隧道超前地质预报方案.docx
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隧道超前地质预报方案
新建山西中南部铁路通道瓦塘至汤阴（东）段
站前工程ZNTJ-5标
超前地质预报
专项施工方案
中铁十七局集团山西中南部铁路通道
ZNTJ-5标项目经理部
二〇一〇年六月
超前地质预报
专项施工方案
编制：
审核：
批准：
中铁十七局集团山西中南部铁路通道
ZNTJ-5标项目经理部
隧道超前地质预报专项施工方案
1.编制说明
1.1.编制依据
为保证山西中南部铁路通道ZNTJ-5标隧道工程施工安全，切实履行企业安全生产的责任主体,根据《建设工程安全生产管理条例》和《危险性较大工程安全专项施工方案编制和专家论证审查办法》的规定，结合本工程的特点，制订ZNTJ-5标隧道工程超前地质预报专项施工方案。
1.2.采用的标准规范、图纸
《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设【2008】105号）；
《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》TB10108-2002；
《铁路隧道工程施工技术指南》TZ202-2008；
《铁路隧道施工质量验收验收标准》TB10417-2003;
《铁路工程基本作业施工安全技术规程》TB10301-2009；
《铁路隧道工程施工安全技术规程》TB10304-2009；
隧道施工设计图纸。
2.工程概况
2.1.线路概况
中南铁路通道ZNTJ-5标段起讫里程为DK198+350～DK259+000，全长57.70km，全部位于山西省石楼县、隰县境内，线路起点位于石楼县沙塘沟，穿过沙塘2号隧道，跨越屈产河、柳石公路和县乡道路，到达石楼车站，然后在谭家庄东侧进入石楼隧道，从朱家峪出来后，沿山脚前行，终点止于隰县车站。
2.2.隧道工程概况
本标段隧道25.2km/18座。
具体设计概况详见表1表1隧道工程概况表
序号
隧道名称
长度（米）
序号
隧道名称
长度（米）
1
石楼隧道
12802
10
高家坡2号
370
2
谭庄隧道
447
11
郭家村隧道
2608
3
前王庄3号隧道
160
12
二郎坡隧道
362
4
前王庄2号隧道
615
13
刘家堡1号隧道
134
5
前王庄1号隧道
432
14
刘家堡2号隧道
295
6
沙塘2号隧道
723
15
刘家堡3号隧道
180
7
麻家庄隧道
1675
16
员家庄1号隧道
378
8
东卫隧道
2848
17
员家庄2号隧道
350
9
高家坡1号
785
18
苛西隧道
208
2.3.工程地质条件：
2.3.1.地形地貌
本线路位于山西省石楼、隰县境内，处于吕梁山西侧的黄土梁峁区，是吕梁山地向黄河峡谷的延伸部分。
地势总体由东向西倾斜。
上部覆盖的厚层黄土，受长期水流侵蚀和切割作用，形成以黄土梁、峁和深切冲沟为主的典型黄土丘陵地貌，地形起伏较大且凌乱破碎。
2.3.2.工程地质
沿线不良地质主要包括以下几个方面：
人为坑洞、岩溶、黄土陷穴和窑洞、崩塌落石、顺层等。
2.3.3.特殊岩土
沿线特殊岩土主要分布有：
新黄土、膨胀土。
沿线新黄土分布广泛，具湿陷性，多为坡洪积层，多属非自重湿陷性黄土，一般厚度为5～10m，湿陷等级一般为Ⅰ、Ⅱ级。
膨胀土主要为第三系黏性土层，零星分布，具弱膨胀性。
3.超前地质预报的目的和目标
3.1.目的：
超前探测地层岩性、软弱层的位置、岩体完整程度、断裂带位置、宽度、破碎程度、富水性，为围岩变更提供依据。
预报突水突泥和断层破碎带具体位置和可能带来的灾害程度；提供必要的地质参数如：
地下水压力、涌水量等；提供施工掌子面前方地质信息，进一步确定保证围岩稳定性的工程措施和合理的施工方法；为优化施工方案提供依据，指导施工顺利进行，确保施工安全。
3.2．目标：
准确预报掌子面前方围岩地质情况和富水情况，重点预报突水突泥和断层破碎带等不良地质的具体位置、规模和影响程度，控制掌子面前方30m范围内不良地质体预报误差在1m以内。
4.超前地质预报主要项目
超前地质预报主要项目见下表。
超前地质预报主要项目表
项目
预报主要内容
主要方法/仪器
重点预报地段
常规预报
围岩
类别
岩性特征，节理，裂隙
发育特征和岩体结构特征
地质素描法，TSP203
断层破碎带
软弱围岩地段
涌水
状态
涌水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特征
钻探孔，测流计，TSP203，压力计
高水压地段
异常预报
断层
位置，规模，破碎程度，充填情况，含水情况等
TSP203，钻探孔、地
表观察和地质素描法
断层破碎带
突水
突泥
位置，规模，
泥屑流成份性质
地质素描法，超前水平钻孔，物探法，测流计
高水压地段
5.超前地质预报的方法和手段
本标段按照设计要求进行超前地质预报,拟综合应用地质调查分析法、物探法和超前探孔法。
地质分析方法作为基本方法，物探方法作为快速侦察手段，超前探孔法在地质特殊复杂地段纳入工序进行组织管理；三种方法有机结合，配合应用，发挥各自长处，从不同方面发现异常、揭示异常，组成超前地质预报完整的技术体系。
超前地质预报工作纳入现场施工组织统一管理,并应编制超前地质预报的安全保障措施.
6.超前地质预报实施计划
6.1.施工组织和管理机构
成立以项目总工程师郭明为组长的动态超前地质预报管理组织机构。
下设地质组、物探组、隧道组三个专业组，成员由具有丰富地质工作经验的专业技术人员担任。
施工中坚持轮班制，进行24h全过程监控指导，确保各种措施的落实。
各组密切配合、协作，和时反馈和分析，为信息化设计和施工提供有力支撑和保障。
地质预报组织管理详见图1。
地质预报工作遵循“安全优质、高效、低耗”的宗旨，结合施工实际和地质复杂程度制定工作计划，核对设计文件，保证常规地段天天进洞，连续预报，重点地段密切注视，当好先行军、千里眼。
6.2.隧道超前地质预报实施计划安排
本标段隧道地质条件复杂,尤其是石楼隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩比例高，洞身多位于土石分界处，软硬不均，易产生围岩失稳，施工过程中必须将超前地质预报纳入施工工序管理，做到先探测后施工，不探测不施工。
实施计划总的思路是：
长期预报和短期预报相结合，采用TSP203超前地质预报系统进行长距离宏观控制，红外探水连续实施，地质雷达进一步强化、补充和验证，加大超前水平钻探和孔内数码成像的力度，加强常规地质综合分析，力争把发生地质灾害的几率降至最低。
具体预报方法、实施计划安排见下表。
长期预报和短期预报方法表
地质预报项目
预报内容
长期
预报
地表调查
岩层产状和其变化，构造在隧道地表的发育规律等
TSP203探测
断层、围岩等级变化和不良地质情况
超前水平
地质探孔
验证物探预报情况，围岩类别判定等
地质素描
隧道掌子面地质素描和地质分析预报
短期预报
地质雷达
隧道底部探测、周边出水部位探测
石楼隧道超前地质预报实施计划安排表
地质预报
项目
计量
单位
计划工作量
测量频率
备注
正洞
斜井
地表调查
延米
12800
2400
工前、工中、工后
岩层产状和其变化；构造在隧道地表的表现。
TSP203
探测
次
60
10
每次测量
200m范围
断层和不良地质情况
地质雷达
延米
3500
1000
每次测量20m～30m范围
隧道底部探测、隧道周边出水部位探测
超前水平地质探孔
延米
12000
200
每次测量30m以上范围
为避免地质灾害发生广泛采用超前水平探孔
地质素描
延米
12800
2400
每次开挖后进行
围岩描述和预报
注：
其它隧道根据设计要求施做地质超前预报
6.3.超前地质预报时间安排
超前地质预报是隧道施工中的一个重要环节，作为一项工序纳入隧道施工进行管理，该项工序在每循环中安排见图2。
6.4．超前地质预报主要设备配置计划
主要设备配置计划见下表。
超前地质预报主要设备配置计划表
序号
设备名称
型号
数量
备注
1
超前预报仪
TSP203
1套
2
地质雷达
RAMAC—Ⅱ
1台
3
红外探水仪
HY—303
1台
4
水平钻机
YQ100
2套
5
地质钻机
ZYG150
2套
6
高密度电法仪
WDJD—1
2套
7
沼气—氧气两用测试仪
2套
8
地质罗盘仪
2套
9
数码相机、光学相机
CANNON
2部
10
笔记本电脑
联想thinpad
2台
6.5．专业技术人员配备
专业技术人员配备见下表。
专业技术人员配备表
序号
人员配置
数量
1
地质工程师
2名
2
地质和物探工程师
4名
３
水文地质工程师
2名
4
计算机工程师
4名
6.6.地质预报流程和信息反馈
超前地质预报的方法就是建立一个地质信息系统，通过各种方法收集地质信息，输入信息处理系统，进行综合分析、判断，并将处理结果反馈给施工，和时调整施工方法和支护参数。
采用新的施工体系后，重新从施工过程中获取新的地质信息，更新地质信息系统，经处理后，再一次反馈给施工，如此往复。
通过地质信息系统的和时、准确预报，为信息化施工提供决策依据。
地质预报信息系统见图3。
7.超前地质预报方法
7.1.有针对性的补充地质调查
补充地质调查的主要内容包括不同岩性、地层在隧道地表的出露和接触关系，岩层产状和其变化；构造在隧道地表的出露、分布、性质、规模和其产状变化；地表岩层发育、规模和分布规律。
补充地质调查的方法：
预报组根据建立的标准地层剖面，结合沉积规律，确定各岩组的地层层序、厚度、标志层位置。
对地质构造进行追踪调查后，根据施工进展情况，展开有针对性的地质描绘，详尽地核对细化勘察设计资料，为地质预报做好基础工作。
图3地质预报信息系统图
7.2.地质素描
地质素描是对已开挖掌子面的地质状况作如实的调查，并进行详细编录，采集必要的数据，具体包括：
对掌子面地层岩性、节理发育程度、受构造影响程度、围岩稳定状态等进行详细编录。
地质素描的方法和预报成果见下表。
地质素描的方法和预报成果表
序号
方法
形成成果
1
采用罗盘仪，洞内观察等方法，实测岩层产状、节理产状和间距、微构造产状、断层面产状等，分段测绘
分析岩体各种参数，进行掌子面的工程地质评价，作出掌子面断面图，据其作常规预报展示图和分段预报报告书。
2
做标准地层剖面和岩层层位
预报预测软弱岩层的位置，提出施工建议措施
3
观察掌子面断层和微构造出现情况、对产状进行量测
分析断层、微构造的产壮规律，据其在掌子面部位、构造走向与隧道轴向的关系作出地质预报图
7.3.TSP203超前地质预报系统
TSP203超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的目前世界上在这个领域先进的设备，它为方便快捷地预报掌子面前方100～200m范围内的断层破碎带、软弱地层等不良地质情况提供了一种强有力的方法和工具，通过超前地质预报提前了解掌子面前方的地质变化情况，合理安排掘进速度，和时优化施工方案，加强防护措施，从而能够确保安全、顺利地通过不良地质地段，使施工真正做到科学、安全、高效。
工作方法：
TSP203超前地质预报系统测线布设在掌子面附近的边墙上，它由两个接收器孔和24个炮孔组成，两个接收器孔对称分布在两边墙，24个炮孔等间距布置在两侧边墙。
在数据采集前，钻孔、接收传感器套管的安装，以和接收器孔、炮孔倾角倾向和各孔距基准点距离的测量要先期完成。
由于这些准备工作不影响正常施工，因此可与隧道施工作业同时进行。
当正式爆破采集数据时，洞内一切施工必须停止，以确保采集到的数据尽可能少的受外界噪声的干扰。
在数据采集时，相互间要做好配合，以减少对施工的影响。
在熟练的情况下，数据采集时间可控制在1h以内。
TSP数据处理流程见图4
TSP203预测的方法和预报成果见下表。
TSP203预测的方法和预报成果表
预测方法
预报成果
利用地震波的反射原理预测
推断断层、岩层破碎带等不良地质体的位置、规模、性质
反射界面的岩性参数、产状和岩石力学参数
7.4.地质雷达预报
应用电磁波反射原理进行探测。
通过测定与岩溶含水性有关的介电常数的变化来探测充水的地质体，如含水的断层、岩性界面等。
采用地质雷达对岩性结构变化进行短距离（10～40m以内）的精确预报。
地质雷达作为TSP203超前地质预报的补充，在高水压地段对TSP203预报的异常点进行补充探测。
比如确定异常体的规模、性质、危害等有困难时采用地质雷达进行补充探测。
同时地质雷达用于隧道底部、边墙、隧顶外或其它出水部位可能隐伏洞穴的探测，效果较好。
地质雷达预报方法和预报成果见下表。
地质雷达预报方法和预报成果表
预测方法
预报成果
探测充水的地质体
判定断层、岩性的界面，确定异常体的规模、性质、危害
隧道底部、边墙、隧顶外
或其它出水部位
可能隐伏洞穴的探测
7.5.超前地质钻孔
超前钻孔对揭示掌子面前方的地质特征准确率高。
超前地质探孔布置见图5、图6。
图5斜井超前地质探孔布置图
图6正洞超前地质探孔布置图
7.6.红外探水
红外探水每20m测量一次。
红外探水测量速度快，基本不占用工序时间。
资料分析快，测量完毕，即可得出初步结论，室内整理和编写报告也可在2h内完成。
红外探水有较高的准确率，但是它对水量、水压等重要参数无法预报。
红外探水解决的问题有：
超前防水预测预报：
了解掘进前方20～30m范围内，是否存在隐伏水体、是否存在含水断层、是否存在含水破碎带。
每次防水超前探测预报需15min。
向隧道上方探测与下方探测：
是确保掘进工程安全不可缺少的一环，其根本原因在于上方或下方都存在承压隐伏水或含水构造，一旦在卸压时岩溶水溃入隧道，将会造成重大灾害。
向隧道两壁外侧探测：
其目的是了解支承顶板的两个侧壁外缘是否存在威胁隧道安全的含水构造。
红外探水方法：
红外探测属非接触探测，在隧道壁上定探点，是用仪器的激光器在壁上打出一个红色斑点。
定好探点后扣动板机，就可在仪器屏幕上读取探测值。
探测数据输入计算机后，由专用软件绘成顶板探测曲线、两壁探测曲线。
根据探测曲线特征判断含水构造或含水体的潜在危害。
当红外探测发现前方存在含水构造时，通过高密度电法电测解决前方含水构造至掌子面距离和给出破碎带的宽度。
7.7.钻探
钻探的主要作用之一是通过钻探给出前方含水构造的涌水量。
由于涌水量与水源有关、与水头压力有关、与爆破后出水断面大小有关，因而目前所有物探仪器均不能确定涌水量的大小。
通过钻探，当水量很小时，可继续掘进；当水量超过排水能力时，就注浆堵水。
本标段石楼隧道个别地段可能富集大量孔隙水和基岩裂隙水,需要进行注浆堵水处理.注浆堵水处里程预报工点见下表。
石楼隧道注浆堵水里程预报工点表
序号
隧道里程
围岩级别
长度（m）
地下水情况
1
DK231+840～DK231+940
Ⅴ
100
弱富水段
2
DK231+940～DK232+830
Ⅳ
890
弱富水段
3
DK232+830～DK233+055
Ⅴ
225
弱富水段
8.超前地质预报保证措施
8.1.建立严格的岗位责任制
隧道施工中的超前地质预报关系到工程的安全、质量和进度，应作为一项工序纳入施工过程中，施工中应建立严格的岗位责任制。
各预报组技术负责人和技术人员即是该工点地质预报的直接责任人，对所施工的工点预报工作负全责。
须详细熟悉施工图纸、预报标准和技术要求，对预报结果负责。
严格岗位培训和持证上岗制度，超前地质预报人员必须经过隧道施工安全教育培训,并掌握安全操作技术和安全生产基本知识。
和时整理预测资料，按规定时间将预测报告和时上报上级部门。
定期分析预报的准确度，和时总结预报过程中不利因素，采取有力措施，消除影响，不断提高工作水平。
8.2.地质预报工作管理
地质预报由地质专业工程师负责，其他施工、隧道质检人员配合，进行资料收集、统计、分析和编制信息预报成果，由项目总工程师和分部总工程师复核，并报设计、监理。
为变更设计、修改施工方法提供依据。
不断总结经验，对已披露的实际地质情况与前期地质预报内容相比较，评估预报的准确性，为以后的超前预报工作积累经验。
经分析、整理的地质资料作为施工技术资料存档。
8.3.安全措施
⑴超前地质预报作业应考虑下列主要危险源、危害因素：
工作面坍塌、找顶不彻底、高处作业台架失稳、安全防护失效、突泥突水。
⑵进行超前地质预报时必须监测有害气体浓度，加强通风，浓度符合卫生标准后方可进入工作面。
⑶钻探法预报时应编制作业指导书，开钻前做好安全技术交底，采用电机驱动钻机，电工应持证上岗，各种设备应做好安全防护，非操作人不得进入工作区。
⑷在可能突泥突水地段超前钻探时应做好钻孔突涌水处治方案，确保人员与设备安全。
⑸采用地震波反射法预报时，使用炸药量部大于75kg，炸药、雷管必须由持有爆破证的专人领取和操作。
9.正确处理地质预报与施工的关系
9.1.超前地质预报与施工的协调问题
实践证明，超前地质预报在复杂长大隧道预测预报工作中发挥了重要作用，为隧道施工安全、确保工程质量和进度提供可靠保障。
但是地质预报工作需占用一定的时间。
如100m超长钻孔花费24～30h可以准确判断前方100m范围地质情况是非常值得的。
施工中地质预报尽量减少监测时间，而施工尽量为地质预报提供良好的检测环境，如降噪等。
9.2.超前地质预报的费用问题
各级管理者要充分认识超前地质预报在复杂长大隧道施工中的重要性，应将地质预报工作作为一道工序排进作业循环时间表内，对地质预报所需的费用，在工程预算中应有专项费用和相应的会计科目，保证资金落实，确保地质预报所需的仪器设备齐备，人员、技术要求满足施工要求。
9.3.与建设、设计、科研、监理等单位协调问题
施工地质工作需各方密切配合、协作，和时反馈和分析，为信息化设计和信息化施工提供有力支撑和保障。
地质超前预测预报小组将各项预报资料和数据和时反馈到动态设计组，并大力协助设计单位做好满足隧道工程综合超前地质预报和动态设计所要求的全部配合工作。
动态设计组根据超前地质预报资料，提出围岩变更意见，修改支护参数，向建设单位提出施工方法建议书，建设单位审核批准后，施工单位认真组织实施。
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