隧道超前地质预报方案.docx
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隧道超前地质预报方案
鲁南高速铁路临沂至曲阜段LQTJ-3标段
团月山隧道超前地质预报施工方案
编制：
审核：
审批：
中国铁建大桥工程局集团有限公司
鲁南高铁LQTJ-3标项目经理部
二○一七年二月
1.工程概况
1.1.工程简介
鲁南高速铁路临沂至曲阜段LQTJ-3标一分部起点里程DK236+356.4,终点里程DK252+405.539。
总长16.05km，其中包括长3.95km路基及沿线布置的特大桥6座，中桥2座，框架桥1座，涵洞6座，线路所1个（大王庄线路所），隧道2座（王庄隧道、团月山隧道）。
本铁路等级：
高速铁路；正线数目：
双线；设计行车速度：
350km/h。
团月山隧道进口里程DK242+640，出口里程DK245+025，全长2385m，隧道最大埋深约157m。
线路纵坡为3.0‰、-11.2‰的人字坡，全隧位于R=6000m的左偏曲线上。
团月山隧道初始风险为“高度”，采取工程措施后，残留风险为“中度”。
表1团月山隧道围岩支护级别表
序号
隧道名称
起讫桩号
长度（m）
围岩级别
备注
1
团月山
隧道
DK242+640～DK242+660
20
V
明洞
2
DK242+660～DK243+125
465
V
3
DK243+125～DK243+205
80
Ⅳ
4
DK243+205～DK243+305
100
V
5
DK243+305～DK243+455
150
Ⅳ
6
DK243+455～DK243+715
260
Ⅲ
7
DK243+715～DK243+915
200
Ⅳ
8
DK243+915～DK244+285
370
Ⅲ
9
DK244+285～DK244+435
150
Ⅳ
10
DK244+435～DK244+515
80
V
11
DK244+515～DK244+705
190
Ⅳ
12
DK244+705～DK244+795
90
V
13
DK244+795～DK244+875
80
Ⅳ
14
DK244+875～DK244+995
120
V
15
DK244+995～DK245+025
30
V
明洞
1.2.工程地质和水文地质特征
（1）地形地貌：
隧区属丘陵地貌，丘槽相间，地形波状起伏，地面高程159.0～330.2m，最大相对高差约171.2m，自然横坡5°～15°，局部较陡。
第四系上覆土层较薄，分布在出入口外地势较低处，基岩大部分裸露。
沿线零星分布采石厂和树林，采石厂路与隧道进出口相连，交通较方便。
（2）地层岩性
隧区地层主要为上覆第四系全新统人工弃土（Q4ml）、坡残积（Q4dl+pl）粉质黏土（膨胀土）；下伏寒武系上统三山组中厚层段（∈3jsc）白云岩，寒武系上统炒米店组（∈3jc）灰岩，晚太古代五台期马家河单元（yMγδ13）花岗闪长岩；于白云岩、灰岩中发育第四系全新统洞穴堆积（Q4ca）黏性土全充填溶洞；断层附近分布断层角砾（Fbr）。
（3）地质构造
隧区所处构造单元属华北板块的鲁西隆起区。
根据现场调绘及勘探资料揭示，本区发育两处断裂构造。
尼山断裂：
在DK242+990～DK243+095附近与线路相交，交角约56°，断裂走向N43°W，倾向SW，倾角约80°，断裂带宽度约100m，非全新世活动断裂。
该段岩体破碎，富水。
团月山断裂：
在DK244+455～DK244+500附近与线路相交，交角约37°，断层走向N76°W，倾向NE，倾角约60°，非全新世活动断裂。
该段岩体破碎，富水。
（4）水文地质特征
隧区无明显地表水，仅在雨季时沟道内形成季节性水流；地下水类型主要为基岩、构造裂隙水、岩溶水，水量较丰富，受大气降水补给。
基岩、构造裂隙水主要赋存于全风化和强风化闪长岩及断层破碎带地层中。
岩溶水主要赋存于白云岩、灰岩等可溶岩地层中。
大气降水是该区地下水的主要补给来源，地下水主要沿基岩裂隙运移，未见明显地下水排泄点。
本地区降水主要集中在6～8月，占全年降水的63.7%。
隧区内部分岩体节理裂隙较发育，岩体完整性较差，构成了地下水运移的贯通通道，可能导致突水、坍方等现象。
（5）不良地质
岩溶：
隧区内出露的可溶岩地层主要为寒武系上统三山组中厚层段白云岩，寒武系上统炒米店组灰岩。
岩溶为中等发育区，岩溶形态：
如溶孔、溶隙、溶洞等。
顺层：
隧道出口灰岩薄层状-中厚层状，层理产状为N54°E/35°N，隧道出口左侧边坡开挖存在顺层现象。
危岩落石：
主要分布于D244+825～DK245+025段，该段属丘陵地貌。
原坡面自然坡度3°～5°，基岩为灰岩，节理与层理将岩体切割呈大小不一的块体，在岩体重力作用下或者外力震动扰动下掉落形成落石，散落于地表，最大可见体积为1×1×1m的块石，局部块石嵌入地表少量残积土中。
特殊岩土：
膨胀土
隧道地表覆盖的粉质黏土为灰岩风化后坡残积形成，具弱-中等膨胀性，隧道进出口开挖时需对该层加强支护，做好截排水措施，对隧道洞身影响不大。
特殊岩土：
人工弃土
D242+800～DK243+000段分布有采石场弃渣，以角砾、块石为主，堆积时间短，较松散，遇暴雨易失稳或存在形成泥石流的危险，建议清除或做好支挡及排水措施。
2.编制依据
（1）《铁路隧道超前地质预报技术规程》（Q/CR9217-2015）
（2）新建铁路鲁南高铁临沂至曲阜段施工图
（3）《铁路隧道设计规范》（JB10003-2005）；
（4）《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR9604-2015）
（5）《铁路工程物理勘探规范》（TB10013-2010、J1089-2010）
（6）《铁路工程地质勘察规范》（TB10012-2007、J124-2007）；
（7）《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设[2008]105号；
（8）《铁路工程水文地质勘察规程》（TB10049-2004）
（9）《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；
（10）《铁路隧道施工抢险救援指南》（Q/CR9219-2015）
（11）《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009、J947-2009）；
（12）《铁路工程不良地质勘察规程》（TB10027一2012）；
（13）《铁路隧道钻爆法施工工艺及作业指南》（TZ231-2007）；
（14）《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010/J1149-2011）；
（15）《铁路工程地质钻探规程》（TB10014-2012）。
3.超前地质预报方案
隧道超前地质预报是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的重要基础。
通过超前地质预报工作，可以进一步查清隐伏的重大地质问题（如：
多变的地质条件富水岩层、地层破碎带、断层及溶洞等），及时掌握和反馈隧道地质条件信息，调整隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案、控制工程变更设计提供依据。
做好隧道超前地质预报工作，可以预防各类突发性地质灾害，有效规避工程建设风险，实现铁路工程六位一体管理目标。
超前地质预报是确保施工安全和结构安全可靠的重要手段，也是铁路隧道施工作业中关键的重要作业环节，是施工中不可缺少的关键工序，必须纳入隧道施工工序管理。
超前地质预报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、多种物探方法相结合、地球物理方法与超前水平钻探相结合，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。
3.1.超前地质预报工作目的
（1）进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件：
采用一定的超前预报技术手段（地质调查、地震反射波法、地质雷达、加深炮孔、超前地质钻探）确定隧道开挖工作面前方及周围可能发生突（涌）水（泥）、塌方、掉块、冒顶、放射性等地质灾害风险源的位置、规模、性质、发育特征、强度、影响范围等；对于岩溶隧道，还应对底板的岩溶发育情况以及岩溶水的赋存规模以及压力进行预测。
（2）降低地质灾害发生的机率和危害程度：
根据预测与预报的结果，建立灾害应急处理方案与薄弱地段的施工方案，为隧道工程设计和施工方案的制订与风险防范提供动态可靠的依据，确保隧道施工地质风险安全可控。
（3）通过超前地质预报工作可以及时掌握和反馈隧道开挖工作面前方的地质条件，调整和优化隧道设计参数、制定防护措施，为优化隧道施工组织、不断完善施工安全应急预案、控制工程变更设计提供依据。
（4）为编制竣工文件提供地质资料。
3.2.超前地质预报工作内容
进行隧道地质超前预报工作：
要求提供隧道掘进前方的工程地质、水文地质条件及不良地质现象，包括围岩的完整性、断层破碎带、溶洞及不良地层的赋水情况等，进而做出对围岩级别的划分建议和坑道开挖时稳定性的分析，为设计变更及施工方法改变提供工程地质依据，以确保隧道施工顺利进行和工程安全。
（1）地层岩性预测预报，特别是对软弱夹层、破碎地带、煤层及特殊岩土的预测预报；
（2）地质构造预测预报，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报；
（3）不良地质预测预报，特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测预报
（4）地下水预测预报，特别是对岩溶管道水及富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。
3.3.超前地质预报工作方法
根据规范及设计文件要求，结合本项目地质条件、不良地质体对施工的影响因素及风险等级：
采取不同的超前地质预报方法组合模式，我方拟采用：
地质调查法、地震波反射法、地质雷达法、超前地质水平钻探及加深炮孔法进行综合预报工作。
3.3.1.地质调查法
地质调查法是根据隧道已有勘察资料，地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比，地层分界线及构造线地下与地表相关性分析，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，利用常规地质理论，地质作图和趋势分析等，推断开挖工作面前方可能揭示的地质情况的一种超前地质预报方法。
要求对团月山隧道进行全区段连续工作。
3.3.1.1地质调查法包括隧道、地表补充地质调查和隧道内地质素描等；
3.3.1.2隧道地表补充地质调查应包括下列主要内容：
（a）对已有地质勘察成果的熟悉、核查和确认；
（b）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；
（c）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；
（d）地表岩溶发育位置、规模及分布规律；
（e）煤层、石膏、膨胀岩、天然气、含放射性物质等特殊岩土地层在地表的出露位置，宽度及产状变化情况
（f）人为坑洞位置、走向、高程等，分析其与隧道的空间关系。
（g）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重点区段。
3.3.1.3隧道内地质素描是将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，是地质调查工作的一部分，包括开挖掌子面地质素描和洞身地质素描。
隧道内地质素描应包括下列主要内容;
（a）工程地质
地层岩性：
描述地层时代、岩性、层间结合程度、风化程度等。
地质构造：
描述褶皱、断层、节理裂隙特征、岩层产状等。
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。
岩溶：
描述岩溶规模、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。
特殊地层：
煤层、含膏岩层、膨胀岩和含黄铁矿层等应单独描述；
人为坑洞：
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；
地应力：
包括高地应力显示标志及其发生部位。
塌方：
应记录塌方部位、方式与规模及其随时间的变化特征，并分析产生塌方的地质原因及其对继续掘进的影响。
有害气体及放射性危害源存在情况。
（b）水文地质
地下水的分布、出露形态（渗水、滴水、滴水成线、股水、涌水、暗河）及围岩的透水性、水量、水压、颜色、泥沙含量测定等
水质分析，判定地下水对结构材料的腐蚀性。
出水点和地层岩性、地质构造、岩溶、暗河等的关系。
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、降雨的关系。
必要时应建立涌突水点地质档案。
3.3.1.4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，详细分析、描述围岩失稳或变形发生的原因、过程、结果等。
3.3.1.5影像、隧道内重要的和具代表性的地质形象应进行摄影或录像。
3.3.1.6地质调查法的相关要求及表格按现行《铁路隧道超前地质预报技术规程》办理。
参见附表。
3.3.2.地震波反射法
设计文件要求对团月山隧道DK249+895～DK250+200段305m范围围岩进行弹性波反射法探测，探测要求：
在软弱、破碎地层或岩溶发育区，每次预报距离采用100～120m，前后两次搭接长度10m以上；岩体完整的硬质岩地层，每次预报距离采用120～150m，前后两次搭接长度不小于10m。
本项目我方拟采用北京水电物探研究所生产的隧道地震波超前预报仪（TGP206型），TGP206隧道地震波超前预报仪测试时，在隧道壁上一定高度布设一定数量的炮眼（一般18-24个）进行爆破激振，沿隧道方向炮眼断面上，产生震波信号，这种信号也会在隧道轴向上传播。
当岩石波阻抗发生变化时，比如伴有断层带或岩层变化，发出的信号其中一部分就会返回。
如果隧道掌子面前方有这种情况，经过一段时间传播后，接受器会收到反射信号。
借助岩层波速转化反射信号传播时间，可以确定有变化地带与隧道轴线的夹角及距掌子面距离。
把采集到的震波数据传送到PC机上，并用专用软件处理。
该软件的主要组成部分为震波数据处理程序和计算程序，处理后的震波信息反映在隧道掌子面前方和隧道周围的坐标系上。
根据需要可做出沿隧道轴向的剖面图和与隧道轴向成任意角度的断面图，超前预报隧道掌子面前方一定范围及周围地带岩层中有关结构面的变化，如软硬岩界面，断层、空洞等。
便是震波预测结果。
图1TGP206地震波超前预报系统原理与布设方法
TGP206系统由爆破装置，接受器系统、记录系统、消耗材料部分组成。
爆破装置：
包括传统的爆破装置，爆破孔药量一般控制在50～70克，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集，采用线炸断的触发计时方式；
接受器系统：
定向安置孔中三分量检波器，采用黄油耦合，用于搜集震波信号；2个接收器（检波器）接收，观测系统示意图见图2。
记录系统：
借助记录装置可完成震波信号的记录。
主要由一个所完成震波信号模拟数
据转化的电子部分和一个操作装置、记录和贮存数据的Husky数据记录器系统组成。
消耗材料：
包括爆速大于6000m/s的炸药；电雷管；导线；耦合接受器的黄油等。
数据采集时，采用X-Y-Z三分量同时接收，采样间隔0.1ms，采样数4096。
起爆前注水封堵炮孔。
表2主要参数
项目
接收（检波）器孔
炮孔
数量
2个，隧道左右边墙各1个
20-24个,位于隧道右边墙
直径
φ50mm钻头钻孔
φ42mm钻头钻孔
深度
2m
1.5m
定向
垂直隧道轴向
垂直隧道轴向，下倾约5°
高度
离隧底高1m
离隧底高1m
位置
距离掌子面50m
第1个炮点离同侧检波器20m，炮点距1.5m
数据采集及处理：
使用小计量的炸药作为震源，保证在安全的情况下，使隧道前方异常体反射信号明显。
对采集的数据及时经专用软件分析处理后，经综合分析可对前方地质情况做出判断，一般岩层探测深度100-200米。
提交以下资料：
TGP206野外记录表；原始波形记录；二维和三维反射界面的透视图像；频谱、速率和位移结果；地质解释结果。
3.3.3.地质雷达法
本项目选用美国GSSI公司产的SIR—3000型地质雷达（见图3），其主要由主机、发射天线、连接线及解译软件四部分组成，每次预报距离30m，前后两次搭接长度5m，雷达测线分布参见图5、图6，现场测试时可根据掌子面适当调整，要求对团月山隧道暗洞段DK249+835～DK250+260段425m进行全区段连续探测。
地质雷达法是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。
雷达天线向地层发射一定强度的高频电磁脉冲波，电磁波传播过程中遇到不同电磁性介质分界面时，一部分能量会转换成反射波返回，另一部分能量透过界面继续传播，再次遇到界面时，又产生反射波返回，接收到反射波并利用所带信息加以分析，就可获得被探测介质的工程特性，该法适用范围广、精度高，对隧道施工干扰小等特点。
图3SIR—3000型地质雷达图4：
雷达预报测试原理示意图
图5台阶法开挖雷达测线示意图图6：
全断面开挖雷达测线示意图
3.3.4.超前钻探法
超前钻探法分为超前地质钻孔和加深炮孔。
3.3.4.1超前地质钻孔的探测
超前地质钻孔：
拟采用冲击钻和回转取芯钻，验证中近距离物探超前探测存在异常的地段，钻孔直径@89，活动断裂带超前探测长度80-100m，搭接长度不小于10m,其余地段超前探测长度不小于30m，前后两次搭接长度不小于5m。
钻孔是否取芯根据不同地质条件和探测目的确定。
超前地质钻孔孔位布置参见图7、图8。
超前地质钻孔技术要求:
（1）一般地段外插角宜控制在10~30，软岩破碎岩层外插角可适当加大；富水岩溶发育区超前地质钻孔应终孔于隧道开挖轮廓线以外5~8m,外插角宜控制在100~150。
当设计图明确孔位的地段按设计图布置孔位，没有明确时，可根据现场情况灵活布孔，孔位、孔数、孔深、孔径以满足安全施工、整治处理和预报所需资料为原则。
当钻孔遇到岩溶时，钻孔应穿透岩溶顶底板深度，并进入后方完整基岩不小于5m；当钻孔遇到煤层时，钻孔应穿透煤层至后方完整基岩不小于0.5m。
图7超前地质钻孔孔位布置示意图（1孔）图8超前地质钻孔孔位布置示意图（3孔）
3.3.4.2加深炮孔探测
加深炮孔探测：
即加深炮眼超前探测，要求对团月山隧道暗洞段进行全区段连续探测。
利用在隧道开挖工作面上的小孔径浅孔获取地质信息的一种方法，在每一循环钻设炮孔时布设3~8个加深炮孔，较循环进尺加深3m以上作为探测孔，加深炮孔法严禁在爆破残眼中实施。
加深炮孔孔位布置参见图9、图10。
预留核心土法施工时，可根据现场情况酌情减少加深炮孔数量，但周边加深炮孔的布置应均匀分布。
现场施做时，当掌子面局部出现夹泥、裂隙增多、含水量增大等特殊情况时，孔位、孔数的布置可结合掌子面揭示的地质情况做动态调整。
图9加深炮孔孔位布置示意图（3孔）图10加深炮孔孔位布置示意图（5孔）图11加深炮孔孔位布置示意图（8孔）
4.超前地质预报工作计划
4.1.超前地质预报的工艺流程
隧道施工过程中应对全隧道开展超前地质预报工作，并将其纳入正常的施工工序管理。
本隧道超前地质预报应在地质调查法的基础上采用地震波反射法进行长距离探测，地质雷达法进行中距离探测，对重点区段或物探异常区段采用超前钻探法进行综合探测，准确查明掌子面前方一定范围工程地质及水文地质条件，预防突水、涌泥等安全事故的发生。
图12超前地质预报工艺流程图
4.2.超前地质预报工作要求
①提供掌子面前方及开挖段20－30米范围内的地质情况；
②提供开挖段前方及周边的水文地质预报；
③提供开挖段前方及周边断层、破碎带、富水带、溶洞等不良地质条件的规模及位置的预报；
④测试后24小时提交地质预报成果电子版给施工单位及相关单位；
⑤超前钻探法应编制钻孔柱状图，结合其它预报方法编制超前地质预报综合分析成果报告，必要时应附钻孔位置图、代表性岩芯照片。
⑥预报成果报告应包括掌子面前方地质情况的测试图和简明的文字说明，通过对围岩完整性和岩性的判定得出围岩级别建议，并对开挖过程中围岩稳定性进行评价。
4.3.超前地质预报工作安排
根据现场施工情况，及时安排预报测试工作，详见表3
4.4.地质素描计划
①开挖工作面地质素描，主要描述工作面立面围岩状况，使用统一格式，并统一编号。
②工作面地质素描是对隧道掌子面进行的地质素描，直观反映隧道周边地层岩性及不良地质体的发育规模、在空间上对隧道的影响程度等。
③地质素描应随隧道开挖及时进行，对构造发育部位、围岩变化附近等复杂、重点地段应每开挖循环进行一次素描，其它地段一般10m进行一次素描。
4.5.常见不良地质体超前地质预报
4.5.1.断层预报
a、断层预报应探明断层的性质、产状、富水情况、在隧道中的分布位置、断层破碎带的规模、物质组成等，并分析其对隧道的危害程度。
表3团月山隧道超前地质预报工作安排统计表
序号
起讫桩号
长度（m）
围岩
级别
地质复杂
程度分级
超前预报
备注
地质调查法
物探法
超前
钻探
基底是否探测
1
DK249+810～DK249+835
25
V
较复杂
/
/
/
是
明洞
2
DK249+835～DK249+895
60
V
全隧开展
地质雷达法
ZT3+加深炮孔8孔
暗洞
3
DK249+895～DK249+925
30
V
地震波法+
地质雷达法
4
DK249+925～DK249+965
40
Ⅳ
5
DK249+965～DK250+020
55
Ⅲ
中等复杂
ZT3+加深炮孔5孔
6
DK250+020～DK250+200
180
Ⅳ
较复杂
ZT3+加深炮孔8孔
7
DK250+200～DK250+260
60
V
地质雷达法
8
DK250+260～DK250+280
20
V
/
/
/
明洞
注：
ZT3代表钻孔类型，贯通施做超前钻孔1孔，对水、瓦斯进行探测，若遇富水地段，钻孔需设置关水阀门，1孔设置测压装置。
b、断层预报应以地质调查法为基础，通过弹性波反射法、地质雷达法及加深炮孔法，必要时采用红外法探测断层带地下水的发育情况及超前钻探法验证。
c、当隧道施工接近规模较大的断层时，多具有明显的前兆（见《铁路隧道超前地质预报技术指南》附录C），可通过地表补充地质调查、洞内地质调查、地表与地下构造相关性分析、断层趋势分析等手段预报断层的分布位置。
d、断层破碎带与周围介质多存在明显的物性差异，可采用弹性波反射法探测破碎带的位置及分布范围。
e、断层为面状结构面，可采用超前钻探法准确预报其位置、宽度、物质组成及地下水发育情况等。
结合各种预报方法进行综合判断分析，提交地质综合分析成果报告。
4.5.2.岩溶预报
a、岩溶预报应探明岩溶在隧道内的分布位置、规模、充填情况及岩溶水的发育情况，分析其对隧道的危害程度。
b、岩溶预报应以地质调查法为基础，主要通过地质雷达法、超前钻探法及加深炮孔法，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，并应采用宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报的方法。
4.5.3.涌水、突泥预报
a、隧道涌水、突泥预报应探明可能发生涌水、突泥地段的位置、规模、物质组成、水量、水压等，分析评价其对隧道的危害程度。
b、涌水
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