新民隧道超前地质预报专项施工方案.docx

1、新民隧道超前地质预报专项施工方案新建铁路成都至兰州线(CLZQ-10标)新民隧道超前地质预报专项施工方案编 制： 年 月 日审 核： 年 月 日批 准： 年 月 日中铁三局成兰铁路工程指挥部二一三年八月三日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)(2)高速铁路隧道工程施工质量验收标准(TB10753-2010)(3)铁路隧道工程施工安全技术规程(TB10304-2009)(4)高速铁路隧道工程施工技术指南(铁建设【2010】241号)(5)铁路隧道风险评估与管理暂行规定(铁建设【2007】200号)(6)关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技

2、术规定的通知(铁建设【2010】120号)(7)新建铁路成都至兰州线新民隧道施工设计图(成兰施隧-8)(8)成兰铁路隧道施工工法及辅助措施参考图(成兰隧参(11)19-24)(9)我单位对施工现场实地勘察、调查资料2 工程概况隧道位于太平镇江关区间，进口端太平车站伸入左线389m，伸入右线419m；隧道左线D9K181+395.269+669.392段及右线YD9K182+998.459YD9K183+272.583位于半径10000的右偏曲线，其余均位于直线上，线路坡度为单面上坡；隧道最大埋深约1077m。左线隧道进口里程D9K180+512，出口里程DK186+845，全长6526.925

3、m，右线隧道进口里程YD9K180+465，右线隧道分修段终点里程YD9K182+843.629，全长2378.629m。为满足工期，解决施工场地及运营期间排水问题，结合地形、地质条件，本隧辅助坑道模式采用“中部横洞”方案，横洞采用无轨双车道运输模式组织施工。3 地质概况隧道主要穿越三叠系上统侏倭组砂岩夹千枚岩，局部夹炭质千枚岩，进口段通过第四系全新统冲洪积层粉质黏土，出口段通过泥石流堆积层及坡崩积层碎块石土；隧道内为单斜构造，受测区构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性较差。段内不良地质有岩堆、泥石流、危岩落石、顺层、高地应力、有害气体、放射性，特殊岩土为季节性冻土。测段深度大于755

4、m的段落存在中等岩爆的可能；段内存在软岩大变形的可能；隧道涌水以基岩裂隙水为主，孔隙水次之，隧道正常涌水量6900m3，最大涌水量为12300m3；炭质千枚岩中可能含有瓦斯等有害气体；局部可能有高地温和高放射性。测段岩体破碎，围岩稳定性差，水文地质条件复杂。段内含炭质千枚岩，环境作用等级(H1)。隧道D1K180+910D1K186+190段左侧存在顺层偏压。隧道进、出口端围岩稳定性极差，隧道开挖极易冒顶坍塌，出口端洞顶存在危岩落石。本区地震动峰值加速度0.30g。4 地质复杂程度分级根据地质复杂程度对隧道施工安全的危害程度，将其分为A级、B级、C级和D级四个等级。A级：存在重大地质灾害隐患的

5、地段，如大型暗河系统，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、赋水、导水性良好的地层和大型断层破碎带，特殊地质地段，重大物探一场地段，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，高应力、瓦斯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。5 实施超前地质预报目的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，指导工程施工的顺利进行；2、降低地质灾害发生的机率和危害程度；3、为优化工程设计

6、提供地质依据；4、为编制竣工文件提供地质资料；6 超前地质预报方案概述新民隧道主要分进口、横洞、出口三个工区进行施工，超前地质预报也分三个工区分别进行。本隧主要采用地质调查法、超前钻探法和物探法进行综合超前地质预报。6.1 超前地质预报工程数量表6.2 超前地质预报的主要内容6.2.1地质调查法内容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等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法。地

7、质调查法包括隧道地表补充地质调查、隧道内地质素描和地质作图等。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、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重点区段。隧道内地质素描是

8、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，是地质调查法工作的一部分，包括开挖工作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：1、工程地质a 地层岩性：描述地层时代、岩性、层间结合程度、风化程度等。b 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、张开度及节理而特征、力学性质，分析组合特征、判断岩体完整程度。c 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

9、，以及岩溶展布的空间关系。d 特殊地层：煤层、沥青层、含膏盐层、膨胀岩和含黄铁矿层等应单独描述。e 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。f 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；g 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。h 有害气休及放射性危害源存在情况。2、水文地质a 地下水的分布、出露形态及围岩的透水性、水量、水压、水温、颜色、泥砂含量测定，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)、

10、暗河。b 水质分析，判定地下水对结构材料的腐蚀性。c 出水点和地层岩性、地质构造、岩溶、暗河等的关系分析。d 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。e 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，详细分析、描述围岩失稳或变形发生的原因、过程、结果等。隧道内重要的和具代表性的地质现象应进行摄影或录像。6.2.2物探法物探法主要包括弹性波反射法、地质雷达探测法、红外探测法、时域瞬变电磁法等；根据施工设计图要求，本隧物探法均采用弹性波反射法中的

11、地震波反射法(TSP203)，本隧曲线半径为10000m，其对预测的影响可忽略。鉴于地震波反射法施作条件，洞口60m范围内采用地质雷达法进行探测，以弥补洞口段物探法的空缺。地质雷达法探测25m/次，一次范围为30m，两次重叠长度为5m。在软弱、破碎地层或岩溶发育区，地震波反射法每次预报距离为120m，搭接20m；岩体完整的硬质岩地层，每次预报距离为150m，搭接20m。6.2.3超前钻探法根据设计文件要求，本隧超前钻探法主要采用超前地质钻孔法和加深炮眼的方法。超前地质钻孔采用冲击钻和回转取岩芯，钻孔直径采用89。活动断裂带超前探测长度80100m，搭接长度不小于10m，其余地段超前探测长度不小

12、于30m，搭接长度不小于5m。根据施工图设计要求，每次循环钻孔至少一个孔必须取岩芯。加深炮眼利用在隧道开挖工作面上的炮眼钻孔来探测前方围岩的地质情况，在每一循环钻设炮眼时布设35个钻孔加深3m作为探测孔。6.3 分段预报内容及方法根据设计文件要求，本隧超前地质预报方法采用分段预报，多种手段综合预测前方地质情况，新民隧道具体分段预报内容详见以下统计表。6.3.1分段预报方法统计表1、正洞超前地质预报分段预报方法新民隧道左线超前地质预报统计序号超前地质预报方法适用范围备注1地质调查法D9K180+512-DK186+845(全隧开展)6526.925m2物探法WT-1D9K180+512-DK18

13、6+845(全隧开展)6526.925m3超前钻探法ZT-1D9K180+512-D9K181+730DK181+620-DK182+060DK182+180-DK186+8456323mZT-2D9K181+730-DK181+620DK182+060-DK182+180 203.925m新民隧道右线超前地质预报统计序号超前地质预报方法适用范围备注1地质调查法YD9K180+465-YD9K182+843.629(全隧开展)2378.629m2物探法WT-1YD9K180+465-YD9K182+843.629(全隧开展)2378.629m3超前钻探法ZT-1YD9K180+465-YD9K

14、181+645YD9K181+760-YD9K182+190YD9K182+310-YD9K182+843.6292143.629mZT-2YD9K181+645-YD9K181+760YD9K182+190-YD9K182+310235m2、辅助坑道超前地质预报方法新民隧道横洞超前地质预报统计序号超前地质预报方法适用范围备注1地质调查法HDK0+000-HDK1+314(全隧开展)1314m2物探法WT-1HDK0+000-HDK1+314(全隧开展)1314m3超前钻探法ZT-1HDK0+000-HDK1+314(全隧开展)1314m6.3.2预报内容地质调查法主要内容详见“6.2.1地质

15、调查法内容”，此处不再赘述。物探法主要采用WT-1法，即采用地震波反射法(TSP203)。超前钻探法本隧主要采种ZT-1和ZT-2两种类型，主要内容如下表所示：7 超前地质预报工艺流程及操作要点超前地质预报工作是隧道施工中的一个重要环节，单独作为一项工序纳入隧道施工中去。超前钻孔和物探作业时间安排在初期支护完成后进行，物探准备工作可提前施作。7.1地震反射波法(TSP203)7.1.1研究既有资料认真收集隧道设计资料、区域地质资料、工程地质资料等，通过对以上资料的分析，以达到对整个地区地质情况有一个比较全面了解的目的。7.1.2TSP203测量系统的布置和量测根据隧道内岩层的走向确定炮孔布置在

16、左边墙或右边墙位置，从掌子面附近的边墙位置开始布置第一个激发孔，以后每间隔1.5m布置一个激发孔，激发孔向下倾斜1020，孔深为1.5m，连续布置24个激发孔。在第24个激发孔朝着洞口的方向量测1520m(实施时先按15m考虑)，分别在左右边墙的位置布置两个地震波信息接收孔，孔径为50mm，深度为2m。激发孔与接收孔基本保持在同一个高度上(均离隧底约1.0m)。待孔全部钻好后需要对孔间距和倾斜角度进行量测。接收孔和激发孔设置参数表项目接收孔激发孔数量对称布置2个，位于隧道左右边墙(各1个)共24个，位于构造走向与隧道轴向交角为锐角的一侧边墙，第一个炮孔靠近掌子面直径一般为43-45mm(采用4

17、5mm)一般为20-45mm(采用38mm)深度2m1.5m定向沿轴径向，用环氧树脂固结时向上倾斜5-10(采用)；灰泥固结时向下倾斜10沿轴径向，向下倾斜10-20(水封填炮孔)，相对于隧道壁面倾斜10高度距地面(隧底)高1m距地面(隧底)高1m位置距开挖工作面约55m第1个激发孔距同侧接收孔15m，炮孔间距1.5m15mTSP203测量系统布置图7.1.3TSP203探测实施(1)埋设地震波信息接收探头TSP203测量过程中需要将接收器探头埋设在钢套管中，钢套管通过双组分环氧树脂或锚固剂与围岩紧紧耦合在一起，以便于接收由激发孔激发的地震波信号。(2)药包的埋设每一个激发孔中需要通过小药量(

18、20g30g)炸药人工激发地震波信号。雷管必须采用瞬发电雷管，炸药采用乳化炸药。放炮前需要对激发孔中灌水(水压爆破)，起到使爆破产生的能量能尽量在围岩中传播并压制灰尘和消焰的目的。(3)数据采集待准备工作就绪后，就可以采集数据。在噪音监测模式下发现周边环境的噪音低，可以进行数据采集作业并开始放炮。此时起爆器产生的电信号一方面去触发第1个激发孔内电雷管引爆药包，另一方面给仪器一个信号以打开里边的数据传输通道。通过药包的爆破，所产生的地震波信号很快会被接收探头所接收到并记录下来。依次下去，直到第24个激发孔全部放炮完毕为止。(4)数据处理将现场采集的资料传输至计算机，利用TSPwin软件对其进行处

19、理，TSPwin软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。 数据库编辑现场采集的数据和定义观测系统。 处理对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。 计算反射界面在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度vp和横波速度vs。vp和vs值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据vp和vs值可直接计算动力学参数，即计算动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比d，计算式如下：Ed=vs2(3vp2-4vs2)/(vp2-vs2)Gd=vs2d=(vp2-2vs2)/2(vp2-vs2)其中，为围岩的密度。根据绕射重叠法原理(与

20、常规地震反射资料处理中偏移流程的原理类似)计算反射界面与隧道的相对位置，即与隧道轴线的交角或至掌子面的距离。(5)资料解释根据TSP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合地震波速、反射波相位、泊松比和动态杨氏模量等参数对围岩异常区的类别进行划分。解释原则如下所述： 泊松比高说明有流体存在，纵波波速低说明有裂隙存在； S波反射能量强，P波反射能量弱，说明有流体存在； S波反射能量弱，P波反射能量强，说明有裂隙存在； 反射波为正相位时，说明围岩由软弱岩层进入坚硬岩层； 反射波为负相位时，说明围岩由坚硬岩层进入软弱岩层； 当泊松比大于0.28或VP/VS突然增

21、大时，前方地质情况为有水或围岩较破碎； 当静态杨氏模量大于30时，石质坚硬，反之，石质较软； 当反射界面较多且静态杨氏模量和泊松比变化频繁，幅度较大时，围岩为破碎带，若为负反射振幅时，围岩为软弱破碎带。7.1.4现场TSP203探测时间(1)清理激发孔、接收孔的时间：20分钟；(2)埋设地震波信息接收探头时间：20分钟；(3)药包的埋设时间：30分钟；(4)放炮及数据采集的时间：40分钟；(5)清理爆破后现场的时间：10分钟。所以，现场整个TSP203测量系统的总时间为120分钟。7.2 地质雷达法7.2.1测线的布置采用地质雷达法进行超前地质预报时，在掌子面上布置测线位置，在有条件的情况下采

22、用连续测量模式进行，当现场条件不允许时采用点测的方法对前方的地质情况进行探测。 地质雷达超前预报测线7.2.2 数据采集当测线位置确定后，连接仪器各部件并开机检查现场是否有干扰源存在。如存在干扰源则应想办法清除，如没有干扰的存在则开始数据采集工作。在地质雷达的数据采集过程中还应该注意以下事宜：测网密度、天线间距和天线移动速度应反映出探测对象的异常，测线宜采用十字或网格形式布设并采用连续测量的方式，不能连续测量的地段可采用点测。数据采集过程中，支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作人员应与工作天线保持相对固定的位置。地质雷达(GPR)探测质量检查的记录与原探测记录应具有良好的重复性，波形一致，异

23、常没有明显的位移。在发现有重点异常的区域应重复观测，重复性较差时应查明原因。参与解释的雷达剖面应清晰，解释前宜做编辑、滤波、增益等处理。情况较复杂时还宜进行道分析、FK滤波、正常时差校正、褶积、速度分析、消除背景干扰等处理。7.2.3资料处理及解释地质雷达的资料处理采用“RADAN FOR WINDOWS NT”软件包对原始数据进行处理。其处理流程为：数据传输文件编辑水平均衡数字滤波零点归位偏移处理能量均衡时深转换文件注释输出雷达深度剖面图。将雷达深度剖面图作为资料解释的基本图件。根据雷达深度剖面图上的反射波组、强能量团块分布和双曲线等特征，对掌子面前方的地质情况做出判断。7.2.4现场地质雷

24、达法所需的时间(1)布置侧线位置的时间：5分钟；(2)调试仪器参数时间：5分钟；(3)实体数据采集时间：20分钟；所以，现场地质雷达法探测所需的总时间为30分钟。7.3 超前钻探法 超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。超前地质钻探法适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，在赋水软弱断层破碎带、赋水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。按照设计文件要求，本隧(含辅助坑道)全隧均采用超前钻探法。(1)超前地质钻探主要采用冲击钻和回转取芯钻，二者按照设计要求分段搭配使用，提高预报准确率和钻探速度，减少占用开挖工作面的时间。

25、不要求取芯孔采用冲击钻(不能取芯)，可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地下水发育情况等。每个钻孔循环至少需要一个孔取芯，取芯孔采用回转取芯钻。回转取芯钻岩芯鉴定准确可靠，地层变化里程可准确确定，除设计明确要求取芯外，一般只在特殊地层、特殊目的地段、需要精确判定的情况下也必须增加。(2)超前地质钻探应符合下列技术要求孔数：断层、节理密集带或其他破碎赋水地层每循环可只钻一孔；赋水岩溶发育区每循环宜钻35孔，揭示岩溶时，应适当增加，以满足安全施工和溶洞处理所需资料为原则。具体孔数见“6.3.1分段

26、预报方法统计表”，具体布置方法见如图7.4所示。图7.4 超前钻探孔位布置图孔深：不同地段不同目的的钻孔应采用不同的钻孔深度。钻探过程中应进行动态控制和管理，根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，以达到预报目的为原则；瓦斯超前钻孔深度符合设计的规定。按照设计要求，全隧每循环均钻孔30m，连续钻孔，搭接长度不小于5m；活动断裂带超前探测长度为80100m深孔，搭接长度不小于10m。孔径：钻孔直径应满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求；按照设计要求，全隧均采用89孔径。赋水岩溶发育区超前钻探应终孔于隧道开挖轮廓线以外58m。(3)超前地质钻探应符合下列工作要求实施超前地质钻探的人员应经技术培训和考核，经考

27、核合格后方可上岗。钻探前地质技术人员应进行技术、质量交底。超前钻探过程中应在现场做好钻探记录，包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化、涌砂、空洞、振动、卡钻位置、突进里程、冲击器声音的变化等。超前钻探过程中应及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石名称，对于断层带、溶洞填充物、煤层、代表性岩土等应拍摄照片备查，并选择代表性岩芯整理保存。在赋水地段进行超前钻探时必须采取防突措施；测探孔内水压时，需安装空口管，接上高压球阀、连接件和压力表，压力表读数稳定一段时间后即可测得水压。应加强钻进设备的维修与保养，使钻机处于良好状态；强化协调和管理，各方应积极

28、配合，减少和缩短施钻时间。(4)钻孔质量控制可采取下列措施A、采用系统的钻探程序测量布孔：施钻前按孔位设计图设计的位置用经纬仪准确测量放线，将开孔孔位用红油漆标注在开挖工作面上。设备就位：孔位布好后，设备就位，接通各动力电源和供风、供水管路。安装电路要由专业电工操作，确保安全，供风管路要连接紧密，无漏气现象。对正孔位，固定钻机：将钻具前段对准开挖工作面上的孔位，调整钻机方位，将钻机固定牢固。开孔、安装孔口管：孔口管必须安设牢固。成孔验收：施钻满足设计要求，经现场技术人员确认签收后方可停钻终孔。B、控制钻进方向钻机定位完毕后，对钻机进行加固，使钻机在钻进过程中位置不偏移，做到钻孔完毕钻机位置不变

29、。在钻进过程中应定期检查机器的松动情况，及时调整固定。对钻具的导向装置尽可能加长，并且选用刚度较强的钻杆，从而提高钻具的刚度，减少钻具的下沉量。不得使用弯曲钻具。当岩层由软变硬时应采用慢速、轻压钻进一定深度后，改用硬岩层的钻进参数。钻进中应减少换径次数。本循环钻孔完毕后，根据测量结果总结出钻具的下沉量，下一循环钻探时通过调整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在设计要求的范围内，达到技术要求的精度。C、准确鉴定岩性及其分布位置(5)超前钻探钻进中应防止地下水突出，可采取安设孔口管和控制闸阀等措施，确保工作人员和机械设备的安全，同是应使地下水处于可控状态。在赋水区实施超前地质预报钻孔作业，必须先安设孔口

30、管，并将孔口管固定牢固，装上控制闸阀，进行耐压试验，达到设计承受的水压后，方口继续钻进。特别危险的地区，应有躲避场所，并规定避灾路线。当地下水压力大于一定数值时，应在孔口管上焊接法兰盘，并用锚杆将法兰盘固定在岩壁上。赋水区隧道超前地质钻探时，发现岩壁松软、片帮或钻孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等异状时，必须停止钻进，立即上报有关部门，并派人监督水情。当发现情况危急时，必须立即撤出所有受水威胁地区的人员，然后采取措施，进行处理。孔口管锚固可采用环氧树脂、锚固剂，亦可采用快凝高强度膨胀的浆液锚固，锚固长度宜为1.52.0m，孔口管外端应露出工作面0.20.3m，用以安装高压球阀。(6)超前钻

31、探法应编制探测报告，内容包括工作概况、钻孔探测结果、钻孔柱状图，必要时应附以钻孔布置图、代表性岩芯照片等。超前地质钻孔由地质技术人员进行地质编录和孔内必要的测试后，整理得到超前探孔成果，内容如下：钻孔柱状图，描述地层、岩性、节理裂隙特征，记录钻孔过程中有价值的信息，提出围岩完整性评价；记录出水位置，进行孔内水量、水压、水温等测试，预测隧道涌水；记录孔内排出的浆液、煤屑变化情况；编写钻探报告。7.4 加深炮孔探测法 根据设计要求，每一开挖循环均需加深炮眼超前探测。在每个开挖循环，按照设计要求在掌子面布设3个(ZT-2)或5个(ZT-2)炮孔，增加深度为3米。ZT-1和ZT-2具体分段里程详见“6.3.2预报