第八章超前地质预报资料.docx

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第八章超前地质预报资料

第八章超前地质预报

隧道超前地质预报应达到以下目的：

〈1〉进一步查清隧道开挖工作面前方的丁^程地质与水文地质条件，指导丨：

程施丁^的顺利进行。

（2）降低地质灾害发生的几率和危害程度。

〈3〉为优化工程设计提供地质资料。

（4）为编制竣工文件提供地质资料。

二、超前地质预报的原则

〈1〉隧道超前地质预报是保证隧道施工安全的重要环节和重要技术手段，应将其列为隧道施工的必要工序。

〈2〉隧道超前地质预报应进行地质复杂程度分级，确定重点预报地段，并遵循动态设计原则，根据预报实施工作中掌握的地质情况，及时调整隧道区段的地质复杂程度分级、预报方法和技术要求等。

（3）隧道超前地质预报可采用地质调查与勘探相结合、物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合、地面与地下相结合、超前导坑与主洞探测相结合的方法，并对各种方法预报结果综合分析’相互验证，提高预报准确性。

（4）隧道设有平行导坑、正洞超前导坑或为线间距较小的两座隧道时,应充分利用平行超前导坑、正洞超前导坑、先行施工的隧道开展隧道超前地质预报工作。

三、超前地质预报的内容

超前地质预报应包括以下主要内容：

〈1〉地层岩性预测预报，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报。

〈2〕地质构造预测预报，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报。

〈3〉不良地质预测预报，特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况进行预测预报。

〈4〉地下水预测预报，特别是对岩溶管道水及富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况进行预测预报。

五、超前地质预报的方法

地质预报吋采用地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法

地质调查法：

包括隧道地表补充地质调查、洞内开挖工作面地质素描和洞身地质索描、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、地质作图等。

超前钻探法：

包括超前地质钻探、加深炮孔探测及孔内摄影。

物探法：

包括弹性波反射法、地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和陆地声呐法等）、电磁波反射法（地质雷达探测〉、红外探测、高分辨率直流电法等。

超前异坑预报法：

包括平行超前导坑法、正洞超前导坑法等。

超前地质预报可采用长距离预报、中长距离预报和短距离预报，预报长度的划分和预报方法的选择可执行以下规定。

隧道超前地质预报设计前，应根据隧道的工程地质与水文地质条件、地质因素对隧道施工影响程度及诱发环境问题的程度等，对隧道分段进行地质复杂程度分级。

隧道复杂程度分为复杂、较复杂、中等复杂和简单四级。

地质调查法

地质调查法是根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭不地质情况的一种超前地质预报方法。

地质调查法适用于各种地质条件下隧道的超前地质预报。

地质调查法包括隧道地表补充地质调查和隧道内地址素描等

一、隧道地表补充地质调査

隧道地表补充地质调查应包括以下主要内容：

〈1〉对已有地质勘察成果的熟悉、核查和确认；

〈2〉地层、岩性在隧道地表的出露及接触关系，特别是对标志层的熟悉和确认；

〈3〉断层、褶皱、节理密集带等地质构造在隧道地表的出露位置、规模、性质及其产状变化情况;

（4〉地表岩溶发育位置、规模及分布规律；

〈5〉煤层、石膏、膨胀岩、含石油天然气、含放射性物质等特殊地层在地表的出露位置、宽度及其产状变化情况；

〈6〉人为坑洞位置、走向、高程等，分析其与隧道等空间关系；

〈7〉根据隧道地表补充地质调查结果，结合设计文件、资料和图纸，核实和修正超前地质

预报重点区段。

二、隧道内地质素描

隧道内地质素描是将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，是地质调查法工作的一部分，分为开挖工作面地质素描和洞身地质素描。

隧道内地质素描包括以下主要内容：

1.工程地质

（1）地层岩性:

描述地层时代、岩性、层间结合度、风化程度等。

（2）地质构造：

描述褶皱、断层、节理裂隙特征、岩层产状等，断层的位置、产状、性质、破碎带的宽度、物质成分、含水情况以及与隧道的关系，节理裂隙的组数、产状、间距、充填物、延伸长度、张开度及节理面特征、力学性质，分析组合特征、判断岩体完整程度。

〈3〉岩溶:

描述岩溶规模、形态、位置、所属地层和构造部位，充填物成分、状态，以及岩溶展布的空间关系。

〈4〉特殊地层：

煤层、沥青层、含膏盐层和含黄铁矿层等应单独描述。

〈5〉人为坑洞：

影响范围内的各种坑道和洞穴的分布位置及其与隧道的空间关系。

（6）地应力：

包括高地应力显示性标志及其发生部位，如岩爆、软弱夹层挤出、探孔饼状岩芯等现象。

〈7〉塌方：

应记录塌方部位、方式、规模及其随时间的变化特征，并分析产生塌方的地质原因及其对继续掘进的影响。

〈8〉有害气体及放射性危害源的存在情况。

2.水文地质

（1）地下水的分布、出露形态及围岩的透水性、水量、水压、水温、颜色、泥沙含量测定，以及地下水活动对围岩稳定的影响，必要时进行长期观测。

地下水的出露形态分为：

渗水、滴水、滴水成线、股水（涌水〉、暗河。

（2）水质分析，判定地下水对结构材料的腐蚀性。

（3）出水点和地层岩性、地质构造、岩溶、暗河等的关系分析。

（4）必要时进行地表相关气象、水文观测，判断洞内涌水与地表径流、降雨的关系。

〈5〉必要时应建立涌突水点地质档案。

3.围岩稳定性特征及支护情况记录不同工程地质、水文地质条件下隧道围岩稳定性、支护方式以及初期支护后的变化情况。

发生围岩失稳或变形较大的地段，详细分析、描述围岩失稳或变形发生的原因、过程、结果等。

4.进行隧道施工围岩分级

5.影像

隧道内重要的和具代表性的地质现象应进行摄影和录像。

三、地质调査法工作要求及资料编制

地质调查法应符合以下工作要求：

〈1〉隧道地表补充地质调查应在实施洞内超前地质预报前进行，并在洞内超前地质预报

实施过程中根据需要随时补充,现场应做好记录,并于当天及时整理。

（2）地质索描图应采用现场绘制草图、室内及时誊清的方式完成，必须在现场根据实际情况记录，不得回忆编制或室内制作。

地质素描原始记录、图、表应当天整理。

（3）隧道地表补充地质调查和洞内地质素描资料应及时反映在隧道工程地质平面图和纵断面图上，并应分段完善、总结。

（4）标本应按要求采集，并及时整理。

地质调杳法隧道超前地质预报应编制一下资料：

（1）地质调查法预报报告；

（2）开挖工作面地质素描图，比例尺根据需要确定；〈3〉隧道洞身地质展视图，比例为1：

100～1：

500；

（4）地层分界线及构造线隧道内和地表相关性分析预报图（必要时作），比例尺根据需要确定；（5）地质复杂地段纵、横断面图，比例为1：

100～1：

500；（6）地质监测与测试资料；（7）有关影像资料。

地震波反射法

隧道地震波法（TSP），其原理是通过小药量爆破所产生的地

震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面

处被反射，并被高精度的接收器接收。

通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，最终显示屏上显示各种闱岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。

该法适用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围。

但仪器在作业过程中对环境的要求较高，若噪声过大则会影响采集数据的准确性。

（一）预报距离

地震波反射法连续预报时前后两次应重叠10m以上，预报距离应符合以下要求：

〈1〉在软弱破碎地层或岩溶发育区，一般每次预报距离100m左右，不宜超过150m。

〈2〕在岩体完整的硬质岩地层每次可预报120～180m，但不宜超过200m。

（3）隧道位于曲线上时，预报距离不宜太长。

（二）地震波反射法超前地质预报方法

1.观测系统设计

〈1〉收集隧道相关地质勘察和设计资料；

〈2〉根据隧道施工情况及地质条件，确定接收器（检波器）和炮点在隧道左右边墙的位置;〈3〉接收器和炮点位置应在同一平面和高度上；

〈4〉隧道情况特殊或需要探测复杂地质隐患时，必须根据相关理论精心设计观测系统。

2.现场数据采集

⑴标志：

在隧道现场’根据设计的观测系统，确定所有接收点和炮点的位置，并做出相应的标志。

（2）钻孔

①应按设计的要求〈位置、深度、孔径、倾角等〉钻孔；

②一般情况下，钻孔位置不应偏离设定的位置；特殊情况下，以设定的位置为圆心，可在半径0.2m的范围内移位；

③孔身应平直顺畅，能确保耦合剂、套管或炸药放置到位；

④在不稳定的岩层中钻孔时，采用外径与孔径相匹配的薄壁塑料管或PVC管插入钻孔，防止坍孔。

（3）安装套管

①用环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆作为耦合剂，安装接收器套管；

②用电子倾角测量仪测量接收器的几何参数，并做好记录。

（4）填装炸药

①填装炸药前，用电子倾角测量仪和钢卷尺测定炮孔的倾角和深度，并做好记录；

②炸药量的大小应通过试验确定；

③用装药杆将炸药卷装人炮孔的最底部；

④在激发前，炮孔应用水或其他介质填充，封住炮孔，确保激发能量绝大部分在地层中传播。

〔5〉仪器安装与测试

①用清洁杆清洗套管内部；

②将接收单元插人套管，并应确保接收器的方肉正确；

③采集信号前应对接收器和记录单元的噪声进行测试。

〔6〉数据采集

①设置采集参数：

采集参数主要包括采样间隔、采集数、传感器分量（应用XYZ三分量接受）以及接收器；

②噪声检查：

数据采集前，应对仪器本身及环境的噪声进行监测。

仪器工作正常，噪声振幅峰值小于-78db时，方可引爆雷管炸药，接收记录；

③数据记录:

放炮时，准确填写隧道内记录，在放炮过程中应采用炮序号递增或递减的方式进行，确保炮点号正确。

〔7〉质量控制要求

通过检查显示地震道的特征，进行数据质量控制。

①在每一炮数记录后，应显示所记录的地震道，据此对记录的质量进行控制；

②用直达波的传播时间来检查放炮点的位置是否正确，以及使用的雷管是否合适；

③根据型号能量，检查信号是否过强或过弱，若直达波信号过强或过弱，应将炸药适当减少或增加；

④根据初至波信号的特性，对信号波形进行质量控制，若初至后出现鸣震，表明接收器单元没有与围岩耦合好或可能是由于套管内污染严重造成，这样，应清洁套管和重新插入接收器单元，直至信号改善为止；

⑤根据每一炮记录特征，了解存在的噪声干扰，必要时应切断干扰源，同时也可检查封堵炮孔的效果；

⑥对记录质量不合格的炮，应重新装炸药补炮，接收和记录合理的地震道。

3采集信号的评价要求

（1）单炮记录质量评定

单炮记录质量评定分为合格、不合格两种。

凡有以下缺陷之一的记录，应为不合格记录。

①X、Y、Z三分量接收器接收时，存在某一分量不工作或工作不正常；

②初至波时间不准或无法分辨；

③信噪比低，干扰波严重影响到预报范围的反射波；

④记录序号（放炮序号）与炮孔号对应关系错误。

除上述规定的不合格记录外的记录为合格记录。

（2）总体质量评定

总体质量评定依据所有的单炮记录，按偏移距大小重新排列显示（地震显示〉进行。

总体质量评定可分为合格、不合格两种。

当符合以下要求时为总体合格：

①观测系统（炮点、接收点等设计）正确，采集方法正确；

②记录信噪比高，初至波清晰；

③单炮记录合格率大于80%。

当有以下缺陷之一时，为总体不合格：

①隧道内记录填写混乱，记录序号（放炮序号）与炮孔号对应关系不清；

②采用非瞬发电雷管激发，或者初至波时间出现无规律波动（延迟〉；

③连续2炮以上（含2炮）记录不合格或空炮，或者存在相邻的不合格记录或空炮；

④空炮率大于15%。

4.资料分析与判释

（1〕采用仪器配套的处理软件进行分析。

〈2〕总体质量不合格的资料不得用于成果分析。

〈3〕准确输人野外采集参数，包括隧道、接收器和炮点的几何参数等。

〈4〕剔除不合格的地震道，只有合格的才能参与处理。

（5）应根据预报长度选择合适的用于处理的时间长度；带通滤波参数合理，避免波形发生畸变；提取的反射波，应确保波至能量足够；速度分析时，建立与预报距离相适应的模型；反射层提取时，根据地质情况和分辨率选择提取反射层的数目。

（6）资料判释应结合隧道地质勘察资料、设计资料、施工地质资料、反射波成果分析显示图及岩体物理力学参数等进行。

综合上述成果资料，推断隧道开挖工作面前方围岩的工程地质与水文地质条件，如软弱夹层、断层破碎带、节理密集带等地质体的性质、规模和位置等。

结合岩体物理力学参数、围岩软硬、含水情况、构造影响程度、节理裂隙发育情况等资料，参照有关规范可对围岩级别进行初步评估。

（三）编制探测报告

地震波反射法超前地质预报应编制探测报告，内容主要包括：

〈1〕概括:

隧道工程概括、地质概括、探测工作概括等；〈2〉方法原理及仪器设备：

方法原理及采用的仪器型号等；〈3〉野外数据采集：

观测系统、采集方法、数据质量等；〈4〕数据处理：

采用的软件及处理流程、参数选择说明、处理成果及质量等；〈5〉资料分析与判释：

采用地震波反射法时，应附上反射波分析成果显示图、物探成果地质解释剖面或平面图，必要时可附上分析处理波形图、频谱图、深度偏移剖面图及岩体物理力学参数表，以及地质判释、推理的地球物理准则；采用水平声波剖面法、负视速度法时，应附上原始记录波形图、经过处理用于解释的波形曲线、物探成果地质解释剖面或平面图等；采用陆地声呐法时，应附上原始记录波形图、经过处理用于解释的波形曲线、似t0时间剖面图及图上定性解释标示、预报平面图等；

（6）结论及建议：

提出隧道开挖工作面前方的丁程地质与水文地质条件，特别是影响施工方案调整、具有安全隐患的地质条件，以及施工过程中应采取的措施等结论和进一步开展预报工作的建议；

〈7〕其他需要说明的问题。

地震波法探测资料地质判释经验

（1）反射波振幅越高，反射系数和波阻抗的差别越大。

（2）若横波s反射比纵波p强，则表明岩层饱含地下水。

比较任何反射振幅必须小心，因为反射振幅易受随机噪声和数据处理的影响。

〈3〉Vp/Vs有较大的增加或泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起。

（4）若Vp下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。

〈5〉关于Vp/Vs：

①固结的岩石Vp/Vs<2.0，泊松比μ<0.33；

②当岩石的孔隙充满水时,Vp/Vs为1.4〜2.0；

③当岩石的孔隙充满气时，Vp/Vs为1.3～1.7；

④水饱和的未固结地层，Vp/Vs>2.0。

当岩体中含流体时，Vp与孔隙度和孔隙中流体的性质有关，Vp会明显降低。

Vs只与骨架速度有关，而与孔隙中流体无关，Vs不发生明显变化。

〈6〉关于沉积岩的泊松比μ：

①未固结的土层,往往具有非常高的泊松比μ（0.4以上）；

②泊松比常随孔隙度的减小及沉积物固结而减少；

③高孔隙度的饱和砂岩往往具有较高的泊松比μ（0.3〜0.4〉；

④气饱和高孔隙度砂岩往往具有较低的泊松比μ（如低到0.1）。

二、电磁波反射法

电磁波反射法超前地质预报主要采用地质雷达探测（简称GPR）

地质雷达探测是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法。

地质雷达探测采用电磁波反射原理探测浅层地层的划分、岩溶、空洞、不均匀体、仪器将发射天线和接收天线集于一体，具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点，但在掌子面有水的情况下不宜使用。

1.探测前提

〈1〉探测目的体与周边介质之间应存在明显介电常数差异，电磁波反射信号明显；〈2〉探测目的具体，有足以被採测的规模；〈3〉不能探测极高电导屏蔽层下的目的体。

2.探测距离

地质雷达在完整灰岩地段预报距离宜在30m以内，在岩溶发育地段的有效探测长度则应根据雷达波形判定。

连续预报时前后两次重叠长度应在5m以上。

3.地质雷达探测仪表的技术指标

（1）系统增益不应低于150db；

（2）信噪比应大于60db；

〈3〕采样间隔不应大于0.5ns、模数转换器不应低于16位；

〈4〉具有可选的信号叠加、实时滤波、点测与连续测量、手动与自动位置标记等功能。

4.地质雷达探测的数据采集要求

（1）通过试验选择雷达天线的工作频率确定介电常数。

当探测对象情况复杂时，应选择两种及以上不同频率的天线。

当多个频率的天线均能符合探测深度要求时,应选择频率相对

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较高的天线。

（二）测网密度、天线间距和天线移动速度应反映出探测对象的异常，测线宜采用十字或网格形式布设。

〈3〉选择合适的时间窗口和采样间隔，并根据数据采集中的干挠变化和效果及时调整工作参数。

（4）采用连续测量的方式，不能连续测量的地段可采用测点。

〈5〉隧址区内不应有较强的电磁波干扰；现场测试时应清除或避开测线附近的金属物等电磁干扰物；当不能清除或避开时应在记录中注明，并标出位置。

（6）支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作员应与工作天线保持相对固定的位置。

〈7〉测线上天线经过的表面应相对平整，无障碍,且天线易于移动；测试过程中，应保持丁作天线的平面与探测面基本平行，距离相对一致。

〈8〉现场记录应注明观测到的不良地质体与地下水体的位置与规模等。

（9）重点异常区应重复观测，重复性较差时应查明原因。

等位面

隐伏含水体

图8-3红外探水示意阁/1-供电电极；；！

//々-测量电极；1相对尤穷远点〖；“300^0；广含水体接触点

地质雷达探测质量检查的记录与原探测记录应具有良好的重复性，波形一致，没有明显的位移

5.地质雷达探测的资料与解释

〈1〉参与解释的雷达剖面应清晰。

（2）解释前宜做编辑、滤波、增益等处理。

情况较复杂时，还宜进行道分析、滤波、正常时差校正、褶积、速度分析、消除背景干扰等处理。

〈3〉结合地质情况、电性特征、探测体的性质和几何特征综合分析。

必要时应考虑影响介电常数的各种因素,制作雷达探测的正演和反演模型。

6.探测报告

地质雷达法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、采集及解释参数、地质解译结果、测线布置图（表）、探测时间剖面图等，其中时间剖面图中应标出地层的反射波位置或探测对象的反射波组。