地质超前预报技术.doc

地质超前预报技术方案
一、 使用条件及目的
超前地质预测、预报是隧道信息化施工的重要组成部分，也是隧道施工中一道重要的施工工序。超前地质预测、预报的目的是采用各种地质分析、物探、超前钻探等手段在隧道施工当中探明前方围岩地质情况，并根据前方地质、水文条件的变化及时调整施工方法和采取相应的技术措施，降低地质灾害发生的几率，从而编制竣工文件提供地质资料。
二、 超前地质预报的内容
针对本隧道工程的特点和施工技术要求，隧道施工期地质预测、预报应包括以下内容：
1） 断层及断层影响带的位置、规模及其性质。
2） 软弱夹层的位置、规模及其性质。
3） 隧道受岩溶地下水影响程度及岩溶形态的类型、位置、大小等。
4） 隧道内围岩级别变化趋势。
三、 地质预测预报工作的原则和要求
1、超前地质预测、预报是隧道信息化施工的重要组成部分，施工阶段应将超前地质预测、预报纳入施工工序进行组织管理。
2、地质预测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，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿于施工全过称。
3、超前地质预报的结果应体现及时性，有异常情况时应及时通知决策部门和施工单位，及时采取措施，使不良地质体始终处于可控状态；在预报前方地质情况正常的情况下，亦应将预报结果及时通知决策部门和施工单位，使其安排正常施工工序，组织正常施工生产。
4、地质预报结论应有书面报告，并及时交由决策部门和施工单位，队所有预报资料应存档备案。
5、施工过程中应将实际开挖的地质情况与预报情况与预报结果进行对比分析，及时总结经验教训，以指导和改进地质预报工作。超前地质预报技术是一门挣在发展中的技术，随着科学技术的进步，将逐步得到提高和完善。超前地质预报管理工作也需要在实践中不断提高。
四、地质预报的方法和手段
1、隧道超前地质预测、预报应坚持常规地质法、物理勘探法、钻探法等多种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证的原则。并结合和隧道工程特点，以及局项目部安排，隧道超前地质预测预报的方法如下表：
序号
探测手段
备注
1
地质素描
地质素描或数码成像
形成隧道地质基础资料
2
物探手段
TSP
远距离探测断层破碎带、岩层分界面，用于地质条件负责的隧道
3
地质雷达
近距离探测隧底、掌子面岩溶
4
红外探水
探测含水断层和溶洞、是否存在含水破碎带
5
地质钻探
水平钻探（30m）
断层、岩溶、瓦斯、重大物探异常段等
6
加长炮孔钻探（加长3m）
掌子面短距离岩溶、地下水等揭露
2、隧道地质超前预报实施方法
1）地质分析法，本隧道采用地质素描法进行地质分析。地质素描指正洞洞壁及掌子面素描，具体内容主要包括以下几个方面：

（1）工程地质
① 地层岩性，包括地层时代、岩性、岩体产状等；
② 断层，包括断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分，并进行断层带岩体的稳定性评价；
③ 节理，包括节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特性、理学性质，分析组合特征、判断岩体完整程度；
④ 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、探孔饼状岩心等现象；
⑤ 特殊地层，煤层、沥青层、含膏盐层和含黄铁矿层应单独描述；
⑥ 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。
（2）水文地质
① 出水点位置、出水状态、水量、水压、水温、颜色、泥砂含量测定，必要时进行长期观测；
② 水质分析，判定水对建筑材料的腐蚀性；
③ 出水点和地层岩性、构造、岩溶、暗河等的分析；
④ 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；
⑤ 必要时应建立涌突水点地质档案。
（3）岩溶
包括岩溶规模、形态、位置、所属地层和构造部位，充填成分、状态，以及岩溶展布的空间关系。
（4）摄像和影像
隧道内重要的和具有代表性的地质现象应进行摄像或录像。

2）物探方法，包括TSP隧道地震波反射法、地震雷达法、红外探测等。
（1）TSP203超前地质预报系统
TSP（Tunnel Seismic Prediction）是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超桥地质预报而专门设计的，其目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。
TSP方法探测距离远，对大多数岩层，从隧道掘进面算起，其探测范围可以达到前方100米，硬岩层甚至可达200米，最适合长期（长距离）超前地质预报。
TSP203现场数据采集包括打接收器孔和爆破孔、埋置接收器管，连接接收信号仪器及爆破接收信号过程等工作。
TSP203系统系统在围岩较好的地段可测出前方100～200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层破碎带、洞穴、隐伏含水体等。根据本隧道的技术要求，本隧道每100m进行一次TSP203探测，每次探测范围150m，全隧道共需进行20次。根据局项目部安排，此项物探方法委外施作。
探测方法：
① 爆破孔布置：TSP203超前地质预报系统洞内布置的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上，一般情况下，它是由两个接收器孔和24个爆破孔组成。接收器距掌子面约55m，在隧道两侧对称布置，最后一个爆破孔距掌子面约0.5m。爆破孔间距1.5m，孔深1.5m，孔径35～38mm,孔口距隧道底约1.0m,向下倾斜10°～20°，接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.0m，孔径43～45mm，孔口距隧道底1.0m，向下倾斜5°～10°。

TSP203检测钻孔平面布置示意图
② 埋设传感器杆：埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚碴，放入环氧树脂药卷，插入传感器套杆，用钻带动其钻动，保证环氧树脂药卷充分搅拌。待传感器杆固定后，插入传感器，注意传感器方向朝向掌子面。
③ 连接家产：把传感器、检波器（电脑）、起爆器、同步器连接起来， 并检查其是否正常工作，注意此时起爆器不得与雷管相连。
④ 测量时间：测量时间选在施工交接班时间，要求工作面800m范围内不得有机械作业和作业人员作业，作业前与现场施工施工员联系，以确定停工时间，此时准备好爆破药卷、电雷管等。
⑤ 装药爆破：由最里边炮孔开始，逐个依次装药联线，起爆器起爆，装药量根据围岩情况，一般控制在10～40g左右。
⑥ 成果分析：采用TSP203自带的软件分析系统，剔除一些明显的干扰波，软件自动分析，自动生成图表，反映前方围岩的物体特性，岩层分界线、软弱带、断层的位置等信息。
（2）地质雷达
当TSP203系统预报前方有溶洞、暗河水体、岩体层面等不良地质时，其规模、形态需要具体了解，就需用地质雷达进行探测。根据局项目部安排，此项物探方法委外施作。

探测方法：在开挖掌子面上，以上、中、下水平和左、右为骨架布置若干水平测线和竖线测线向前方探测，每条测线可构成一条剖面，各条剖面上的综合地质信息即构成了前方一定范围内的空间地质构造形态。测线的密度可视所探测地段的围岩地质构造复杂程度和所要求的探测控制精度选定，围岩约负责，要求的控制精度越高，则测线密度就越大，反之越小。根据探测资料，首先对各方面剖面进行综合分析，定性判定前方地质情况并定量确定有关异常体、条、带等位置、深度及其空间分布情况，再结合具体的地质条件（如断层、节理、裂隙与隧道走向的夹角和倾角及其对隧道围岩稳定性的影响程度）、地压因素（静压、动压和二次平衡压），详细划分和界定围岩类别，以便主动采取超前支护措施。
根据本隧道的技术要求，本隧道地质雷达预测每25m进行一次，每次探测范围15m，全隧道共需进行79次探测。

图4.4.6-1地质雷达测线布
（3）红外线探水法
采用HY—303防爆红外线探测仪进行超前防水预测预报，红外探水如下图所示。

A：供电电极；M/N;测量电极；B：相对无穷远点（AB>300m）；p：含水体接触点
红外探水仪示意图
了解掘进前方10～30米范围内是否存在含水断层和溶洞、是否存在含水破碎带。
向两壁外侧探测了解两壁外侧是否存在隐伏水体、是否存在与隧道走向成小角度斜交的断层、是否存在溶洞。
根据本隧道的技术要求，本隧道红外探水预测每25m进行一次，每次探测范围30m，全隧道工需进行79次探测，根据局项目部安排，次项物探方法委外施作。
隧道施工进程中应用HY—303型防爆型红外线探测仪对前方30m范围内进行含水层的定性探测。探测方式为：
① 掌子面上3*3网格上九个点温度或热辐射数据。
② 掘进后面掌子面方向靠近掌子面50m内左边墙、拱部、右边墙红外辐射场数据曲线，也成为背景趋势曲线。
判别标准：一般式是利用掌子面上探测数据两点间最大读书差值，参考背景趋势曲线，来判断前方含水可能性。
3）钻探方法

钻探方法是最直观、可靠的超前预报手段，对来自物探或其他方法认为重点怀疑地段，采用钻探探测，通过对钻孔取岩心，并利用岩心作式样进行试验的分析，钻孔钻速测试根据钻机在岩石中的钻进速度和岩石特性之间的关系来判断，判断地层变化、岩性差异、地层含水量等信息。
（1） 钻孔布置：一般在施工面布置不少于3个超前钻孔，部分岩层破碎地段或断层破碎带需增加钻孔数，以不少于5个孔为宜，位置位于断面上半部分中间。钻孔布设如下图（正常情况下只用上部三个孔）：
探孔布置示意图

每个断面设五个超前探水孔，进行超前地质预报和探测，
现场施作时可根据围岩情况进行增减和调整位置。
（2）钻孔方法：水平超前钻孔平行于隧洞轴线。按物探方法预报提供的不良地质里程位置，在距不良地质10～15m处，停止开挖，在开挖面进行钻孔，钻孔直径φ75mm，钻孔长度为穿过不良地质，必要时并取芯。钻孔终孔点须在隧道开挖轮廓线外不大于5～7m。其钻孔方向，其钻孔的水平角、倾角以及钻孔在开挖面上的位置须按平面、刨面坐标进行计算，并按设计推算可能见不良地质点位置。
钻探应符合下列规定：

① 钻探口径和钻具规格应符合现行国家标准的规定。
② 成孔口径应满足取样、测试和钻进工艺的要求。
③ 应严格控制非连续取芯钻进的回次进尺，使围岩分界精度符合要求。
④ 岩芯钻探的岩芯采取率，对完整和较完整岩体不应低于80%，较破碎.岩体不应低于65%；对需重点查明的部位（滑动带、软弱夹层等）应采用双层岩芯管连续取芯。
(2) 钻孔长度：根据现有机具和钻孔经验以及本隧道的技术要求，本隧道每次水平钻孔深度取30m左右，全隧道均需进行超前钻孔。
在综合地质超前预报中的各种方法中，TSP203作业快，测距长，干扰相对少，可以与多种预测法结合应用，但精度不高，解释难度大，适于作长距离预测；地质雷达可以准确测定段距离内隧道四周和底部的空洞、水体情况，可补充TSP203系统的不足;d地质钻探基本可以揭示地下水及围岩物体力学性能，但干扰大，用时长，费用高。而加长炮孔钻探设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，在岩溶地段效果加好。因此施工中应采取多种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证，确保地质预测、预报的准确性。
六、预报工作技术要求
1、地质素描，随开挖进行，一般地段10m素描一次，负责地段每循环进行一次，包括掌子面、左右边墙、拱顶及隧底。
2、超前水平钻孔，全隧道均需施作，一般每循环25m；断层、节理密集带或其它破碎富水地层每循环可只钻3孔；岩溶发育区每循环钻5个孔。
3、TSP全隧道需施作，100m进行一次预报，每次预报有效长度150m。
4、地质雷达全隧道均需施作，25m进行一次预报，每次预报有效长度30m，连续时前后两次重叠长度在5m。
5、红外探测全隧道均需施作，25m进行一次预报，每次预报有效长度30m，连续预报时前后两次重叠长度在5m。
七、预报资料编制
1、地质分析法，应编制资料：
1）掌子面素描图
2）特殊地段纵、横断面图
3）隧道竣工工程地质纵断面图
2、TSP隧道地震波反射法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、分析处理波形图、频谱图、深度偏移剖面图、二维成果显示图及岩体物理力学参数表
3、地质雷达法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况，地质解译结果、测线布置图（表）、探测剖面图、采集及解释参数。
4、红外探测预报应编制探测报告、内容包括探测工作的概况、地质解译结果、掌子面探测数据图、左右边墙及拱顶三条测线的探测曲线图。
5、超前水平钻探预报应编制探测报告、内容包括工作概况、钻孔探测结果、钻孔综合柱状图。
6、综合分析探测报告及灾害警报，内容包括工作概况、采用的各种预报手段及预报结果、相互印证情况，综合分析预报结论、灾害警报、施工方法和施工技术建议。
7、超前地质预报工作应编制周报、月报、年报。
八、地质预测预报设备、仪器
序号
探测设备、数量、方法
备注
1
地质罗盘仪
二台
地质素描
形成隧道地质基础资料
2
TSP203
一台
委外
远距离探测断层破碎带、岩面分界面
3
地质雷达
一台
委外
近距离探测隧底、掌子面岩溶
4
红外线控测仪
一台
委外
近距离探测含水断层和溶洞、是否存在含水破碎带
5
地质钻机
一台
水平钻探
断层、溶岩、瓦斯、重大物探异常段等
九、人员及组织机构设置
在局项目部的领导下，我项目部成立以总工程师为组长，相关部门负责人、各作业队技术负责人为组员的超前地质预测预报小组
组长：XX
副组长：XX
组员：XX
各隧道施工队成立相应的超前地质预测预报小组，并在经理部的领导下，按照职责分工、责任协调、归口管理各自负责管段内的隧道超前地质预测预报工作。
十、安全措施
1、TSP203现场采集数据使用灵敏度很高的高爆速炸药，危险性较大，应由专业爆破工操作。
2、钻机使用高压风、高压水，管路应连接安设牢固，并应经常检查，防止管接头脱落、管路爆裂高压风水伤人；高压电路接线应由专业电工操作，一般人员不得操作。
3、进洞应戴好安全帽、穿好防高压电的雨靴，注意操作空间上方、周围有无安全隐患，特别是掌子面附近是否有危石存在。
4、为便于控制超前钻孔揭露岩溶水时的水流及采取措施，孔口应安设孔口管和闸阀，防止水压将孔口管冲出伤人。
5、钻孔时，钻机前方安设挡板，防止泥砂冲出伤人。