隧道超前地质预报监测方案(尚家湾).doc

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隧道超前地质预报

实施方案

山东正元建设工程有限责任公司

二〇一二年十二月

隧道超前地质预报与监控量测实施大纲

目录

第一部分隧道超前地质预报实施大纲 1

1超前地质预报的目的 1

2超前地质预报的原则 1

3隧道超前地质预报方案 2

3.1TSP超前地质预报 2

3.2地质雷达超前地质预报 6

3.3瞬变电磁法 9

3.4复合式激发极化法预报 10

3.5超前水平钻探 12

4超前地质预报质量与安全保证措施 13

4.1超前地质预报质量保证措施 13

4.2超前地质预报安全保证措施 15

第二部分拟投入的主要人员与设备 18

第三部分合同报价 20

第一部分隧道超前地质预报实施大纲

1超前地质预报的目的

隧道超前地质预报技术主要包括常规地质方法、工程物探方法等,在预报时一定要结合隧道掌子面前方的具体情况进行合理设计,进一步拓宽隧道超前地质预报概念的含义。

特别是在复杂地质条件隧道施工过程中,在加强工程地质分析的同时,应结合工程物探对隧道不良地质进行超前地质探测预报研究,为工程设计及施工提供工程地质资料。

避免工程地质灾害，从而保证施工安全。

超前地质预报的主要目的为：

（1）预报开挖掌子面前方的岩性变化或围岩类别；

（2）掌子面前方可能出现的地质断层及岩石破碎带的情况；

（3）掌子面前方软岩地段的位置和长度；

（4）开挖段前方岩体是否含水及可能的涌水情况等。

（5）通过对隧道洞身范围内（特别是掌子面前方）的岩体破碎地段、断层发育等不良地质的预测和分析，给掌子面的开挖提供重要的指导。

2超前地质预报的原则

根据隧道工程线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“三结合”和风险靶段划分原则，即“地质与物探、钻探结合，洞内外结合，长短及不同物探方法结合”，在对隧道风险分级的基础上，采用相对应的预报方案。

（1）地质与物探、钻探结合

地质分析工作是超前地质预报工作的基础和重要环节，在较好了解地质情况的基础上，才能使物探的解释结果更接近真实情况，大大减少物探多解性带来的难题，离开了地质的物探极易偏离真实的地质，离开了物探的地质就很难将施工超前地质预报工作细化。

（2）洞内外结合

野外地质调查与洞内地质素描和洞内预报成果相结合，即宏观地质分析与具体的施工超前预报相结合。

（3）长短及不同物探方法结合

长期超前预报探测距离较长，但准确性稍差，短期超前预报探测距离较短，但准确性较高，两者的结合可以取长补短，有效提高超前地质预报的准确性；各种物探方法各有千秋，单独采用一种方法往往精度达不到要求。

而不同物探方法的结合，则可以互相取长补短，有效提高超前地质预报的准确性。

3隧道超前地质预报方案

为了保证隧道施工安全，在高风险地段实施综合超前地质预报，预报手段包括TSP地震波探测、地质雷达探测、瞬变电磁探测、激发极化探测以及超前水平钻探。

3.1TSP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研制开发的，是目前在该领域的最先进设备，它能方便快捷预报掌子面前方100－200m范围内的地质情况，包括隧道前方岩性的变化、破碎带和软弱层的位置宽度、是否含水、是否存在不良地质体等，通过探测为隧道工程以及变更施工工艺提供依据。

这将大大减少隧道施工带来的危险性，减少人员和机械损伤，同时也带来了巨大的经济利益和社会效益。

（1）测试仪器

采用瑞士Amberg测量技术公司最新生产的TSP203型（TunnelSeismicPrediction）超前地质预报系统设备。

与TSP202相比，TSP203在硬件设计和软件设计等方面都作了较大改进，其软件编程除了考虑与WINDOWS视窗的兼容之外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的灵活性。

图1为TSP203系统组件简图。

图1TSP203系统组件简图

（2）探测原理

像所有振动测量方法一样,TSP测量方法也需要振动发射源和接受装置。

TSP测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，当波在隧道前方遇到异面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也越强。

放射信号经过一段时间后到达接受传感器，被转换成电信号并进行放大。

从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的，通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来；同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

图2为TSP超前预报测量原理，图3为TSP203系统组件标准测量图示。

图2TSP超前预报测量原理

图3TSP203系统组件标准测量图示

为达到探测隧道前方和周围地质情况的目的，在TSP测量系统中使用了三对高敏加速度传感器，三对加速度传感器通过一根金属杆连接在一起，分别以平行和垂直隧道轴线的方向定位在专门的传感器钻孔内，传感器的这种布置方式能保证接收有各种不同角度反射回来的反射信号，使用三对水平和垂直布置的传感器还能有效地减少干扰信号的影响。

由传感器采集到的振动信号经过模数转换器转换后存储在一台小型计算机上，整个测量过程也是通过这台计算机来完成的。

测量工作结束后将存储在小型计算机上的地震信号作进一步的分析处理之用。

TSP测量系统配备有专门的分析软件，分析软件的主要任务之一是对测量信号进行各种数值滤波、选择放大等，以获得清晰的反射图像。

分析软件的另一功能是将反射波图像所提供的信息与隧道的空间坐标结合起来，通过一系列的数学运算求出反射事件本身的空间位置以及与隧道的相对位置。

这些数学运算的结果和解释正是TSP地质超前预报的最终结果。

（3）探测方法

探测的基本步骤为：

钻孔布置——施工钻孔——数据采集——数据分析——报告提交。

1）测线测点布置

TSP-203超前地质预报是利用振动波的反射来进行探测的。

振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m,孔深1.5m，炮孔垂直于边墙向下倾斜15～200，以利于灌水堵孔。

距最后的爆破点15～20m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2m，内置接收传感器。

图4为观测系统与隧道关系平面示意图。

　　　接收器孔2

1.5m

1.5m

2.5m

1.5m

掌子面

52米

接收器孔1

15米

炮孔S1S2S3S23S24

隧道轴TA

图4观测系统与隧道关系平面示意图

2）探测方法

在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约20-30g，根据围岩不同适时调整）,制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、据接受点的距离。

接受传感器将接受到的反射波数据传输给记录仪电脑储存起来，利用处理软件对储存的数据进行处理，形成反映隧道相关界面的隧道影像点图，由分析人员进行解释，得到前方的地质情况。

3）资料分析与处理

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、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。

在成果解释中，以P波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。

解释中，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。

探测结果以报告的形式提交，根据分析结果对掌子面前方岩体进行分段描述，包括岩性的变化、含水情况、是否存在不良地质体等。

（4）注意事项

1）严格按规定布置震源和传感器钻孔，并保证质量，特别是孔距、倾角等；钻孔前，应用测量仪器测定接收器孔和炮孔的位置，接收器孔和炮孔在同一水平面上，并用红油漆作标记。

炮孔要标记序号。

2）严格按设计要求施工钻孔，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。

3）注意选择接收器孔的位置，不应在松散围岩中。

接收器孔身要直。

孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外。

4）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，以免炸药包放置不到位。

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。

5）在洞内的实际探测过程中，尽最大努力减少噪音和漏炮；

6）若发现前方有可能存在不良地质体或含水，施工单位应打超前钻孔，以保证施工安全。

（5）工程量清单

具体工程量根据隧道地质条件及现场实际开挖岩层情况定。

3.2地质雷达超前地质预报

（1）测试仪器

美国GSSI是目前世界上最好的生产地质雷达的厂家，它的产品遍布全球，目前超过1800套，占全球销量80%以上，在中国200余套，占中国市场份额的75%以上。

创始于1969年的美国地球物理探测公司（GSSI公司），是世界上第一家专业研制探地雷达的公司，其前身为美国宇航局。

随着60年代末期美国宇航局专门为阿波罗计划所研制的专用仪器，成功地探测到月球表面尘埃之后，世界上第一台进入民用的商用探地雷达得以在美国推出，它就是美国GSSI公司生产的SIR系列探地雷达的前身。

它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。

图5为我单位的地质雷达SIR3000及100MHz天线。

图5地质雷达主机及天线

SIR3000主要特点：

1）SIR-3000型雷达的一体化设计，加上内置式可充电电池，性能坚固耐用，整机仅4公斤重，是目前市场上最轻便的雷达系统；

2）SIR-3000型雷达高分辨率强光型液晶显示，可在野外强光下操作；

3）除了传统的USB、Ethernet,RS-232等接口外，还配备了独特的微型闪存装置，提供更便捷、快速的数据传输方式；

4）目前GSSI公司提供的雷达天线种类是最多，使购买我们雷达的用户具有了强大的扩展余地，可满足不同工程检测的需要。

而且，所有的天线都可与SIR-3000型雷达主机兼容。

频率从16MHz到2.2GMHz可选；我单位共有从900MHz到100MHz四种天线，完全满足胶州湾隧道的精度预报要求。

5）天线和主机之间使用完全频蔽的同轴电缆进行数据传输，更加结实耐用，防土、防尘能力强，不受环境限制。

6）GSSI公司开发的各种功能的雷达软件包更丰富了雷达系统的应用，除了配备专用的雷达数据后处理软件，用户还可根据自己需要选择特殊功能的软件模块，并且所有雷达软件基于Windows2000/NT/XP，可在PC机上进行数据处理。

（2）探测原理

地质雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）也称作探地雷达，是一种电磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波（107～109Hz）的不同响应来确定地下介质的分布特征。

主要是通过观测位移电流的变化来实现其探测目的。

其应用范围涉及公路、铁路、水电站、煤矿、隧道、矿产资源和考古等各个领域。

发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。

对所采集的数据进行相应的处理后，通过分析这些携有地下介质电信息的电磁波，可根据其旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。

探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电