杨林隧道进口地质超前预报.docx

1、杨林隧道进口地质超前预报昆明绕城高速公路东南段A2工区杨林隧道进口地质超前预报方案编 制： 审 核： 审 批： 中铁十四局昆明绕城高速东南段A2工区经理部二零一四年九月十五日目 录第一章 编制依据 11、编制依据 1第二章 工程概况 11、工程概况 12、工程、水文地质 23、设计标准 2第三章 杨林隧道地质超前预报方案 21、超前地质预报的目的 22、超前地质预报的原则 33、隧道地质超前预报信息与预报流程 43.1直接性地质信息资料 43.2 间接性地质预报信息 53.3 地质信息预报流程 64、 隧道地质超前预报方法 74.1 TSP超前预报法 74.2地质雷达法的原理与方法 174.3

2、地质工程师判断法 214.4 隧道地质超前预报措施 225、隧道地质超前预报拟投入的仪器设备 23第四章 隧道地质超前预报安全、质量保证措施 241、安全保证措施 242、质量保证措施 26第一章 编制依据1、编制依据（1） 中华人民共和国行业标准公路隧道设计规范JTG D70-2004；（2）公路工程地质勘察规范(JTG C20-2011)（3） 中华人民共和国行业标准公路隧道施工技术规范JTG F60-2009；（4）公路工程质量检验评定标准（JTG F80/1-2004）（5）岩土工程勘察规范（JB 50021-2001）；（6） 中华人民共和国工程建设标准强制性条文；（7）爆破安全规程

3、GB 6722-2003（8）工程测量规范GB 50026-93；（9）岩土工程安全监测手册，中国水利水电出版社；（10）合同文件、交通部现行施工技术规范、工程质量检验评定标准、规则、规程。业主交付的三阶段施工图设计及其它设计文件。第二章 工程概况1、工程概况杨林隧道为本项目工程重点单位工程，为双线分离式双向六车道公路隧道。杨林隧道起讫里程为左线：ZK13+250-ZK22+712，全长9462m，本工区承揽K13+250-ZK19+740，总长6490m；右线：K13+270-K22+680，全长9410m，本工区承揽K13+270-K19+740，总长6470m。负责施工段隧道围岩级别为、

4、级，隧道左线级3000m，级2715m，级775m；右线级3000m，级2813m，级657m。在ZK17+300处设斜井一座，斜井长1052m。斜井坡度为-11.615%。在ZK18+165处设通风竖井一座。隧道设人行横洞8道，车行横洞8道。2、工程、水文地质（1）沿线地形地貌特征杨林隧道位于昆明市嵩明县，属云贵高原一部分，区域地形属于中山侵蚀切割地貌，高原面轮廓基本清晰，微地貌属于高原台地与侵蚀沟谷并存，碳酸盐分布区具有岩溶地貌特征，区域海拔高程17672400m，相对高差633m，隧道最大埋深约452m。（2）地质岩性隧址区地层岩性较齐全，从远古界-新生界第四系均有出露。隧道穿越断层两条

5、，均属区域南北向断裂的次级断裂。属于火头村大东山断层和草子坡落水洞断层。该区域构造运动较为强烈，地震动峰值加速度大于等于0.4g，地震动反应谱特征周期为0.4s，地震烈度为IX度。（3）水文地质本线路区域内根据地形地貌、地层结构及地下水赋存条件，地下水类型可划分为：松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水三类，赋存于不同时代的地层中，形成不同类型的地下水相互联系、互为补给的水文地质单元。地下水主要靠大气降水和地表河流补给，顺沿线河谷排泄。3、设计标准公路等级：高速公路隧道净宽：14m隧道净高：5.0m设计速度：80km/h；设计荷载：公路级第三章 杨林隧道地质超前预报方案1、超前地质预报的目的杨林隧

6、道进口超前地质预报技术主要包括常规地质方法、工程物探方法等,在预报时一定要结合隧道掌子面前方的具体情况进行合理设计, 进一步拓宽隧道超前地质预报概念的含义。特别是在复杂地质条件隧道施工过程中, 在加强工程地质分析的同时, 应结合工程物探对隧道不良地质进行超前地质探测预报研究,为工程设计及施工提供工程地质资料。避免工程地质灾害，从而保证施工安全。超前地质预报的主要目的为：（1）预报开挖掌子面前方的岩性变化或围岩类别；（2）掌子面前方可能出现的地质断层及岩石破碎带的情况；（3）掌子面前方软岩地段的位置和长度；（4）开挖段前方岩体是否含水及可能的涌水情况等。（5）通过对隧道洞身范围内（特别是掌子面前

7、方）的岩体破碎地段、断层发育等不良地质的预测和分析，给掌子面的开挖提供重要的指导。2、超前地质预报的原则根据隧道工程线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“三结合”和风险划分原则，即“地质与物探、钻探结合，洞内外结合，长短及不同物探方法结合”，在对隧道风险分级的基础上，采用相对应的预报方案。（1）地质与物探、钻探结合地质分析工作是超前地质预报工作的基础和重要环节，在较好了解地质情况的基础上，才能使物探的解释结果更接近真实情况，大大减少物探多解性带来的难题，离开了地质的物探极易偏离真实的地质，离开了物探的地质就很难将施工超前地质预报工作细化。（2）洞内外结合野外地质调查与洞内地质素描和洞

8、内预报成果相结合，即宏观地质分析与具体的施工超前预报相结合。（3）长短及不同物探方法结合长期超前预报探测距离较长，但准确性稍差，短期超前预报探测距离较短，但准确性较高，两者的结合可以取长补短，有效提高超前地质预报的准确性；各种物探方法各有千秋，单独采用一种方法往往精度达不到要求。而不同物探方法的结合，则可以互相取长补短，有效提高超前地质预报的准确性。3、隧道地质超前预报信息与预报流程 隧道施工中，超前地质预报信息主要分两大类，一类是直接资料，二是间接资料。各类地质预报资料组成分述如下：3.1直接性地质信息资料直接性地质资料主要包括：基础地质资料、地表地质调查资料、掌子面地质素描。（1）基础地质

9、资料基础地质资料主要有区域性地质资料、隧道勘测资料、隧道设计资料。所有这些资料，在预设计阶段，勘测设计单位都会有成套、系统资料，以供参考。区域性地质资料区域性地质资料，一般从地质部门或有关部门获取。有关当地的地质史料、地质勘测资料、气象资料，可以从宏观上了解隧道所在地的地质和水文情况。隧道勘测和设计资料在隧道的可行性和勘测设计阶段，针对隧址进行钻探所获取的地质资料是隧道设计的主要依据。所有这些资料，对于选择开挖方式和开挖作业安排，都是极其重要的直接地质资料。（2）地表地质调查资料在杨林隧道野外勘测时，可依此调查到的地面水系分布、裸露岩石的岩性、地层产状，岩石的风化程度等，推断隧道处的地质状况，

10、作为施工作业时重要参考资料。在隧道施工开始以后，项目人员应多次对杨林隧道进口的地质进行地质调查工作，在已有地调资料基础上，对设计书中指出的大断裂构造与节理发育的地段，应用地面地质体投射法超前预报技术，将地面地质界面投影到隧道位置，对施工开挖面前方的可能不良地质区域作到心中有数。（3）掌子面地质素描在隧道开挖作业过程中，对已开挖的洞段和掌子面实际地质情况，不间断地记录其围岩性、结构、产状、断层、节理、溶洞、岩石风化、水文实况，并附以草图，是判断围岩级别的最直接资料，也是用以推断掌子面进深方向围岩状况的主要参照物，也是推断进深向的地质状况的边界条件。3.2 间接性地质预报信息间接性地质资料，主要是

11、通过物探技术来获取隧道岩石物理性质参数，再结合直接地质信息来获取隧道施工掌子面前方一定距离内的围岩类别和地质结构分布图。在隧道超前预报工作中，物探工作采用了长短结合的工作方式。长距离使用TSP203地震系统，一次完成80150m的地质预报，在此基础上再使用GPR雷达预报法进行1530m的短距离跟踪预报，两种方法相互对比和印证，可大大提高隧道围岩物性分析的准确率。TSP203系统预报范围大，可预报距离40m200m，操作相对较简单，适用范围广，无须面对掌子面，可对大的地质界面作出较准确的空间定位，同其他预报方法相比，它提供的技术成果丰富，分辨率可达到0.5m，对地质体识别的准确度较高。可以探测出

12、以下地质条件的位置、规模和性质。其使用主要功能有：软弱岩层的分布状况；断层及其影响带；裂隙发育带状况；含水情况；围岩类别。使用GPR地质雷达法进行超前地质预报，虽然探测距离较短，但进行一次超前预报仅需3040min，基本不干扰隧道施工，并且雷达法特别适合于探测溶洞、富水带、破碎带，特别适合于开展跟踪预报，既是对TSP预报法的一种补充，同时也是一种验证的手段。3.3 地质信息预报流程在杨林隧道施工准备阶段，首先收集基础性地质信息，然后，在施工过程中，不断获取直接或间接地质信息，结合掌子面地质素描，及时修改开挖方法，修改支护设计，以保证开挖作业安全进行。从这个意义上讲，这就是隧道设计动态化，开挖作

13、业信息化。为了使获得的信息充分发挥作用，必须对其进行分析、研究，去粗取精，去伪存真，按照规定的渠道进行信息传递。在隧道施工过程中建立良好的地质预报信息传递流程。（1）掌子面地质描述的意见在隧道洞内对新的掌子面进行观察，绘制观察图示或利用数码像机摄影，对围岩做出恰当的评价，同时根据围岩类别完善支护体系，调整施工方案。掌子面地质描述，应当具体记录以下各项内容，并描绘出掌子面素描图。地质状况及其分布、性质和掌子面自稳状况；围岩的软硬、节理、裂隙间距及方向；断层分布、走向、风化程度；涌水、突泥地点，涌水量及其状态；软弱岩层的分布和厚度；其他。（2）掌子面地质描述方法地质现场记录卡地质现场记录卡，主要描

14、述掌子面立面围岩状况。其格式形式多种多样，但多采取图文并茂方式。杨林隧道工程，应使用规定的格式，记录每进深段的掌子面地质状况。杨林隧道施工记录格式，定名为地质记录卡，并统一编号。在卡中，记录着工程名称、掌子面部位、开挖日期，描述掌子面地层产状，岩整体状况，节理发育程度，围岩类别，断层、裂缝和涌水等病害，并附上草图，一一标记，一目了然。隧道开挖地质平面素描在杨林隧道开挖过程中，还记录每循环段的开挖地质监测记录，并绘制平面地质图。隧道开挖地质监测记录，主要记录工程部位、地层岩性、围岩结构特性、地下水涌水情况等，并附有平面示意图。地层岩性主要记录预设计时勘测资料。围岩结构特性记录岩层产状、厚度、节理

15、状况、断层宽度和产性、岩石的力学性质地下水涌水情况记录地下水涌水位置、涌水量，涌水状况掌子面地质观察记录关于掌子面地质记录没有统一的格式，根据工程具体要求和隧道施工的具体情况编制的观测记录表。随着电子技术发展，数码像机已广泛的应用，用其观测和记录掌子面地质状况，更为方便实用。（3）依据地质描述和围岩评价根据掌子面观测记录，一般采取定性或定量的方法对围岩进行评价。4、 隧道地质超前预报方法4.1 TSP超前预报法（1）TSP203基本原理TSP203预报系统采用回声测量原理，对开挖前方地质状况作出预报。在进行地质预报前，在隧道边墙脚处布设测线，测线上布设炮点，即为人工震源点，用小量炸药激发地震，

16、产生振动声波。振动声波向进深方向传播，当遇到不同介质时，一部分声波返回，一部分声波继续向前传播。当继续向前传播声波，遇到第二种介质时又返回，直至振动能量全部被吸收。事先设置在隧道内的接收器，分次采集到回声波，利用设备自带软件进行分析处理，并依次做出地质信息预报。TSP203是一种无损的地球物理勘探设备。该设备自带TSPwin软件，数据采集、处理和评估为一体，在常见的MS Window窗口进行交互作用。通过TSPwin软件，可以获得探测范围内的全部岩石力学参数，如弹性模量和泊松比等，利用探测到的物理力学参数，可预测进行深方向及其周围岩层的构造变化。探测范围可达到100m，硬岩层甚至可达200m，

17、在现场进行数据采集时，能伴随施工连续采集，基本上不影响掘进作业。如图3-1图3-1 TSP超前地质预报系统原理图（2）TSP203系统基本配置TSP203系统主要由记录单元、接受单元及附件和爆炸装置组成。每一组成部分（除爆炸装置外）随机都有详细记录，图3-2至图3-4是TPS203系统仪器和传感器。 图3-2 TSP203超前地质预报系统仪器图3-3 TSP203超前地质预报系统仪器和传感器图3-4 TSP203超前地质预报系统传感器（3）记录单元TSP203的记录单元对地震信号进行记录和质量控制，其基本组成如下：地震信号转换器：24位A/D，能采14468样点；PIII笔记本电脑（Windo

18、ws NT），其作用是控制记录单元、采集地震记录、储存和数据处理及评估。TSP203是在洞室环境里工作，因此，笔记本电脑应具有防水、防尘和防振功能，以便能够拟制噪声，提高反射波质量，监视记录数据的质量。记录系统：标准12道输人设置。用户可以设置4个接收器记录数据，左右TSP 203系统水平。采用24位A/D转换器，最小动态范围为120dB，可以获得108000Hz的频宽。TSP203探测的地震信号，包含有较低频（1002000Hz）部分，因此，它能提供了多重超采样的功能，在后来的数据带通滤波时，可以增加信噪比。记录单元采用内置电源供电，至少要保证有34h（最大56h）的操作时间，以能够完成3次

19、完整的TSP 203测量。（4）接收单元接收单元用于拾取地震信号，它由极灵敏的三轴地震加速度检波器（X-Y-Z分量）组成，装载在一个特殊的套管里，套管与岩层之间用水泥或筒状双组分环氧树脂固结在一起。接收单元的频宽为0.55000Hz，包含有所需的动态范围，能够将地震信号转换成电信号； 共振频率：9000Hz； 灵敏度：1 mV/g5， 横向灵敏度：1。 采样间隔：62.5s，125s： 最大记录长度为1808.5ms； 动态范围120dB； 操作温度：065；在每个接收器中，设有三分量（X、Y、Z）加速度检波器，备有4个三分量地震检波器输入插头，并按顺序排列，能确保在所有三个空间方向范围的全波

20、场记录，所以，TSP203系统能分辨不同波的类型，如纵波P、横波S波。此外，按标准相互排列的三分量记录，能够计算波的人射方向。（5）附件和爆炸装置接收单元和记录单元，用接收电缆线相连接。爆炸装置由普通爆炸机和触发器盒、内置爆炸电路组成。在引爆时，用一根两线的爆炸电缆线，把电雷管和触发器盒牢固连接一起。引爆电流约10A，引爆精度约10s，炸药包的药量约为20g,电雷管为瞬发型，炮孔深约1.5m，引爆之前用锚固剂封住炮孔口。记录单元一旦准备好，在触发器盒上绿灯显示，就允许引爆。（6）TSP203探测准备布设观测系统观测系统是在隧道一侧布设一条观测线，在其上布设一行炮点S；根据岩层界面的走向，炮点观

21、测线剖面可以布设在隧道左边墙，也可以布设在右边墙。面向隧道前进的方向，隧道划分为左右边（图3-5），一条炮点剖面布设两个接收器。对于相当复杂的地质条件，最好采用两个炮点剖面，以提高探测的准确度。图3-5 炮孔和接收器布设图探测剖面的设计根据隧道的具体地质条件，选定出探测的观测系统的位置，布设炮点，安装接收钢套管。接收器的位置，从掌子面位置往回退55m。接收器与第1个炮点S1之间的距离，必须在20m范围内，不应少于15m。炮点间距S1、S2, S3.以1.5m为宜，不应超过2m。如果探测的距离较短时，也可以减小。为确保TSP 203探测精度，每条观测线上的炮点总数必须大于18个。接收器位置和炮点

22、深度应标记在隧道墙壁上，并记录在案。炮点应布设在同一个水平面上，对于X轴方向，如有高差lm台阶时应予削平。观测线的坐标系（X、Y、Z）应与隧道的坐标系相联系并准确到m，应尽力接近接收器的位置。当测线零点定位在接收器的位置时，标志着简化了参数设置。接收器孔布设要求 接收器的接收孔布设技术要求： 数量：2个，隧道两侧各1个； 直径：43、45mm； 深度：2m； 定向：径向隧道轴，上倾510； 高度：离地面高lm； 位置：距离隧道掌子面（或可到达的面）约55m. 炮孔布设要求 数量：1824个，根据隧道面的实际情况确定； 直径：炮孔孔径为38mm(2045mm）； 深度：1.5m（最小0.8m最大

23、2.0m）； 定向：径向隧道轴，下倾100200，垂直隧道墙壁或夹角100； 高度：离地面高lm； 位置：第1个炮点离同侧检波器约20m(最小15m)，炮点距1.5m（最大2.0m)。 安装接收器套管 TSP203探测时，安装接收器套管，有两种不同的方式：1) 用灰泥（含锚固剂）安装。接收器孔完钻后，首先安装接收器套管。在钻孔中必须充填（注入）特殊的双组份无收缩细颗粒灰泥。注入时可使用薄壁的PVC管和漏斗。把接收器套管推人已用灰泥充填的钻孔中。在安装前，要注意对套管水平进行校正，使套管内侧的凹口沿铅直方向。2) 用环氧树脂安装。接收器孔完钻后，也可以用环氧树脂安装接收器套管。安装时，借助人工钻

24、机进行。炮孔的钻制和保护在软弱岩层中钻制炮孔时，为防止发生塌孔，可及时用薄壁塑料管（外径约30nm，长约1.5m）插人孔中，将炸药通过塑料管推人孔中。引爆前再抽出塑料管。如果岩层非常不稳定，在引爆前塑料管又不能移开，则有可能通过塑料管爆炸。（7） TSP203探测系统设置在测量开始前，应对记录单元和电脑进行充电，对整个系统进行常规检查，其步骤如下：A 插入接收器并与记录单元连接； B 在噪声检查模式下测试记录单元功能；C 用爆炸机进行起动测试，并测试电阻； D炮孔中装炸药。在炮孔装炸药时，注意以下几点：a、装炸药前，先用电子倾角水准仪和钢卷尺测定炮孔的倾角和深度，用装药杆检查炮孔是否畅通（无阻

25、塞）。b、包扎炸药和雷管。c、用装药杆通过PVC管将炸药包装入孔中。d、若有可能，在不损坏雷管线情况下，小心拔出PVC管。e、在引爆前，炮孔必须用水充填，封住炮口。系统安装安装接收器，启动记录单元，电压显示至少应为6V。接通记录单元后，进行噪声测试。用串行线将记录单元与电脑串行端口连接，开机登录电脑后，启动TSPwin程序。起爆器测试在测量前，起爆测试用于检查触发器和爆炸机。首先，应做好以下连接：A、用触发器电缆线的一端连接记录单元，另一端与触发器盒连接起来。B、将测试电阻器（也可以用雷管代替）与触发器盒插口连接起来。C、进人TSP win中Noise Check噪声检查对话框，进行引爆测试并

26、记录。D、起爆，起爆和记录成功后，地震数据从记录单元缓冲储存器上载到电脑储存。图3-6 TSP203隧道超前预报系统数据采集示意图图3-7 X、Y、Z方向接收信号（8）TSP203数据处理TSP203通过自带的TSPwin软件，对探测现场采集的数据进行处理时，其工作流程大致经过如下11个频聚：数据设置带通滤波初至拾拾取处理炮能量均衡Q估计反射波提取P-S波分离速度分析深度偏移提取反射层。通过上述11个步聚分析，TSP203系统将反射信号传播时间转换为距离或深度。利用其分析处理结果，计算出震源距隧道轴线交角及掌子面距离，从而确定出反射层界面的空心位置。TSPwin软件对数据处理后，可以获得P波、

27、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面图，以及在探测范围骨反射层二维、或三维空间分布，围岩的力学参数，最后，对围岩状况做出评价，指导隧道开挖作业，检验支护参数。（9）TSP203数据处理成果解释与评估经TSP203对现场采集到的资料进行数据处理后，分离出的P波、SH波、SV波时间剖面图成果图（图3-8、3-9），这是进行地质解释的最基本资料。其物理意义是：TSP203接受器接收到各炮点激发出的地震波的反射波到达接收器的时间，反映出了地质构造的形态。但是，为展示地质形态的真实状况，以便于进行地质解释，还需对时间剖面图进行速度分析和偏移归位。反射波的时间剖面图，经过速度分析后获得的反射层空间位置图

28、。不同的岩石介质，对地震反射波产生不同衰减，形成的P、S波展示出岩石介质分布状态。 依据其时间剖面图数据，经过系统速度分析，获得的在P波、SH波、SV波速度分析图，显示出反射层图像。反射波时间剖面图，经过偏移归位后成为P、SH、SV波深度偏移归位图，形成地质解释资料。根据深度偏移图，选出标准反射层后，即可参照进行地质解释。图中的P、SH、SV波，展示不同地层反射波的状态。图3-8 TSP203超前地质预报系统探测成果2D显示图图3-9 TSP203超前地质预报系统软件数据处理流程再经过深度偏移分析，便提取出反射介质的具体位置，即不同岩性的界面位置。换句话说，如果反射介质是断层破碎带，则探测出其

29、具体位置，为隧道开挖提供出前方围岩状况信息，在施工现场采取应对措施，或变更支护方式，或改变开挖方式，做到安全施工。通过分析这些曲线，从岩石物理和力学参数变化，判断出所探测范围内的围岩类别。TSP203直接输出的岩石物理力学参数，可用于对围岩进行定量分析。然后，考虑围岩中含水情况，根据公路工程地质勘察规范（JTG C202011），确定出围岩的具体级别，绘制出超前地质预报图。4.2地质雷达法的原理与方法地质雷达可有效地探测隧道掌子面前方的地层岩性划分、富水性与岩溶破碎带等的分布。（1）探地雷达技术1）工作原理探地雷达的工作原理是运用瞬态电磁波的理论，通过宽频带时域发射天线，向介质发射高频短脉冲电

30、磁波。波在介质传播过程中遇到不同电性介面就会产生反射，再由接收天线接收反射回来的信息，由计算机将接收回来的数字信息进行计算处理和分析，便可识别不同界面反射体的形态，并能确定目标体的空间位置（图3-10）。探地雷达与通信雷达技术极为相似，都是依据不同频率的天线向目标体发射电磁波来确定目标体的形状和位置的。同时，电磁波的传播理论与地震弹性波有很多相似之处，因此，探地雷达波的解释与地震反射波法的解释也很类似。根据波动理论，电磁波的传播遵从下列公式： （1）式中v为电磁波的传播速度；r为电磁波传播的距离；为电磁波的角频率，2f。探地雷达使用的是高频电磁波，频率在102000MHz左右，其传播速度主要由

31、介质的介电常数大小来决定。电磁波在某一介质中传播时，遇到不同的波阻抗界面（如隧道的脱空、不密等）将会产生反射和透射，其反射能量取决于反射系数R： （2）式中分别为反射界面上下两层介质的相对介电常数。由上式可见，如在混凝土衬砌体与围岩之间，二次衬砌与初期支护之间，以及衬砌体内部存在空洞、不密实、离析等缺陷时，由于空气（或者离析物）相对混凝土的介电常数差异较大就会形成波的反射，这就为探地雷达检测隧道工程质量创造了良好的地球物理条件。 2）使用仪器本次检测使用的是瑞典Mala公司生产的RAMAC/GPR CU主机控制系统一套，便携式探地雷达（如图3-11）及其配套的1GHZ、800MHZ、500MHZ、100MHz（如图3-12）。该仪器具有系统高度集成化、数字化，操作菜单简洁方便，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强功能，可进行连续透视