超前地质预报实施方案Word格式文档下载.docx

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地下溶蚀带、溶腔、溶洞、地下水带、高压涌突水、断层破碎带。

预报难点为：

溶洞、地下溶蚀带、溶腔、高压涌突水、地下含水带、断层破碎带。

为确保隧道的施工安全，及时了解掌子面前方围岩的不良地质情况，以优化施工方案，指导隧道施工，决定对隧道施工进行超前地质预报工作。

3、技术服务内容

按合同约定，本项技术服务工程量为地质预报，工作量共约2800米。

按照国家标准和相关部门颁的有关现行标准、规范、规程、定额、办法和示例及有关图纸的规定进行地质预报后处理工作。

积极参与施工期间各方工作，安全、高质量地完成工作。

4、超前地质预报的工作目标

根据本工程特点，本超前地质预报工作主要针对以下几个方面：

（1）溶洞、断层破碎带、裂隙密集带的位置、规模和性状预报；

（2）突水、突泥可能发生的位置、规模大小及危害程度预报；

（3）软弱夹层，软弱结构面的位置、规模及性状预报；

（4）地下水分布规律，隧道涌水预报，包括涌水位置、水量等预报；

（5）隧道围岩级别变化及分布位置预报。

5、地质预报方案

为保证隧道施工安全、优化设计、实现信息化施工，同时达到通过核实和预测掌子面前方的地质条件，以及时调整工程措施、确保施工及结构安全的目的，本方案根据该段合同段隧道的工程地质、水文地质条件，对隧道超前地质预报进行初步安排如下：

（1）预报的重点段落及内容：

地质构造带、岩溶发育地段、可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带及影响带等不良地质体的位置、规模、性质、地下水情况；

（2）超前地质预报方法

施工中应以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，并采用宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报的方法。

1）长距离超前预报：

拟采用地震波反射法（TSP203），对掌子面前方约30～100m范围内的地质构造带的位置、规模、性质作较为详细的预报，预测岩体的完整性及岩溶和地下水的发育情况。

每100m施作一次，当有异常情况时适当加密。

2）中短距离超前预报：

采用地质雷达、红外探测对掌子面前（SIR-3000）方进行中短距离综合超前预测、预报，地质雷达25m一次，一次范围30m。

（3）超前水平钻探

1）采用掌子面超前水平钻孔对地质雷达的预报结果进行验证，每个断面布设3个探测孔并一孔取岩芯，探测孔25m一个循环，单孔长度为30m左右，相邻探测孔之间的找搭接长度为5m；

当有异常情况时，结合地质雷达结果判释，必要时适当增加钻孔或加长钻孔。

2）利用在隧道开挖工作面上钻小孔径浅孔来探测前方围岩的地质情况，在每一循环钻设炮孔时布设5个加深炮孔较爆破孔（或循环进尺）深3m以上作为探测孔。

（4）隧道仰拱施工前，应对基底采用地质雷达进行探测，根据探测结果，对异常区采用有效方法进一步详探，发现基底存在空洞、溶洞、溶槽等应及时提出以便处理；

当基底承载力不满足结构要求时应采用基底换填、注浆加固等综合处理措施，且应加强施工防护，以保证施工安全及结构承载安全。

（5）按照技术服务内容要求，立即开始进行超前地质预报工作；

（6）对隧道所属区域的地勘资料进行详细查阅，同时对洞内进行观察，及时和全面掌握整个隧道长度内的地质情况；

（7）根据围岩情况安排雷达探测断面，原则上每30米一个断面，并考虑不同距离的重叠交叉。

如遇溶洞变化、断层等特殊情况时考虑增加探测断面，增加探测频率，缩短探测距离。

对地质调查法、物探法、超前钻探法等预报手段所取得的资料进行综合分析与评判，相互印证，并结合掌子面揭示的地质条件、发展规律、趋势及前兆进行预测、判断，根据超前地质预测预报结果，相应优化调整工程措施，以确保施工安全及结构安全，确保工程顺利实施。

6、地质雷达预报

隧道超前地质预报工作必须针对其工程特点，优选超前地质预报方法，并在施工过程中不断完善和改进，形成合理的超前地质预报方法组合。

同时，在发挥先进科技手段的同时，结合现场监测人员的技术和经验，对现场的地质情况进行认真的分析，建立一套适用于本工程的综合超前地质预报方法，做到既能最优地满足隧道超前地质预报的要求，又能尽量减少对隧道施工的影响。

通过对现有设计和地勘资料的分析，考虑到本工程所处地段的工程地质和水文地质特点，特别是由于溶岩发育的影响，隧道开挖易发生突水突泥，本方案以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，并采用宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报的方法。

为提高超前地质预报的精度和施工要求，拟采用美国生产的最新型SIR-3000探地雷达进行全程预报。

同时，必要时采用其它物探手段进行预报。

6.1基本原理

地质雷达（GroundPenetratingRadar）是由雷达信号发生器产生频率相对稳定的电磁波，通过雷达主控制器对信号脉冲宽度、相位、衰减度、指数增益等一系列技术参数进行调谐调频，并进行信号样点数字化、信号叠加处理，然后由主控器通过信号高保真电缆和屏蔽天线将信号以一定的方向角向探测方向发射，电磁波遇到有电性差异的目的体后会发生反射，反射回来的电磁波被天线再次接收，并返回到雷达的信号接收处理器内，经处理后的雷达信号分两路传送：

一路直接传送给雷达显示器，通过“四色原理”将雷达信号以彩色形式直接显示在视频显示器上，其显示速度与天线运行速度保持同步；

另一路进入数据存储器中，内存将所有技术参数连同雷达信号资料进行保存，以便进行回放和更深入一步的处理。

所有雷达的专业处理、反演解释软件均可安装在通用计算机上来完成，雷达主控器、内存可直接与通用计算机进行数据通讯，将雷达数据传到计算机中进行更高级的处理和解释。

如图6-1所示。

电磁波遇到不同电性反射界面后振幅和相位发生变化，介质的电性差异大小决定了电磁波反射的振幅强弱程度和其相位的正负。

岩石破碎程度及其含水量情况是影响其电性常数的主要因素，根据测量结果判定掌子面前方的围岩变化情况。

图6-1地质雷达反射探测原理图

6.2测线布置及方法

根据现场掌子面的具体情况和隧道地质的复杂程度，在探测过程中可根据情况灵活布置测线，其原则就是尽可能靠近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长，尽可能多地采集数据。

隧道掌子面布线如下图所示。

图6-2隧道掌子面测量布线图

地质雷达数据采集时的信号触发方式一般有三种，即测量轮触发、时间触发和键盘触发。

测量轮触发方式一般要求测量表面比较光滑，保证测量轮正常滚动，以使雷达数据长度能够和实际测线长度相符，因为隧道掌子面凹凸不平，所以一般不能保证测量轮的正常工作，因此不建议采用这种触发方式；

时间触发方式是地质雷达系统按照一定的时间间隔自动采集数据，要求天线按照合适的速度匀速前进，天线底部和测量表面允许一定的间隙，一般≯20cm，无论天线是否移动，系统都会按照设定好的速度自动采集数据，因此雷达数据长度会与实际测线长度不符，所以最好不要采用这种触发方式；

键盘触发方式是通过电脑键盘发送指令给雷达控制系统，按一下键盘采集一道数据，天线按固定间距移动，移动一次采集一道数据，本区段隧道地质预报采用键盘触发方式。

选用100MHz雷达天线，若有必要可使用其他频率天线作为辅助探测手段，有效探测深度最大为30m。

当遇到溶蚀带、溶腔、地下水发育段落、单个或较大的溶洞等异常时，根据实际情况增加预报次数，减小预报间距。

6.3使用仪器

地质预报设备主要包括SIR-3000主机、天线、传输电缆、笔记本电脑、地质锤、卷尺、强光手电筒等。

6.4现场测试要求

（1）地质雷达使用先进的地质雷达SIR-3000，选用100MHz雷达天线，若有必要可使用其他频率天线作为辅助探测手段。

（2）仪器设备的信号增益控制具有指数增益功能，模数转换大于16bit，具有8次以上信号叠加功能，连续测量时，扫描速率大于每秒128次。

通过试验选择合适的仪器参数，采样率宜选用天线中心频率的6倍~10倍。

（3）现场测试时，应移走或尽量避开测线附近的机械设备与金属物体、导线等。

支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作人员不应佩带金属物件。

（4）测试过程中，天线应紧贴岩壁，水平测线高度基本一致，垂直测线应保持铅直。

现场采用连测时，应匀速缓慢移动天线，保证点距不大于20cm；

采用点测时，点距宜为10~20cm，采样时保持天线静止。

（5）采用测量轮标注时，宜每5m校对一次。

每次现场测试同时必须对隧洞掌子面及侧壁进行简要地质素描，了解隧洞掘进情况，以有助于雷达图像的地质解释与前期雷达成果报告的比对分析与复核。

6.5数据处理及解释

探地雷达接收到的信号通过模数转换处理后送到计算机，必须再经过增益恢复、带通滤波、频率-波数（f-k）滤波、绕射偏移处理和反褶积滤波等一系列数据处理后形成雷达探测图像。

地质雷达图像剖面是地质雷达资料解释的基础，只要掌子面前方介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应。

根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波相同相位连接起来的对比线称为同相轴，雷达剖面图的识别主要是确定具有相同特征的反射波组的同相轴。

隧道超前预报主要是确定掌子面前方的构造断裂、软弱夹层、岩溶洞穴等的分布位置以及掌子面前方地下水状况，岩溶洞穴填充物及其性质的预报等。

构造断裂带在雷达剖面图上的波形反映一般是与断裂带走势相同的一条曲线，软弱夹层和岩溶洞穴的波形反映一般是由许多细小的抛物线组成的一块较大区域，与周围的波形存在明显的差异。

实践证明，地质雷达对掌子面前方含水、溶洞、断裂带等异常反映较好，但预报范围将会相对缩短。

因为水的介电常数ε=81，电磁波能量会被水大量吸收，探测距离相对缩短。

电磁波在地层中传播时的能量消耗也很大，也会对探测距离有一定的影响。

雷达图像的判读除了在雷达剖面图上发现明显的信号异常之外，还要注意观察掌子面施工现场的地质情况，结合地质方面的知识加以综合判断会得到更准确的结果。

6.6结果分析与报送

（1）由于高频雷达信号衰减且容易受到干扰，现场采集的雷达数据必须使用专用雷达处理软件，经频谱分析、滤波、增益恢复等一系列处理，提高雷达信号的信噪比，突出目标地质体信息，形成高质量的雷达图像。

（2）根据雷达图像、同相轴及波形、能量、相位等特征，识别目标地质体，并选取合适的岩体介电常数，计算目标地质体的位置、规模及大致产状。

（3）结合地质资料、地震波反射探测成果及前期表面雷达追踪结果，判断目标地质体的性质及地下水赋存情况。

（4）若布置多条测线探测同一目标地质体，则应提取各雷达同相轴计算地质体的真实产状。

（5）根据隧洞掘进揭露的地质情况，与前期预报成果报告进行对比分析，评价预报质量。

（6）每预报一次提交一期预报成果报告，报告内容主要包括：

测线布置图、雷达成果图、地质推断解释、预报结论等。

为保证能够按时提交超前地质预报报告，在确认超前地质预报数据正确的前提下，根据不同的监测项目，分别在专业工程师的主持下，辅以计算机手段对数据进行处理，在每次监测完成后，24小时内提交2份超前地质预报报告至甲方，最迟不超过36小时。

在整个项目监测完成后，1个月内完成最终超前地质预报报告，并报甲方一式2份。

7、TSP预报

7.1基本原理

TSP（TunnelSeismicPredictionahead）法，即隧道前方地震预报或超前地质预报。

　TSP（tunnelseismicprediction）203系统是瑞士Amberg工程技术公司最新研制并拥有专利的隧道地质超前预报探测系统，该系统在数据采集、处理和成果评估高度智能化等方面，相对于其他地质超前预报手段具有适用范围广、预报距离长、对施工干扰小、提交资料及时。

其基本原理如图7-1所示，根据地震波的回波原理制成，由于地震波以一定的速度传播，故测点传感器收到反射信号的到达时间与波源地震波到达不同岩体介质界面的距离成正比，因此能作为简介度量测定地质变化区带距测点的距离，从而确定被探测介质界面的几何形状。

该设备和技术特别适用于高分辨率的折射微地震波探测，以及对断裂带和岩体降低的软弱破碎带的探测。

对于掌子面前方及其周围的地质界面情况的位置，均用数据处理后的图像来直接反映，对剪切横波的数据处理能藉以提高含水断裂带和地质构造走向的辨识率，并能自动进行数据分析，以便遇到不良地址段是调整施工方案。

主要过程是在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，人工制造一系列有规则排列的轻微地震源，形成一个地震源断面，地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，同时，三维地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遇到地震反射截面，如断层、破碎带、溶洞、大的节理面等，当围岩波阻抗发生变化时（例如遇岩溶、断层或岩层的分界面），一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。

反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录见图7-2。

然后经过专门的分析软件进行处理，就得到清晰的反射波图像。

通过对反射波特征的分析，并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定隧洞前方及周围区域地质构造的位置和特性。

图7-1TSP法工作原理示意图图7-2TSP法波形记录

7.2探测方法

地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。

地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。

采用黄油耦合，定向安置孔中三分量检波器；

记录接收器孔、距离接收器最近的炮孔和隧道掌子面的里程桩号，以及各炮孔间的距离，以上数据填写在《TSP现场数据记录表》中；

爆破孔药量一般控制在50～70克，采用计时线炸断的触发方式，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。

工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。

7.2测线布置

接收孔距掌子面72m，左右两侧洞壁风钻孔中布置预报接收检波器，在隧道一侧边墙的同一水平线上从里向外布置24个炮孔作为激发炮孔，炮孔间距2.0m，炮孔高度1.1m；

与接收孔的最近距离为26m。

测线布置示意图如图7-3、7-4所示。

图7-3TSP法测线布置工作示意图

图7-4TSP法测线布置水平示意图

7.4仪器设备

采用TSP（TunnelSeismicPrediction）技术进行预报中，使用的仪器为TSP203隧道地质超前预报系统，TSP203隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。

7.5现场钻孔注意事项

（1）钻孔前，必须用测量仪器测定检波器孔和炮孔的位置，检波器孔和炮孔在同一水平面上，并用红油漆作标记。

炮点要标记序号。

（2）严格按设计要求（距离、孔深、倾角等）钻孔。

（3）若测定的位置无法钻孔，可在以测点为圆心，半径20cm的范围内钻孔。

（4）注意选择检波器孔的位置，不能在松散围岩中，可在以设计接收点为中心左右1.0m的范围内钻孔。

检波器孔身要直。

孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外。

（5）注意保护炮孔，成孔条件好的，孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外，以免药包放置不到位。

成孔条件差的，完钻后要将柱状物（锚杆等）留在孔中，防止围岩掉块。

7.6结果分析与报送

采集的TSP数据，通过TSPWin软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果。

在成果分析中，以P波、SH波、SV波的原始记录分析测段岩体的地质条件；

以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。

解释中遵循以下准则：

1）若S波反射较P波强，则表明岩层含水；

2）左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主的原则；

3）纵横波资料对比，以纵波资料为主的原则。

综合分析隧道左右壁原始记录，分离后的纵横波（P、SH、SV）记录，以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图。

8、红外探测预报

基于目前各种隧道地质预报方法，对水的探测预报有效方法很少，近年来，红外探水技术开展隧道掌子面前方含水体进行探测预报，取得了一定的成果。

红外探测仪是一种非接触式防爆红外探测仪，其灵敏度高，可应用于煤矿井下进行红外探测如探水、探火、探瓦斯等防灾工作。

8.1基本原理

岩层由于分子振动和晶格振动，每时每刻都在向外辐射电磁波，并形成红外辐射场。

红外探测技术就是通过红外探测仪探测前方一定范围内红外辐射场的变化，即通过探测仪显示出红外辐射温度的变化。

当探测前方不存在隐伏的地质异常体时，红外辐射场就是一常值。

当探测前方一定范围内存在隐伏的地质异常体时，地质异常体产生的辐射场就要叠加在正常辐射场上，从而使得正常辐射场发生畸变。

因此，根据红外辐射场曲线的变化规律，就可以全空间、全方位探查地质异常体。

在隧道掘进现场，当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会叠加到围岩的正常辐射场上，仪器显示屏上的曲线出现数据突变。

而当掌子面前方没有含水构造时，所测定的红外辐射场为正常场值，数据曲线近似为一条直线。

红外探测本质就是根据红外探测仪测出的、沿隧道轴线一定范围内的围岩场强值绘出红外探测曲线和曲线的特征，来判断正常场或异常场，从而分析判断是否存在灾害源，为施工提供有价值的地质信息。

（1）红外辐射场的形成。

物质由分子组成，分子处于不停的运动状态。

由于分子震动或转动，地下岩体、水体每时每刻都在向外界发射红外波段的电磁波，从而形成红外辐射场。

地质体由内向外发射红外电磁波时，必然会把各种地质信息以变化场的形式传播出来。

有灾害必定有灾害源，有灾害源必定有灾害场。

而“物理场”传播的距离永远大于“场源”。

因此，在安全距离之外，根据灾害场的出现，可提前发现和预报灾害源的存在。

（2）正常场与异常场。

1）正常场：

当隧道掌子面前后的围岩较好时，即围岩的介质相对正常时，在掌子面后方（已开挖部分）探测时所获得的红外探测曲线将近似为一条直线，该红外辐射场就为正常场。

2）异常场：

当掌子面前方或隧道外围存在含水构造时，同样在掌子面后方（已开挖部分）探测时，红外探测曲线就会出现明显弯曲，曲线上的数据也将出现突变，即会出现含水构造产生的红外辐射场与围岩的正常辐射场的叠加，从而形成异常场。

8.2探测方法及测线布置

（1）通过对侧壁探测进行超前防水预报。

当掘进前方30m范围内存在含水构造或溶洞时，前方灾害源产生的红外异常场，必然会传播到掘进后方，因而在掘进后方隧道的侧壁上能提前发现灾害源产生的红外异常场。

1）探测方法：

由掘进断面向后方以5m点距，沿一个侧壁布置12个探测顺序号，探测者站在相应顺序号的隧道中部，分别对左边墙、顶部、右边墙、底板探测。

至于在这个环形圈上探多少个探点，可根据探测目的来决定。

假如你既防底板水，又防顶板水，还防两边墙外侧水，那么你至少要对四个壁各探一个点。

2）操作者当迂到顶板淋水、滴水时，或者侧壁渗水、淌水时，不管是不是在点位上，只要是途中经过的，都要分别对上方的出水部位、下方的积水部位分别探测。

记录者应在相应备注栏内记清仪器读数值。

（2）在掘进断面上探测，作超前防水预报。

当遇到软岩地层，或遇到地层破碎时，衬砌经常跟到掘进断面，此时就不能直接探顶底板和边墙，而只能探断面。

1）探点布置：

对主洞而言，布置四行，每行5个探点。

2）当断面前方存在断层时，断层走向不可能与隧道走向完全垂直，即使垂直，次级构造或含水裂隙相对掘进断面上不同点的距离也有远有近，因此断面上各探点的探测值离散差异很大。

3）如果断面前方是溶洞，溶洞中心不可能刚好在隧道轴线上，即使是，由于溶洞形态的不规则性，含水体相对断面各探点而言，也有远有近，因而断面上各探点的读数值，存在明显的差异性。

它是判断有含水构造的依据。

（3）在正常掘进段，根据探测断面给出的表格，我们可以总结出每一行任意两个读数值的最大差值在哪个范围。

当我们掌握了正常地段差值的变化范围时，超出正常变化范围，那就是前方存在含水构造。

红外探测建立在红外辐射场的基础上，利用流动水体与周围岩体存在的温度差异，定性评价开挖工作面前方和隧道周围岩体的含水情况，对于流动水体有较好的反映，但孤立的静止水体不明显。

红外探测只能预报地层岩体中有没有水，至于水量大小则无法探明，因而红外探测目前只限于定性预报。

9、超前水平地质钻孔

超前地质钻探是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。

它可直接揭示隧道开挖面前方几十米的地层岩性、岩体结构完整程度、构造、地下水、岩溶洞穴填充物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标。

采用超前水平钻探法，对开挖面前方15～30m范围的地质岩层整体性、含水构造、水量及水压进行预测，在地质雷达和地质分析法预报的基础上，用超前水平钻探法进一步对比较差的围岩地段取得可靠的资料。

钻探孔时，根据钻进速度的变化和冲击振动频率，钻孔中出水的清浊及颜色，对开挖面前方围岩整体性进行分析，含水构造进行判断。

在开挖钻孔作业时，可将部分眼孔加深8～10m，作为辅助超前探测，辅助超前探孔数量在施工中可根据实际地质情况酌情增减。

在可溶岩地段、可溶岩与非可溶岩过渡接触带，以及断层破碎带施工中运用钻具进行长5m的超前钻孔，对洞身前方进行全方位空间探测，探孔成放射形布设。

对超前探测的异常段，需增加钻探。

钻机钻孔时要固定牢固，确保超前钻孔涌出高压地下水时，能够有效地控制。

图9-1隧道超前地质探孔示意图

10、隧道预报人员安排

11、超前地质预报安全文明施工质量保证体系

本方案主要从工作安全、工作质量和工作进度等方面着手，建立和实施超前地质预报质量保证体系，见图11-1。

图11-1超前地质预报安全质量保证体系

11.1安全文明施工保证措施

为保证工作安全，必须做到：

●随时把握施工的安全性，牢固树立“安全第一”的安全意识，项目负责人是安全、文明生产第一责任人，负责对安全文明生产的检查和监督；

●遵守国家相关法律、法规及有关安全文明生产的规程和规章制度，做到安全文明施工。

认真执行各级上级单位的各项施工安全指令、通知及要求，并接受其检查、监督和有效实施；

●工作人员安全。

工作人员要在监测工作实施前，应对工作区域采用警示筒围住，工作时派专人对周围的安全负责，做到地质预报期间不发生人员伤亡事故；

●仪器设备安全。

在工作时，工作人员要对仪器轻拿轻放，切实保护好仪器，做到地质预报期间不发生仪器设备重大事故；

●确保工程范围内公共道路、水源、公共设施等其它设施安全，尊重当地民风民俗，与其他单位保持良