超前地质预报及监控量测方案.docx
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超前地质预报及监控量测方案
兰渝铁路LYS-4标
DK259+510~DK285+811段
超前地质预报及监控量测方案
中铁十一局兰渝铁路项目经理部
二OO九年四月
超前地质预报及监控量测方案
超前地质预报是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的重要基础；现场监控量测是隧道施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态的信息（数据），为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌支护时间提供信息依据，为完善隧道工程设计与指导施工提供可靠的足够的数据。
为确保隧道施工安全和工程质量，特制定此方案。
一、超前地质预测预报方案
1、成立超前地质预测预报组织
地质超前预测预报由项目总工程师直接负责，具体工作由项目工程部测量监测室承担，纳入施工工序管理，开工前制定详细的工作大纲，施工中严格按照大纲进行日常的预测预报工作，将预测预报结果及时提交工程部，并根据预报结果，及时反馈设计单位，调整设计、改变施工方案。
在设计单位提供的地质资料和施工补充勘探的基础上，将超前地质预测预报工作纳入到隧道施工的正常工序中，以探明前方围岩的变化情况，预测施工中可能出现的地质灾害。
及时修改、补充和完善隧道施工设计，为隧道的施工提出措施建议，避免重大事故的发生，保证施工的顺利进行。
管段隧道综合超前地质预测预报工艺流程见“超前地质预测预报施工工艺流程图”。
2、开挖面地质素描
地质素描预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法三种。
对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描（观察岩石的矿物成分及其含量，结构构造特征和特殊标志），给予准确定名，测量岩层产状和厚度。
超前地质预测预报施工工艺流程图
测量该岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度。
将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比，确定其在地表地层（岩层）层序中的位置和层位。
依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TSP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的岩层在隧道中的位置和规模。
施工过程中，每次爆破后由由技术人员到掘进掌子面通过一些简单的测量工具对围岩的岩性指标、岩体的完整状态、围岩级别等进行正确的判别。
技术人员在每次完成地质素描后要及时填写一张施工阶段围岩级别判定卡（见附表一）并要简要描述岩层厚度、节理发育情况及绘制岩层走势图，此卡将作为最原始的数据资料予以保存。
若现场技术人员发现掌子面出现夹层、断层等不良地质情况，应立即通过地质雷达、红外线探水等物探方法对前方的地质水文情况进行超前预报。
地质素描为判定围岩的稳定性以及后续的初期支护施工提供最有力的数据支持。
而施工阶段围岩级别判定卡则为后期的设计变更等工作提供了可靠的证明材料。
及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见，上报专管地质工作的项目副总工程师，以利采取有效的防护措施。
3、TSP203地质预报系统
地震（声）波由特定点上的小规模爆破产生，并由电子传感器接收。
当地震波遇到岩石强度变化大（如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现）的界面时，在绕射点处部分射波的能量被反射回来。
反射信号的传播时间与到达边界的距离成正比，因此能作为直接的度量方法。
TSP203系统特别适用于高分辨率的隧道折射地震（微地震）勘探，以及断裂和岩石强度降低地带的监测。
TSP203系统理论上可预测150～300m的距离。
量测准备包括测线布置、钻孔、接收器及传感器套管安装，准备工作与隧道施工同步进行。
测线由2个接收器孔和24个炮孔组成，接收器距掌子面约55m，最后一个爆破孔距掌子面约0.5m。
爆破孔布置在一侧边墙上，间距1.5m，孔深1.5m，孔径19～45mm，孔口距隧底约1.0m，向掌子面方向倾斜约10°，向下倾斜10～20°。
接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.4m，孔径32～45mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向倾斜约10°，采用水泥沙浆固定时向下倾斜5～10°，采用环氧树脂固定时，向上倾斜5～10°。
见下图:
图1 TSP203测线布置示意图
在接收器及传感器套管安装完成12h后，进行爆破孔装药、传感器插入及功能性测试，然后引爆爆破孔，对每次爆破进行地震信号记录。
在正式爆破采集数据时，洞内一切施工停止，以尽可能减少采集到的数据受外界噪声的干扰。
该过程约需45min。
通过TSP203专用软件对隧道内采集到的原始资料进行以压制干扰、提高信噪比和分辨率、提取地震参数为目的的技术处理。
数据处理前，先确定描述隧道轮廓的参数、各炮孔的装药量等数据，再通过专用软件处理，给出掌子面前方结构的剖面及各种地震参数。
资料分析
（1）分析原则
在成果解释中，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释，并遵循以下准则：
a、正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；b、若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；c、Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起；d、若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
（2）资料处理流程
处理流程如下：
地质解释
提取参数
得到时间、深度剖面
软件计算
原始数据
误差分析
隧道超前预报时，地震波速离散性大，软件处理时取波速平均值；当两个反射面间距不超过1m，合并为一个界面，预报误差为预报范围的5％。
数据处理后，提供的直接成果是围岩性质可能发生岩性变化的位置、各反射界面围岩的物理性质。
通过人工解译，得出反射界面的岩性参数、产状及其相互关系，以及各步解释后的隐含信息，以预测不良地质段的性质。
为保证预报长度、预报精度，提高预报质量，在一切可能的情况下尽量减少环境噪音。
确定好采样间隔和采样数目，采用早强膨胀水泥砂浆使接收器与岩体粘贴好，以保证采集信号的质量。
4、地质雷达探测法
地质雷达是基于电磁波在有效介质中的传播特性工作的。
发射天线发出微波频段的电磁波后，遇到不均匀介质或介电常数有差异时会发生反射，反射信号由接收天线接收记录，经微机处理形成雷达剖面图。
解译人员对雷达剖面图进行解译分析，提出掌子面前方不良地质体的位置和规模。
该法对30m范围内的不良地质体，尤其是含水地质体探测效果好。
地质雷达主要在临近含水构造地段使用，近距离探测富水溶洞、含水断层等。
5、红外线探水法
它是利用地下水活动引起岩体红外辐射场场强变化特性，推测掌子面前方含水体的一种探测方法。
其工作流程为：
从掌子面后方的探测段起点，按5m点距布设测点→使用红外线探水仪量测各测点的初始场强（目标场强）→对场强发生变化的测点重复量测，并作横向、垂向扫描，记录所在测点场强的极大和极小值→以纵座标为红外辐射场强，横座标为测点，绘制红外探测曲线图→根据曲线图，采用趋势外推法，判断掌子面前方的含水体构造。
管段隧道采用红外线探水仪，主要在TSP-203和超前水平钻孔初步确定含水地段前30m左右开始探测，以进一步确定含水体位置及规模。
6、超前水平钻探
超前钻探是隧道施工期超前地质预测预报最直接、最有效的方法，也是对其它探测手段成果的验证和补充。
通过钻孔钻进速度测试和对钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况等诸方面的资料。
超前水平探孔的探测孔沿掌子面周边轮廓线布置，呈伞形辐射状，掌子面中心可设置水平探测孔若干，孔数由设计确定，其终孔位于开挖轮廓线外的2-5米，在掌子面由钻机平台、钻机组成，探测距离200米。
开挖每掘进150米探测一次。
在物探反映出的的正常位置采用1~6孔的超前水平钻探测，在重要的物探反映出的的异常位置采用多孔（孔数由设计定）进行超前水平钻探，准确探测其位置、规模及形态。
超前水平探孔工序说明:
1）搭钻孔平台安装钻机
（1）钻机平台用钢管脚手架打设，搭设平台应一次性搭好，钻孔用2-4台钻机由高孔位向低孔位进行。
（2）平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施工时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。
（3）钻机定位：
钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。
用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
2）钻孔
（1）岩质较好的可以一次成孔。
钻进时产生坍孔和卡钻时，需补注浆后再钻进。
钻孔前编号孔号间隔布置为“单双”号。
（2）钻机开钻时，应低速低压，待成孔10cm后可根据地质情况逐渐调整钻速。
（3）钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻机的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。
（4）钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
（5）认真作好钻进过程的原始记录（见附表二），及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。
7、预报成果分析及处理
地质预测预报的结果由地质工程师进行汇总，原始资料上报设计单位。
在综合分析的基础上，编写综合超前地质预测预报成果，对各种岩性进行描述，包括岩体应力、应变特征。
量化岩体参数、综合确定围岩级别，对不连续界面、层面的构成进行细化，着重查清地质构造、断层破碎带。
同时查明地下水循环规律和水流动特征以及地下水化学成份等。
会同有关专家对提交的成果进行再次分析，对可能出现的地质问题提出必要的安全措施。
以指导现场施工。
根据预报结果，及时反馈设计单位，调整设计、改变施工方案。
8、地质预报领导小组
组长：
杨斌
副组长：
何磊、赵永生、张勇、唐文超、夏得胜
组员：
陈道鹏、王国强、王建勋、潘兆军、王力、阎文成、蔡得福、杨永平、向东、田小鹏
9、超前预报范围
罗沙隧道超前预报段落表
序号
里程范围
长度（米）
围岩级别
备注
物探预报范围
长度（米）
水平钻探长度（米）
1
DK259+846
DK260+360
514
Ⅴ
f30-1及f30-2断层物质断层角砾，弱富水—中富水
DK259+960
DK260+360
450
360
2
DK260+360
DK260+460
100
Ⅳ
下第三系砾岩夹砂岩弱风化层，节理裂隙发育，岩体较破碎，中等富水
DK260+360
DK260+460
100
50
3
DK260+460
DK260+930
470
Ⅲ
岩性软，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水
DK260+830
DK260+930
100
50
4
DK260+930
DK261+390
460
Ⅳ
板岩夹砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水
DK260+930
DK261+390
460
200
5
DK261+390
DK262+460
1070
Ⅲ
岩性软，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水
DK261+390
DK261+490
100
50
6
DK262+460
DK262+660
200
Ⅴ
背斜核部，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水
DK262+400
DK262+600
200
60
7
DK262+600
DK267+660
5000
Ⅲ
岩性软，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水
DK263+600
DK263+700
100
30
DK266+950
DK267+050
100
30
8
DK267+660
DK267+764
104
Ⅳ
下第三系砾岩夹砂岩弱风化层，节理裂隙发育，岩体较破碎，中等富水
DK267+660
DK267+764
104
50
9
DK267+764
DK267+844
80
Ⅴ
砾岩夹砂岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，中等富水
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