隧道超前地质预报监理实施细则.docx

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隧道超前地质预报监理实施细则

新建铁路兰州至中川机场线工程

ZCTL-JL-1-2监理标段

隧道超前地质预报监理实施细则

北京铁研建设监理有限责任公司

新建铁路兰州至中川机场线工程监理站

二○一三年五月

新建铁路兰州至中川机场线工程

ZCTL-JL-1-2监理标段

隧道超前地质预报监理实施细则

批准：

审查：

编制：

北京铁研建设监理有限责任公司

新建铁路兰州至中川机场线工程监理站

二○一三年五月

目录

一、任务依据1

二、隧道超前地质预报简介1

三、超前地质预报工作方法2

（一）直接预报3

1、超前水平钻探3

2、超前导坑3

3、正洞（辅助坑道、平导）地质编录与预报3

（二）物探方法4

1、TSP法4

2、地震负视速度法4

3、水平声波剖面法（HSP）5

4、陆地声纳法5

5、地质雷达法6

6、红外探水法6

（三）地质物探综合分析法6

四、超前地质预报技术要求7

1、收集、熟悉地质资料7

2、施工地质编录7

3、围岩、地下水特性测试9

4、水平钻探9

5、地球物理探测9

6、地质物探综合分析9

五、隧道超前地质预报分类10

隧道超前地质预报监理实施细则

一、任务依据

1、“关于进一步加强铁路隧道施工超前地质预报工作的通知”（铁建设函[2006]340号）；

2、“关于印发《铁路隧道设计施工有关标准补充规定的通知》”（铁建设[2007]88号）；

3、“关于印发加强铁路隧道工程安全工作的若干意见的通知”（铁建设[2007]102号）；

4、《铁路隧道工程超前地质预报技术指南》（铁建设[2008]105号）；

二、隧道超前地质预报简介

隧道建设中对工程地质条件的认知掌握程序是确保快速、安全修建的决定性因素之一。

尽管施工前进行了大量的地质勘察工作，但由于受当前勘察技术手段和方法的限制，加上地质体的复杂多变，地形条件的控制，期望在施工前完全查明工程岩体的状态、特性、准确预测隧道施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模是十分困难的。

因此，世界各国隧道工程界都十分重视超前预报工作。

隧道超前地质预报主要是为了加强施工期间的地质工作，即在开挖之间，除根据开挖时揭露出来的实际地质情况，校正补充地勘时的资料外，还要根据这些成果资料，分析推断掌子面前方的地质情况，是否存在前期勘察时没有查到的不良地质体，以便预先采取措施。

通过超前地质预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性、为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧道涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量奖金。

隧道超前地质预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。

隧道超前地质预报的内容一般包括：

1、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。

2、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。

3、断层界面及其破碎带的预报：

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。

4、岩溶区地质预报：

预报岩溶洞穴界面、溶洞充填物状况、岩溶水发育情况等，为隧道动态设计和施工提出措施和建议。

5、围岩级别及软弱围岩稳定性预报：

预报掌子面前方的围岩级别与设计是否吻合，并判断其软弱夹层的位置、宽度、状态、富水情况和稳定性，以便随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等。

6、预测隧道内有害气体含量、成分及其动态变化。

7、通过放射性的测量，预测隧道通过地层有无放射性异常。

8、通过隧道洞身段落地应力的测试，预测隧道在硬质岩段有无岩爆的发生及软弱地层段有无变形发生。

9、通过对隧道洞身段落岩体放射性的测试，预测隧道有无对人身健康造成损坏的放射性岩体，提出施工防护措施和隧道弃碴堆放要求。

10、通过对隧道围岩岩体温度的监测，预测隧道有无高地温，提出施工防护措施。

三、超前地质预报工作方法

超前地质预报工作方法主要包括：

直接预报、物探仪器预报、地质物探综合分析预报。

（一）直接预报

1、超前水平钻探

在隧道内安放水平钻机或风钻进行水平钻进，根据钻孔资料夹推断隧道前方的地质情况。

水平钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可在主洞工作面上进行钻探，用以获得准确可靠的地质资料，确保施工组织。

该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况。

该法是施工预报最有效方法之一，但也存在不足之处：

①对垂直隧道轴线的地质结构面预报效果较好，与隧道轴线平行的结构面预报较差；②需占用较长的施工作业时间，费用较高。

2、超前导坑

按导坑与正洞的相互位置分为平行导坑和正洞导坑。

其中，平行导坑与正洞平行，断面小且和正洞之间有一定距离，通过对导坑开挖中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质记录与分析，进而对正洞地质条件进行预报。

该法的优点是：

预报成果比较直观、精度高、预报的距离长、便于施工人员安排施工计划和调整施工方案，还可以起到减压放水、改善通风条件和探明地质构造条件的作用，同时，还可用作排除地下水、断层注浆处理、扩建成第二条隧道之用。

正洞导坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用与平行导坑相比，效果更好。

超前导坑的缺陷为：

一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是施工工期较长。

3、正洞（辅助坑道、平导）地质编录与预报

隧道施工中，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，依据开挖成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道掌子面前方消失的距离。

该法是对开挖面地质情况如实而准确的反映。

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，而且为整个隧道提供了完整的地质资料；缺点是与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报，且预报距离短。

（二）物探方法

在隧道中使用探测仪器进行超前预报，主要方法有TSP法、地震负视速度法、水平声波剖面法（HSP）、陆地声纳法、地质雷达法、红外探测法等，下面将主要的物探方法做一简介。

1、TSP法

首先在隧道内人工制造一系列有规则排列的轻微震源，震源发出的地震波逼到地层界面、特别是断层破碎带等不良地质体时产生的反射波，其传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关地质体的性质密切相关，并通过不同的数据表现出来；通过震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪）进行数据采集，将数据输入带有处理软件的电脑，经处理，将数据资料转换为反应相关地质体反射能量的影视图像。

最大探测距离可达掌子面前方300m，有效探测距离100～150m，最高分辨率1m。

2、地震负视速度法

它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧道中，也是利用地震反射波特征来预报隧道开挖面附近围岩的地质情况。

在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动优信号在隧道围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。

反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了角反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。

预报距离可达100～150m。

负视速度法的原理与TSP法基本相同，此法在实施预报时不占用开挖工作面，对施工干扰相对较小，在铁路隧道工程中是常用的预报方法之一。

3、水平声波剖面法（HSP）

它是利用孔间地震剖面法（ABSP）的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。

其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号（接收频率为声波频段的地震波），求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。

震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。

该法已在工程中得到应用，目前，该法数据采集单元和现场实测过程进行了较大的改进，可以在开敞式TBM施工的隧道中掘进机不停的情况下进行测试，因而具有较大的优越性，但尚处于研制和初步应用阶段，例如在辽宁大伙房引水工程TBM2隧道中进行了试验。

4、陆地声纳法

它是“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”的简称，可在狭小的场地和其岩裸露的条件下，探查岩溶等有限物体。

也称为高密度地震反射或地震映像法。

施测时采用极小偏移距地震波激发一接收系统，进行单点测量或在激震点两侧对称位置上各设一检波器，一次激发两道接收。

源检距的大小根据最小探查深度而定，以目的体反射波不受先到的干扰波影响为准。

该法具有分辨率高、可避开许多干扰波，具反射波能量高、探查岩溶和洞穴效果好、图像简单易辨等优点，但需占用开挖面工作时间且实测剖面较短。

已在云台山铁路隧道、南昆线铝厂隧道等工程中应用，预报距离5～100m。

5、地质雷达法

利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，通过发射天线向掌子面发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。

由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。

因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷过图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。

它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。

应用地质雷达进行超前预报，在钻爆法施工的隧道中使用相对较多，如太平驿水电站引水隧道、海南高速公路东线大茅隧道等工程，均取得了较好的应用效果。

6、红外探水法

由于所有物体都发射出不可见的红外线能量，该能量大小与物体的发射率成正比。

而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。

当掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。

据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。

红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。

但这种方法只能确定有无水、至于水量大小、赋水形态、具体位置没有定量解释。

（三）地质物探综合分析法

要推动隧道超前预报水平，提高预报准确度，就必须将地质调查方法与多种形式物探方法有机结合起来，对地质物探资料进行系统处理和综合分析，称之为地质物探分析法。

地质物探综合分析法的工作内容主要为：

将隧道围岩描述、围岩监测、水文地质监测、施工地质测绘、围岩级别判别等常规地质预报和超前地质勘探、仪器现场量测、不良地质体长距离预报等相结合，进行相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作，做出超前地质预报。

四、超前地质预报技术要求

1、收集、熟悉地质资料

了解工程区内宏观的地质环境、大型构造形迹的发育分布规律以及工程围岩所处的具体构造部位、岩体的结构特征节理裂隙发育程度、岩体完整性、岩石（体）强度、地下水状态等；掌握全隧道的地质背景，指出存在的不良地质问题和地段，还要知道各段围岩的稳定程度、可能发生地质灾害的位置、规模、性质和防治措施，目的在于保证隧道施工设计、施工方法和措施能顺应地质情况的变化，适时做出符合施工实际的调整和修改。

2、施工地质编录

对已开挖地质状态作详细真实的描述，可作为超前预报的依据，该内容包括岩性、岩石坚硬程度及完整情况、断层及破碎带、节理裂隙、地下水状态，不良地质现象等作编录；调整确定物探超前地质预报的部位；现场采集岩土、水试样。

具体内容包括：

工程地质测绘，编录：

①作好正洞、辅助坑道洞内地层、岩性的划分和描述，核对地层分界在隧道洞身的实际位置，进一步确定各断带及其主、次断层（包括影响带）的位置、产状，断层带的物质组成、宽度、富水性及工程性质。

②对洞壁岩体主要结构面进行定性及定量统计量测，查明主要结构面的产状、性质、延伸长度、张开宽度、粗糙程度、蚀度、密度、地下水及充填情况等，并分析优势结构面对围岩稳定性的影响。

③对岩体受构造影响程度，节理发育程度、岩体完整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时修正，并提出有针对性的支护、衬砌或超前加固措施意见。

④对断带、节理密集带、岩性接触带，岩性变化频繁或软硬相间及掌子面地质情况与地面绘出入较大等重点地段进行详细的调查和蔼可分析评价。

⑤根据量测资料，分段统计、分析岩体各种数据，完成隧道动态设计和动态施工管理。

⑥根据正洞、辅助坑道施工地质条件的变化，进行隧道动态设计和动态施工管理。

⑦洞室地层展示图比例尺为1：

200～1：

500，地质复杂地段若展示图难以反映全貌，采用比例尺为1：

50～1：

100的掌子面素描图，其密度视地质条件的复杂程度而定。

水文地质测绘、编录：

①通过对正洞、辅助坑道内不同时代、不同岩性围岩富水性及涌水量的动态变化观测，分析验证隧道的富水性分区和涌水量的大小、涌水的补给来源，涌水产生的条件、影响范围、涌水形式等。

在洞内，通过现场实地调查、测量出水点位置、地下水类型、出水形式（滴状、线状、股状及片状）以及水量大小、变化；水量的动态变化测试，主要是在节理密集带断层破碎带及中等弱富水区的边缘部位等易出现突水、涌水的地段进行。

②根据上述地表、洞内的水文地质测试预报，进行隧道富水段及脉状含水地段涌水预测、预报。

在富水段、脉状含水段及边缘部位，施工中可能发生涌（突）水灾害，应根据地层岩性，节理、断层、出水量变化情况等预测施工掌子面前方及正洞发生涌（突）水的部位、规模及危害程度，提出相应的防、疏、排水措施。

③地表水水量动态变化测试，根据工程需要选择洞口和地表合适的位置，对可能影响隧道涌水量变化的隧道进、出口附近及洞身经过的井、泉等沟谷地表水及相关的泉水。

进行动观测，测试水位及水量的变化，测试周期初步定为一个月（雨季及平导开挖通过沟谷时应缩短测试周期）。

3、围岩、地下水特性测试

①岩石物理力学试验、

根据工程需要，对岩石物理特性进行补充测试。

②水化学测试

根据工程需要采取地下水样，进行水质分析试验，查明水质情况，评价地下水对混凝土的侵蚀性及对周边环境的影响。

③地应力测试、应力场分析

根据隧道施工实际地质条件，在埋深大，岩体完整的片麻岩、混合片麻岩等完整岩石地段，根据工程实际需要，可采用水压致裂法进行地应力测试，分析、评价地应力对隧道工程的影响。

④在埋深大的隧道进行岩体温度监测。

4、水平钻探

主要布置在开挖面及其附近，适用于物探方法预报地层较差地段及断层破碎带，对可能发生涌水的致灾部位进行水平钻探，以及时发现富水带，获得准确可靠的地质资料，防水减压减免灾害，确保施工安全。

该法还可获得工作面前方一定距离的岩芯，从而得到开挖面前方的地质情况。

水平钻探施做困难时，也可部分采用超前（超长）风钻进行探查。

5、地球物理探测

根据岩体不同物理性质量测一定距离以内的物理力学参数的变化，据此判断出隧道工作面前方的地质情况。

采用多种铁探仪器进行超前探测，常用的物探方法有TSP法、地震负视速度法、水平声波剖面法（HSP）、陆地声纳法、地质雷达法、红外探测法等。

6、地质物探综合分析

组成以地质工程师为主、物探及相关工程技术人员为一体的施工地质超前预报组，对上述地质和物理探测资料进行整理和综合分析，最后通过动态设计通知单（分段施工图）或不同级别预警通知单的形式，做出施工面前方不良地质问题的预测预报。

五、隧道超前地质预报分类

根据隧道长度、风险等级及地质复杂情况，将超前地质预报分为三类，划分如下：

1、Ⅰ类：

一级风险隧道及特长隧道，为特别重点预报隧道。

2、Ⅱ类：

二级风险隧道及长隧道，为重点预报隧道。

3、Ⅲ类：

小于3km的一般风险隧道，为一般预报隧道。