圭川溪隧道超前地质预报方案.docx
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圭川溪隧道超前地质预报方案
杭黄铁路工程
TA1-2施工方案报审表
施工合同段：
新建杭黄铁路先期段HHXQZQ-1编号：
致:
北京铁研建设监理有限责任公司杭黄铁路监理I标项目部：
我单位根据施工合同的有关规定已编制完成圭川溪隧道出口超前地质预报实施方案，并经我单位技术负责人审查批准，请予以审核、批准。
附：
圭川溪隧道出口超前地质预报实施方案。
承包单位（章）：
技术负责人：
日期：
专业监理工程师意见：
专业监理工程师：
日期：
总监理工程师意见：
项目监理机构（章）：
总监理工程师：
日期：
注：
本表一式4份，承包单位2份，项目监理、建设单位各1份。
新建杭黄铁路先期段HHXQZQ-1标
圭川溪隧道出口
超前地质预报实施方案
编制：
复核：
审核：
批准：
中铁隧道集团有限公司
杭黄铁路站前Ⅰ标项目经理部
二〇一四年十一月
目录
1、编制依据1
2、工程概况1
2.1工程简介1
2.2技术标准1
2.3地震动参数1
3、地质条件1
3.1地貌地形1
3.2气象特征1
3.3地层岩性2
3.4水文地质2
3.4地质构造2
3.5整体地质分析与判断2
4、超前地质预报方案3
4.1圭川溪隧道出口正洞超前地质预报工作量4
4.2地质超前预报方法4
4.3各种超前地质预报方法及特点7
4.4隧道地质超前预报等级及方法选择8
4.5隧道超前地质预报的内容9
4.6超前地质预报实施方案及措施9
5、组织机构及人力、设备资源计划16
5.1组织机构16
5.2超前地质预报的机具设备17
5.3人力资源组织17
6、质量要求及安全措施17
6.1质量要求17
6.2安全措施18
7、成果资料编制的内容与要求18
7.1资料整理要求18
7.2成果资料编制内容18
8、工作制度19
9、地质预报的成果验证及总结19
9.1超前地质预报成果的验证19
9.2技术总结要求19
10、其它20
圭川溪隧道出口超前地质预报方案
1、编制依据
（1）铁路隧道超前地质预报技术指南（铁建设【2008】105号）及国家和铁道部相关标准；
（2）经专家论证的《圭川溪隧道安全专项施工方案》；
（3）设计图纸及相关规范。
2、工程概况
2.1工程简介
圭川溪隧道地处圭川溪山脉西南的中低山区，隧址起于浙江省淳安县屏门乡，止于徐家村，隧道起讫里程DK194+905-DK201+768，全长6863m。
隧道设置1座横洞斜井，位于屏前村附近，长232m。
2.2技术标准
本隧按250km/h双线隧道设计。
隧道建筑限界及衬砌内轮廓采用《高速铁路设计规范（试行）》“图1.0.6高速铁路建筑限界轮廓及基本尺寸”，隧道衬砌内轮廓采用《高速铁路设计规范（试行）》“图8.2.5-1250Km/h双线隧道内轮廓”，线间距为4.6m，轨面以上断面有效面积为92m2。
本隧道按照新奥法组织施工，光面爆破，锚喷网初期支护，模筑混凝土衬砌结构。
2.3地震动参数
测区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。
3、地质条件
3.1地貌地形
隧址区剥蚀中低山区，山势陡峻，地势北高南低、沟谷纵横、植被较发育、灌木杂草丛生，基岩多裸露。
隧道经过区域最高山峰的标高1141m，隧道出口标高约400m，出口标高约360m，最大埋深约740m，自然山坡坡度一般10°-70°不等。
3.2气象特征
隧址区地处亚热带季风气候区的北缘，由于森林覆盖率高，以及千岛湖水面的调节作用，气候温暖湿润，一年四季分明，年平均气温为17℃，极端最高气温41.8℃，极端最底气温-7.6℃，3-6月为雨季，年平均降水量为1430mm。
3.3地层岩性
隧道区出露的地层岩性主要为寒武系下统荷塘组，震旦系上统皮园村组（Z2p）,震旦系上统蓝田组（Z2l）震旦系上统雷公坞组（Z2l），此外还有地表分布的第四系。
3.4水文地质
（1）地表水：
本区水系发育，新安江、富春江的支流遍布全测区，形成树枝状，网路状密集水系，小河、小溪均长年流水不断。
由于植被发育，山地基岩被松散土体覆盖，主要为薄层残坡积物覆盖，地表水相对较少。
隧道所处部位属于圭川溪南麓，地表水的径流方向为新安江、富春江。
（2）地下水：
主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、构造裂隙水及岩溶水。
隧道预测最大涌水量60519m3/d，总体属于中等富水区。
3.4地质构造
隧址区所处大地构造属于扬子准抵台，地台盖层褶皱形成于加里东-印支期。
圭川溪隧道处于该时期形成的休宁深断裂与马金-乌镇深断裂为边界的浙皖陷褶皱断带之鲁村-麻车阜复式向斜的北西翼。
该区区域构造作用强烈，形成一系列线性、紧密、同斜倒转褶皱及逆冲和斜冲断层，并伴随有较强烈的岩浆活动。
构造总体走向以NE向为主。
隧址区地质构造主要特点是，本标段线路在隧址区虽与断层、褶皱的走向呈较大角度相交，由于褶皱面扭曲、歪斜不对称（造成部分或局部顺层），断层面波状起伏、宽度倾向变化复杂，软弱结构面（节理裂隙、层面构造）和软弱夹层进一步破坏而更加脆弱。
隧道区位于区域性北东东向休宁深断裂与北东向马金-乌镇深断裂之间、鲁村-麻车埠复式向斜的西北翼，受区域断层与区域复式向斜的影响，隧道范围之内，断裂构造发育；区域断层有2条与线路相交，断层走向主要有北东向和北西向。
圭川溪隧道断层见表3-1。
表3-1圭川溪隧道断层一览表
断层名称
断层里程
与线路夹角
断层影响
F1
DK197+460
90°
岩体破碎，构造裂隙水较发育
F2
DK199+000
60°
岩体破碎，构造裂隙水较发育。
圭川溪隧道不良地质主要为岩溶、断层破碎带、高地应力、软岩大变形等。
3.5整体地质分析与判断
3.5.1意义
施工中对整体地质分析与判断从而降低安全风险，首先对隧道围岩岩性、地质构造、节理发育程度、水文地质条件有个初步的认识，根据设计文件和对地表现场调查的资料，确定对隧道工程地质条件有影响的主要构造和不良地质构造。
在施工中通过采取综合地质超前预报措施进一步确认，制定有针对性超前预报和开挖、支护及应急预案，加强过程控制，从而降低施工安全风险。
3.5.2围岩级别
根据隧道沿线岩土分析，出口工区承担施工段落内隧道围岩级别分为Ⅲ～
级，其中Ⅲ级围岩702.5m，占38.5%；
级围岩长880m，占48.3%；
级围岩长238m，占13.1%，工程地质条件一般。
3.5.3不良地质及特殊岩土
本隧道不良地质主要表现为断层、向斜、软质岩和硬质岩段高地应力。
圭川溪隧道不良地质主要表现为断层、向斜、软质岩段高地应力，局部地段可能存在岩溶和瓦斯。
隧道穿越断裂破碎带，高应力区段开挖过程中可能发生岩爆，极高地应力区施工过程中产生大变形，出口段含有石煤层可能存在瓦斯；本隧道不良地质主要为可溶岩，不良地质段施工风险高，如何确保安全顺利穿越不良地段施工为本标段隧道施工安全控制重难点。
圭川溪隧道穿越2条断层破碎带，有6段可能发生岩爆，DK198+155-DK199+780、，DK199+840-DK200+660为高应力区，可能发生大变形。
4、超前地质预报方案
根据地质资料，圭川溪隧道构造复杂、岩溶发育，断层及节理裂隙发育、岩体破碎，部分段落埋深大，若软岩多，施工期间可能发生突水、涌泥、岩爆、大变形等隧道工程地质问题。
隧道掘进时必须进行超前地质预报，并作为工序纳入施工组织管理，提前探测地质条件的变化，根据地质情况采取合适的预加固措施和施工方法，确保施工顺利进行。
施工期间，全隧开展超前预测预报工作，并重点针对突水、涌泥、岩爆、大变形工程地质问题进行超前预报工作。
隧道施工超前地质预报以地质分析法为基础，针对不同地段地质情况和预报目的，选择有针对性、适用性强的方法和设备，采用一种或几种方法的合理组合，达到预报基本准确、费用低、占用时间少的目标。
对重大物探异常地段应采用钻探验证，以取得准确数据指导施工。
为及时调整施工方案及预防地质灾害发生提供基础资料，从而降低地质灾害的发生几率和风险，指导隧道施工顺利进行。
采用地质调查法，做好超前地质预报。
地质调查法根据隧道已有勘查资料、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工具，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况。
4.1圭川溪隧道出口正洞超前地质预报工作量
圭川溪隧道出口超前地质预报设计工作量将表4-1。
表4-1圭川溪隧道正洞超前地质预报分段划分表
序号
起始里程
终止里程
地质复杂程度等级
长度
超前地质预报计划工作量
正洞
地质素描
弹性波反射法
地质雷达
超前钻孔
加深炮孔
TSP203或TGP12
m
m
m
m
m
m
1
DK194+905
DK195+290
中等复杂
385
385
385
39
642
7700
2
DK195+290
DK195+330
中等复杂
1040
1040
1040
104
1248
20800
3
DK195+330
DK197+050
中等复杂
720
720
720
72
864
14400
4
DK197+050
DK197+410
中等复杂
360
360
360
36
432
7200
5
DK197+410
DK197+630
复杂
220
220
242
286
1100
9350
6
DK197+630
DK198+295
简单
665
665
0
0
0
1995
7
DK198+295
DK198+850
简单
555
555
0
0
0
555
8
DK198+850
DK199+130
复杂
280
280
308
364
560
0
9
DK199+130
DK200+170
中等复杂
1040
1040
1040
104
1040
0
10
DK200+170
DK200+370
中等复杂
200
200
200
20
200
0
11
DK200+370
DK200+690
中等复杂
320
320
320
32
320
0
12
DK200+690
DK201+430
中等复杂
740
740
740
74
740
0
13
DK201+430
DK201+768
中等复杂
338
338
338
34
338
0
圭川溪隧道总计
6863
6863
5693
1164
7304
62000
4.2地质超前预报方法
（1）地质复杂隧道的预测预报坚持隧道洞内探测与洞外地质调查相结合、地质方法与物探方法相结合，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。
隧道开挖前要编制超前地质预报实施细则，内容包括超前地质预报实施方案、分段预报内容、方法及技术要点，并包括气象、地下水位等观测计划和观测技术要求。
在隧道开挖前应进行隧道中线地面踏勘，了解隧道中线地面山体地质构造特点，为下一步洞内超前预报提供参考。
本隧道主要为统坡残积粉质黏土、冲洪积粉质黏土、坡残积细角砾土，泥岩、灰岩、侵入辉绿岩和沿断层带发育压碎岩，在本隧道除Ⅱ级围岩地段外用TSP地质预报全程覆盖。
再根据地面踏勘与TSP地质预报情况，在接近地质不良地段30米前采用超前水平钻探作进一步确认，据此采取预防措施以保证施工安全。
（2）地质资料数据采集系统
除用传统的地质法外，该隧道拟采用数码相机、摄影等工程地质数据采集和编录系统。
长距离超前预报（100～150m）：
用TSP203地震波探测仪进行地质预报，该预报需全隧道覆盖；
中距离超前预报采用地质钻机（100～150m）、地质雷达扫描（20～30m）等进行超前地质预报，与TSP203超前预报结果互相验证；
短距离超前预报（5～7m）：
采用加长钻杆钻进行扇形探测，进一步验证前方地质情况；
资料处理系统：
对编录和探测资料快速整理分析；
超前预报系统：
对超前探测处理的资料与原有地质资料进行对比分析，以便能迅速、准确做出判断并反馈，及时预报可能出现的地质现象，用以指导施工。
（3）超前地质预报流程（如图6-1）
图6-1超前地质预报流程图
4.3各种超前地质预报方法及特点
4.3.1地质调查法
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查资料、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。
隧道地表补充地质调查应在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。
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。
4.3.2超前水平钻探预报
在富水软弱断层破碎带、重大物探异常区等复杂地质地段采用超前水平钻探预报前方地质情况。
超前水平钻孔每循环钻探长度一般为100～150m,连续预报时前后两循环钻孔应重叠5～8m。
超前钻探钻进过程中，在富水地段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。
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。
并对水压、水量变化、出水情况进行记录、描述和分析。
4.3.3TSP地震波法
TSP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反射信号较为明显。
TSP－203能探测工作面前方存在的断层、破碎带。
并能查明前述不良地质体的位置和规模，能判别不同类别围岩的分界线，并提供相应岩层的地质力学参数（杨氏弹性模量、泊松比等）。
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。
4.3.4地质雷达法
地质雷达法可用来探测本隧道地段断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体。
有效探测长度在25m左右，连续预报时前后两次重叠长度在5m左右。
4.3.5特殊地质情况及预报手段
对于设计所示断裂带采用如下表所示预报方法及处理措施。
如遇有与设计地质情况不符或地质情况突变等条件下，必须采取超前地质预报等手段予以确认，并根据地质预报情况采取相应的措施确保施工顺利进行。
4.3.6地表地质调查
随着隧道施工的掘进，对地表沿中线进行调查，地表调查应超前隧道施工；对地质构造、岩性在隧道地表的出露及接触关系，细化至隧道正洞及平面施工里程；进一步确认岩溶、断层、节理发育地带等不良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；对地表沟渠、低洼地、河流走向和高程等与隧道的空间关系进行分析。
4.3.7超前地质预测成果
综合以上手段对掌子面前方一定范围（约5～30m）的地质条件进行预测、预报，每一开挖循环，均应进行一次，定期形成预报成果报告。
4.4隧道地质超前预报等级及方法选择
4.4.1隧道地质超前预报等级
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、导水性良好的断层破碎带，特殊地质地段，重大物探异常地段，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地段以及采空区等。
B级：
主要针对中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂带等。
C级：
主要针对水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段，发生突水突泥的可能性较小。
D级：
非可溶岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性极小。
6.4.2.隧道地质超前预报方法的选择
根据现场实际情况及本集团公司现有的设备、工法、科技成果等，本隧道主要选用TSP地质超前预报技术、超前水平钻孔、地址素描方法进行地质超前预报，必要时辅以地质雷达、红外探水。
同时将几种方法有机结合、综合应用，发挥各自长处，相互补充、相互验证，从不同方面发现异常、揭示异常，组成地质超前预报完整的技术体系
A级预报：
采用地质素描、隧道地震超前预报仪（TSP）、超前水平钻探等手段综合预测。
首先以长距离TSP和一种或几种短距离物探方法相结合进行预测，同时进行多孔超前钻探探查。
局部复杂地段，开展多种短距离物探探测等多种方法综合预测。
B级预报:
采用地质素描，TSP，地质雷达，进行必要的单孔超前水平钻。
当发现局部地段较复杂时，则按A级要求实施。
C级预报：
以地质素描为主。
对重要的地质（层）界面、断层或物探异常可采用TSP进行探明，单孔超前钻探。
D级预报：
采用地质素描。
4.5隧道超前地质预报的内容
隧道超前地质预报的内容主要是提前预探预测待施工段围岩岩性、节理构造情况、围岩整体性情况、风化软弱程度、裂隙水情况等，对于可能出现的隧道围岩突变、断裂、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定，不良地质体位置及产状的确定，岩体工程类别的识别等。
4.6超前地质预报实施方案及措施
4.6.1TSP超前地质预报法
（1）TSP超前地质预报法的预测预探内容
隧道地震波超前预报技术翻译成英语是“TunnelSeismicPrediction”，简称“TSP”。
在我国《客运专线铁路隧道施工技术指南》的第5.0.8条使用了“TSP”缩写词。
TSP技术即隧道地震超前预报技术。
TSP隧道地质超前预报主要解决的问题是：
隧道断裂、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定；不良地质体位置及产状的确定；岩体工程类别的识别等。
施工中，已超前地质预报收集的围岩信息，指导施工，确保施工安全。
（2）TSP隧道地质超前预探的原理
隧道地质超前预报工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的。
隧道地质超前预报的原理见图4-2。
图4-2隧道超前地质预报原理图
图二中隧道上方和下前方会形成地震波反射，是因为岩体中存在的岩性变化带和构造破碎带，其介质的密度和其传播弹性波的速度乘积，与正常岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积具有明显的差别，像玻璃的背后附有水银会反光一样。
岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积物理学中称为“声阻抗”，岩体中界面两侧介质“声阻抗”的差异越大，其界面上反射地震波的能力越强，反之亦反。
界面与隧道轴线交角不同，仪器屏幕上采集显示的反射波同相轴形态会表现出不同，参见图6-3、图6-4、和图6-5。
以上图件可以看出岩体病害界面与隧道轴线的交角不同，地震反射波同相轴形态会具有明显的差别。
超前预报的物理基础是根据获得的地震波形态变化实现预报。
这里列举的图形完全是理想化的表现模式，实际工作中采集到的地震波信息是错综复杂的。
（3）TSP超前地质预探实施方案
①仪器及设备
TSP隧道地质超前预报系统：
TSP型仪器主机、接收传感器、孔中定位安装工具和电缆等，处理软件。
直流12伏电瓶及相应直流充电器1个
2号黄油2桶20L
单根电线200米
卷卫生纸。
10卷
②准备工作
a.组织安排
预报检测人员进洞布置接收和激发的孔位，用红色油漆毛笔准确标注在隧道的洞壁上。
对于接收孔标明里程桩号，对于激发孔（放炮孔）的起始孔标明里程桩号。
按要求进行钻孔，一般孔深2m，纵向间距2m左右。
钻孔完毕后，预报人员要先进洞对孔深、孔径、和孔数进行验收，对于不合格的孔进行补钻。
预报工作尽量少占用隧道作业时间，提高速度的重要环节之一是，预报检测人员要进行现场布孔和检测钻孔的质量两个环节。
现场钻孔检查，用大于2米长度的木杆或者塑料管检查炮孔是否满足深度和倾斜要求，检查接收孔是否采用50毫米钻头打孔和孔深度为2米。
准备工作做好了，进洞即安排预报采集工作，可以大大缩短占用隧道的时间，一般现场预报测量应该控制在不大于1个小时以内完成。
如果忽视准备和检查工作，进洞安置接收探头和安装炸药时发现问题，再进行补钻将会延长占用隧道的时间和影响施工。
b.布孔和施钻的原则
采用隧道地震波技术进行隧道地质超前预报的工作，需要隧道掘进一定的长度方可以进行，因为测量工作中的接收传感器和若干激发点需要一定长度，一般该长度为60-70米左右。
接收与激发孔的具体布置如下：
超前预报中激发孔（放炮孔）的布置应避开安装有电缆的一侧洞壁。
激发孔（放炮孔）由掌子面退后5米至10米开始布置。
激发炮孔之间的距离为2米，激发的炮数为24个炮孔。
而后延续布置接收孔，接收孔距离最近的炮孔为20米左右。
讲“左右”的用意是在这个范围内选择岩体相对完整的位置打接收孔，记录实际的距离为偏移距离。
预报工作需要左右洞壁各安置一个传感器接收地震波。
因此需要在左右洞壁的相同里程点各打一个钻孔，接收钻孔的深度为2米。
TGP仪器的接收孔直径和激发炮孔直径有区别，接收孔采用直径为50毫米的钻头打孔，激发炮孔采用直径为40毫米的钻头打孔。
所有钻孔布置在一条水平直线上，高度为隧道当前地板1.0米左右，激发孔向内倾斜利于灌水。
终孔时一定要吹孔，避免岩粉碎石残留孔内，影响接收探头的安置深度，或炸药卷推不到位置深度。
c.激发装置准备
应在洞外制作好带有触发线的药卷：
为保证药量的一致性，对于药条（无论200克，还是150克均分为三段）用刀子等分割开分为三段；信号线买成捆的单根电线制作，裁成长度5米的单根电线24根。
药条插上雷管后用小塑料袋包紧，而后用对折的信号线扎紧，再用胶带纸扎紧，注意药卷直径要小一些。
雷管线必须要短路，用塑料袋包起来，安全带进洞内。
药卷的安装：
进洞后即将药条逐个放入激发孔中，由木杆送至孔底，做好激发前的准备工作。
注意信号线的两个线头与雷管的线头分开，以避免触发信号线感应雷管的激发高电压，损害仪器。
雷管激发线与触发信号线的连接：
用各自专用电缆分别连接，注意雷管线的两个线头与炮线的两个线头连接后，分别用胶布隔离绝缘。
触发信号线与专用电缆的两个夹子分别连接。
d.接收装置准备
接收孔的耦合剂注入：
耦合剂的作用是保证探头与钻孔岩体良好接触的必要条件，因此在接收孔的孔底需要注入黄油。
操作的步骤是将黄油软管送入接收孔的孔底，而后稍退出15厘米，操作黄油器的压杆满行程连续射入黄油，一般连续打入10至15次，可以满足探头的耦合条件。
退出黄油管时注意不要带出已经射出的黄油。
接收探头的安装：
接收探头属于精密设备，要轻拿轻放。
探头是三个分量组装在一起的，安装时使用专用工具定向推入孔中，务必使探头的“方台标记”朝上，推入的过程中推杆和探头不要脱离，保证探
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