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超前地质预报
1基本定义: 超前地质预报或隧道超前地质预报(TunnelGeologicalPrediction/Prospecting)是在隧道开挖时, 对掌子面前方的围岩与地层情况做出超前预报
2超前地质预报的分类
超前地质预报常见的物探方法有很多, 分类不尽相同。根据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》( TZ214- ) , 将几种物探方法及其适用范围介绍如下: 其中地震波法超前预报是当前应用的主流。
机械钻探
使用超前地质钻杆在隧道断面的若干个部位进行钻探, 依据钻杆内岩土结构、 构造及水文地质判定前方围岩的性质。一般取隧道断面的三个点, 中上部、 左侧、 右侧, 将钻探出的围岩综合对比分析然后按每两米一个断面记录其围岩状况。超前钻杆的长度不等, 一般以20米为主流产品。
电法
直流电法超前探测隧道掌子面和侧帮的含水构造
高密度电阻法探测岩溶、 洞穴、 地质界线
电磁法
甚低频法①.探测隐伏断层、 破碎带; ②.探测岩体接触带; ③.探测含水构造及地下暗河等
地质雷达①.探测隐伏断层、 破碎带; ②.探测地下岩溶、 洞穴; ③.探测地层划分
地震波法和声波法
折射波法①.划分隧道围岩级别; ②.测定岩体的纵波值
反射波法①.划分地层界线; ②.探测隐伏断层、 破碎带; ③.探测地下洞穴; ④.测定含水层分布
散射波法①.划分地层界线; ②.探测隐伏断层、 破碎带; ③.探测地下洞穴; ④.测定含水层分布; ⑤确定围岩速度
红外线法
红外探水①.探测局部地温异常现象; ②.判断地下脉状流、 脉状含水带、 隐伏含水体等所在的位置
3简单介绍地震法超前预报
地震法是当前隧道中长期超前预报的主流方法。它包括: HSP、 TSP、 TGP、 TRT、 TST、 负视速度等各种方法。
TSP隧道地质超前预报:
其工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波, 弹性波在向三维空间传播的过程中, 遇到声阻抗界面, 即地质岩性变化的界面、 构造破碎带、 岩溶和岩溶发育带等, 会产生弹性波的反射现象, 这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来, 输入到仪器中进行信号的放大、 数字采集和处理, 实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息, 达到预报的目的。
其中TSP、 TGP、 TRT应用的是反射理论, 尚需在小孔径偏移成像病态问题方面进行努力。
TST隧道地质超前预报:
该方法充分认识三维波场的复杂性, 能进行方向滤波, 仅保留掌子面前方的回波, 避免现行超前预报方法中虚报、 误报率高的技术缺陷。能准确确定掌子面前方围岩波速分布, 为岩体工程类别判定提供依据, 同时避免现行方法预报位置不准确的缺陷。
HSP隧道地质超前预报:
该方法和地震波探测原理基本相同, 其原理是建立在弹性波理论的基础上, 传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理。本方法探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。测试时, 在隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号, 在另一点接收反射波信号。采用时域、 频域分析探测反射波信号, 进一步根据隧道施工掌子面地质调查、 地面地质调查及利用一隧道超前施工段地质情况推测另一平行隧道施工掌子面前方地质条件的预报方法, 便可了解前方岩体的变化情况, 探测掌子面前方可能存在的岩性分界、 断层、 岩体破碎带、 软弱夹层、 以及岩溶等不良地质体的规模、 性质及延伸情况等。
4重点介绍TSP法
TSP隧道地震波反射法
TSP202( TSP203) 超前地质预报系统是专门为隧道与地下工程超前地质预报研制开发的设备, 它为方便快捷地预报掌子面前方100~350m( 围岩完整时可粗略预报掌子面前方500m以上) 范围内的地质情况提供了一种强有力的方法和工具。
l、 预报原理
TSP202( TSP203) 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。它是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点．依此进行微弱爆破, 产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播, 当岩石强度发生变化时, 比如有断层或岩层变化, 信号的一部分被返回。界面两侧岩石的强度差别越大, 反射回来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收转化成电信号并进行放大。根据信号返同的时间和方向, 经过专用数据处理软件处理就能够得到岩体强度变化界面的位置及方位。
2、 优缺点及适用范围
①适用范围广适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。
②预报距离长能预报掌子面前方100～350m范围内的地质状况, 围岩越硬越完整预报长度就越大。
③对隧道施工干扰小它可在隧道施工间隙进行, 即使专门安排此项工作, 也不过30分钟左右。
④提交资料及时在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件, 将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。
④将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后, 就可得出断层破碎带、 软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空间位置, 计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。
⑤预报准确性其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的, 由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。
⑥预报精度它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的, 如采样间隔取80μs, 弹性波速度为5000m/s, 则能预报出的地质体的宽度为0.4m。
⑦预报断层、 弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显, 而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意, 因其预报原理和计算模型是以平面为计算依据, 对小型溶洞反映不明显。
5结语
总之,实施超前预报应首先收集和熟悉已有资料,提出预报探测的计划和重点;然后配合施工进程,开展地表补充调查和洞内地质素描,以施工地质调查资料为依据,演绎隧洞内需要超前探测段的地
质理想模型;接着选择一种以上对施工干扰少、 探测时间短的有望达到预报目标的物探技术,开展室内和现场实测;最后组成地质、 物探及相关工程专业人员的分析组,对地质和物探资料进行系统处理和综合分析,提出预报意见.当前国内正在进行大规模的水利水电、 铁路和公路工程建设,需要修建大量的隧洞和洞室,而投人合理的超前预报技术将在减少和消除地下工程的灾害发挥巨大作用。

附加资料
超前地质预报技术交底
项目名称
**铁路工程
工程名称
*号隧道
图纸编号

交底部位
DK***-DK***
超前地质预报
1、 工程概况
***隧道里程为DK**-DK**,全长**米, 其中*级围岩---米, *级围岩---米; 隧道全部位于R=***的圆曲线上, 加宽---米, 正洞沿线路前进方向( 小里程至大里程) 设11.5‰的下坡。
2、 地质概况
本隧道地处****************************、 位于**************************之间, 地形起伏较大, 横向冲沟发育, 地面高程*****m, 相对高差小于****m, 自然横坡一般10°~35°, 局部地形陡峭, 地下水主要为松散岩类孔隙潜水、 岩溶水。测区地震动峰值加速为****g, 地震动反应谱特征周期****,隧道施工时可能会遇断层破碎带及影响带坍方冒顶与大变形。因此施工期间应主要针对上述问题在全隧开展综合超前地质预报工作。
3、 适用范围
本交底适用于DK*****-DK******段超前综合超前地质预报, 预报级别为ＢＺ类+有害气体监测。重点预报内容为对可溶岩与非可溶岩接触带、 岩体破碎程度及地下水发育情况和瓦斯有害气体进行监控。
4、 超前预报方法
4.1地质素描
隧道地质素描是将隧道所揭露的地层岩性、 地质构造、 结构面产状、 地下水出路点位置及出水状态、 出水量、 煤层、 岩溶等准确记录下来并绘制成图表( 含洞身开挖工作面地质素描和洞身地质素描) , 在此基础上, 对掌子面前方一定范围内( 约５～10m) 的地质条件进行预测预报。
4.1.1地质素描所采用的仪器为地质罗盘仪, 所用地质罗盘仪应能测岩层、 构造面产状。
4.1.2地质素描每进尺3～5m填写一次, 地质异常时加密。
4.1.3按照地质素描的内容和现场记录格式、 每循环开挖后对掌子面和左右边墙进行素描, 并服照片。
4.1.4素描图、 记录必须在现场进行, 素描一律”写实”, 不做任何换算。素描图式、 比例、 用语应统一。
4.1.5素描原始记录、 图表须在当天整理或绘制, 如发现错误, 及时在现场核正。
4.1.6施工一定距离后, 隧道地质素描图, 应分段完善、 总结, 并做出相应的隧道纵断面图、 表。
4.2超前水平钻孔
超前地质钻探法适用与各种地质条件下的隧道超前地质预报, 在富水软弱断层破碎带、 富水岩溶发育区、 煤层瓦斯发育区、 重大物探异常区等地质段必须采用, 并与物探资料分析比较, 必要时修正物探结果。一般地段采用冲击钻, 利用冲击钻的响声、 钻速及其变化、 岩粉卡钻情况、 钻杆震动情况、 冲洗液颜色及流量来判断前方较短距离内的岩性、 岩石强度、 岩体完整强度、 岩溶、 暗河及地下水发育情况等地质情况, 为提高预报的准确性, 与地质素描配套使用。复杂地质地段采用回转取芯钻。
4.2.1本交底段预报级别为ＢＺ类, 要求采用φ89超前钻孔４孔+每循环15孔加深炮眼。超前探测30m,每循环搭接５ｍ,探孔孔位布置图见图1。

图１　隧道
超前探孔横断面布置示意意图

图2A-A纵断面图
4.2.2钻探过程中应现场做好钻探记录, 包括钻孔位置、 开孔时间、 终孔时间、 孔深、 钻进压力、 钻进速度随孔深变化情况、 冲洗液颜色和流量变化、 涌砂、 空洞、 震动、 卡钻位置、 突进里程、 冲击器声音的变化等。
4.2.3钻探过程中应及时鉴定岩芯、 岩粉, 判定岩石名称, 对断层带、 岩溶填充物、 煤层、 代表性岩土等拍摄照片备查, 并选择有代表性岩芯整理保存。
4.2.4量测钻孔内水压时, 须安装孔口管, 并街上高压止水阀、 连接件和压力表, 压力表读书稳定一段时间后方可量测水压。
4.2.5终孔后钻探记录应经验孔人员、 地质人员核查签字后, 才可作为使用资料。
4.2.6钻探作业流程, 见钻探作业流程图:

测量布孔
设备就位
对正孔位, 固定钻机
开孔、 安装孔口管
成孔验收

钻探作业流程图
1)测量布孔: 施钻前按孔位设计图准确测量放线, 将开孔孔位用红油漆标注在开挖工作面上。
2)设备就位: 孔位布好后, 设备就位, 接通各动力电源和供风管路。安装电路有专业电工操作, 确保安全。供风管路要连接紧密, 无漏气现象。
3)对正孔位, 固定钻机: 将钻具前端对准开挖工作面上的孔位, 调整钻机方向, 将钻机固定牢靠。
4)开孔、 安装孔口管: 为防止孔斜, 冲击器后端应配导向系统, 提高钻孔精确度。
5)成孔验收: 技术人员验收成孔满足设计要求后方可停钻。
4.2.7不同地质条件下的具体钻进要求:
1)可溶岩与非可溶岩分界的钻孔钻进: 采用冲击钻时, 钻进过程中详细记录卡钻位置、 钻速的变速里程以及孔内吹出的岩粉和孔口流出的循环液颜色, 确定可溶岩与非可溶岩的分界里程; 采用回转取芯钻时, 经过岩芯确定分界里程。
２)断层破碎带的钻孔钻进: 采用冲击钻时, 其钻进速度异常或经常出现卡钻现象, 应对钻机的钻压、 钻速进行调整, 加大提钻频率, 避免因钻具被卡导致钻孔报废事故。冲击钻施工困难是应采取回转取芯钻对断层破碎带进行取芯, 掌握断层破碎带物质成分和破碎程度, 并记录断层破碎带起止里程, 断层破碎带具有高水压时, 要立即拔出钻具, 关闭孔口管的高压阀门, 研究制定处理措施。
３) 溶洞体的钻孔钻进: 采用冲击钻时, 其钻速明显加快, 或稍施压力钻具即往前推进, 或从孔口有粉土、 粉砂等溶洞填充物喷出, 循环液成黄色或灰黑色时, 应对钻机的钻压和钻速进行调整, 增加高压风和循环液的压力和流量, 加强钻机的排渣能力使之能顺利经过溶洞体, 并
记录溶洞体的起始里程, 计算其发育宽度, 利用另一钻孔对溶洞体进行取芯, 鉴定溶洞体填充物的性质。利用双管取芯钻取芯时, 应减小循环液的压力和流量, 使粉土、 粉砂在岩芯管内不被循环液冲失, 提高岩芯采取率。
4.3加深炮眼
本交底段预报级别为ＢＺ类, 要求每循环15孔加深炮眼。加深炮眼探测是利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种重要方法。因其数量比较多, 在岩溶发育区大大增加揭示岩溶的机率, 效果非常明显, 施工时应严格按设计加深炮眼长度要求进行加深炮眼探测。
4.4物探
4.4.1远距离超前探测: 拟采用方法为地震波地质探测仪法(TSP), 探测前方距离约为100m,每循环搭接20m。
4.4.2中近距离超前探测: 拟采用方法地质雷达探测法(GPR),探测前方距离30m, 印证地震波地质探测仪超前探测的异常地段, 每循环搭接5m。
4.4.3红外探测: 定性预报掌子面前方３０ｍ范围内地下水发育情况, 每循环搭接5m。
５.超前地质预报机具配置
机具配置须满足下表的要求:

项目名称
设备仪器名称
性能
数量
地质素描
地质罗盘
能测岩层、 构造面产状
各洞口
TSP203、 TSP200
预报
TSP203、 TSP200预报仪
能探测100m以上
1台
红外探测
红外探测仪
能探测30m范围
每工点1台
超前钻探
水平钻机
钻孔深度３0m范围
1台
地质雷达
探测地质雷达
能探测20~30m范围
1台

6.超前地质预报质量保证措施
6.1将超前地质预报及超前地质预报实施计划纳入施工生产计划中, 委托有经验、 资质的专业化队伍实施超前地质预报工作, 并根据预报方案和规定配备足够的专业人员和仪器设备, 专业人员中聘请有资质的地质工程师分析数据, 仪器和设备的性能、 精度及效率能满足施工预报的要求。
6.2施工预报紧密结合施工步骤, 根据预报成果优化施工方案, 并提出安全注意事项和措施。
6.3积极配合监理、 设计单位做好对预报工作的检查、 监督和指导, 及时向监理、 设计单位报告情况和问题, 并提供有关切实可靠的数据记录, 工程完成后, 根据预报资料整理出标段的超前地质预报分析总报告纳入竣工资料中。
6.4根据围岩揭示情况, 跟踪检查超前地质预报资料的准确性, 不断改进预报方法, 提高预报质量和准确性。
6.5超前地质预报专业队伍在施工的全过程中, 应保证超前地质预报专业技术人员、 机组人员的相对固定, 未经许可不得随意更换或减少数量。负责超前地质预报的专业技术人员应具备丰富的地质工作经验和隧道施工经验, 熟练撞我物探仪器、 设备的操作及分析方法, 准确判释地质情况。
6.6加强对探测设备和仪器的维修和保养, 使设备和仪器处于良好状态, 探测完毕后及时进行资料整理及信息反馈。
7.安全保证措施
7.1在储气地层中钻孔除严格执行瓦斯隧道有关安全规程外, 钻孔时应增加循环液的压力和流量, 减小高压风的风压, 使钻具随时都在冷却水的保护下, 降低钻机的钻速、 钻压, 从而降低钻具的温度, 避免由于钻具温度过高而造成火灾和爆炸事故, 达到排气降压稀释的目的。
7.2超前钻探过程中应防止高压地下水的突出。钻进过程中应采取有效措施控制突遇高压地下水, 确保工作人员和机械设备的安全。安设孔口管和闸阀是确保钻孔揭露地下水处于可控状态的有效措施, 揭露大量地下水时应及时关闭闸阀。
7.3项目部下属作业队在超前探查或掘进过程中发现有重大地质异常情况时, 须停止掘进, 在第一时间内向项目部报告, 以便项目和向监理设计、 滇南公司共同会商, 及时采取措施, 使隧道掘进安全始终处于可控状态。

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