超前地质预报专项施工方案全标段.docx
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超前地质预报专项施工方案全标段
1.编制目的、依据及范围
1.1编制目的
为保证隧道施工安全、优化设计、实现信息化施工，通过隧道超前地质预报工作，进一步查清隧道因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，及时掌握和回馈隧道地质条件信息，调整和优化隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案，控制工程变更设计提供依据。
基于勘测资料，采取有效合理的施工措施，为确保施工及结构安全。
施工中，按以下要求开展综合超前地质预测预报，并加强施工地质工作。
综合超前地质预报主要解决以下问题：
（1）掌握掌子面前方隧道通过的地层岩性及岩体的完整性，核实或调整围岩分级；取岩及水样化验查实环境侵蚀类型及其等级。
（2）确定断层破碎带及影响带、构造裂隙密集发育带与构造挤压破碎带、软弱夹层带、岩性突变与不同地层界线位置（特别是可溶岩与非可溶岩界线）等的产状、带宽与施工掌子面的距离等。
（3）查明可溶岩地段岩溶发育状况及地下水赋存状况，特别是岩溶裂隙、岩溶管道、暗河、隐伏的溶洞及断层破碎带及影响带、裂隙密集发育带与构造挤压破碎带。
（4）进行施工开挖前突水、突泥危险性评价。
其重点为断层破碎带、不同地层界线附近（特别是可溶岩与非可溶岩界线）等地段。
1.2编制依据
（1）《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》铁建设（2010）120号；
（2）新建黔江至张家界至常德铁路站前工程QZCZQ-5标段施工图；
（3）《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设【2008】105号；
（4）《铁路隧道工程施工技术指南》（T204-3008）；
（5）《铁路工程施工安全技术规程》；
（6）施工图纸、设计要求和环境、地质条件；
1.3编制范围
新建铁路黔江至张家界至常德线QZCZQ-5标DK79＋725.3～DK92＋510.15段狮子村隧道、雷音村一号隧道、雷音村二号隧道、雷音村三号隧道、雷音村四号隧道、张家坡隧道、邓家湾隧道、刘家寨隧道、车树村隧道、罗家坡1号隧道、罗家坡2号隧道、石家坡1号隧道、石家坡2号隧道、鸡公山隧道、吴家铺1号隧道、吴家铺2号隧道、唐家寨隧道、夏家堡隧道、车塔村隧道、晏家堡1号隧道。
2.工程概况
新建黔江至张家界至常德铁路站前工程QZCZQ-5标施工图设计范围内的全部工程：
黔张常铁路5标段自湖北省来凤县开始，经湖南湘西州龙山县全境，止于龙山县猛必乡；QZCZQ-5标起止里程DK79＋725.3～DK92＋510.15、DK99＋300～DK123＋206，线路长度36.068km，包含路28段8.547km，桥梁29座10523延长米，桥梁为桩基础,下部结构设承台、墩台身，上部结构以T梁为主，部分采用连续梁、T构或系杆拱。
隧道20座17148延长米，隧道采用复合式衬砌,隧道内线间距为4.4m。
车站2座（龙山站、水沙坪站），水沙坪梁场198单线孔梁制架，另外266孔梁由4标来凤梁场制架。
3.工程地质概况
3.1.工程地质
1）地层岩性
来凤盆地中主要分布有白垩系地层，以砂岩、泥岩为主；震旦系、志留系、泥盆系中的砾岩、砂岩、页岩，在区内广泛分布，或呈条带状分布。
寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系中的灰岩、白云岩、泥灰岩等碳酸盐类和白垩系正阳组钙质胶结砾岩等可溶岩在区内分布面积最广。
其中二叠系吴家坪组和茅口组地层、泥盆系黄家磴组地层含有可采的煤层和铁矿层，在龙山猛必有规模开采，对线路方案影响次之。
2）地质构造
本区大地构造单位隶属扬子地台，二级构造单元东端常德地区属江南台背斜，西部则为鄂黔台褶带。
根据成生联系，可分为两个构造体系：
一是北东向褶皱及其伴生断裂，即由于宁镇运动所形成的大规模区域性构造形迹；二是挽近时期的构造，即发生于喜马拉雅旋回期，并又产生北北东向正断层及上白垩统内的褶皱和断层。
3）不良地质及特殊岩土
（1）不良地质
本标段岩溶、采空区分布较广，对线路影响大，是最为突出的工程地质问题；在山区，滑坡、错落、崩塌、危岩落石等不良地质现象较发育。
①岩溶
可溶岩分布十分广泛，主要集中于茨岩塘镇至水沙坪一线、猛必乡至晏家堡一线。
多以条带状和团块状分布，部份呈星散状出现,其条带延伸的方向和当地构造线的发育方向基本一致，多呈北东向展布。
区内有多条暗河出现，对线路影响较大。
②采空区
沿线主要分布有煤矿、铁矿等矿藏。
在龙山猛必等地都有规模开采，对线路方案影响仅次于岩溶。
③滑坡、错落
一般滑坡发育在含有页岩、泥岩的地层中，分布于第四系松散层较厚坡面、新修水库河岸、既有路边坡、越岭段山体坡脚缓坡、河流沿岸等处，尤其是陡崖下缓坡地段，规模不大；崩塌、危岩落石在砂岩、灰岩等硬质岩区随处可见，分布于峡谷陡崖、山体斜坡陡崖等地段。
④崩塌、危岩和落石
沿线深切河沟、高山峡谷、孤峰陡壁，极易发生崩塌、落石，并于坡脚及缓坡地带形成岩堆。
（2）特殊岩土
管段内沿线的特殊岩土主要有膨胀岩土。
膨胀岩土主要为丘陵区、大型山间盆地内出露少量白垩系、第三系泥岩，以及部分第四系更新统红黏土，据相关资料，部分具弱膨胀性。
3.2水文地质
1）地表水
线路所经来凤、龙山属沅江洞庭湖水系
，其地表水系发育，地表水主要汇入酉水、洗车河、猛洞河，其水质良好，对砼无侵蚀性。
区内雨量丰沛，但降雨时空分布不均，局部地区易出现暴雨，形成山洪灾害，同时诱发滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。
2）地下水
岩溶水是本工程主要的地下水类型，广泛分布于碳酸盐岩中。
沿线地下水类型主要为松散岩土类孔隙潜水、碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水。
松散岩土类孔隙潜水。
主要分布于河谷地段的河流冲积层下部的沙砾含水层，水量较小，少见泉水出露。
补给来源主要为大气降水、河水。
碳酸盐岩岩溶水。
赋存于碳酸盐岩岩层中，为溶洞、溶隙含水，补给来源主要为大气降水，动态变化极大。
基岩裂隙水。
赋存于各时代碎屑岩层中，主要为风化裂隙和构造裂隙含水，水量一般较小。
补给来源主要为大气降水。
4.超前地质预报的方案
4.1.超前地质预报内容、方法及工作量
为保证隧道施工安全、优化设计、实现信息化施工，施工期间施工单位应加强施工地质工作，并实施全隧超前地质预测预报，将其纳入正常施工工序进行管理。
通过超前地质预测预报工作，核实和预测掌子面前方的地质条件，以便及时调整工程措施，确保施工及结构安全。
结合隧道工程特点以及工程地质、水文地质条件，开展超前地质预测预报工作。
全隧道采用以地质调查法为基础，并采用综合物探手段及钻孔为主进行综合超前地质预报。
其预报的内容如下表所示：
1）断层及断层影响带的位置、规模及性质等。
2）岩层分界带（特别是可溶岩与非可溶岩分界）的位置、规模及性
质。
3）软弱夹层的位置、规模及性质。
4）岩溶发育的位置（掌子面前方、周边及隧底）、规模及性质。
5）工程地质灾害可能发生的类型、位置和规模。
6）含水构造（岩溶管道水）的位置、规模及性质。
7）地下水发育情况的预测预报，突（涌）水、泥点监测等。
8）瓦斯等有害气体预报。
9）施工围岩分级判定及围岩稳定性评价。
表1隧道超前地质预报工作量及方法
隧道
狮子村
雷音村1号
雷音村2号
雷音村3号
雷音村4号
张家坡
超前地质预报段落
里程范围
D4K87+847
DK89+591
DK90+057
DK90+614
DK90+777
DK91+749
D4K88+514
DK89+987
DK90+185
DK90+691.56
DK90+991
DK91+892
长度（m）
667
396
128
77.56
214
143
地质编录（m）
667
387
128
77.56
214
143
TSP（m）
400
400
100
——
200
90
地质雷达（m）
——
450
——
——
——
——
超前水平钻（m）
480
——
120
——
240
——
加深炮孔（m）
3000
2880
870
——
1560
——
红外探水（m）
——
——
——
——
——
——
基底岩溶探测
421
396
128
77.56
214
——
隧道
邓家湾
刘家寨
车树村
罗家坡1号
罗家坡2号
石家坡1号
超前地质预报段落
里程范围
DK101+519.68
DK102+613
DK106+485
DK107+095.37
DK108+212.8
DK108+512
DK102+448.7
DK105+691.5
DK106+665
DK107+627
DK108+408
DK109+043
长度（m）
909.02
3078.5
180
531.63
195.2
531
地质编录（m）
909.2
3079
180
531.63
195.2
531
TSP（m）
1000
3400
——
180
90
200
地质雷达（m）
402
2190
——
——
——
——
超前水平钻（m）
3330
11070
——
——
——
——
加深炮孔（m）
6960
30760
——
——
——
——
红外探水（m）
200
1400
——
——
——
——
基底岩溶探测
——
——
——
——
——
——
隧道
石家坡2号
鸡公山隧道
吴家铺1号
吴家铺2号
吴家铺2号
唐家寨
超前地质预报段落
里程范围
DK109+136
DK111+145
DK112+894.1
DK113+861
DK114+498
DK114+760
DK109+340
DK112+505
DK113+719
DK114+498
DK114+698
DK118+006
长度（m）
204
1355
824.9
637
200
3235
地质编录（m）
204
1355
824.9
637
200
3235
TSP（m）
90
600
900
600
90
2100
地质雷达（m）
——
——
570
450
——
2310
超前水平钻（m）
——
——
2880
2250
——
200
加深炮孔（m）
——
——
8120
6240
——
——
红外探水（m）
——
——
375
300
——
1475
基底岩溶探测
——
——
——
——
——
——
隧道
唐家寨
夏家堡
车塔村
晏家堡1号
超前地质预报段落
里程范围
DK118+006
DK118+423.6
DK121+826
DK122+867
——
——
DK118+382.4
DK121+231.4
DK122+005
DK123+109
——
——
长度（m）
376
2807.8
179
242
——
——
地质编录（m）
376
2807.8
179
242
——
——
TSP（m）
400
3100
——
150
——
——
地质雷达（m）
270
2010
——
45
——
——
超前水平钻（m）
1350
10080
——
——
——
——
加深炮孔（m）
3760
28080
——
——
——
——
红外探水（m）
175
1275
——
——
——
——
基底岩溶探测
——
——
——
——
——
——
5.超前地质预报工作流程及操作要点
5.1.超前地质预报工程流程
图1超前地质预报工作程序流程图
图2综合地质预报配套模式示意图
5.2.超前地质预报操作要点
隧道综合超前地质预报采用的主要技术方法有地质调查法、物探法、钻探法和超前导坑预报。
根据各种方法预报距离的长短，综合地质预报配套模式见图2所示。
5.2.1.地质编录
地质编录主要为隧道地表补充地质调查和洞内地质调查两部分。
5.2.1.1.隧道地表补充地质调查
地表补充地质调查在实施洞内地质预报前进行，计划在进场进行洞内预报前两周内实施并完成，完成初步成果图的总结。
在后期开展预报工作中根据洞内地质的变化情况，应再适时补充地表地质调查，地表地质调查完成内容如下：
（1）对已有地质勘察成果进行熟悉、核查和确认；
（2）调查地层、岩性在隧道地表的出露及接触关系，特别是对标志性地层的熟悉和确认；
（3）断层、褶皱、节理密集带等地质构造在地表的出露位置、规模、性质及其产状变化情况；
（4）地表岩溶发育位置、规模及其分布规律；
（5）煤层、石膏、膨胀岩等特殊地层在隧道地表的出露位置、宽度及其产状变化情况；
（6）人为坑洞位置、走向、高程等，分析其与隧道的空间关系。
地表地质调查应完成地质调查预报报告，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。
5.2.1.2.洞内地质调查
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，修正设计时间的地质信息，经工程地质模拟预测隧道前方小于10m的地质状况并为其它超前地质预报方法提供基础数据。
进行地质素描前，先搜集隧道前期的勘察设计地质数据，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（附表4）。
洞内地质调查包括开挖面地质素描和洞身地质素描
地质素描的具体内容主要包括以下几个方面工作：
（1）岩性
应根据隧道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
隧道开挖段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、宽度等一一进行观测和描述；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。
使用地质罗盘仪对岩层产状要素（包括岩层的走向、倾向和倾角）的测量。
（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。
（5）有害气体及危害源存在情况
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。
（6）围岩评价
对岩体受构造影响程度、节理发育程度、岩体完整程度、富水程度及围岩稳定状态等进行详细编录，据此对围岩级别及其他地质参数进行修正，并提出有针对性的支护、衬砌或超前加固措施意见。
隧道内地质素描工作主要完成开挖面地质素描图、洞身地质展示图绘制、地层分界线及构造线隧道内和地表相关性预报图、地质复杂地段纵断面图和其它一些相关资料。
5.2.2.TSP203超前地质预报
5.2.2.1.超前地质预报系统
TSP与超前地质钻探（1孔）组合：
适用于在工程地质复杂地段，仅采用TSP超前地质预报系统不能满足需要时，用补充超前地质钻孔对TSP预报成果加以核查与确认。
5.2.2.2.施工流程
施工流程图如下所示
TSP203系统在围岩较好的地段可测出前方100～200m范围内的岩层分接口、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，由专业探测人员现场具体操作，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，在其接口处被反射，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。
探测方法为：
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在线。
钻孔完毕后，逐个测量孔的深度和倾斜度，并作好记录。
图4TSP观测系统现场布置示意图
图5观测系统布置参数
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）联机检查：
把传感器、检波器（计算机）、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。
需要说明的是雷管必须采用瞬发电雷管，炸药采用乳化炸药。
放炮前需要对激发孔中灌水，起到使爆破产生的能量能尽量在围岩中传播并压制灰尘和消焰的目的。
6）恢复施工：
爆破一结束，马上可以恢复施工。
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。
将现场采集的资料传输至计算机，利用TSPwin软件对其进行处理，TSPwin软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。
①数据库
编辑现场采集的数据和定义观测系统。
②处理
对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。
③计算反射界面
在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度vp和横波速度vs。
vp和vs值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据vp和vs值可直接计算动力学参数，即计算动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比μd，计算式如下：
Ed=ρvs2（3vp2-4vs2）/（vp2-vs2）
Gd=ρvs2
μd=（vp2-2vs2）/2（vp2-vs2）
其中，ρ为围岩的密度。
根据绕射重叠法原理（与常规地震反射资料处理中偏移流程的原理类似）计算反射界面与隧道的相对位置，即与隧道轴线的交角或至掌子面的距离。
8）资料解释
根据TSP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合地震波速、反射波相位、泊松比和动态杨氏模量等参数对围岩异常区的类别进行划分。
解释原则如下所述：
①泊松比高说明有流体存在，纵波波速低说明有裂隙存在；
②S波反射能量强，P波反射能量弱，说明有流体存在；
③S波反射能量弱，P波反射能量强，说明有裂隙存在；
④反射波为正相位时，说明围岩由软弱岩层进入坚硬岩层；
⑤反射波为负相位时，说明围岩由坚硬岩层进入软弱岩层；
⑥当泊松比大于0.28或VP/VS突然增大时，前方地质情况为有水或围岩较破碎；
⑦当静态杨氏模量大于30时，石质坚硬，反之，石质较软；
⑧当反射界面较多且静态杨氏模量和泊松比变化频繁，幅度较大时，围岩为破碎带，若为负反射振幅时，围岩为软弱破碎带。
5.2.2.3.现场TSP203测量的时间
（1）清理激发孔、接收孔的时间：
20分钟；
（2）埋设地震波信息接收探头时间：
20分钟；
（3）药包的埋设时间：
30分钟；
（4）放炮及数据采集的时间：
40分钟；
（5）清理爆破后现场的时间：
10分钟。
所以，现场探测总时间约为120分钟。
5.2.3.地质雷达法
5.2.3.1.测线的布置
采用地质雷达法进行超前地质预报时在隧道掌子面上布置测线，在有条件的情况下采用连续测量模式进行，当现场条件不允许时采用点测的方法对前方的地质情况进行探测。
图6地质雷达超前预报测线布置示意图
5.2.3.2.数据采集
当测线位置确定后，连接仪器各部件并开机检查现场是否有干扰源的存在。
如存在干扰源则应想办法清除。
如没有干扰的存在，则可以开始数据的采集工作。
在地质雷达的数据采集过程中还应该注意以下事宜：
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，有条件时测线宜采用十字或网格形式布设并采用连续测量的方式，不能连续测量的地段可采用点测。
数据采集过程中，支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作人员应与工作天线保持相对固定的位置。
地质雷达（GPR）探测质量检查记录与原探测记录应具有良好的重复性，波形一致，异常没有明显的位移。
在发现有重点异常的区域应重复观测，重复性较差时应查明原因。
参与解释的雷达剖面应清晰，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、FK滤波、正常时差校正、褶积、速度分析、消除背景干扰等处理。
5.2.3.3.资料处理及解释
地质雷达的资料处理采用“RADANFORWINDOWSNT”软件包对原始数据进行处理。
其处理流程为：
数据传输→文件编辑→水平均衡→数字滤波→零点归位→偏移处理→能量均衡→时深转换→文件注释→输出雷达深度剖面图。
将雷达深度剖面图作为资料解释的基本图件。
根据雷达深度剖面图上的反射波组、强能量团块分布和双曲线等特征，对掌子面前方的地质情况做出判断。
5.2.3.4.现场地质雷达法所需的时间
（1）布置测线位置的时间：
5分钟；
（2）调试仪器参数时间：
5分钟；
（3）实体数据采集时间：
20分钟；
所以，现场地质雷达法探测所需的总时间为30分钟。
5.2.4.红外探测
5.2.4.1.红外探测系统的原理
红外探测是根据红外辐射原理，即一切物质都在向外辐射红外电磁波的原理，通过接收和分析红外辐射信号进行超前地质预报的一种物探方法。
适用于定性判断探测点前方有无水体存在及其方位，不能定量给出水量大小等参数,每25m一次，一次范围为30m，两次重叠长度为5m。
依据探测数据绘制沿隧道轴向的探测曲线，如果开挖工作面前方存在储水构造，在靠近开挖工作面一端曲线会下降或上升，开挖工作面探测数据最大离散差值应超过正常情况下的差值；但是应该注意以下两种情况：
若开挖工作面附近几十米都存在地下水，在开挖工作面端探测曲线发生明显的上升或下降趋势时，则可能表明开挖工作面前方不存在地下水；若地下水在开挖工作面后方探测范围内、前方整个空间都发育，各部位的探测曲线则比较平缓，开挖工作面探测数据最大离散差值也较小，因此资料不会显示异常。
5.2.4.2.施工流程
（1）探测时间：
应选在爆破及出碴完成后进行。
（2）测线布置：
、全空间全方位探测地下水
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