TSP超前地质预报施工方案解析.docx

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TSP超前地质预报施工方案解析

阳泉至五台山高速公路阳泉至盂县段A1-1合同段

维社隧道超前地质预报施工方案

中国建筑股份有限公司

阳五高速公路A1-1合同段

2008年11月

阳泉至五台山高速公路阳泉至盂县段A1-1合同段

维社隧道超前地质预报

施工方案

编制：

审核：

审批：

中国建筑股份有限公司

阳五高速公路A1-1合同段

1．工程概况

阳五高速公路阳泉至盂县段A1-1合同段维社隧道，位于平定县维社-里社一线东侧500m左右，为分离式隧道。

左线阳泉端里程ZK0+500，洞底设计标高684.79m，盂县端里程ZK4+075，洞底设计标高710.86m，总体走向为325°～355°，全长3575m，属于特长隧道，隧道顶板最大埋深约82.57m，位于ZK1+000处；右线阳泉端里程YK0+535，洞底设计标高685.215m，盂县端里程YK3+985，洞底设计标高714.07m，总体走向为325°～355°，全长3450m，属特长隧道，隧道顶板最大埋深约82.51m，位于YK1+020处。

左线与右线基本平行，相距约50m。

隧道设计净空（宽×高）为：

10.25m×5.0m，设计行车速度80km/h。

隧道围岩级别及地质状况情况表见表1-1。

隧址区位于山西省中东部，太行山西麓。

由于受地质构造和长期的侵蚀、剥蚀作用，地形起伏较大，沟谷纵横，地形条件复杂，总体趋势西北高东南低，呈阶梯状，倾斜坡度15°左右。

最高点为分水岭处，海拔1339.5m，最低点位于桃河谷底，海拔522.5m，相对高差817m。

根据地表形态特征及其成因类型，将项目区划分为黄土覆盖低山区、河谷阶地区、构造剥蚀基岩低山区、黄土丘陵区、山前倾斜平原，同一地貌单元呈不连续分布。

隧址区地层结构较为复杂，经工程地质调绘和勘探揭示，勘察区地层由第四系全新统人工堆积层及冲洪积层（Q42ml、Q4al+pl）、第四系上更新统风积层及冲洪积层（Q3eol、Q3al+pl）、第四系中更新统冲洪积层（Q2al+pl）、上第三系上新统冲洪积层（N2al+pl）、石炭系上统（C3）、中统（C2）及奥陶系（O2）中统沉积岩构成。

隧道地貌属黄土覆盖低山区。

隧道围岩主要由第四系上更新统马兰组（Q3m）黄土及中更新统离石组（Q2l）粉质粘土，石炭系上统太原组（C3t）砂岩、泥岩，石炭系中统本溪组（C2b）砂岩、泥岩、灰岩、铝土页岩，奥陶系中统峰峰组（Q2f）石灰岩组成。

隧道进口围岩岩性为奥陶系中统峰峰组（Q2f）中～薄层石灰岩，强～弱风化，层间结合较差，节理发育，受F4断层影响，岩体较破碎，呈裂隙块状结构，自然开挖围岩无自稳能力，岩层产状320∠5°，围岩级别划分为左线Ⅴ级，右线IV级。

隧道出口围岩岩性为石炭系上统太原组（C3t）砂岩及石炭系中统本溪组（C2b）灰岩、泥岩等组成。

强～弱风化，层间结合一般，节理发育，岩体破碎，呈破裂结构，无地下水，自然开挖围岩无自稳能力，围岩级别划分为Ⅴ级。

隧址区实测有两条断层（F4、F6）,为正断层，推测有一条断层（F5）,为逆断层。

勘察期间地表水主要为隧址附近的十二局水库，钻孔未揭露地下水。

隧道进出口工程地质条件较差，进出口围岩级别为Ⅴ级；洞身围岩为Ⅲ～Ⅴ级，工程地质条件一般。

隧址区无不良地质。

表1-1隧道围岩级别及地质状况情况表

段落

洞体围岩特征

结构特征完整状态

地质结构节理裂隙

围岩级别

围岩主要指标

洞体埋深（m）

地层岩性

K0+535～K0+675

7.15～55.28

围岩为奥陶系峰峰组（O2f）中～薄层状石灰岩，强～弱风化，属软岩，无地下水。

受F4断层影响，岩体破碎，呈裂隙块状结构，层间结合差，自然开挖围岩无自稳能力。

节理裂隙发育。

Ⅳ

Vp=1680～3200m/s,Jv=8～10/m

ZK0+500～ZK0+640

6.67～42.83

Ⅴ

K0+675～K1+960

25.00～75.00

围岩为奥陶系中统峰峰组（Q2f）中厚层状石灰岩，弱～微风化，属较坚硬岩，无地下水。

岩体较完整，呈块状体结构，层间结合一般，自然开挖围岩自稳能力较好，爆破震动过大易坍塌。

节理裂隙一般发育。

Ⅲ

BQ=351～365

ZK0+640～ZK2+040

32.04～74.68

K1+960～K2+200

19.28～34.30

围岩主要为奥陶系中统峰峰组（Q2f）中～薄层状石灰岩，弱风化，属较软岩，无地下水。

岩体破碎，呈镶嵌碎裂结构，层间结合一般，自然开挖过程中自稳能力差。

节理裂隙发育。

Ⅳ

Vp=1680～3200m/s，Rc=18.8～41.6MPa。

ZK2+040～ZK2+260

12.92～32.04

K2+200～K2+560

34.30～47.26

围岩为奥陶系中统峰峰组（Q2f）中～厚层状石灰岩，弱～微风化，属较坚硬岩，无地下水。

岩体较完整，呈块状体结构，层间结合一般，自然开挖围岩自稳能力较好，爆破震动过大易坍塌。

节理裂隙发育一般。

Ⅲ

Vp=1680～3200m/s。

ZK2+260～ZK2+500

30.95～52.85

K2+560～K2+650

47.26～50.74

围岩为奥陶系峰峰组（O2f）中～薄层状石灰岩及石炭系本溪组（C2b）砂岩，弱～微风化，石灰岩、砂岩属较软岩，无地下水。

该段属F5断层破碎带范围，岩体破碎，呈裂隙块状结构，层间结合差，自然开挖围岩无自稳能力。

受F5断层影响，节理裂隙发育。

Ⅴ

Vp=1680～3200m/s

ZK2+500～ZK2+600

51.07～56.89

K2+650～K3+620

37.25～74.23

围岩为石炭系本溪组（C2b）砂岩、泥岩、灰岩、铝土页岩等组成，弱～微风化，属较软岩，无地下水。

岩体较较破碎，层间结合一般，呈薄层状结构，自然开挖过程中自稳能力差。

节理裂隙发育。

Ⅳ

Vp=3200m/s，Rc=13.0～61.1MPa。

ZK2+600～ZK3+620

39.85～71.36

K3+620～K3+985

0.00～45.86

围岩主要为石炭系太原组（C3t）砂岩及石炭系本溪组（C2b）灰岩、泥岩组成，强～弱风化，属较软岩，无地下水。

岩体破碎，呈破裂状结构，层间结合一般，自然开挖围岩无自稳能力。

节理裂隙发育。

Ⅴ

BQ=215～230。

ZK3+620～ZK4+075

0.00～42.66

2．编制依据

（1）有关的工程地质勘察报告

（2）有关设计文件、图纸，山西省交通规划勘察设计院

（3）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）

（4）《公路工程地质勘察规范》（JTJ064-98）

（5）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）

（6）《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2004）

（7）《大地电磁测深法技术规程》（DZ/T0173-1997）

（8）《铁路隧道新奥法指南》，铁道部基本建设总局，1988

3．主要预报内容

根据维社隧道施工中可能遇到的主要工程地质问题，并结合当前隧道施工技术，确定该隧道超前地质预测预报的主要内容有：

（1）隧道施工影响范围内的断层及隧道岩相变化带；

（2）隧道设计围岩分级的准确性，为围岩变更提供依据；

（3）其他可能存在不良地质条件的位置段。

4．主要技术措施

目前，隧道地质超前预报有很多方法，受各种条件的限制，不同的预报方法有各自的优缺点。

本工程由于地质条件并不复杂，地质勘察未发现不良地质。

因此，采用TSP超前地质振探仪进行洞内探测的超前地质预报手段，对各级围岩，尤其是Ⅳ、Ⅴ级围岩及断层段进行超前预报，以此指导整个施工过程。

按设计文件要求，根据实际情况，合理选用工程地质调查分析推断法、TSP法、超前地质钻探等方法，预测和探查可能引发灾害的不良地质现象，如断层破碎带、软弱夹层等，及时反馈指导信息化设计与施工，对前方软弱围岩或其它不良地质体提前主动采取相应加固处理措施，有效控制地质灾害，确保隧道施工安全。

同时也应对围岩类别变化的地段，提出或建议优化的支护方案。

本项目采用TSP进行“常规超前地质预报”；对TSP发现的不良地质段（如岩溶、突水、突泥等不良地质条件段），必要时用地质雷达辅助进行“重点预报”以加强预报的准确性；同时，对于已经探明的特殊地质灾害突发地段，应利用超前地质钻探与超前预报相配合，进行“跟踪排查预报”，最终形成采用工程地质调查分析推断法、地质雷达、TSP法、超前地质钻探等进行综合预报的手段，以提高预报的准确性。

5．超前地质预报的主要方法

本项目隧道施工地质超前预报工作内容和需要达到的目的：

（1）资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸。

（2）补充地质调查。

（3）洞内地质调查和掌子面地质素描。

（4）物探方法的选择和现场实施掌子面探测。

（5）探测成果分析。

（6）隧道工程岩体分级。

（7）预报报告的内容及报告的提交。

通过资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸和补充地质调查，确定隧道施工地质超前预报重点段，减少预报的盲目性和预报经费使用的有效性。

洞内地质调查和掌子面地质素描是隧道施工过程中的地质工作，是开展隧道施工地质超前预报的基础工作，也是对隧道设计地质资料的补充和完善，更为隧道运营阶段隧道病害整治提供完整的隧道地质资料。

5.1TSP法

TSP200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。

TSP法是本项目采用的主要方法。

（1）测试仪器

采用瑞士Amberg测量技术公司最新生产的TSP200型（TunnelSeismicPrediction）超前地质预报系统设备。

与TSP202相比，TSP200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TSP200系统组件简图。

图1TSP200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TSP200系统组件标准测量图示。

图2TSP超前预报测量原理

图3TSP200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象。

分析软件的另一功能是将反射波图象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。

5.2其它方法

在TSP法探测到掌子面前方有不良地质情况而又不是很明确时，采用其它方法进一步探明确认。

（1）地质雷达，原理和TSP203一样，不同的是地质雷达采用的是电子雷达波。

因探测结果受读图人员的限制较大，不易搬运，一般用于遂底空洞监测。

其主要措施如下：

1）现场数据采集主要是在掌子面上进行，采集前应对掌子面进行平整处理，使雷达天线与掌子面能有较好的藕合。

2）在掌子面附近应没有其它的金属物体。

3）雷达测线在掌子面上呈“＃”字形布置，测线长度根据天线长度决定，在有限的掌子面上尽可能的长。

4）一般应采取连续观测方式。

（2）水平超前探孔，探测结果直观，隧道前方有水、泥、空洞以及围岩强度情况等极易掌握，设备成本相对较低，操作简单。

目前被普遍采用，学术界和施工人员也都普遍认为这是地质预报最有效的方法。

（3）超长炮孔，在钻爆时，采用拱顶一个边墙各两个（数量视现场情况适当调整）4～5m的超长炮眼，也可探查前方围岩情况。

在施工地质预报工作中，坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探的结合、地质方法与物探方法的结合、长距预报和短距预报方法相结合、物探方法与超前水平钻探的结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿整个施工过程。

事实上，从炮眼和锚杆孔钻进过程中可以了解一些最直接的信息，对于短距预报具有重要的参考价值。

（4）地质素描，又称围岩级别判定，这是判定围岩级别、修正爆破参数、改进支护方案措施的重要依据。

地质素描绘制在表5-1中（见下表）：

阳泉至五台山高速公路阳泉至盂县段工程建设项目

承包单位合同号

监理单位编号

地质素描图

单位工程名称

×××隧道

施工单位

部位

K××+×××

图例：

说明：

填写岩性、风化程度、地下水发育情况，节理产状、颜色、大的构造、断层等，必要时增加超前探孔探测，对隧道开挖前方地质情况预测内容。

施工技术负责人：

记录人：

监理工程师：

6．TSP探测方法实施方案

6.1TSP探测程序

TSP探测的基本程序为：

钻孔布置——施工钻孔——安装炸药——布置设备——引爆炸药——数据采集——数据分析——报告提交。

6.2TSP探测具体方法

TSP-200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。

掌子面

图4观测系统与隧道关系平面示意图

为了顺利地开展TSP系统的测试工作，每次测试前先做好以下准备工作：

（1）保证满足TSP操作的隧道空间，即至少有55米无障碍的（台阶等）、没有施作二次衬砌的隧道空间，为避免探测时的干扰，施测时隧道中要确保没有其它振动源。

（2）准备下列物品：

炮线，即连接雷管与触发器之间的一般胶质导电线，长约65米。

（3）钻孔。

数据采集前，提前完成钻孔工作。

因此，需要准备钻孔机（风钻）及配套的钻头（炮孔用φ38mm和传感器孔用φ45～50mm）。

具体布置如下：

1）爆破孔：

沿隧道一侧洞壁布置24个爆破孔，预报断层构造时爆破钻孔应根据断层走向布置在与断层夹角较小一侧的隧道边墙上。

爆破孔平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m，孔深1.5m（孔深应尽量一致，且必须保证深度），炮眼高度1～1.5米，所有炮眼与接收器的高度应相同。

炮孔垂直于边墙向下倾斜15～200，以利于灌水堵孔。

钻孔完成后应注意保护，防止塌孔。

2）接收器孔：

距最后的爆破点15～20m处设接收器孔（在双侧），上倾5~100，接收器安装孔的孔深1.95m（必须保证深度），内置接收传感器。

接收器与孔壁的藕合必须紧密。

图5为观测系统与隧道关系横断面示意图。

掌子面

图5观测系统与隧道关系横断面示意图

（4）每次TSP探测，需用瞬发电雷管30发（工业8号电雷管），防水乳化炸药4kg（2号岩石乳化炸药），请提前准备。

爆破要求：

遵守《爆破安全规则》的规定：

使用瞬发电雷管；炸药量应大于200米探测距离要求，一般50ｇ左右，最多不大于450ｇ；应保证炸药与炮孔严密藕合，炸药装入后灌水封闭。

（5）炮孔和接收器孔钻孔完毕后用水冲洗干净。

根据地勘资料接露的地质概貌，维社隧道地质情况并不复杂，地下水极不丰富，资料未显示有溶洞、采空区、煤层和瓦斯等不良地质，我部打算在开挖到设计支护级别变化前，已探明和推测存在的地质断层处之前，或开挖过程中地质情况与地勘资料明显不符时，采用TSP超长地质预报手段，进行地质预报，必要时辅以地质雷达等手段作为进一步的探明，以保证隧道施工的安全和经济。

估计探测次数在8~12次。

7．安全措施

（1）探测人员遵守隧道施工有关安全制度，进洞前进行安全教育，提高安全意识；

（2）洞内做好通风、瓦斯检测和灭火等安全措施；

（3）施暴由专职有证人员进行，所有参加探测工作人员听从探测组长的统一指挥；

（4）所有火工材料的储存和使用遵照当地公安部门的有关规定，严格监控。

7．TSP探测组织机构

为保证TSP超前地质预报探测工作的顺利进行，我项目部成立探测工作的专门小组。

组长：

杨昌盛，负责探测工作的总协调。

技术负责：

王浩，负责探测技术工作的安排，探测设备的使用管理，现场技术监督，数据采集、分析，编制探测报告。

现场负责：

刘锡波，负责现场探测准备工作的组织调度。

现场记录：

周鹏，负责探测现场过程记录（包括录像，照相）、资料整理等工作。

现场施工方配合负责人：

李振斌，负责现场所需材料、施工人员、机械的调度与协调。

现场安全：

李生铁，负责探测现场的安全事宜。

探测操作人员：

2人，由技术负责人王浩负责协调安排。

现场准备工作人员：

10人，由现场施工方配合负责人李振斌负责协调安排。

附件：

TSP观测系统设计及准备工作要求