瓦斯隧道超前地质预报和监控量测方案(李庆).docx

瓦斯隧道超前地质预报和监控量测方案
李 庆
（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安，710021）
【摘要】论文依托渝黔铁路老周岩隧道超前地质预报与监控量测项目展开研究,在整理该工程区域的地质资料、隧道设计支护方案的基础上,通过分析该地区的工程地质特点和总结同地区类似工程的经验与各种超前地质预报自身的优缺点,选择适合本工程的最佳超前地质预报组合和监控量测方案，为后期和类似工程提供参考意见。

【关键词】高瓦斯 超前地质预报 开挖支护 监控量测
一、超前地质预报方案
根据老周岩隧道高瓦斯隧道的工程特点，老周岩隧道设置专业地质预报组，以地质素描法、地质水平钻探、超前平行导坑法等相结合的综合手段对前方围岩情况的探测，对掌子面前方的隧道围岩进行长期、中期及短期预报相结合，达到相互验证，准确预报，从而建立一套适合本隧道的地质预测预报系统，提高预报的准确度，对异常地质情况认真分析，为决策提供依据，以便制定施工方案及处理预案，及时采取相应的防治手段，避免地质灾害所带来的损失和负面影响，确保施工安全。
1.1 地质素描
开挖后通过对围岩类别、岩性的判断，围岩风化程度、节理裂缝、产状，地下水等工程地质及水文地质情况进行观察和测定后，绘制剖面、平面地质素描图，并结合位移测量和超前地质预测、预报资料来判断前方地质情况，据以指导施工。
1.2 超前地质水平钻孔
隧道在开挖前采用5Φ89超前天然气探孔和掌子面加深炮眼探测是否有瓦斯、天然气等气体，每个断面加深炮眼的个数不小于5个，均匀分布于掌子面，炮眼深度不小于5m。天然气探孔长度30m，25m一循环，搭接5m，超前地质钻孔按图1.1布置。

图2.1 隧道超前探孔布置示意图
若探测到有害气体，要根据记录确定有害气体的涌出位置，在其逸出孔附近施作超前钻孔，设置有害气体检测点，以定量检测有害气参数，必要时根据有害气体检测结果调整有害气体处理措施，进一步确认瓦斯、天然气浓度、岩体破碎程度。
1.3 超前平行导坑法
利用在平行导坑中开展常规地质调查、物探、超前钻孔等方法获取的工程地质信息机开挖揭示并证实的地质条件，对正洞相关段进行地质条件的推测、评判，要求平行导坑超前正洞400m左右。
探测方法及频率见表1.1。
表1.1 地质预报方法及频率
探测方法
项 目
频 率
探测目的
常规地质调查法
地质素描
12m/循
天然气分布
超前水平
钻探
Φ89超前钻探
5孔/断面，30m/孔，25m/循
天然气信息
加深炮孔
5孔/断面，每孔≥5m
地质构造、瓦斯含量
超前平导
平导超前正洞≥400m
地质条件推测
二、围岩监控量测
2.1 一般规定
2.1.1 监控量测工作必须紧接开挖、支护作业，应按设计要求进行布点和监测，并根据现场施工情况及时调整量测项目和内容。量测数据应及时分析处理，并将结果反馈到施工过程中。
2.1.2 监控量测应纳入施工工序，并贯穿施工的全过程，为施工管理及时提供以下信息：
（1）围岩稳定性、支护结构承载能力和安全信息；
（2）二次衬砌合理的施工时间；
（3）为施工中调整围岩级别、完善设计方案及参数、优化施工方案及施工工艺提供依据。
2.1.3 监控量测的管理必须科学合理，施工中应按检测计划实施，工程竣工后将监测资料整理归档并纳入竣工文件中。
2.1.4 施工现场应成立专门的监控量测小组，责任落实到人，并建立相应的质量保证体系，确保监控量测工作的有效实施，监测资料完整清晰。
2.1.5 现场监控量测工作应包括现场情况的初始调查、编制实施性监控量测计划、测点布设及取得初始监测值、现场监测、提交监测结果、报送周（月）报和编写总结报告。
2.1.6 根据监测精度要求，应减少系统误差，控制偶然误差，避免人为错误。经常采用相关方法对误差进行检验分析。
2.1.7 监控量测组负责测点的埋设、日常测量、数据处理和仪器保养维修及送检等工作，并及时将监控量测信息反馈于施工和设计。
2.2 监控量测项目和技术要求
2.2.1 隧道监控量测的项目应根据工程特点、规模和设计要求综合选定。量测项目可分为必测项目（见表2-1）和选测项目两大类。选测项目应根据工程规模、地质条件、隧道埋深、开挖方法及其他要求依据《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）进行选择。
表2-1 监控量测必测项目
序号
监测项目
常用量测仪器
备注
1
洞内、外观察
现场观察、数码相机、罗盘仪

2
拱顶下沉
水准仪、钢挂尺或全站仪

3
净空变化
收敛计、全站仪

4
地表沉降
水准仪、钢挂尺或全站仪
浅埋段
2.2.2 隧道开挖后应及时进行地质素描，有条件时应进行数码成像技术；初期支护完成后应进行喷层表面裂缝的观察和记录。
2.2.3 浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设。
（1）地表沉降测点和隧道内测点应布置在同一里程断面。一般条件下地表沉降测点纵向间距应按表2-2要求布置。

表2-2 地表沉降测点纵向间距
埋深与开挖宽度
纵向测点间距（m）
2B＞H0＞2.5B
20～50
B＜H0≤2B
10～20
H0≤B
5～10
注：H0—隧道埋深；B—隧道最大开挖宽度。
（2）地表沉降测点横向间距为2～5m。在隧道中线附件测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围应不小于H0+B，地表有控制性建（构）筑物时，量测范围应适当加宽，测点布置见图2.1。

图2.1 地表沉降横向测点布置示意
2.2.4 拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上。监测断面及测点应按表2-3要求布置。
表2-3 必测项目监测断面间距
围岩级别
断面间距（m）
V～VI
5～10
IV
10～30
III
30～50
注：II级围岩视具体情况确定间距。
（1）拱顶下沉测点原则上设置在拱顶轴线附近。当隧道跨度较大时，应在拱顶部位设置三个测点。
（2）净空变化量测测线数，参照表2-4布置。

表2-4 净空变化量测测线数
地段
开挖方法
一般地段
特殊地段
全断面法
一条水平测线
—
台阶法
每台阶一条水平测线
每台阶一条水平测线，两条斜测线
分部开挖法
每分部一条水平测线
上部每分部一条水平测线，两条斜测线，其余分部一条水平测线
2.2.5 选测项目应根据设计和施工的特殊要求确定，监测断面应视需要而定，优先在施工初始阶段布置。
2.2.6 不同断面的测点应布置在相同部位，测点应尽量对称布置，以便数据的相互验证。
2.2.7 必测项目的监测频率应根据测点的距开挖面的距离及位移速度分别按表2-5和表2-6确定。
表2-5 按距开挖面距离确定的监测频率
监测断面距开挖面距离（m）
监测频率
（0～1）B
2次/d
（1～2）B
1次/d
（2～5）B
1次/2～3d
≥5B
1次/7d
注：（1）B—隧道最大开挖宽度；
（2）出现异常情况或不良地质时，应增大监测频率；
（3） 由位移速度决定的监测频率和有距开挖面的距离决定的监测频率之中，原则上采用较高的频率值。
表2-6 按位移速度确定的监测频率
位移速度（mm/d）
监测频率
≥5
2次/d
1～5
1次/d
0.5～1
1次/2～3d
＜0.5
1次/7d
2.2.8 监控量测控制基准应包括隧道内位移、地表沉降等控制基准。
（1）地表沉降控制基准根据地层稳定性、周围建（构）筑物的安全要求分别确定，取最小值。
（2）位移控制基准根据测点距开挖面的距离，可参考表2-7要求确定。
表2-7 位移控制基准
类别
距开挖面1B（U1B）
距开挖面2B（U2B）
距开挖面较远
允许值
65%U0
90%U0
100%U0
注： B—隧道最大开挖宽度；U0—极限相对位移值
三、量测方法
3.1 采用SWJ-Ⅳ隧道收敛计监测
该机具有很高的量测精度，适用于大跨度隧道的变形监测。SWJ-Ⅳ隧道收敛计结构见图3.1。
图3.1 SWJ-Ⅳ收敛计结构图
3.2 拱顶下沉量测
图3.2 拱顶下沉量测示意图
采用水平仪、水准尺、挂钩式钢尺配合测量拱顶下沉，精度为1mm。量测时用一把2～4m长的挂钩式钢尺挂上即可。拱顶下沉量测见图3.2

3.3 地表下沉量测
地表下沉量视情况进行，测点集中设在隧道中线附近，并在开挖面前方H0+h1处设测点，(H0为隧道埋深，h1为上半断面净高)，直到开挖面后方约3～5B处。
四、围岩稳定性和支护效果分析
4.1 量测资料整理分析
现场量测
资料存档
主电子计算机
绘图机
地表下沉图、随时间变化图
净空变位及变位速度随时间变化图
围岩变位随时间变化图
其它
印刷机
和有限元解
分析的对比
预测变形量
解析
其它
资料存档
资料存档解
分析的对比
（现场）
图4.1 电子计算机量测处理系统图
使用电子计算机对量测资料整理分析，具体流程见图4.1。
4.2 围岩量测判释标准
4.2.1 依据变形管理等级判别
根据有关规范、规程、设计资料及类似工程经验，本工程监控量测变形管理等级见表4-1，据此指导施工。
表4-1 变形管理等级
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅲ
U<Uo/3
可正常施工
Ⅱ
Uo/3≤U≤2Uo/3
应加强支护
Ⅰ
U >2Uo/3
停工，采取特殊措施后方可施工
注：U为实测位移值；Uo为本隧道最大允许位移值。

4.2.2 依据位移变化速度判别
（1）净空变形速度大于1.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，加强初期支护系统；
（2）净空变形速度1～0.2mm/d时，围岩处于缓慢变形状态；
（3）净空变形速度小于0.2mm/d时，围岩处于基本稳定状态；
上述位移变形速度标准，是针对一般隧道净空变化和拱顶下沉量测，对浅埋段及挤压性围岩段则采取其他判别标准.
4.2.3 依据位移时态曲线判别
（1）现场监控量测的各类数据均应及时绘制成时态曲线，当位移时间关系趋于平缓时，应进行数据处理和回归分析。以推算最终位移和掌握位移变化规律；当位移—时间关系曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监控围岩动态，并加强支护，必要时立即暂停开挖，采取停工加固并进行支护处理。
位移—时间的正常曲线和反常曲线，详见图4.2所示。其中反常曲线是指非工序变化所引起的位移急剧增长现象。
(a) 图表示绝对位移值逐渐减小，支护结构趋于稳定，可施作混凝土衬砌。
(b) 图表示位移变化异常，出现反弯点初期支护出现严重变形，这时应及时通知施工管理人员，该段支护须采取加强措施，确保隧道不坍方；严重时施工人员须迅速撤离施工现场，保证施工人员安全。
（2）根据位移—时间曲线形态来判别围岩稳定性标准。岩体变形曲线可分为三个阶段：
——基本稳定阶段
主要标志是变形速度不断下降，即d2u/dt2＜0，称为一次蠕变区，表示围岩趋于稳定，其支护结构是安全的；
——过渡区段
变形速率较长时间保持不变，即d2u/dt2＝0，称为二次蠕动区，应发出警告，及时调整施工程序，加强支护系统的刚度和强度；
——破坏区段
变形速度逐渐增加，既d2u/dt2＞0，称为三次蠕变区，曲线出现反弯点，表示围岩已达到危险状态，必须立即停工加固。
围岩稳定性判别标准，是比较复杂的，它不仅同围岩类别以及其他地质因素有关，而且还同施工方法、支护手段等人为因素有关。因此，在评价围岩稳定程度时应根据隧道工程的具体情况，采用上述三种判别标准综合分析并反馈于设计与施工应用，比较符合实际。
4.2.4 二衬施作应在监控量测达下列标准时进行（断层破碎带、浅埋段施工除外）
（1）隧道拱脚水平相对净空变化速度小于0.2mm/d；拱顶垂直位移小于0.15mm/d。
（2）隧道周边收敛速度，以及拱顶垂直位移速度明显下降。
图4.2 时间位移特征曲线

时间t 时间t
μ(min)
位
移
μ(min)
位
移

(a)正常曲线
(b)反常曲线

五、结语
隧道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。

参考文献：

[1] TB10121-2007铁路隧道监控量测技术规程.北京：中国铁道出版社,2011
[2] 重庆至贵阳线扩能改造工程“老周岩隧道设计图” 成都：中铁二院工程集团有限责任公司
[3] 李小青.隧道施工监控量测. 北京：中国建筑工业出版社,2011
[4] 苟彪.瓦斯隧道施工控制及防治措施探讨[J].现代隧道技术,2003
作者简介：李庆（1986-），男，现工作于中铁十二局集团第四工程有限公司渝黔铁路第四项目部，2010年毕业于华北水利水电学院土木工程专业，本科，助理工程师。

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