11地质超前预报作业指导书.docx

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11地质超前预报作业指导书

新建铁路

改建铁路

湘桂线永州至柳州段扩能改造工程

土建XG-1标

地质超前预报

作业指导书

编制人：

审核人：

技术负责人：

单位负责人：

中铁五局湘桂线扩改工程1标三项目部

二00九年四月广西·全州

目录

1目的2

2适用条件及范围2

3隧道超前地质预报2

4超前地质预报分级管理14

5地质预测预报设备、仪器15

6人员及组织机构设置15

7、安全措施16

地质超前预报作业指导书

1目的

指导隧道地质超前预报的实施。

2适用条件及范围

本作业指导书适用于湘桂线永州至柳州段扩能改造工程土建XG-1标管段内的隧道地质超前预报的实施。

3隧道超前地质预报

3.1地质预报内容

隧道超前地质预测、预报应包括对地层岩性、地质构造、不良地质和地下水等的预测预报。

针对本标段隧道工程的地质情况（岩溶分部广泛），着重进行如下几方面的探测：

①断层及断层影响带的位置、规模及其性质；

②软弱夹层的位置、规模及其性质；

③岩溶的位置、规模及其性质；

④不同岩性、围岩级别变化界面的位置；

⑤工程地质灾害可能发生的位置和规模；

⑥含水构造体的位置、规模及其性质；

⑦隧道底部溶洞、暗河等对地基稳定性有影响的不良地质体探测；

3.2地质预报选用方法

隧道超前地质预测、预报应坚持常规地质法、物理勘探法、钻探法等多种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证的原则。

并结合本段工程特点，以及局项目部安排，隧道超前地质预测预报的方法如表1：

表1

序号

探测手段

备注

1

地质素描

地质素描或数码成像

形成隧道地质基础资料

2

物探手段

TSP

远距离探测断层破碎带、岩层分界面，用于地质条件复杂的隧道

3

地质雷达

近距离探测隧底、掌子面岩溶

4

地质钻探

水平钻探（20～40m）

断层、岩溶、瓦斯、重大物探异常段等

5

隧底钻探（5～10m）

隧底岩溶、暗河、重大物探异常段等

6

加长炮孔钻探（3～6m）

掌子面短距离岩溶、地下水等揭露

7

收敛仪

水平收敛量测

开挖围岩稳定性动态实时监测

根据各种方法的特点，并结合本标段隧道工程的地质情况确定以常规地质法为基础、TSP203地质超前预报系统作长距离宏观控制、地质雷达作近距离判断、加长炮孔钻探作连续岩溶、地下水等超前探测、地质钻探为辅助验证（重大物探异常段，全程水平地质钻探），形成综合的地质超前预报系统。

隧道地质预报框架图如下表2：

3.3隧道地质预报实施方法

3.3.1常规地质法

隧道开挖爆破后通过地质素描手段，及时查看掌子面地质情况，修正设计阶段的地质信息，经工程地质类比预测隧道前方小于10m的地质状况并为其它超前地质预报方法提供基础资料。

进行地质素描前，先搜集隧道前期的勘察设计地质资料，初步了解区域地质和附近大地构造单元及其特征，以及工程范围内的地层岩性、围岩类别、地下水发育特征等。

地质素描，应在隧道作业每一开挖循环后立即进行，观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表

地质素描的具体内容主要包括以下几个方面：

①岩性

应说明围岩岩石的名称、颜色、矿物成分、坚硬程度等，各类岩脉也应对其岩性、出露位置、宽度、接触关系、破碎、风化程度进行描述。

②构造

开挖围岩受地质构造影响程度、延伸性、表面粗糙度、张开性、风化、破碎程度等进行描述，特别是岩体范围内出现的断层、节理、裂隙、软弱夹层等重点进行地质描述。

断层应对其位置、产状、性质、破碎特性、宽度等一一观测和描述；节理裂隙，特别是贯通性节理的产状密度、延伸情况、节理面现状等也要仔细量测和统计。

③地下水

围岩的含水状态、涌水部位、水量、水压、水温、水质等描述并长期跟踪调查是否受季节性影响，特别是大、暴雨后观察涌水部位涌水量有无增减以及该段地表一定范围内是否有水源补给情况并作好记录。

④围岩变形破坏情况

开挖段围岩发生坍方、掉块、岩爆等现象的位置、性质、形态、规模作详细记录，必要时附上工程处理措施。

有条件时使用数码相机、摄影等工程地质数据采集和编录系统，做到图文并茂。

不良地质体在被揭露之前往往表现一些明显或不明显前兆标志，预示着隧洞即将临近不良地质体，因此，仔细观察、描述开挖石渣、洞壁结构面及岩层形态、量测结构面及岩层特征参数，是正确进行超前地质预报的关键。

一些不良地质体的前兆标志：

①断层破碎带：

节理裂隙组数及密度剧增、岩石强度降低、出现压裂岩、破碎岩、岩石风化相对强烈、泥质含量增多等。

②突水、突泥：

节理裂隙渗水量和组数增加、且常常含有泥质物或浑浊（常规钻爆法的炮孔中的涌水量剧增、且夹有泥砂或碎石）等。

③岩爆：

“饼”状开挖石渣的数量增加、洞壁在短时间内出现“饼”状脱落体或出现“片邦”现象，以及轻微的岩石崩裂声等，严重时洞壁出现飞石。

3.3.2TSP203超前地质预报系统

TSP203系统在围岩较好的地段可测出前方100～200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层破碎带、洞穴、隐伏含水体等；围岩完整性较差时，预测范围在50～100m之间，需连续预报时前后两次应重叠10m以上。

根据局项目部安排，此项物探方法委外，由合作方中南大学人员现场具体操作，各作业队积极配合。

原理：

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受。

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围岩结构面与隧道轴线相交所呈现的角度及距掌子面的距离，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。

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。

如下图1：

探测方法：

①钻孔：

在距离掌子面50m处钻深度为1.5m的孔，布置传感器；自掌子面起，每隔1.5m钻孔一个，钻孔深度为1.5m，最后一个孔与传感器的距离大于20m。

所有钻孔的高度尽可能的在同一标高线上。

钻孔完毕后，逐个测量孔的深度和倾斜度，并作好记录。

②埋设传感器杆：

埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚碴，放入环氧树脂药卷，插入传感器套杆，用钻带动其钻动，保证环氧树脂药卷充分搅拌。

待传感器杆固定后，插入传感器，注意传感器方向朝向掌子面。

③连线检查：

把传感器、检波器（电脑）、起爆器、同步器连接起来，并检查其是否正常工作，注意此时起爆器不得与雷管相连。

④测量时间：

测量时间选在施工交接班时间，要求工作面800m范围内不得有机械作业和作业人员作业，作业前与现场施工员联系，以确定停工时间，此时准备好爆破药卷、电雷管等。

⑤装药爆破：

由最里边炮孔开始，逐个依次装药联线，起爆器起爆，装药量根据围岩情况，一般控制在50～80g左右，围岩较差时，可加大，但不能超过100g。

⑥恢复施工：

爆破一结束，马上可以恢复施工，一般停工时间在45min左右。

⑦成果分析：

采用TSP203自带的软件分析系统，剔除一些明显的干扰波，软件自动分析，自动生成图表，反映前方围岩的物理特性，岩层分界线、软弱带、断层的位置等信息。

3.3.3地质雷达

当TSP203系统预报前方有溶洞、暗河水体、岩层层面等不良地质时，其规模、形态需要具体了解，就需用地质雷达进行探测。

加拿大EKKO100型地质雷达在前方岩石完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离小于10m。

雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。

根据局项目部安排，此项物探方法委外，由合作方中南大学人员现场具体操作，各作业队积极配合。

探测原理：

发射机通过发射天线向隧道掌子面前方地层定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性（介电常数和电导率）差异的界面时即发生反射。

从不同深度返回来的各个不同时间的反射波由设置在发射天线旁的接受天线接受，另外还最先接受到从发射天线经两天线所在介质的表面传播到接受天线的直达波，取其时间之半，乘以该介质的电磁波传播速度即代表反射目标的深度，再根据反射信息特征（反射强度、反射波组合特点以及横向、纵向变化等）判别反射目标的性质。

探测方法：

在开挖掌子面上，以上、中、下水平和左、中、右为骨架布置若干水平测线和竖线测线向前方探测，每条测线可构成一条剖面，各条剖面上的综合地质信息即构成了前方一定范围内的空间地质构造形态。

测线的密度可视所探测地段的围岩地质构造复杂程度和所要求的探测控制精度选定，围岩越复杂，要求的控制精度越高，则测线密度就越大，反之越小。

根据探测资料，首先对各方面剖面进行综合分析，定性判定前方地质情况并定量确定有关异常体、条、带等位置、深度及其空间分布情况，再结合具体的地质条件（如断层、节理、裂隙与隧道走向的夹角和倾角及其对隧道围岩稳定性的影响程度）、地压因素（静压、动压和二次平衡压），详细划分和界定围岩类别，以便主动采取超前支护措施。

地质雷达预测的有效长度在完整灰岩地段按25m，在岩溶发育地段根据雷达波形判定，连续预报时前后两次重叠长度不小于5m。

3.3.4地质钻探

由于物理探测判释成果的多解性，需对重点怀疑地段，采用多种方法探测，进行综合判释，就需用一定数量的地质钻孔验证。

钻探法是最直观、可靠的超前预报手段，通过对钻孔取样的分析，判断地层变化、岩性差异、地层含水量、隧底岩溶等不良地质情况。

根据需预报距离（深度）的远近可采用不同型号的钻机，一般可探测前方（深度）30～75m范围内的地质情况，连续预报时前后两循环钻孔应重叠5~8m。

煤层超前探测钻孔按《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002）执行。

另在施工中采用加深炮孔超前钻探，在每次开挖钻孔过程中，指定在拱顶、两侧拱腰、两侧边墙脚及仰拱底部的1～2个辅助眼加深3～6m，依靠对钻进速度的变化以及钻孔地下水涌水状况、水压、水量、颜色、水质等预测前方围岩、地下水的变化。

它具有设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短的特点，因此将加深炮孔在岩溶地段的钻探作为日常的预测、预报手段；充分利用隧道超前支护、初期支护体系中长管棚、超前小导管、超前锚杆、径向锚杆的钻孔作为探测隧道前方、环向四周围岩状况的辅助手段，依靠对钻孔速度变化的直觉以及钻孔地下水涌水状况、水压、水量、颜色、水质等预测前方围岩、地下水的变化。

在综合地质超前预报中的各种方法中，TSP203作业快，测距长，干扰相对少，可以与多种预测法结合应用，但精度不高，解释难度大，适于作长距离预测；地质雷达可以准确测定短距离内隧道四周和底部的空洞、水体情况，可补充TSP203系统的不足；地质钻探基本可以揭示地下水及围岩物理力学性能，但干扰大，用时长，费用高。

而加长炮孔钻探设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，在岩溶地段效果较好。

因此施工中应采取多种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证，确保地质预测、预报的准确性。

4超前地质预报分级管理

4.1施工中把超前地质预报纳入施工工序，建立以地质工作为先导的信息化施工管理体系。

根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，超前地质预报分为以下四级：

A级：

存在重大地质灾害隐患的地段，如大型暗河系统，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带；可能诱发重大环境地质灾害的地段以及瓦斯、高地应力、人为坑洞、放射性、天然气等问题严重的地段；可能产生大型、特大型突水突泥地段，特殊地质地段，重大物探异常地段等。

B级：

中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂带等。

C级：

水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性较小。

D级：

非可溶岩地段，发生突水突泥的可能