(帶)，如斷層、風(fēng)化破碎帶、地下水富集帶等，與周邊地質(zhì)體的聲學(xué)特性差異明顯，便可了解前方巖體的變化情況。測(cè)試時(shí)，在隧道施工掌子面或邊墻一點(diǎn)發(fā)射低頻聲波信號(hào)，在另一點(diǎn)接收反射波信號(hào)。采用時(shí)域、頻域分析探測(cè)反射波信號(hào)，進(jìn)一步根據(jù)隧道施工掌子面地質(zhì)調(diào)查、地面地質(zhì)調(diào)查推測(cè)掌子面前方地質(zhì)條件的預(yù)報(bào)方法，便可了解前方巖體的變化情況，探測(cè)掌子面前方可能存在的巖性分界、斷層、巖體破碎帶、軟弱夾層、以及巖溶等不良地質(zhì)體的規(guī)模、性質(zhì)及延伸情況等。超前預(yù)報(bào)采用了ZGS1610-2型智能工程探測(cè)聲波儀，超前預(yù)報(bào)軟件采用ZGS1610-2型智能工程探測(cè)聲波儀現(xiàn)場(chǎng)采集軟件、與該儀器采集數(shù)據(jù)匹配的專(zhuān)用反射譜分析和反射子波分析軟件，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查方法，實(shí)施"以地質(zhì)法為基礎(chǔ)的、以HSP聲波反射法為主要手段的綜合物探技術(shù)"，確保了探測(cè)的快速、資料的準(zhǔn)確和分析結(jié)果的可靠。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法采用通道觸發(fā)一發(fā)一收的方式出行。用大錘敲擊木樁作振源觸發(fā)換能器，另一個(gè)換能器同時(shí)接收信號(hào)，信號(hào)采集和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存都通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)控制。三、超前鉆孔水平鉆探法是短期超前預(yù)報(bào)最直接的手段。它是通過(guò)鉆探取芯編錄，對(duì)掌子面前方左右兩側(cè)揭露出的地層巖性、構(gòu)造、圍巖級(jí)別、含水性、含煤構(gòu)造等的位置、規(guī)模作出較準(zhǔn)確的判斷。對(duì)于煤系地層的地質(zhì)預(yù)報(bào)而言，超前鉆孔可實(shí)現(xiàn)1)煤層分布、走向及厚度探測(cè)；2)前方巖體瓦斯賦存情況探測(cè)及瓦斯涌出預(yù)測(cè)；3)巖體瓦斯壓力、瓦斯含量、突發(fā)性涌出等預(yù)測(cè)。當(dāng)采用上述手段綜合分析確定掌子面前方有不良地質(zhì)體存在時(shí)，應(yīng)采用水平鉆纟笨—險(xiǎn)證后施工。鉆探深度宜控制在30~50m,以減少對(duì)掌子面占用時(shí)間；鉆孔布置應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的產(chǎn)出關(guān)J^f莫、展布形式等確定，一般應(yīng)采用三角形布置，使鉆探成果具有代表性。1、煤層探測(cè)煤層在大范圍中是任意不規(guī)則的曲面，但在隧道附近的小范圍內(nèi)，可以假定煤層是平面，設(shè)其方程是^c+^y+z+C=0(4.8)15若探測(cè)孔為三個(gè)，則其見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)為A(A，凡a)、4(X2,/2,Z2)、A(/3，Z3)。則煤層面的方程為XZ少ix2少2z，x3少3Z3坐標(biāo)軸失見(jiàn)定隧道掘進(jìn)方向?yàn)?軸；開(kāi)挖面底部右側(cè)4黃斷面方向?yàn)閤軸；向上為z軸。式(4.9)為利用三個(gè)超前探孔得到的平面方程，而僅用三個(gè)探測(cè)孔的數(shù)據(jù)是不能精確確定煤層位置的，因?yàn)槊簩硬⒉皇且粋€(gè)嚴(yán)格的平面，而探測(cè)孔的見(jiàn)煤點(diǎn)往往在隧道邊界之外距離較遠(yuǎn)，由此推算的隧道掘進(jìn)見(jiàn)煤點(diǎn)往往有相當(dāng)大的誤差。為了精確確定煤層厚度和位置，除探測(cè)孔外，應(yīng)該利用瓦斯預(yù)測(cè)、排放孔的參數(shù)，共同確定煤層的平面方程。此時(shí)，理想的煤面方程應(yīng)滿足煤面至各探孔過(guò)煤點(diǎn)垂距平方和最小的條件。用求最小值的原理，可求得式(4.8)的各項(xiàng)系數(shù)。j=(Zzj廣zI^')(I^'義二少I(mǎi)^')—(E乂2_—yZ少,)(I^A(410)8=z》,-gx,z,—j.》,2一，,(4.11)》,義-}》，》J,-y》，C=—;—乂；一(4.12)式中x,,",Zi為各探孔見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)，S、7、；為這些坐標(biāo)的平均值。煤層參數(shù)計(jì)算傾角^1(4.13)力2+52+1煤層走向與隧道中線夾角=arC/gi(4.14)煤層厚度:《=+取+z,-+Z)|(4.15)(4.16)+52+C22、瓦斯探測(cè)鉆孔施工完成后對(duì)前方煤巖體的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出流量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)定考察，并計(jì)算出隧道在開(kāi)挖過(guò)程中可能產(chǎn)生的瓦斯涌出量。瓦斯壓力考察采用當(dāng)今世界上最先進(jìn)的主動(dòng)式快速測(cè)壓方法，其測(cè)壓時(shí)間僅僅相當(dāng)于傳統(tǒng)測(cè)壓方法的0.56%,測(cè)壓準(zhǔn)確率和成功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的測(cè)壓方法。鉆孔瓦斯涌出量，以及鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)采用容積式流量計(jì)進(jìn)行測(cè)定計(jì)算。為了減少探測(cè)時(shí)間和保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，采用快干膨脹水泥注漿封孔工藝。其材料配比為525硅酸鹽水泥高鋁水泥=3:1(重量比)。四、開(kāi)挖^iit經(jīng)過(guò)地質(zhì)分析、物探和超前鉆探后，對(duì)掌子面前方地質(zhì)做出綜合分析預(yù)報(bào)，在開(kāi)挖后進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié).五、小結(jié)1.以宏觀地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，地質(zhì)調(diào)查、物探和超前鉆孔為手段，多種方法相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，構(gòu)建煤系地層超前預(yù)報(bào)體系。2.在隧道施工過(guò)程中，將地質(zhì)分析、物探成果、鉆探結(jié)果三者有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行地質(zhì)綜合分析，及時(shí)指導(dǎo)施工，為科學(xué)施工組織提供地質(zhì)依據(jù)。3.超前預(yù)報(bào)工作中的物探方法TSP和HSP測(cè)試表明，在對(duì)地質(zhì)背景深入分析的情況下，這兩種方法在判別地質(zhì)構(gòu)造方面具有相當(dāng)?shù)目煽啃?。地質(zhì)分析與物探方法相結(jié)合，能取得較好的預(yù)測(cè)效果。4.對(duì)于煤層的分布和走向，必須采用超前鉆孔才得取得比較可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。權(quán)利要求1、一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于采用如下步驟步驟1，宏觀分析查閱大量的勘察資料，設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)工程區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行較全面的了解，通過(guò)對(duì)前期資料的分析，并結(jié)合已挖洞段的預(yù)報(bào)和開(kāi)挖實(shí)際對(duì)比總結(jié)，總體上把握煤系地層的分布；步驟2，在宏觀分析的基礎(chǔ)上根據(jù)具體情況通過(guò)采用地質(zhì)編錄、物探分析或超前鉆孔手段對(duì)過(guò)煤系地層隧道情況進(jìn)行具體分析；所述地質(zhì)編錄是在隧道或洞開(kāi)挖時(shí)，將揭露的地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及其它不良地質(zhì)現(xiàn)象如實(shí)反映在洞身展示或平切圖上，并與隧道縱剖面圖進(jìn)行對(duì)照；所述物探分析是采用TSP和HSP超前預(yù)報(bào)方法相互驗(yàn)證，初步判斷掌子面前方0～150m范圍內(nèi)可能存在的較大異常情況及巖體的完整狀況；所述超前鉆孔是開(kāi)挖中當(dāng)接近煤層時(shí)通過(guò)超前鉆孔測(cè)試查明煤層走向、傾角、厚度等參數(shù)。步驟3，將步驟1與步驟2所獲取的信息分類(lèi)并進(jìn)行主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)與過(guò)煤系地層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)；所述主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)包括巖性及圍巖完整性預(yù)測(cè)、斷層預(yù)測(cè)、煤層預(yù)測(cè)、地下水狀況預(yù)測(cè)；所述過(guò)煤系地層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)包括坍方預(yù)測(cè)、瓦斯突出預(yù)測(cè)。步驟4，結(jié)合步驟1、2、3所獲取的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)完成過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于按工程項(xiàng)目地質(zhì)特征和主要地質(zhì)問(wèn)題的不同，編制地質(zhì)剖面圖、煤層分布圖、開(kāi)挖對(duì)比圖，編制時(shí)隨工程進(jìn)展逐步將地質(zhì)編錄主要地質(zhì)要素和物探成果一并反映到相關(guān)圖上，并根據(jù)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況修編工程地質(zhì)剖面圖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于在所述超前鉆孔中鉆探深度控制在30~50m,鉆孔布置根據(jù)前述預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的產(chǎn)出^bf莫、展布形式確定。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述超前鉆孔中鉆取的巖芯由專(zhuān)業(yè)地質(zhì)人員編寫(xiě)并存放在專(zhuān)門(mén)的巖芯箱中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述宏觀分析包括的內(nèi)容是區(qū)域穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、煤層結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其特征在于所述地質(zhì)編錄包括的內(nèi)容是掌子面地質(zhì)素描、洞身地質(zhì)素描及地質(zhì)調(diào)查。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，依次采用了宏觀分析，在宏觀分析的基礎(chǔ)上根據(jù)具體情況通過(guò)采用地質(zhì)編錄、物探分析或超前鉆孔手段對(duì)過(guò)煤系地層隧道情況進(jìn)行具體分析；將前述獲取的信息分類(lèi)并進(jìn)行主要工程地質(zhì)條件預(yù)測(cè)與過(guò)煤系地層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)；然后將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)完成過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建。本發(fā)明提供了一種較完善的并能較準(zhǔn)確的對(duì)過(guò)煤系地層隧道施工地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)的系統(tǒng)。文檔編號(hào)G01V3/00GK101526629SQ20091005882公開(kāi)日2009年9月9日申請(qǐng)日期2009年4月2日優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日發(fā)明者睿丁,何開(kāi)偉,卿三惠,波廖申請(qǐng)人:中鐵二局股份有限公司;中鐵二局第四工程有限公司