一种岩溶隧道涌水超前预报系统化施工方法
技术领域
本发明涉及一种地质检测技术领域，尤其是涉及一种岩溶隧道涌水超前预报系统化施工方法。
背景技术
伴随我国公路隧道建设的进程加快，公路隧道在修建时也时常遇到地质条件复杂的情形。我国西南地区因存在的大量岩溶地质，给隧道建设带来了极大的施工难度，同时也增大施工风险。特别是在岩溶发育的灰岩地区，隧道施工揭露溶洞的几率更高，产生的危害也会更大。如果是大规模的富水溶洞，瞬间就可能造成施工人员和机械设备的严重损伤，造成不可预计的后果。轻则引起工期延长和投资加大，严重则会引起重大安全事故。受现有技术水平、经费和工期的限制，要把所有溶洞的位置、规模大小、走向等问题全部查清几乎是不可能的，因此，做好岩溶地区的超前地质预报工作是施工过程中防止或避免发生地质灾害的首要任务。
通常检测通过地质雷达将发射天线和接收天线于一体，具有分辨率高、快速、无损、连续检测、实时显示等特点，在掌子面前40m的范围内反射信号还是比较明显的，是一种比较理想的探测手段。但它仪器密封性差，在潮湿环境易造成仪器损坏，没有专门的天线，操作起来费时费力，效果不好，因此需要进行完善。
发明内容
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种岩溶隧道涌水超前预报系统化施工方法，其特征在于，其方法步骤如下：
(1)、研究现有资料制定预报方案：使用TSP303隧道地震探测仪对需要探测的隧道掌子面进行探测，目的是探测掌子面前方200米范围内的危险断层区域、溶洞和含水岩层情况，达到中长距离探测前方大致地质情况的目的；
(2)、检测掌子面工艺：利用地质雷达对TSP303检测的地质情况进行验证，根据TSP303和地质雷达综合判断掌子面前方是否存在溶腔；
(3)、钻机测定工艺：使用多功能超前地质钻机进行水平钻探，进一步确定溶腔的位置距离，根据记录钻孔出现大量涌水时多功能超前地质钻机的钻进深度来判断涌水位置距离掌子面的距离，达到短距离线性探测的目的；
(4)、涌水位置测定工艺：接着利用瞬变电磁仪来确定涌水位置的水源具体方位，达到短距离、大断面超前预报的目的；
(5)、凿岩验证工艺：采用三臂凿岩台车，在掌子面进行爆破钻孔前，在多功能超前地质钻机的钻孔周围钻取深10米的加深炮孔5个，利用加深炮孔来系统分析验证瞬变电磁仪的预报结果，如果不符合，则再次利用步骤(4)进行测定，若符合，则生成岩溶隧道涌水超前预报报告，将预报结果汇报总工，制定施工方案后，方可继续施工。
优选的，在步骤(2)中，在进行检测之前先在隧道的墙边布设一条侧线，沿着侧线的走向布置一些炮点(大约为24个左右)，以此激发小型人工震源，通常情况下采集数据能够在任意边墙上进行，如果断层最先出现在隧道的右边则炮点就应布置在隧道右侧，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，接收的数据通过TSP win软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等)和位置及规模，TSP探测的分辨率为体积≥1m3的地质体，对于富水区段，TSP和其它所有物探手段一样，都不能定量地预报地下水的涌水量，只能半定量地预报无水、少水、多水或富水。通过对TSP软件处理成果评估，若发现S波反射比P波强，则表明岩层饱含水，需要再使用地质雷达对前方岩层进行超前预报，两者相互验证，判断前方是否存在溶腔。
Ss在步骤(2)与步骤(3)之间需要进行地质雷达验证工艺，该工艺是利用发射天线向地下介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性(介电常数、电导率)差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用，用接收天线接收并记录来自地下的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况(围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况)进行检测。地质雷达检测时以纵向布线为主，横向布线为辅，纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧道底部各布置一条，横向布线可按检测内容和要求布设线距，线距一般为8～12m，采用点测时每个断面不少于6点，检测中发现不合格地段应加密测线或测点。
优选的，在步骤(3)中，采用超前地质钻机在施钻前按孔位设计的位置用仪器准确测量放线，将开孔孔位用红漆标注在开挖工作面上，孔位布好后，设备就位，接通各动力电源和供风、供水管路。将钻具前端对准开挖工作面上的孔位，调整钻机方位，开始钻进，钻机在进行钻进时应做到钻孔位置不发生偏移，钻孔完毕钻机位置不变，在钻进过程中还应定期检查机器的松动情况，并及时调整，对钻具的导向装置尽可能加长，并且选用刚度较强的钻杆，从而提高钻具的刚度，减少钻具的下沉量。钻探过程中及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石名称，并选择代表性岩芯整理保存。
优选的，在步骤(5)中，瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程，该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。探测按照顺时针的方向进行探测，每个测点可以测取7个方向，即顶板45度、顶板30度、顶板15度、顺层0度、底板45度、底板30度和底板15度。测取一点换至下一点，一次测量要保证记录的连续性，中间不要任意调换探测方向或次序。如果进行大范围的探测时，测点之间的距离即线框在横向上的移动步距应在5～10m之间，测点间点距可选15m，一般来说测点间间距要小于15m。掌子面在探测时有效数据点不少于8个。
优选的，在步骤(5)中，在利用三臂凿岩台车进行加深炮孔钻进时应遵循下面几点，一是保证钻速均匀，从而判断出岩层等级是否均质；二是及时观察钻进过程中的浆液，判断围岩情况；三是根据钻孔后是否渗水，根据渗水量大小来判断该孔位前方是否存在涌水；四是查看是否有气体溢出，判断是否存在有害气体。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，多设备联动，加强系统化：相较于传统超前预报方法，将用于超前预报的设备进行有机结合，使设备间相互联动，为解决岩溶隧道涌水的超前预报问题，提出了一套系统化的解决方案，优劣互补，提升预报精度，完善岩溶隧道涌水超前预报机制，推广前景好，在岩溶隧道涌水提供一整套的、系统化的解决方案，通过实际工程运用，超前预报效果良好，具有一定的推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种岩溶隧道涌水超前预报系统化施工方法的工艺流程图；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例，由说明书附图1可知，本方案一种岩溶隧道涌水超前预报系统化施工方法，其特征在于，其方法步骤如下：
(1)、研究现有资料制定预报方案：使用TSP303隧道地震探测仪对需要探测的隧道掌子面进行探测，目的是探测掌子面前方200米范围内的危险断层区域、溶洞和含水岩层情况，达到中长距离探测前方大致地质情况的目的；
(2)、检测掌子面工艺：利用地质雷达对TSP303检测的地质情况进行验证，根据TSP303和地质雷达综合判断掌子面前方是否存在溶腔；
(3)、钻机测定工艺：使用多功能超前地质钻机进行水平钻探，进一步确定溶腔的位置距离，根据记录钻孔出现大量涌水时多功能超前地质钻机的钻进深度来判断涌水位置距离掌子面的距离，达到短距离线性探测的目的；
(4)、涌水位置测定工艺：接着利用瞬变电磁仪来确定涌水位置的水源具体方位，达到短距离、大断面超前预报的目的；
(5)、凿岩验证工艺：采用三臂凿岩台车，在掌子面进行爆破钻孔前，在多功能超前地质钻机的钻孔周围钻取深10米的加深炮孔5个，利用加深炮孔来系统分析验证瞬变电磁仪的预报结果，如果不符合，则再次利用步骤(4)进行测定，若符合，则生成岩溶隧道涌水超前预报报告，将预报结果汇报总工，制定施工方案后，方可继续施工。
由说明书附图1可知，上述在步骤(2)中，在进行检测之前先在隧道的墙边布设一条侧线，沿着侧线的走向布置一些炮点(大约为24个左右)，以此激发小型人工震源，通常情况下采集数据能够在任意边墙上进行，如果断层最先出现在隧道的右边则炮点就应布置在隧道右侧，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，接收的数据通过TSP win软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等)和位置及规模，TSP探测的分辨率为体积≥1m3的地质体，对于富水区段，TSP和其它所有物探手段一样，都不能定量地预报地下水的涌水量，只能半定量地预报无水、少水、多水或富水。通过对TSP软件处理成果评估，若发现S波反射比P波强，则表明岩层饱含水，需要再使用地质雷达对前方岩层进行超前预报，两者相互验证，判断前方是否存在溶腔。
由说明书附图1可知，上述在步骤(2)与步骤(3)之间需要进行地质雷达验证工艺，该工艺是利用发射天线向地下介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性(介电常数、电导率)差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用，用接收天线接收并记录来自地下的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况(围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况)进行检测。地质雷达检测时以纵向布线为主，横向布线为辅，纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧道底部各布置一条，横向布线可按检测内容和要求布设线距，线距一般为8～12m，采用点测时每个断面不少于6点，检测中发现不合格地段应加密测线或测点。
由说明书附图1可知，上述在步骤(3)中，采用超前地质钻机在施钻前按孔位设计的位置用仪器准确测量放线，将开孔孔位用红漆标注在开挖工作面上，孔位布好后，设备就位，接通各动力电源和供风、供水管路。将钻具前端对准开挖工作面上的孔位，调整钻机方位，开始钻进，钻机在进行钻进时应做到钻孔位置不发生偏移，钻孔完毕钻机位置不变，在钻进过程中还应定期检查机器的松动情况，并及时调整，对钻具的导向装置尽可能加长，并且选用刚度较强的钻杆，从而提高钻具的刚度，减少钻具的下沉量。钻探过程中及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石名称，并选择代表性岩芯整理保存。
由说明书附图1可知，上述在步骤(5)中，瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程，该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。探测按照顺时针的方向进行探测，每个测点可以测取7个方向，即顶板45度、顶板30度、顶板15度、顺层0度、底板45度、底板30度和底板15度。测取一点换至下一点，一次测量要保证记录的连续性，中间不要任意调换探测方向或次序。如果进行大范围的探测时，测点之间的距离即线框在横向上的移动步距应在5～10m之间，测点间点距可选15m，一般来说测点间间距要小于15m。掌子面在探测时有效数据点不少于8个。
由说明书附图1可知，上述在步骤(5)中，在利用三臂凿岩台车进行加深炮孔钻进时应遵循下面几点，一是保证钻速均匀，从而判断出岩层等级是否均质；二是及时观察钻进过程中的浆液，判断围岩情况；三是根据钻孔后是否渗水，根据渗水量大小来判断该孔位前方是否存在涌水；四是查看是否有气体溢出，判断是否存在有害气体；以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
