超前地质预报作业指导书.docx
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超前地质预报作业指导书
新建贵阳至开阳铁路
超强地质预报作业指导书
编制：
审核：
审批：
中铁五局贵开铁路工程指挥部第一项目部
二0一0年九月
目录
1．适用范围1
2．作业准备1
3．技术要求1
3.1超前地质预报的内容1
3.2技术方法1
4．施工程序与工艺流程2
4.1施工程序2
4.2工艺流程2
5．施工要求2
5.1地质预报的分级管理与方案设计2
5.2超前地质预报方法4
5.3超前地质预报实施8
6．劳动组织12
7．材料要求12
8．设备机具配备12
9．质量控制及检验12
9.1质量控制注意要点13
9.2地质超前预报规章制度13
10．安全及环保要求13
10.1安全要求14
10.2环保要求14
超前地质预报作业指导书
1．适用范围
适用于中铁五局贵开铁路工程指挥部第一项目部管段联络线LgDK1+200～LgDK9+710、正线DK0+000～DK12+892内隧道超前地质预报作业。
2．作业准备
作业指导书编写后，应在开工前组织技术人员认真学习实施性施工组织设计，阅读、审核施工图纸，澄清有关技术问题，熟悉规范和技术标准。
制定施工安全保证措施，提出应急预案。
对施工人员进行技术交底，对参加施工人员进行上岗前技术培训，考核合格后持证上岗。
检查传感器杆，连接线是否符合相关要求，根据围岩情况准备钻孔及注水机具。
3．技术要求
3.1超前地质预报的内容
⑴不良地质预报及灾害地质预报：
预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议。
⑵水文地质预报：
预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响。
⑶断层及其破碎带的预报：
预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策。
⑷围岩类别及其稳定性预报：
预报掌子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等。
⑸预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化。
3.2技术方法
加强超前地质预报，采用TSP203地震波探测仪或地质雷达、红外线探水仪、地质素描、超前水平钻孔等综合勘探的方法进行探测，超前地质预报是制定施工方案和工程措施的主要依据，也是隧道施工的一道重要工序。
本标段隧道施工中，在重点地段，上述各种预报手段并用，一般地段以地质素描为主。
实行动态监控，信息化施工。
加强对围岩监测，进一步掌握围岩的特性，为施工提供可靠的技术依据。
4．施工程序与工艺流程
4.1施工程序
实施方法：
对于设计提供的不良地质地段，提前50m进行探测。
TSP203地震波探测仪每100m施作一次；HY303红外线探水每掘进循环施作一次；超前水平钻孔（每断面布置五孔，其中一个孔钻取岩芯）30m一个循环，每循环搭接长度5m；地质素描每掘进循环进行一次；地质雷达每30m施作一次。
根据几种探测手段的探测结果进行综合分析，互相验证，提出预测预报意见和工程措施建议，及时反馈，以调整优化设计，进一步改进和完善施工工艺和方法，实施信息化动态施工管理。
补充地质调查是在设计提供的地质资料的基础上，实地调查核实：
不同地层、岩性、岩层产状在隧道地表的出露及接触情况等。
4.2工艺流程
隧道综合超前地质预报的工作流程如图1。
5．施工要求
5.1地质预报的分级管理与方案设计
⑴超前地质预报应实行分级管理，根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，对工程进行地质灾害分级，采取不同地质预报方案。
⑵根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，地质灾害分为以下四级：
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，特殊地质地段，重大物探异常地段，可能产生大型、特大型突水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段，高地应力、瓦斯、天然气问题严重的地段以及人为坑洞等。
B级：
存在中、小型突水突泥隐患的地段，物探有较大异常的地段，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性极小。
⑶地质复杂隧道的预测预报应坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探相结
合、地质方法与物探方法相结合、辅助导坑与主洞探测相结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿于施工全过程。
不同地质灾害的预报方式可采用：
A级预报：
采用地质分析法、地震波反射法、声波反射法、地质雷达、红外探测、超前水平钻探等手段进行综合预报。
B级预报：
采用地质分析法、地震波反射法或声波反射法，辅以红外探测、地质雷达，进行必要的超前水平钻孔。
当发现局部地段工程地质条件复杂时，按A级要求实施。
C级预报：
以地质分析法为主。
对重要的地质（层）界面、断层或物探异常地段可采用地震波反射法或声波反射法进行探测，必要时采用红外探测和超前水平钻孔。
D级预报：
采用地质分析法。
5.2超前地质预报方法
5.2.1地质调查法
⑴地质调查法包括隧道地表补充地质调查和洞内地质素描等。
地质调查法应根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料、洞内开挖工作面地质素描，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，利用地质理论、地质作图和趋势分析等工具，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况。
⑵隧道地表补充地质调查应在实施洞内地质超前预报前进行，并在实施洞内地质超前预报过程中根据需要随时补充。
隧道地表补充地质调查应包括下列主要内容：
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，分析其与隧道的空间关系。
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的重点区段。
⑶地质素描随隧道开挖及时进行，地层岩性变化处、构造发育部位、岩溶发育带附近等复杂、重点地段每开挖循环应进行一次；一般地段每10～20m进行一次。
隧道内地质素描主要内容有:
1）工程地质有以下内容：
①地层岩性：
地层时代、岩性、层间结合程度、风化程度等。
②地质构造：
褶皱、断层、节理裂隙特征、岩层产状；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：
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、膨胀岩和含黄铁矿层等。
⑤人为坑洞：
隧道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：
塌方部位、形态、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存在情况。
2）水文地质有以下内容：
①地下水分布、出露形态，围岩的透水性、水量、水压、水温、颜色、泥砂含量，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，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、暗河等的相关关系。
④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形情况。
发生围岩失稳或变形较大的地段，应详细分析、描述围岩失稳或变形发生的原因、过程、结果等。
4）影像：
对隧道内重要的和具代表性的地质现象应进行摄影或录像。
5.2.2钻探法
⑴在富水软弱断层破碎带、岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等复杂地质地段应采用超前水平钻探预报前方地质情况。
⑵超前水平钻孔每循环钻探长度一般为30～50m，必要是也可钻100m以上，连续预报时前后两循环钻孔应重叠5～8m。
⑶超前钻探钻进过程中，应安设孔口止水装置（或采用防突钻机），防止高压水突出，确保工作人员和机械设备的安全，并使地下水处于可控状态。
孔口管应锚固可靠，可采用环氧树脂、锚固剂，亦可采用HSC浆液或性能相近的TGRM浆液锚固，锚固长度宜为1.5～2.0m，孔口管外端应露出开挖工作面0.2～0.3m，用以安装高压止水球阀。
⑷对于断层、节理密集带或其他破碎富水地层，断面内每循环可钻1孔。
⑸在岩溶发育区，断面每循环应钻3～5个孔，需要揭示溶洞厚度时数量应适当增加，并采用地质雷达等物探手段对溶洞规模、发育特征进行精细探测。
⑹在富含瓦斯的煤系地层和富含石油天然气的沥青质灰岩中，可采用长短结合的钻孔方式将岩体中的有害气体逐渐释放出来。
⑺对于岩溶发育区及裂隙富水区，除采用水平探孔超前探测外，还应结合爆破钻孔作业，加深部分钻孔，其深度应较爆破孔深2～4m。
5.2.3地质分析法
⑴断层参数预测法
利用断层影响带的特殊节理或集中带的分布规律，通过对断层影响带的系统编录所得经验公式，来预报隧洞断层破碎带的位置和规模。
由于大多数不良地质现象与断层破碎带有密切的关系，故依据断层破碎带推断其它不良地质体的位置和规模。
⑵地质体投射法
在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测定不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体透射公式进行预报。
⑶正洞地质编录与预报
隧洞施工中，及时对其开挖面（掌子面、边墙面和拱顶面）上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。
它分为：
①岩层岩性和层位预测法，在开挖面揭露岩层与地表某段岩层为同层和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预测掌子面前方将要出现的岩层；②地质体延伸预测法：
在长期预报得出不良地质体厚度的基础上，依据开挖面不良地质体的产状和单壁始见位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方消失的距离。
其主要内容包括地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护采用方法等。
其优点是占用施工时间很短，设备简单，不干扰施工，成果快速，预报效果较好，而且为整个隧洞提供了完整的地质资料；缺点是与隧洞夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。
5.2.3物探法
物理勘探应根据探测对象的埋深、规模及其与周围介质的物性差异，选择有效的方法，工程中常用的物理勘探方法及适用范围见表1。
表1常用的物理勘探方法及适用范围
方法名称
适用范围
电
法
直流电法
超前探测隧道掌子面和侧帮的含水构造。
高密度
电阻法
探测岩溶、洞穴、地质界线
电
磁
法
甚低频
1.探测隐伏断层、破碎带；2.探测岩体接触带；3.含水构造及地下暗河等。
地质雷达
1.探测隐伏断层、破碎带；
2.探测地下岩溶、洞穴；3.探测地层划分。
地震波法和声波法
折射波法
1.划分隧道围岩级别；2.测定岩体的纵波速度。
反射波法
1.划分地层界线；2.探测隐伏断层、破碎带；
3.探测地下洞穴；4.测定含水层分布；
隧道地震波法（TSP）
1.划分地层界线；2.查找地质构造；3.探测不良地质体的厚度和范围。
瑞雷波法
1.探测隐伏断层、破碎带；
3.探测岩溶、地下洞穴。
红外线地下水探测
1.探测局部地温异常现象；2.判断地下脉状流、脉状含水带、隐伏含水体等所在的位置
⑴物理勘探法具有抑制干扰、能区分有用信号和干扰信号的特点，其主要适用于以下范围：
①对开挖工作面前方和周围较大范围内的地质构造、洞穴、隐伏含水体等的探测。
②被探测对象与周围介质之间有明显的物理性质差异。
③被探测对象具有一定的规模，且地球物理异常有足够的强度。
⑵地球物理勘探有多种方法，应根据探测对象的埋深、规模及其周围介质的物性差异，选用有效的方法。
⑶TSP地震波法适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况，对断层、软硬岩接触面等面状结构发射信号较为明显。
每次预报距离一般为100～150m，需连续预报时，前后两次应重叠10m以上。
⑷地质雷达适宜于岩溶、采空区探测，也可用于探测断层破碎软弱夹层等不均匀地质体。
在完整灰岩地段有效探测长度在25m以内，连续预报时前后两次重叠长度在5m左右。
⑸地震波负视速度法预报面状地质体效果较好，也可以预报具有一定规模的溶洞、洞穴等。
连续预报时前后两次应重叠10m以上。
⑹HSP水平声波剖面法适用于隧道各种地质条件的探测，有效探测距离为50～100m。
连续预报时前后两次应重叠10m以上。
⑺陆地声纳法适合于探查直径大于0.5m的溶洞、溶管等不良地质体，连续预报时前后两次应重叠10m以上。
⑻红外探测法适用于探测前方是否有水及水体存在方位，每次预报有效探测距离约为30m。
连续预报后两次重叠长度应大于5m。
5.3超前地质预报实施
5.3.1地质素描
地质素描随隧道开挖及时进行，本标段隧道内地质素描填写见表2。
表2掌子面地质素描记录表
工程名称：
施工里程：
编号
项目名称
状态描述
1
掌子面
尺寸
开
挖
宽
度
（m）
开
挖
高
度
（m）
开挖
面积（m2）
开
挖
方
式
其它
2
掌子面
状态
稳定
正面掉块
正面挤出
正面不能
自稳
其它：
3
毛开挖
面状态
自稳
随时间松弛、
掉块
自稳困难、要及时支护
要超前支护
其它：
4
岩石强度
（MPa）
30～60
15～30
5～15
＜5
其它：
5
风化程度
微风化
弱风化
强风化
全风化
其它：
6
裂隙宽度
（mm）
＞5
3～5
1～3
＜1
其它：
7
裂隙形态
密集
部分张开
开口
夹有粘土
其它：
8
涌水状态
无水
渗水
整体湿润
涌出喷出
特别大
9
围岩级别
划分
附图
制表：
复核：
现场监理工程师：
5.3.2TSP203地质预报系统实施
TSP203系统在围岩较好地段可测出前方100～200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层等，围岩完整性较差时，预测范围在50～100m之间。
钻孔：
在距离工作面50m处钻深度为1.5m的孔，布置传感器；自工作面起，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，并作好纪录。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
在本标段施工中，TSP203系统在隧道全长范围内按每100m进行预测。
5.3.3红外线探水
HY-303型红外线探水仪可预测掌子面前方20～30m范围内的地下水情况。
操作方法：
进入探测地段时，首先沿隧道一个壁，以5m点距用粉笔或油漆标好探测顺序号，一直标到终点，或者标到掘进面处。
在掘进面处，首先对断面前方探测，在返回的路径上，每遇到一个顺序号，就在隧道中央，分别用仪器的激光器打出红色光斑，使之落在左壁中线位置、顶部中线位置、右壁中线位置、底板中线位置，并扣动仪器扳机分别读取探测值，并作好纪录。
然后转入下一序号点，直至全部探完。
把探测数据输入计算机后，由专用软件绘成顶板探测曲线、底板探测曲线、两壁探测曲线。
根据探测曲线可以很明了的预报出前方地下水的情况。
在本标段施工中，隧道全长每20m采用红外线探水仪探测一次，在断层和暗河地段，适当加密探测频次。
5.3.4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，就需要用地质雷达进行探测。
隧道在遇到暗河、溶洞时，使用地质雷达，在溶岩发育地段，对隧道周壁采用地质雷达探测，预报隧道周围的暗河和岩溶形态。
5.3.5超前钻孔预测
当TSP203系统预报前方有断层、空洞、岩层层理明显时，采用MGY-80和MGY-100A锚固钻机进行超前探孔、XY-2岩芯钻机取芯。
本标段隧道断层破碎带、岩溶及暗河分布在不同地段，地质条件十分复杂。
采用钻孔预测时采取以下方法：
钻孔深度以30m为限，30m以内出现异常情况时，按预定方案实施，钻孔出水，安装压力表及水表，测定地下水的压力和流量。
MGY-80、MGY-100A钻机预测：
30m以内无异常情况时，继续钻孔，深度为50～100m，无异常情况，按正常程序施工，出现异常按预案实施并测定水压和水量。
100m以后的预测则由下一循环钻孔探测完成。
MGY钻机参数为：
最大钻孔深度100m，开孔直径110mm；终孔直径为65mm；带冲击器钻100m约24小时。
取芯8天。
日常的钻孔预测：
在每次钻孔过程中，指定在拱顶、两侧拱腰、两侧边墙脚及仰拱底部附近的1～2个辅助眼加深1～5m，依靠对钻孔速度变化的直觉，判断前方围岩的变化，采用YT-28风钻。
5.3.6特点比较
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，适于做长距离预测；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的不足；红外线探水仪适于判断地下水情况，作业快，干扰少，较准确，但水量水压无法测定；超前水平钻孔基本可以100%的揭示地下水及围岩物理力学性能，但干扰大，用时长，费用高。
在隧道施工中，根据各种方法的特点确定地质超前预报的原则是：
以常规地质综合分析法为基础，TSP地质超前预报系统做长距离宏观控制，地质雷达做近距离判断，红外线探水仪做连续地下水探测，水平钻孔为选做项目，形成综合地质超前预报系统。
6．劳动组织
每工班劳力安排：
仪器操作员
2人
记录员
1人
钻孔装药
6人
注水操作
2人
连线工
2人
电工
1人
专职质量员
1名
专职安全员
1名
7．材料要求
药卷、电雷管、连接线的性能指标应符合探测要求的规定；传感器杆表面光整，无凹凸破损，质量检查合格。
施工用水的水质应符合工程用水标准。
8．设备机具配备
TSP203地震波探测仪
1台
红外线探水仪
1台
锚固钻机
1台
注水泵
1台
YT28风钻
3台
空压机
1台
9．质量控制及检验
9.1质量控制注意要点
⑴采用良好的耦合措施和激发条件，提高有效波质量。
。
⑵采用高精度的触发措施，保证速度参数和时间测量的准确性。
⑶采用高灵敏、高指向性检波器，保证可靠的纵横波分离。
⑷认识管波的影响，处理过程中剔除干扰波。
⑸采取弹性波偏移归位、极化偏振、和空间等相关技术取信息。
⑹资料分析采取源生对比方法，从实际波形分析资料的可靠性。
⑺资料分析利用归位图、衰减曲线、反射系数等多参数取舍。
⑻通过调整对比系数的方法判别主次。
⑼通过分析反射点的分布形态判断地质病害的类型。
⑽通过纵、横波资料的差异性，分析地质病害的性质。
⑾结合隧道施工地质调查，总结规律，提高预报准确性。
9.2地质超前预报规章制度
9.2.1超前地质预报规划
隧道采用TSP203和地质雷达超前预报的，由局指挥部协调，各项目部负责组织实施，专家预报组对预报结果负责；地质素描、红外探水、及超前地质钻孔等超前地质预报各工区自行组织实施并对其结果负责，局指挥部统一监管。
9.2.2超前地质预测预报组织机构建立
10．安全及环保要求
10.1安全要求
⑴施工期间，应对支护的工作状态进行定期和不定期检查。
在不良地质地段，应由专人每班检查。
⑵作业中如发生风、水管路堵塞或爆裂时，必须依次停止风、水的输送。
⑶爆破测试作业时，施作人员必须全部撤离到安全距离以外，方可起爆测试。
10.2环保要求
⑴建立健全文明施工的各项规章制度，对员工进行定期的文明施工教育及文明施工交底，开展争创文明工地竞赛活动。
⑵作业现场保持清洁整齐，产生的垃圾不乱堆、乱放，应存放到指定的地点，做到垃圾日产日清。
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