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
张唐铁路
中铁十二局集团
第六项目部
超前地质预报
编制
复核
接受人
中铁十二局集团张唐铁路第六项目部
二○一○年十一月
超前地质预报作业指导书
一．编制目的
由于隧道地质条件的复杂性和多变性，在勘察阶段要准备无误地确定围岩的状态、特征，并准确预测隧道施工中可能引发的地质灾害的位置、规模及性质是十分困难的。
20世纪80年代以来，在大秦线军都山、渝怀线圆梁山等隧道的施工中，超前地质预报正式地纳入了施工工序，总结了一套行之有效的预报技术，取得了很好的经济效益和社会效益。
为了进一步重视和加强地质超前预报工作，准确掌握隧道开挖掌子面前方地质情况，为施工提供地质参考，合理地选择施工方法和支护参数，确保该隧道施工工作的安全、按期优质完成施工任务，真正将其落实到长大隧道施工的全过程，纳入施工工序，特编制本作业指导书，以确保超前地质预报工作有序开展，并在实践过程中进一步完善预测预报方法的针对性，提高预测预报结果的准确性，及时指导施工和修正工程设计，确定施工方案和措施。
二．编制依据
1新建铁路施工技术规范
2《铁路隧道施工规范》TB10204-2002
3笔架山隧道《实施性施工组织设计》
三．编制范围
苗家营隧道、笔架山隧道、田家村隧道
四．设计概况
铁路等级：
Ⅰ级。
设计行车速度目标值：
列车行车速度120-160km/h。
六．超前地质预报的内容和方法
隧洞施工过程的地质超前预报预测，主要是根据地表和已经开挖的隧洞的地质调查和各种探测方法取得的资料，以及地质推断法预测开挖工作面前方一定长度范围内围岩的工程地质条件。
1.超前地质预报的内容
地质超前预报的内容包括隧道所在地区地质分析与宏观地质预报、隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报和重大施工地质灾害临警预报。
1.1地区地质分析与宏观地质预报
主要预报开挖面前方的围岩级别和稳定性,及时修改设计,调整支护类型,预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。
1.2不良地质及灾害地质超前预报
主要预报开挖面前方岩性变化和不良地质的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。
1.3重大施工地质灾害临警预报
针对开挖面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。
2.超前地质预报的方法
隧道施工地质超前预报主要有传统地质分析法、物探法、超前钻探法、超前平行导坑预报法及特殊地质灾害所采用的相关方法。
预测时根据地质条件的不同，采用一种或几种方法组合综合预报，以工程地质法（包括图析法及地质素描法）进行超前宏观预报为前提，结合TSP203超前地质预报系统、地质雷达、红外线探测仪、超前探孔、超前导洞、经验法等综合手段，分长期预报、中期预报、短期预报三个阶段对隧洞岩体特征、断层、涌水等不良工程地质进行超前预测预报。
施工地质预报是一项系统性的工作，需纳入施工工序。
2.1地质分析法
地质调查与推断是隧道地质超前预报最基本的方法，可以随时进行，不干扰施工。
地质分析法通过收集和分析地质资料、地表详细调查、隧道内地质编录、素描、数码照相等方法，了解隧道所处地段的地质条件，通过对比、论证、推断，预报隧道前方的工程地质、水文情况。
2.2物理探测法
物理探测法是利用物体物性差异进行地质判断的方法。
利用物探技术进行超前地质预报的优点是快速、超前探测距离大、对施工干扰相对小、可以多种技术组合应用。
主要包括有：
a地震波反射法
利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波来预报隧道掘进面前方的地质状况。
现场采集信号时要求没有其它震源。
b红外探测
红外探测建立在红外辐射场的基础上，利用流动水体与周围岩体存在的温度差异，定性评价开挖工作面前方和隧道周围岩体的含水情况，对于流动水体有较好的反映，但孤立的静止水体不明显。
红外探测只能预报地层岩体中有没有水，至于水量大小则无法探明，因而红外探测目前只限于定性预报。
c地质雷达
地质雷达利用高频电磁波在不同电性界面上的反射特性进行探测预报。
隧道内一般金属构件比较多，地质预报要求仪器应有一定的预报长度，因而用于超前地质预报的地质雷达天线应使用低频屏蔽天线。
2.3超前地质钻探
超前地质钻探是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。
它可直接揭示隧道开挖面前方几十米的地层岩性、岩体结构完整程度、构造、地下水、岩溶洞穴填充物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标。
2.4超前平行导坑预测法
在隧道内或隧道附近开挖一平行的小断面导坑，对导坑出露的地质情况进行地质编录、素描、作图，综合分析其地层岩性、地质构造、水文地质情况，根据地质理论预测相应段隧道的工程地质和水文地质条件，以及可能发生地质灾害的位置、性质、规模，并提出防治措施意见。
超前导坑法最为直观，精确度很高。
七．超前地质预报工作组织机构
郝家村隧道的地质条件均较复杂，隧道施工中地质工作尤其重要。
为了更好地完成施工阶段的地质工作，项目部成立超前地质预报预测工作组织机构见下图
（1），地质组根据隧道开挖地质情况的需要，及时联络预测预报专业单位人员展开工作，结合预测预报反馈的信息，强化和监督各下属施工队伍落实指导施工，将其真正纳入施工工序。
配备专职地质管理人员负责隧道的地质工作，施工中配备有经验的地质工程师值班，进行24小时全过程监控指导，确保地质预报工作的及时性、准确性及各项措施的落实。
图1超前地质预报组织机构图
八．超前地质预报工作的工艺流程及操作要点
1.超前地质预报的工艺流程
针对郝家村隧道地质的复杂性和多变性，施工中采取综合超前地质预报的手段，即按照长短结合、上下对照、定性与定量相结合的方法提高前方地质判断的准确性，根据各种探测方法的特点，可分为长距离控制预报、中距离预报、短距离验证预报。
综合超前地质预报工艺流程见下图2，
图2地质预测预报及施工量测工作流程图
综合地质预报主要措施见表1。
大郝家村隧道
措施
位置
地质描述
洞顶及洞壁
左侧洞壁、右侧洞壁、洞顶
掌子面
每10m拍摄一张数码相片计算
物探方法
TSP（断层破碎带）
洞身每次100m
红外探水或直流电法
全洞身每30米测量一次
钻探
单孔水平长钻探（一般钻孔深度可达30～150米）
断层破碎带每250米计划单孔水平钻探一孔。
短钻探（8～12米）
隧道台阶开挖周边范围
测试试验
长期水文观测点（泉、钻孔、沟谷等）
隧道浅埋段
地应力测试点
隧道深埋段
水压力测试
断层段
软岩物理力学、膨胀性试验
按50米计划取样一组
地下水侵蚀性判定取样
每200米取样一组
表1综合地质预报主要措施表
1.1研究既有资料，制定预报方案
首先，研究既有区域地质，工程地质资料，必要时到地表补充测绘，以达到对整个地区地质情况有一个比较全面和深刻的认识。
通过对既有资料的分析和把握，制定预报预案，针对不同地段的地质情况进行地质预报重要性分级，不同级别的地段采取不同的预报手段，以达到既预报准确又节约有限预报资源的目的。
根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，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以及高地应力、瓦斯、天然气问题严重的地段以及人为坑洞。
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，发生突水突泥可能性较小。
D级：
非可溶性地段，发生突水突泥可能性极小。
根据不同的地质灾害分级，针对不同类型的地质问题，选择不同的方法和手段开展超前地质预报。
不同地质灾害地段的预报方式为：
A级预报：
采用地质分析法、地震波反射法或声波反射法、地质雷达、红外探测、超前水平钻探等手段进行综合预报。
首先以地质分析法进行长距离预测预报，然后采用中长距离地震波反射法或声波反射法和一种或几种短距离物探方法相结合进行预报，同时进行多孔超前钻探探查验证。
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。
例如在岩体破碎、渗水量大地区，应采用A级预报方式。
1.2长距离预报
长距离预报主要采用地质分析法，根据地面测绘和其它基础资料对隧道通过区的地质界限、地层岩性、地质构造、围岩级别、富水规模、岩溶发育规律及特征、其它不良地质及特殊地质发育情况进行长距离、宏观预测预报，在隧道穿过断层大断裂时在洞身水平方向上采用TSP203超前地质预测预报系统进行长距离100～150m的预报，采用100m的成果。
1.3中距离预报
在隧道穿过小型破碎带时采用仪器（地质雷达、红外探测仪、）和超前地质钻孔进行验证预报。
1.4短距离预报
在隧道正常施工时采用地质素描法和采用加长炮眼孔进行的距离小于30m的预报。
在长距离物探显示异常区，要考虑对洞身前方进行全方位空间探测，采用8~12m短探孔，探孔成放射形布设。
2超前预报工作相关的操作要点和要求
2.1利用工作面地质素描预报
地质素描在隧道施工全过程中进行，包括正洞、平导、辅助导坑及掌子面素描，其主要内容包括：
a工程地质
1）地层岩性，包括地层时代、岩性、岩体产状等；
2）断层，包括断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分，并进行断层带岩体的稳定性评价；
3）节理，包括节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特征、力学性质、分析其组合特征、判断岩体的完整程度；
4）塌方，应记录塌方部位、方式与规模及其随时间的变化特征，并分析产生塌方的原因。
b水文地质
1）出水点位置、出水状态、水量、水压、水温、颜色、泥砂含量测定，必要时进行长期观测；
2）水质分析，判定水对建筑材料的腐蚀性；
3）出水点和地层岩性、构造等的关系分析；
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的关系；
5）必要时建立涌突水点地质档案。
c摄像和影像
对隧道内重要的和具代表性的地质现象进行摄像和录像。
结合上述各方面资料的收集，综合分析开挖掌子面和洞身周边围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，判断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并依此提出工程措施建议和进一步预报的方案。
根据开挖段围岩的工程地质、水文地质特征进行预报结果的验证，提出是否修改预报方法及参数的意见。
根据开挖段及开挖面水文地质情况，提出注浆止水方案的建议。
2.2TSP203超前地质预报系统超前探测
隧道掘进过程中，每开挖100m通过TSP203对开挖前进方向进行中长距离（100～150米）预报，对一定规模的断层破碎带进行预报。
2.3工作面地质钻孔探测预报
在隧道施工通过断层破碎带段每开挖30m，利用超前水平地质钻孔对开挖前进方向进行30～150m的钻探。
正洞除严格按照在断层破碎带施做超前钻孔外，还应结合超前探测结果的异常段，按地质人员要求增设钻孔。
例如，在破碎渗水异常地段的超前地质预报运用短探孔，对洞身前方进行全方位空间探测，钻探成放射形布设，钻探长度约8~12m。
通过这种加密钻探，能对隧道开挖断面周围岩溶形态的全方位揭露后指导我们采取处理措施，及时避免隧道不良地质造成的隧道衬砌结构不对称荷载，避免隧道在运营过程中结构不稳定性因素的产生。
钻探横纵向布置图如下（图3、图4）：
图3横断面钻探布置图
图4纵向钻探布置图
在钻探后，认真填写钻探记录如下表2，为地质专业人员进行预报分析和结构工程师进行结构计算提供第一手资料。
编号
时间、地点
（里程）
位置/钻探角度
钻探长度
钻探结果（水、钻探材料说明）
1
根据实际填写
根据实际情况决定
8~12m
根据实际情况填写
2
3
…
表2隧道周边短钻探记录表
2.4红外线探水探测
在隧道施工通过断层破碎带可能发生涌水地段每开挖15～30m，对开挖面前方施作一次红外线探测技术，对地下水进行预报。
2.5加深炮孔探测
由于隧道开挖炮眼数量较大，且风钻打眼比较方便，在每循环掌子面对其中的几个炮眼加深至5~8m作为预报探测孔，实践证明会收到很好的效果，可探明掌子面前方地质情况，使掌子面前方总有3~5m以上的岩盘，避免或减少隧道突泥突水事故的发生。
2.6其它地质工作内容及方法
a断层破碎带形态调查
调查断层破碎带的地貌、地形、规模及其分布位置、高程、延伸方向、涌水量大小情况。
b地表监测
依据提供的工程地质、水文地质图，暂定隧道中线两侧各1.5公里对浅埋区或沟谷进行监测。
监测内容主要为水量、水温、水压、水质的变化以及当地的气象与降水。
监测手段主要为测量、摄影、笔记等。
c洞内监测
用数码摄像机将开挖后、没有支护以前的隧道侧壁进行摄像,通过编辑,制成具有里程标志的连续的影视资料，从而分析地层节理、裂隙的变化情况。
随着隧道施工进展，通过测试窗量测裂隙，即在洞壁画定一定面积，对节理进行统计，计算隧道围岩的渗透张量；尝试通过裂隙的统计预测断层破碎带连通导水性出现的概率。
进行涌水动态的实时监测，包括涌水点的空间分布、单点涌水量、涌出压力、涌出机制和涌水的化学与同位素化学特征等。
以10天为单位进行长期观测，根据地下水的动态变化，间接地判断工作面前方的地质情况是否变化，尤其重点观察大涌水点和集中的出水点。
随隧道的施工进度，对隧道工作面气温及水温进行监测，编制进度气温、水温变化曲线，预测前方地温变化。
通过岩石的物理力学特性试验数据，对隧道所揭露的地层，隧道围岩级别进行分析、判断。
当开挖面前方的自重应力，接近或等于岩爆临界应力值时，对前方围岩进行原位应力测试，做出岩爆评估。
d必要时采用超前导坑法进行开挖，揭示地质情况。
九．地质信息收集处理与综合判析
超前地质预报要建立一个地质信息系统，通过各种方法收集地质信息，进行综合分析、判断，编制信息预报成果由主管技术人员予以复核，并报设计、监理，为变更设计、为施工提供决策依据，及时调整施工方法和支护参数。
经分析、整理的地质资料作为施工技术资料存档。
采用新的施工方法和支护参数后，有从施工过程中获取新的地质信息，更新地质信息系统，经处理后，再一次反馈给施工，如此往复，形成地质信息系统化。
地质综合判析是综合超前地质预报方法的中枢，它对所有的各种预报手段获得的资料进行归纳、分析、对比，提出最终预报结论和工程措施建议，指导施工。
综合分析探测报告，内容包括工作概况、采用的各种预报手段及预报结果、相互印证情况、综合分析预报结论、施工方法和施工技术建议。
超前地质预报结果应体现及时性，有异常情况应及时通知决策部门和施工，及时采取措施，使不良地质体始终处于可控状态。
十．地质预测及预报工作的特点及存在的问题
1.地质预测及预报工作的特点
隧道施工地质超前预报的特点：
①围岩揭露范围小，难以观其全貌；②探测作业空间小，限制了探测手段的应用，这主要表现在探测手段选择和测线布置两方面；③探测与施工难以并行。
特点见表3
分分类
方法
能源
原理
适用条件
优点
缺点
预报距离
影响因素
直
接
常规地质素描综合判断法
工程师
地质工程师根据肉眼观察及结构面产状、地下水出露等地质信息，运用地质理论和自己的经验判断进行地质评价与预报
任何地质条件，是基础工作。
结论可靠，投入较少，占用时间较少
需要专业地质工程师，劳动强度大，效率低,结论依赖经验
不大于5m
环境光线、断面积、经验、观察工具等
数码成像技术
可见光
用可见光对开挖面进行摄影，通过对影像的处理与有用信息提取，在地质力学理论基础上进行预告分析
任何地层
信息采集效率高、过程可视化，数字信息便于计算机处理
目前尚不能对竖曲线坡度大于10°的隧道进行探测
15m
环境光线、经验等
水平地质钻探
钻机
用钻机钻取探测地岩芯编录
任何地层
结论直观、可靠
需大型钻探设备，占时多、一孔之见
150m
岩芯采取率、探测距离等
平行导坑
挖掘平行导坑
与正洞开挖方向一致，平行超前开挖一个横断面较小的隧道，以探明正洞左（右侧）的地质条件，以此推断正洞的地质条件
较完整的硬岩地层
结论直观、可靠
工程量及投资大，垂直钻进方向探测范围小，易揭穿水、气层
断层参数法
人工
据地质力学理论与统计经验式，进行断层带分析预报
倾角小于30°的近水平岩层
简便，不需设备
需要地质力学知识与丰富的实践经验
经验与技术水平
间
接
TSP系列
400~500Hz机械波
利用波动在界面产生反射波的原理，据走时与波速确定结构面位置。
块裂岩体
集探测、分析于一体，操作简单、成果直观，可获得围岩动力学参数值
不够灵活，探测成本高，对近隧道轴向及水平界面无效
约150m
测线布置、装置参数、炸药爆速及经验
地质雷达
50～900MHz电磁波
据电导率的差异性利用回波原理进行不同介质边界的探测。
任何岩体
分辨率高，频带宽，探测成果直观
探测环境要求较高，需多次重复探测。
30～50m
测线布置、发射主频、经验
红外探测
λ＞700nm电磁波
利用红外辐射场强的差异进行不同地质体的探测。
包含大型充水结构的地层
测线布置灵活，对水体较敏感，可进行全方位探测
对经验的依赖性突出，需多次试测。
30～50m
测线布置、环境温度
表3各种隧道超前预报方法的特点及比较
2.地质预测及预报工作存在的问题
2.1探测手段具局限性
钻探法：
钻探法的特点是揭露地质体，直接观察掌子面前方地质条件，属于接触式探测，其优点是直观、可靠，但范围小（一孔之见），且对于探测到大量水体及含气层时极易同时产生地质灾害；地质素描：
围岩揭露范围小，作业环境差，缺少快速高效的手段。
使用地质罗盘等手段工作效率不高，工作成果不足以达到分析所需的信息数量与质量。
物探法：
探测范围受限，使得探测成果只是测区内全部探测对象的子集；试测工作往往不能得以进行，降低了探测成果的质量；远距离探测手段的分辨率尚不能满足施工要求；各探测手段对原始探测资料的处理方法（信息的提取技术）不同，难以进行相互比较和综合利用；某些探测手段抗环境干扰能力不足，以致应用效果不佳（如地质雷达、红外探水）；对地质预报信息的挖掘不足，一些探测信息没有被充分利用。
2.2地质灾害预报差距较大
探测与预报分离：
目前的地质预报工作多是将物探成果直接作为预报成果进行提交，不对发生地质灾害的可能性进行进一步的分析判断，地质预报效果不好；各种预测报告提供的信息水平不一，预报的内容只提供异常体的里程，而未对不良地质体的性质、空间展布、规模及工程危害性给予分析，基于经验之上的预报现状难以为施工直接利用；预报停留在对探测成果的解释层面上，信息的挖掘与对比工作欠缺；预报工作没有与施工过程结合起来；水量及水压的预报缺乏有效的理论和技术支持。
2.3预报效果的检验方法粗放不够科学
由于上述问题的存在，目前预报效果的检验仍限于开挖揭露后的人眼判断，内容仅为该里程是否出现预报内容和简单统计上，缺少检验指标与检验标准，科学性较差。
十一．超前地质预报的机具设备
主要机具、设备、仪器见表4，一般通过引进探测专业队伍来满足。
表4主要机具、设备、仪器
项目名称
设备名称
性能
数量
地质素描
地质罗盘
能测岩层、构造面产状
视需要
地震波反射预报
隧道地震波超前地质预报仪或普通地震仪
能探测50m甚至100m以上
1台
声波反射法探测
声波仪
能探测50m以上
1台
红外探测
红外探测仪
能探测20~30m范围
1台
直流电法探测
直流电法仪
能探测80~100m范围
1台
地质雷达探测
地质雷达
能探测20~30m范围
1台
地质钻探
地质钻机
钻孔深度5~100m范围
视需要
同时兼顾地质分析、红外探测、地质雷达探测、地震波反射法或声波反射法探测、钻孔岩芯、岩粉的鉴定及孔内情况的监测，但这需要复合型专业人才，一般情况下若几种预报手段同时进行，还需要各负其责。
施工劳动组织安排如表5所示。
表5施工劳动组织
工种
人数
职责
技术工人
工人
地质素描
2
无
负责地质素描及地质资料的编制
地震波反
射法探测
2
1名爆破工
1名普工
负责地震波反射法探测现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写
声波反射
法探测
2
2
负责声波反射法探测现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写
红外探测
2
无
负责红外探测现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写
直流电法探测
2
2
负责直流电法探测现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写
地质雷达
2
3
负责地质雷达现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写
地质钻探
1/班
3~6人/
（班·钻机）
负责钻机、钻孔定位、施钻，岩芯、岩粉的鉴定、孔内情况的观测及钻孔报告的编写
地质综合判析
1~2
无
负责对以上预报资料归纳、分析、对比，提出预报结论，指导施工，并对以上各预报手段提出下步计划。
十二．质量要求
超前地质预报目前还无国家、行业、地方标准、规范等，还属于半科研、半生产项目，在施工中不断总结经验教训，不断完善地质预报理论，提高预报准确性。
在超前地质预报的实践中，有以下的质量要求：
物探及超前钻孔预测，隧道掘进工作面后方必须满足足够的施工空间；地震反射法或声波反射法应当宏观控制掌子面前方50m~100m范围内软弱围岩发育的范围和里程；红外探测当能判定掌子面前方20m~30m范围内有无地下水存在；超前地质钻孔可以比较直观地揭示掌子面前方的地质情况，对地下水发育段隧道开挖面周边的溶洞揭示采取8~12m段钻探；用地质理论和作图法可以通过平行导坑预报正洞地质情况；通过对以上探测结果的综合分析，能够比较准确地预先探知掌子面前方不良地质体的存在。
十三．安全措施
地震波反射法现场采集数据使用很高的高爆速炸药，危险性大，应由专业爆破工操作。
钻机使用高压风、高压水，管路应连接安设牢固，并应经常检查，防止管接头脱落、管路爆裂，高压水伤人；高压电路接线应由专业电工操作，一般人员不得操作。
进洞应戴好安全帽、穿防高压电的雨靴，注
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