新建铁路隧道超前地质预报实施方案

新建铁路隧道超前地质预报实施方案内容摘要：

中长距离预报是在长距离预报的基础上采用地震波反射法或声波反射法、高分辨电法、深孔水平钻探等对掌子面前方 30～ 100m 范围内的地质情况作进一步的预报，如对不良地质体的位置、规模、性质作较为详细的预报，粗略的预报围岩级别和地下水情 况等。 短距离预报是在中长距离预报的基础上采用掌子面素描、红外探测、地质雷达等方法进行预报，探明掌子面前方 30m 范围内地层岩性、地质构造、不良地质及地下水出露情况等，对可能有突泥、突水和其它不良地质情况的地段应进行 7 钻孔验证。 根据以上原则，制定 具体 预报方案 如下： 1) 地面调查：对隧道范围内地形、地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件，不良地质作用等进行进一步的全面核查。 2) 洞内地质素描：对隧道全段（包括正洞和横洞），进行地质素描。 3) TSP 超前探测：采用 TSP 超前探测，重点查明隧道岩体完整性、软弱结构面、断层破碎 带、裂隙发育带规模、大小、发育位置。 对隧道进行贯通性探测。 4)红外探测仪超前探测：采用红外线探测仪对隧道前方掌子面水文地质条件进行探测，宏观掌握掌子面前方短距离（大约 30m）范围内的富水带位置及富水情况。 5)地质雷达：采用地质雷达对可溶岩段、向斜核部、侵入接触带、软硬岩接触带、断层及其影响带或 TSP 超前探测发现的异常地带，进行短距离精确探测，精确查明岩溶裂隙发育位置、大小规模、形态、充填及富水状况以及断层破碎带、裂隙发育带位置、规模、接触带岩体完整性等工程地质及水文地质条件。 沿线隧道均为岩溶隧道，故对各隧道均进 行贯通性探测。 6)地质综合分析：对全隧道进行地质素描，记录现场揭露的地质信息，并综合上述各种探测方法获得的地质信息，通过综合分析，预测预报前方工程地质及水文地质条件。 隧道施工超前地质预报工作采用长短结合、上下对照、定性与定量相结合，多方法、多频次相互印证的原则，进行综合施工超前地质预报。 针对沿线各隧道洞身段地质复杂程度，具体预报分为常规预报、加强预报和重点预报三种情况。 常规预报：主要采取以 地质分析 为基础、物探方法为手段， 宏观预报 （地表调查）、 中长距离预报 （ TSP 预报）、 短 距 离 预报 （表面地质雷达）相结合的预报体系。 其流程见图 51： 8 图 51 常规预报工艺流程 加强预报：主要采取以 地质分析 为基础、物探方法为手段， 宏观预报 （地表调查）、 中长距离预报 （ TSP 预报）、 短 距 离 预报 （表面地质雷达及红外线预报 3孔超前钻探）相结合的预报体系。 其流程见图 52： 9 图 52 加强预报工艺流程图 重点预报：主要采取以 地质分析 为 基础、物探方法为手段， 宏观预报 （地表调查）、 中长距离预报 （ TSP 预报）、 短 距 离 预报 （表面地质雷达、红外线预报、5 孔超前钻探）相结合的综合预报体系。 其流程见图 53： （ 1）岩溶及涌水、突泥预报 首先利用地质调查与地质素描手段，确定隧道可溶岩发育的大致里程，再通过 TSP 对岩溶及地下水发育的位置、规模及性质作较为详细的预报，然后采用掌子面素描、地质雷达、红外探测等方法更加准确地预报掌子面前方 30m 范围内岩溶的发育情况，对可能有岩溶、突泥涌水的地段特别是可溶岩与非可溶岩图 53 重点预 报工艺流程图 10 的接触带应进行水平钻验证， 超前钻探时必须设有防突装置，具体为在 钻孔时安设孔口管及高压闸阀，当遇有高压水时，要立即拔出钻具，关闭孔口管的高压阀门，等待制定处理措 施。 对岩溶强烈发育地段可增加钻孔的数量及增加地质雷达探测的频率，并对开挖后的隧道底板用地质雷达进行隧底岩溶检测。 横洞工区、隧道反坡施工地段处于富水区时，超前钻探作业时应做好突涌水处治的方案。 隧道涌水、突泥预报程序，见图 54“隧道涌水突泥预报程序框图”。 图 54 隧道涌水突泥预报程序框图 （ 2）断层破碎带预报 首先利用地质调查与地质素描手段，确定在勘察阶段发现的宽大断层的大致里程，此外，由于地壳中许多断层并未延伸至地表或被覆盖层所覆盖，所以隧道在开挖过程中所揭露的断层往往多于地表所发现的数量，鉴于沿线隧道属岩溶隧道，故应进行 TSP、地质雷达和红外探水贯通性探测，探测掌子面前方围岩的强度、完整性、富水性，然后根据掌子面素描观察隧道围岩的变化，统计节理组数及其形态的变化， 推测前方可能出现断层的位置，对可能出现断层的地段进行水平钻验证， 钻孔时需安设孔口管及高压闸阀，当遇有高压水时，要立即拔出钻具，关闭孔口管的高压阀门，等待制定处理措施。 断层预报程序框图，见图 55“断层预报程序框图见图”。 11 图 55 断层预报程序框图 （ 3）煤层瓦斯预报 瓦斯预报可采用地质调查法、弹性波反射法、超前钻探法进行。 采用地质调查法、波反射法确定煤层分布位置、煤层厚度；采用超前钻探（ 煤层瓦斯地段必须采用水循环钻，否则易引起火灾或爆炸 ） 孔内测试确定隧道开挖工作面前方煤层瓦斯浓度及其变化。 在 揭煤钻进时，利用冲击钻具钻至煤层的大致里程后，改用双管取芯钻具进行钻进，当钻孔的循环液变成黑色时关闭循环液，利用钻机自身的钻压和扭力对煤层进行取芯，直至取过煤层并记录煤层的起止 里程。 其作业必须严格执行瓦斯隧道有关安全条例及规程。 在富含瓦斯的煤系地层中，采用长短结合的钻孔方案可提前将岩体中的有害气体逐渐释放出来。 瓦斯浓度探测及隧道洞内瓦斯浓度监测必须由有专业资质的人员进行。 瓦斯预报应遵循图 56 的程序进行。 熟悉隧道勘察设计文件资料 补充隧道地表地质调查隧道煤层出露位置、产状、宽度煤层、在采及废弃矿巷在隧道中可能出露位置的位置地震波、声波反射法探测地表地下构造相关分析煤层出露预兆洞内地质调查煤层位置及瓦斯预报瓦斯预报超前钻孔隧道址区在采及废弃矿巷调查孔中瓦斯浓度及其变化测试矿巷与隧道空间关系分析 图 56 瓦斯预报程序框图 12 第六章 施工超前地质预报方法 结合沿线隧道地质条件，超前地质预报工作采用由面到点、长短结合、地面调查与洞内预报相结合、定性与定量相结合的方法，确保预报的准确性。 1. 地面调查 (1)、 调查目的 核对勘测资料，掌握隧道所在地区的地层岩性、地质构造、不良地质及 水文地质情况，为隧道内地质预报提供方向性的依据。 (2)、 调查范围 根据勘察单位提供的隧道工程地质图，调查范围主要为隧道进出口及隧道中线两侧各 1～。 (3)、 调查内容 ① 地层岩性 主要调查地层的地质时代、岩层厚度、层间结合程度、岩层产状、岩性、岩石硬度、风化程度等。 ② 地质构造 主要调查破碎带及节理裂隙特征。 破碎带宽度、破碎带的成分、破碎带的含水情况以及与隧道的关系；节理裂隙的组数、产状、间距、充填物质、延伸长度、张开度及节理面的起伏情况，节理裂隙的组合状况。 ③ 不良地质 主要调查岩溶的发育程度及发育规模；隧址内 滑坡的性质、规模、以及对隧道的影响；煤系地层的分布范围及含煤情况；膨胀土的分布范围及厚度。 ④ 地下水的特征 调查隧道范围内的泉水、井水、水塘、水库、沟水、河水及其水量、水文、水质的变化等。 2. 地质素描 地质素描是隧道开挖后及时记录隧道洞身和掌子面地质情况的一种方法， 13 它是地质调查的细化和补充，结合勘察和地质调查取得的地质资料，可以对隧道掌子面前方地质情况进行预测， 并提出工程措施意见， 同时为隧道运营维护提供全面准确的地质资料。 (1)、 素描内容 ① 地层岩性 描述洞内地层、地质时代、岩层厚度、层间结合程度、岩层产状、岩性、岩石 硬度、风化程度等。 核对地层界线在隧道洞身的实际位置。 ② 地质构造 确定各断层带以及主、次断层（包括影响带）的位置 及与隧道的关系，描述各断层的 产状、宽度、富水程度、断层带的物质组成及其 胶结程度。 对洞内岩体节理、裂隙进行定性及定量统计量测，查明其性质、 组数、 产状、 间距、 延伸长度、张开宽度、粗糙程度、蚀变情况、密度、地下水及充填情况，以及 节理裂隙的组合状况等 ，并分析优势结构面对围岩稳定性的影响。 ③ 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。 ④ 特殊地层 煤层、含膏盐 层、膨胀岩层等应单独进行描述。 对存在的有害气体及放射性危害，应分析描述危害源存在情况。 ⑤ 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。 ⑥ 地下水的特征 围岩的透水性， 出水点位置、 出露形态（渗水、滴水、滴水成线、股水（涌水）、暗河） 水量、水压、水温、水色、悬浮物（泥砂等）测定；出水点和地质环境（地层、构造、岩溶、暗河等）的关系； 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 ；必要时进行水样分析。 14 ⑦ 其他 在对岩体受构造影响程度、节理发育程度、 岩体完整程度、富水程度及围岩稳定状态等进行详细编录的基础上，对围岩级别及其他地质参数进行修正，并提出有针对性的支护、衬砌或超前加固措施意见。 对重点地段，如岩溶、断层、节理密集带、岩性接触带、地下水富集带、岩性变化频繁或软硬相间及掌子面地质情况与原设计地质条件出入较大等重点地段，除地质编录外，还要进行必要的地质调绘和测试。 (2)、 围岩稳定性评价和预报 根据地质素描得到地层岩性、地质构造、不良地质、水文地质特征等，判定围岩完整性和围岩分级，结合勘察和地质调查取得的地质资料预测隧道前方地质情况。 (3)、 资料提交 每循环开挖 后对拱顶、掌子面和左右边墙进行地质编录，并进行数码摄像。 编录的原始记录、图、表当天整理（绘制）。 施工一定距离后，作出分段（ 60m/张）完善的地质展示图和总结。 3. TSP 超前地质预报 TSP 超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的目前世界上在这个领域最先进的设备，它能方便快捷地预报掌子面前方较长范围内的地质情况，它弥补传统地质预报方法只能定性预报无法定量预报的缺陷，为更准确的地质预报提供了一种强有力的科学方法和工具，它不仅可以及时地为隧道施工变更施工工艺提供依据，而且可以减少隧道施工中突发性 地质灾害的危险性，为隧道施工提供施工更安全保障，减少人员和设备的损伤，同时也就带来很大的经济效益。 TSP 每次可探测 100～ 200m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，每开挖 100m～ 150m 预报一次，重叠部分 (不小于 20m)对比分析，每次探测结果与开挖揭示情况对比分析。 (1)、 预报原理 15 TSP 超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的， TSP 方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。 地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约 24个炮点） 用小量炸药激发产生，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等 )时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。 反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，数据通过 TSPwin 软件处理，就可以了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。 (2)、 设备 采用 TSP 203plus 超前地质预报系统，系统主要组成（见图 62）： ① 记录单元： 12 道， 24 位 A/D 转换，采样间隔 s 和 125μ s，最大记录长度为 ，动态范围 120dB。 ② 接收器（检 波器）：三分量加速度地震检波器，灵敏度为 1000mV/g177。 5%，频率范围为 ～ 5000Hz，共振频率 9000Hz，横向灵敏度＞ 1%，操作温度 0℃～ 65℃。 ③ TSPwin 软件：数据采集和处理集于一体。 图 61 TSP 原理图 地层 或 断层 入射波前 反射波前 震源 检波器 检波器 隧道 16 图 62 TSP 设备全图 (3)、 测线布置 ① 接收器孔 位置：在隧道边墙（面对掌子面），距离掌子面大约 50m。 数量： 2 个，隧道左、右边墙各一个。 直径：φ 4545mm/孔深 2m。 布置：沿轴径向，用环氧树脂固结，向上倾斜 10176。 左右。 高度：离地面 1m。 ② 炮孔 位置：在隧道的左（右）边墙。 第一个炮孔离接收器 15～ 20m，其余炮孔间距为。 数量： 24 个 直径： 38mm/孔深。 布置：沿轴径向，向下倾斜 1020176。 （激发时水封填炮孔）。 高度：离地面约 1m。 (4)、 数据采集与分析 TSP 超前地质预报系统分为洞内数据采集和室内分析处理两大部分。 17 ① 洞内数据采集 洞内数据采集主要由接收器 、 数据记录设备以及起爆设备三大部分组成。 见图 63。 洞内数据采集包括打接收器孔、爆破孔、埋置接收器管、连接接收信号仪器、放炮接收信号等过程。 a、钻接收器孔 2 个，见测线布置。