01地质超前预报施工工艺

地质超前预报施工工艺1前言1.1工艺概况超前地质预报技术出现在上个世纪中后期，是工程地质的一个分支。随着铁路、公路隧道设计长度、自然埋深增加等因素的影响，地质条件越趋复杂，隧道施工中遇到的问题也会相应地增多，不可预料的地质灾害如突泥、突水、塌方等成为困绕工程施工的主要难题。近十几年来，隧道施工技术已经有了很大的发展，为了保证在隧道施工时的安全和高效，超前地质预报工作显得越来越重要。要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防隧道施工中的地质灾害。因此，根据隧道隧洞开挖面前方隐伏断层及破碎带、岩溶规模准确定位和评价，采取准确而有效的防治工作，不仅可以减少隧道塌方、突泥等灾害的发生、加快施工进度，而且可以为施工单位节约大量成本，显著提高经济效益。它既可以产生巨大的经济效益，又具有广泛的社会效益。施工资料提供了较详细的地质资料。但由于隧道深埋地下，工程岩体地质条件复杂多变，限于目前地质勘探技术水平，要求在勘察阶段就准确无误的探明工程岩体的状态、特征，并预测预报可能引发的隧道地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质是极其困难的，尤其是复杂岩溶地区，受岩性、地层组合、构造、地貌等因素的控制，岩溶发育复杂多变、大小不定，形态各异，给早期勘察工作带来更大困难。这些问题的解决，必须依靠在施工中开展深入细致的施工地质调查和地质超前预报工作。（1）通过地质预报，报告施工面前方工程地质、水文地质情况，为隧道动态设计提供可靠有效的地质资料，进一步修正、完善设计，优化设计方案；（2）通过地质调查，预报、预测可能引发的隧道地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质，并据地质预报的成果，提出相应的技术措施与可行性建议，降低地质灾害发生的机率，确保隧道工程施工人员和设备的安全，进而提高经济效益。石林隧道工程地质条件非常复杂，需要在设计文件提供的地质勘探数据基础《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》1上做进一步的地质调查，并进行综合地质预测预报。在此基础上，制定了施工阶段的工艺实施细则《云桂铁路石林隧道地质超前预报实施细则》，作为隧道施工阶段综合地质超前预测预报工作的指导原则，以TSP203超前地质预测预报系统进行长期预测预报，以地质雷达、红外线探水、掌子面地质编录为短距离进行预报，以超前探孔、涌水量实测作验证预报，实行长距离地质预报和中短距离地质预报相结合的综合超前地质预报技术。1.2工艺原理1.2.1地震反射波法（TSP）工作原理、方法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接口（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来（图1），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，便可了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）、位置及规模。1.2.2电磁反射波法（地质雷达）工作原理、方法地质雷达由主机、天线和配套软件等几部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，发射天线向被测介质发射高频脉冲电磁波，当其遇到不均匀体(接口)时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到探测识别目标物体的目的(图2)。图1TSP探测原理地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》2图2地质雷达基本原理示意图电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可据下式算出异常介质的埋藏深度H：HVT2(1)式中，V是电磁波在介质中的传播速度，其大小由下式表示：VC(2)式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3.0×108m/s；ε为相对介电常数，不同的介质其介电常数亦不同。雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表示为：2121r(3)反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。电导率越高，穿透深度越小；频率越高，穿透深度越小。《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》31.2.3红外探测工作原理、方法在地层中，由于地层每时每刻都在向外部发射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，场就有密度、能量、方向等信息，岩层在向外部发射红外辐射的同时，必然把它内部的地质信息传递出来。干燥无水的地层和含水地层所发射的红外辐射场强度不同，因此根据岩层红外辐射场强的变化值就可以确定地表浅层是否存在隐伏的含水体。红外探测技术就是根据这一原理，根据红外辐射场的变化，提前确定水、瓦斯等隐蔽灾害源的存在。2工艺特点2.1地震反射波法（TSP）特点通过超前地质预报，能够及时地了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时合理地调整支护参数提供依据，有效地控制地质灾害的发生，确保支撑隧道的岩石牢固可靠和施工质量，改善施工安全，赢得施工时间，降低施工成本，提高隧道掘进速度，降低施工风险降。系统特点如下：（1）预报范围从100m到150m；（2）操作简单，对工作环境无要求，成果丰富，对施工过程无防碍；（3）2小时内完成隧道内量测准备工作，正常情况下一次量测采集数据时间为60分钟；（4）对不良地质体的地质性质判断一般较准确，分辨率可达到1m，预报的距离误差小于10%，对地质体规模识别准确度达85%以上；（5）通过专业的WIN分析软件，专业的技术人员可以迅速的完成数据处理、评估工作等。2.2电磁反射波法（地质雷达）特点电磁反射波法（地质雷达），能够预测隧道施工中的不良和特殊地质问题，分辨率高，精度高，预报距离一般在25米左右。利用高频电磁脉冲波的反射，中心工作频率100MHz；采用宽带短脉冲和高采样率，分辨率较高；采用可调程序高次迭加和多波处理等信号恢复技术，大大改善了信噪比和图像显示性能。（1）操作简单，对工作环境无要求，对施工过程无防碍；《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》4（2）正常情况下一次量测采集数据时间为30分钟；（3）对不良地质体的地质性质判断一般精度较高，分辨率可达到20cm，预报的距离误差小于10%，对地质体规模识别准确度达85%以上；（4）通过专业的RADAN6.0分析软件，专业的技术人员可以迅速的完成数据处理等。2.3红外探测法特点采用红外探测技术，应用HY303红外探测仪可完成对地下水体、瓦斯和天然气等不良地质体的预报、探测工作，具体作用如下：（1）地下水体的分布探测掘进过程中对前方探测，可了解前方20-30m范围内，是否存在含水构造；对顶板上方探测，可了解上覆地层或第四系冲积含水层的富水状态；对底板下方探测，可确定下方灰岩中的富水段，潜伏水体，以预防滞后突水；对两旁外侧探测，可确定两旁外侧是否则存在隐伏水体或含水构造。（2）使用的HY303红外探测仪具有以下特点：HY303红外探测仪，是红外探测技术中的先进仪器之一，它具有体积小，重量轻，便于携带，操作简便的特点，同时具有探水、探火、探瓦斯构造的多种功能；作为一种新的防灾探测技术，可实现对顶板上方、底板下方、两旁外侧、掌子面前方进行全面探测，并将探测数据通过专用软件实现快速成图。2.4超前钻探法特点超前水平钻法为物理探测，预报结果直观、准确，操作简单，但需要占用开挖时间，且费用较大。当配合物探等其他探测手段进行综合地质分析时，预报效果好；在非可溶岩地段一孔基本可以反映全部的地质情况，但是在可溶岩地段，有时候一孔之见并不能完全反映前方地质情况，尤其是岩溶隧道，岩溶隧道需要布置3-5孔水平和斜孔超前钻探，钻探比较浪费时间，而且不经济，但实际指导价值非常高。2.5地质素描特点地质素描是地质调查中最直观的方式，仅需通过观察、配合尺量、记录描述，无须专业器械；观察描述时间短，不影响施工进度和时间，通过归纳、总结，可《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》5有效预报岩层变化。但也具有局限性和变化性，如：受局部范围和主观判断因素影响大；地域变化、岩层变化也会对初期判断产生影响。因此，地质素描需要积累较为长时间的观察资料，并在提出预报的情况下不断进行总结和修正。3适用范围3.1地震反射波法（TSP）适用范围该法适用于复杂地质的公路、铁路等隧道工程施工，用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围；对于钻设接收器孔和炮孔无法成孔的特殊隧道不适用。3.2电磁反射波法（地质雷达）适用范围地质雷达适用于对断层及其影响带、溶洞、崆区、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水、混凝土衬砌、地下管线等的预测预报,适用距离一般为30m以内；但是对于表层介质为高导体的情况不适用，例如：表面铺设有钢板，周边有电磁干扰等。3.3红外探水适用范围在地层中，各种介质体的红外辐射场强要有一定的差异，也就是说要有一定的温差，根据红外辐射场的变化，提前确定水、瓦斯等隐蔽灾害源的存在；不适用于岩体各介质温差不大的隧道。3.4超前钻探适用范围适用于所有隧道不良地质探测，特别是对涌水、涌泥、涌气、断层产状、岩溶洞体分布等的探测，探测深度一般为30～50m。3.5地质素描适用范围适用于各种开挖方法的隧道，简单快捷。4主要引用标准《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）《铁路隧道施工规范》（TB10204-2002）《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设[2008]105号）《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2004）《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）《云桂铁路石林隧道地质超前预报实施细则》《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》6云桂铁路石林隧道相关设计图纸以及相关施工资料。5施工方法综合地质超前预测预报是一门综合性的学科，随着综合地质超前预报各种技术和设备的不断更新，超前地质预报的应用会越来越广，通过多种手段、多种方法的互相融合、互相印证，这样才可以提高预报的准确度。为了减少隧道施工过程中的盲目性，避免隧道施工过程中可能诱发的重大的不良地质或灾害地质的发生，综合地质超前预报必须成为隧道施工的一个重要组成部分，施工阶段将地质超前预报纳入正常施工的工序中，作为一道非常重要的施工工艺去施做。施工时，根据设计文件中提供的地质资料，有针对性地提出超前地质预报方法，编制相应的“地质超前预报方案”，明确所需预报仪器设备的种类，掌握所需仪器设备的来源。如果有多种检测仪器或设备可供选择时，可优先选用易于获得的、使用成本较低的仪器设备做为常用预测预报方法，其它仪器设备做为辅助、印证手段。在进行地质预报时，结合实际地质素描，对仪器设备获得的结果进行修正，以避免岩溶溶腔突然出现对隧道掘进造成的危害。示例：一般岩溶地区的溶腔开挖揭示出来之前，在地质素描中都有明显的特征；1、对于干型充填溶洞，表现为岩体颜色有差异、风化程度有变化、岩体裂隙之间有夹泥层、钻探或敲击声音清脆等，这种溶洞的危害不大，但是后续施工中要注意安全；2、对于由水或泥混合物充填型溶洞，表现为岩体颜色有差异、风化程度有变化、岩体裂隙之间有夹泥层并有出水或滴水现象、钻探或敲击声音清脆等；在岩溶区当掌子面岩体发生变化时要立即修正预报结果，采取综合地质预报方法综合验证预报结论，确保不发生突发灾害的情况下方可进行掘进。根据现场预报结果，实施动态的调整或修正围岩级别、设计参数及施工方法，正确指导施工，使施工快速、安全、经济、合理。6工艺流程及操作要点《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》7图3综合地质超前预报工艺流程图6.1地震反射波法TSP6.1.1工艺流程图施工准备制定预报方案研究地质资料预报分级地质分析中长距离预报物探法深孔钻探法异常段正常段短距离预报加长炮孔探测红外探测超前钻探地质雷达探测地质综合判断长距离预报地质预报报告施工建议施工方案选择隧道施工地质素描下循环预报预报效果反馈项目技术决策异常段《地质超前预报施工工艺》《石林隧道标准化施工工艺》8