隧道地质超前预报.docx

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隧道地质超前预报

超前地质探测与预报管理办法

本项目部隧道施工中有可能遇到断层破碎带、岩溶涌水突泥、围岩失稳或软岩变形等地质灾害，为确保隧道工程按期安全顺利建成，地质工作十分重要。

①组织机构

超前地质预报组，由经验丰富的地质、物探技术人员组成，配备先进的地质、物探设备。

超前地质预报工作组织机构见图1。

②超前地质预报的目的

进一步查明前期没有探明、隐伏的地质问题，为针对性地采取预防措施，避免重大地质灾害发生，确保为施工安全提供依据。

图1隧道超前地质工作组织机构

减少施工的盲目性，确保隧道安全快速施工。

为开展动态设计、合理制定施工方案、有效进行投资控制提供地质依据。

为编制竣工文件及隧道长期安全运营提供基础资料。

③施工超前地质预报方案

超前地质预报按照“安全第一、预防为主”的原则制定，即超前地质预报以地质分析为基础，充分利用前期勘察资料、采用宏观预报、长距离预报与短距离精确预报相结合，物理探测与超前钻孔、加深炮眼相结合，多种物探方法相互补充相结合，定性与定量相结合的综合地质预报手段。

宏观预报：

以前期勘察的地质资料为基础，必要时辅以地面调绘，利用各种地质体的几何产状、发育规律，通过地质相关性分析、地质作图，对隧道的地层分界线、断层出露位置及规模、隧道围岩类别、可能涌水段等工程地质问题进行预测。

长距离预报：

以宏观预报为指导，以地质分析及长距离物理探测方法相结合为手段，预测掌子面前方存在的岩层分界线、断层和涌水突泥等不良地质体的发育位置及规模。

采用TSP探测手段，对断层破碎带、软硬岩分界面及其它软弱夹层或节理裂隙发育带，进行重点探测。

短距离预报：

以宏观预报、长距离预报成果为基础，以地质分析法、短距离物理探测手段、超前地质钻孔及加深炮孔为手段，准确预报前方地质异常体的类型、位置、规模。

通过数码地质素描，结合经验判断与地质分析，对地质异常体位置进行初步判断，采用地质雷达对地质异常体进行进一部探测，预测其位置、规模，通过超前地质钻孔及加深炮孔对前方地质异常体位置及规模进行核实验证和准确判定。

本标段隧道工程综合超前地质预报程序见图2。

④超前预报工作布置

本标段隧道采用综合地质预报的方法，利用各种仪器的优缺点进行互补预报，主要在岩溶、断层破碎、高地应力等不良地质段应用。

⑤超前地质预报施工方法

A.TSP203超前地质预报

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较先进的设备，它能方便快捷地预报掌子面前方较长范围内的地质情况。

TSP203每次可探测100～350m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，每开挖100m～150m预报一次，重叠部分（不小于20m）对比分析，每次探测结果与开挖揭示情况对比分析。

图2综合超前地质预报程序图

a、现场数据采集：

洞内数据采集主要由接收器、数据记录设备以及起爆设备三大部分组成。

洞内数据采集包括打接收器孔、爆破孔、埋置接收器管、连接接收信号仪器、放炮接收信号等过程。

b、室内计算机数据分析处理：

采集TSP数据，通过TSPwin软件进行处理，处理流程：

数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P-S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。

通过速度分析，可将反射信号的传播时间转换为距离（深度），可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。

通过TSPwin软件处理，可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果。

c、预报成果:

采集的数据，经过软件处理，给出各种不良地质体性质、规模、发育位置；岩石弹性波波速等参数。

B.超前地质钻孔

“物探先行，钻探验证”，超前钻探是一种传统而可靠的工程地质探测方法，针对本标段隧道位于岩溶强富水地段的特点，拟采用超前钻探方法进行探测，以超前水平岩芯钻探为主，辅以浅孔钻探。

超前水平岩芯钻探可根据需要探测和了解隧道开挖前方几米、几十米乃至上百米范围内围岩的工程地质情况，为施工地质灾害预警提供信息；通过钻孔了解和释放影响隧道掘进施工的地下水和瓦斯积聚；通过岩芯观察和分析对隧道开挖前方的不稳定岩层和断层破碎带进行准确定位；直接采取岩芯样进行各种抗压强度试验，获取岩石物理力学性质参数。

为节约施工时间和减少经费，对地质情况稳定、岩性坚硬完整且变化小的地段可酌情减少超前水平岩芯钻探工作量，在钻进过程中，尽可能避免钻头偏移，导致探测结果发生误差。

根据岩石的坚硬程度，调整钻机转速和钻压，坚硬岩石采用较低钻压。

采用XY-2PC地质钻机进行超前深孔钻探，钻探深度可达150m，孔径90～120mm。

每月安排三个工作日进行超前钻孔探测，浅孔钻探在正洞工作面钻5个孔，钻孔深度30m。

用于探明前方地质，发现地下水较大时，及时采用必要的堵水、止水措施和手段。

浅孔超前钻探方法是在钻进过程中，从钻进的时间、速度、压力、冲洗液的颜色、成分以及卡钻、跳钻等和岩性、构造性质及地下水等情况掌握地质条件。

综合不同位置钻孔的钻进时间变化曲线，大致确定断层的规模和产状。

采用超前钻孔探水，利用液压钻机施工探水孔，每次探水段长30m，开挖22m，保留8m开始下一次探水。

探水孔孔径55mm，钻孔外插角10°。

见图3。

图3超前探孔布置图

实际施工中用喷距代替射速进行预报，施作程序如下：

暂时封闭水量较小的探孔，只留一个喷距最远的测量其喷距离（如完全封闭有困难，可尽量堵塞，减小其流量）；把实测喷距换算成标准条件下的喷距。

即高出水平面1m（y=1）时的喷距；根据换算后的喷距，对涌水量进行预报。

一般喷距小于5m，流量小于100～400m3/h为小型突水，可加大探孔长度，试挖前进；喷距9～12m，流量400m3/h以上为中型突水，应停止施工，探明情况；喷距12m以上，为大型突水，应立即停止施工，探明情况，从速处理。

此方法要求在探孔揭露之前，岩体能承受管道水的压力而保持稳定。

因此在临近突水地段，最好多打一些超前探孔，并改放小炮，避免工作面出现冲溃现象，喷距应比较稳定。

若探孔水喷距逐渐缩短，说明遇到储量不大的静储量水，危害不大。

喷距大于5m时，可加补几个探孔加速施工，查清水情。

若探孔水喷距突然缩小，或时大时小，说明管道中有较多的泥砂堵塞，应以初喷距为准。

探孔水喷距和隧道涌水量之间的关系还受到其它一些因素的影响，应对于隧道的每一出水段，建立单独的预报标准。

C.加长钻杆探孔

全隧道施工中，在每开挖循环钻炮孔眼时，通过加长钻杆，超前探测掌子面前方5～10m范围内的工程地质条件。

施工中根据钻进速度变化、冲洗液颜色和流量变化、钻进压力、岩粉成份、卡钻位置、突进里程等的变化，并通过量测孔内水量、水压，判断掌子面前方工程地质条件。

加深炮眼布置可根据实际需要确定，一般在掌子面均匀布置，前后循环位置在平面上适当错开，钻孔数量可根据前方地质条件复杂程度确定。

D.地质雷达探测法

工作原理:

地质雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到掌子面前方的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体（面）时，产生反射信号。

位于掌子面上的接收天线在接收到前方回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。

在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断掌子面前方目标的深度、大小和方位等特性参数。

现场探测:

作为短距离精确预报，地质雷达探测的具体布置根据其它预报手段的预报结果确定，测线主要布置在掌子面上，一般每个掌子面布置四条测线。

资料整理及成果：

雷达记录应清晰，反射波形、同相轴明显，不合格的记录应重测。

对合格的记录应根据记录的情况进行必要的处理如：

编辑、滤波、增益、褶积、道分析、速度分析和消除背景干扰等，求得时间剖面。

在时间剖面中应标出探测对象的反射波组，确定反射体的形态和规模。

解释确定反射体的位置、形态，推断其充填情况。

必要时应制作模型进行反演解析。

提交以下资料：

测线布置图；原始记录；时间剖面；解析参数和解析结果。

E.地质素描

a、工作原理

数码地质素描以近景摄影测量技术为和影像数据为核心，综合应用近景摄影测量、数字图像处理、GIS技术，对获取的边坡、洞室等影像进行处理，快速、准确提取地质编录要素，并实现编录要素的有效管理与查询检索，为工程施工设计、岩体稳定性分析等工作提供科学依据。

b、工作方法

数码编录系统包括现场数据采集与预处理、编录要素识别与提取、数据信息管理查询、输入与输出等。

现场数据采集：

利用普通量测像机与经纬仪相连，通过普通量测像机获得摄影像对，通过经纬仪控制其方位元素。

数据预处理：

对现场采集获得的影像数据通过几何校正、辐射校正、影像镶嵌，使影像位置具有与像控数据相应的坐标，保证同一地物有一致的辐射水平，将单幅影像镶嵌成正摄影像图，并对图像进行增强处理，突出节理、断裂等信息。

编录要素识别与提取：

通过人工引导式的目标交互识别技术，对影像进行匹配。

数据信息管理查询：

对通过影像识别技术获得的地质编录要素信息，经过多点连线及产状计算后，分别存储于图形库、属性库，实现了图形特征与属性特性的连接与管理。

c、素描内容

地层岩性:

地层地质时代、岩层厚度、层间结合程度、岩层产状、岩性、岩石硬度、风化程度等。

地质构造:

断层（裂）破碎带带宽度、破碎带的成分及胶结程度、破碎带的含水情况以及与隧道的关系。

节理裂隙特征节理裂隙的组数、产状、间距、充填物质、延伸长度、张开度及节理面的起伏情况，节理裂隙的组合状况。

地下水的特征:

出水点位置、水量、水压、水温、水色、悬浮物（泥砂等）测定；出水点和地质环境（地层、构造、岩溶）的关系；与地表相关气象、水文观测；洞内涌水与地表径流、降雨的关系；必要时进行水样分析。

d、工作成果

根据数码地质素描得到地层岩性、地质构造、不良地质、水文地质特征等，判定围岩完整性和围岩分级，结合勘察、地质调查及辅助洞开挖取得的地质资料预测引水隧道前方地质条件。

F.综合地质分析

a、工作内容

根据对以上超前地质预报结果，综合分析掌子面围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，判断掌子面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并依此提出工程措施建议和进一步预报的方案。

将掌子面出现的结构面，通过几何作图进行预报。

通过作图确定隧道拱顶、边墙不稳定块体规模，提出锚固意见。

根据开挖段围岩的工程地质、水文地质特征进行预报结果的验证，提出是否修改预报方法及参数的意见。

根据开挖段及掌子面水文地质情况，详细分析具体位置和情况，并提出注浆止水方案的建议。

b、成果资料提交

即时报告:

当地质工程师发现地质情况发生变化时，即刻以口头或书面的形式向项目部报告，并积极参与不良地质地段工程措施的研究，并从地质角度提出合理化意见和建议。

日常报告:

当每次完成地质预报工作后，应在规定时间向项目部提供相应资料。

最终成果报告:

隧道贯通后提交成册的成果报告，报告组成如下：

地质纵断面图；地质展示图；超前地质钻孔报告；TSP203超前地质探测报告；地质雷达超前探测报告。

⑥超前地质预报信息处理

为将超前地质预报技术认真实施，贯彻信息化指导隧道施工，防止隧道坍塌和高压突涌水等灾害，施工过程中要建立完善的信息化管理系统，以保证超前地质预报系统的正常运转，提供准确可靠的信息反馈资料，保证隧道施工安全。

A．信息采集

配备掌握地质判释技术、经验丰富的地质工程师组建地质预报组。

依据综合超前地质预报各阶段的预报资料，及时制订各类施工技术预案，确保安全顺利通过各类不良地质段。

a、地质预报由地质预报组负责，其它施工、质检人员予以配合，进行资料收集、统计、分析和编制信息预报成果，由主管技术人员予以复核，并报设计、监理，为变更设计、修改施工方法提供依据。

b、对已揭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，不断总结经验，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。

c、实施动态设计，定期和不定期由建设、监理、设计和施工单位论证和审查地质预报组的预报成果和专家组的技术方案的可靠性和经济性。

B.信息反馈

通过各种方法收集汇总地质信息，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，及时变更设计、调整施工方法和支护参数。

信息反馈结果必须经过总工程师的审核，确定最后的施工方法、方案，以便控制工程安全、质量。

隧道地质信息系统如图4。

各项监测信息须在24小时内将结果反馈至总工程师。

图4隧道地质信息处理系统流程图