超前地质预报实施方案

1隧道超前地质预报实施方案编制：审核：批准：中铁十一局集团湘桂铁路VI标指挥部第五项目部2009年9月1日2超前地质预报实施方案1工程概况1.1自然地理概况梅子坳隧道位于广西壮族自治区桂林市永福乡境内，隧道全长5390m，其中五分部施工进口段2200m。该地区气候属亚热带季风型气候，总的特点为炎热多雨，春暖潮湿，阴雨连绵；夏热干燥，暴雨常临；秋凉气爽，冬冷霜降。年均气温16～19℃，一月最冷，最低气温-7.5℃，七月最热，最高气温39℃；年均降水量1600～2200mm，4～8月为雨季，约占全年降水量的70～80%。全年多南风和东北风，春季风速最大。雨季时间来得早，降水量大，持续时间长。剥蚀低山地貌。绝对高程200~600米，相对高差最大达400米，自然坡度一般为20~40°，河谷深切，局部形成陡崖。山体植被很发育，多生长常年乔木，坡面一般覆土较薄。隧道位于洛清江支流附近。1.2不良地质概况1.2.1岩爆地段梅子坳隧道最大埋深为380，隧道埋深较大地段的硬质脆性岩主要为厚层砂岩为主梅子坳隧道DK426+600~DK427+350埋深在260～380m范围有岩爆发生的可能或产生轻微岩爆。1.2.2高地温地段正常情况下，地温随着埋深的增加而均匀上升，梅子坳隧道根据DZ-梅子坳-深-1、DZ-梅子坳-深-2、DZ-梅子坳-深-3三个深孔综合测井资料分析，隧道区内地温梯度取1.93℃/100m，预计隧道最大埋深处地温可高达27℃。但因本隧道地下水较丰富，地形切割严重，地温对隧道施工影响较小。31.2.3弱透水层和破碎带（断层）地段梅子坳隧道进口端莲花山组砂岩段为富水性中等的地段，枯水期地下径流模数3~6升/秒.平方公里。隧道整体平常用水量为22518m3/d，雨期最大可达33777m3/d。隧道开挖将破坏原来的地下水水力平衡，局部基岩裂隙水的排泄造成地下水位下降，地表径流将发生改变。但由于地表无居民居住，所以地下水位的下降对环境的影响较小。、隧道穿过地层主要为泥盆系地层，地层总体上以单斜为主，岩层走向与线路方向大角度相交。仅在进口端，莲花山组与寒武系地层呈角度不整合接触，不整合接触面之下的寒武系岩层较为破碎，之后莲花山组岩层则完整性较好。2地质超前预测预报2.1地质超前预测预报的目的本隧道地质情况复杂，有节理裂隙段，有软弱围岩，有岩爆地段等。不良地质具有较强的隐蔽性。通过地质超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状、含水情况及围岩结构的完整性，从而为优化施工方案提供依据，为预防隧道可能形成的灾害性事故及时提供信息，以便提前做好预防措施，避免造成损失。通过预报，可以了解掌子面前方短距离内的工程地质条件、围岩类别，为正确选择开挖断面、支护设计参数和施工方法提供依据。超前地质预报是保证正确选用合适的施工方案方法的重要依据，拟采用的超前地质预报方法：、先采用TSP203超前地质预报仪预报前方围岩的结构特性，基本掌握断层或软岩大变形地段的大致位置，待开挖至预测的断层结构面15-20米时，再采用超前水平地质钻机进行超前钻孔，准确判断断层位置及断层内充填物的性质、富水情况及水压，判断涌水的可能性，制定相应的、可行的技术措施和施工方案并严格按方案进行施工，在超前处理措施实施后进行隧道施工，地质专业工程师进行详细的地质调查和断面地质素描，通过三者有机结合，准确判断前方未开挖地段的围岩情况及4超前处理措施的效果。2.2超前地质预测预报组织机构施工中将超前地质预报工作作为一个工序来进行安排，成立专业超前地质预报小组，配备先进的预测与预报设备和仪器，建立地质预报管理组织机构，由总工程师任组长，工程部长任副组长，地质专业工程师、水文工程师、试验专业工程师、物探程师任成员的组织机构，配备TSP203地质超前预报仪、HSP水平声波反射仪、红外探水仪、超前水平地质钻机、数码摄像机等先进仪器以组成完善的超前地质预测预报体系，全面实施本隧道的超前地质预测预报工作。组织机构见图1。图1质探测与预报组织机构图总工程师任组长：全面负责综合测试与超前地质预报工作，直接向项目经理负责；工程部长任副组长：组织工程地质、水文地质、物探及试验等专业人员进行超前地质预报日常工作；地质工程师：负责隧道工程的地质超前预报和调绘、监测以及测试、试验资料的分析、研究，提出施工工程措施建议；水文工程师：负责水文地质调绘、测试及隧道涌水量的预测与环境水文地质评价；物探专业工程师：负责物探测试工作；试验专业工程师：负责岩、土、水样的测试、试验工作。组长：总工程师工程部长工程地质水文地质物探专业试验专业52.3超前地质预测预报的方法为保证隧道的顺利施工，避免地下水发育地段突水、突泥的发生，防止地表水、地下水流失，确保隧道施工安全，需要采取有效措施对隧道掌子面地质情况进行较为准确的预测预报，根据隧道的具体情况，判定超前地质预报内容并纳入工序管理之中。经过超前地质预报，在开挖后对地质条件再次认知，通过对比反馈信息和分析，逐步提高对围岩的预报判释的准确性。超前地质预报的工作程序参见图2图2超前地质预报工作内容程序图2.3.1地质素描地质素描预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法三种。对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描（观察岩石的矿物成分及其含量，结构构造特征和特殊标志），给予准确定名，测量岩层产状和厚度。测量该岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度。将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比，确定其在地表地超前水平钻探孔专家评判信息采集收集涌水、涌泥可能性判释软岩变形可能性判释高地温可能性判释其他地质病害判释岩爆可能性判释设计单位动态设计实施施工对预报成果进行工后确报与复核洞内超前地质预报6层（岩层）层序中的位置和层位。依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TSP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的不良地质在隧道中的位置和规模。施工过程中，每次爆破后由地质工程师进行地质素描，内容包括掌子面正面及侧面稳定状态、岩层产状、岩性风化程度、节理裂隙发育程度（产状、间距、长度、充填物、数量）、喷射混凝土开裂、掉块现象、涌水情况、水质情况、水的影响、不良气体浓度等。同时定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终做出掌子面地质素描图和洞身地质展示图。及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见，上报技术部门，以利采取有效的防护措施。2.3.2超前探测主要针对地下水发育地段的断层破碎带及其影响带、岩层接触带、构造及发育带2.3.2.1超前物探长距离超前物探：首选方法为TSP203地质探测仪（探测距离约200m），对比方法为水平钻孔超前探测。TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质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的地质状况。它是在掌子面后方边墙一定范围内布置一排爆破点（间距1.5米），进行微弱爆破，产生的地震波在隧道前方体内传播，当岩石强度发生变化，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号、返回的时间和方向差别越大，通过专用数据处理软件处理得到岩体强度变化界面的信号也就越强。返回信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大，通过专用数据处理软件处理，得到岩体强度变化界面的位置及方位。见TSP203地质预报系统现场测试示意图3。755单位：m1.51.51.51.51.51.51.50.5掌子面层岩前方预报接收器TSP203主机炮点图3TSP203地质预报系统现场测试示意图进一步具体的来说TSP203超前地震预报系统洞内爆炸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，它是一个接收器孔和24个爆破孔组成。接收器距掌子面约55m，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19～45mm，孔口距隧底约1.0m，向掌子面方向倾斜约12°，向下倾斜12～20°；接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.4m，孔径32～45mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向倾斜约12°，向下倾斜12～20°。为使接收器能与周围岩体很好地藕合以保证采集信号的质量，采集信号前至少12h时应将一个保护接收器的接收器套管插入孔内，并用含两种特殊成分的不收缩水泥砂浆使其与周围岩体很好地粘结在一起。每个爆破孔装药量12～40g，根据围岩软硬和完整破碎程度以及距接收器位置的远近而不同。若地震情况特别复杂，有时需要在隧道另一边墙上也布置一个接收器和24个爆破孔，通过左右边墙所测资料的对比分析，得出较为准确的判断结果。将洞内采集的地震数据传输到室内计算机上，应用TSP202数据处理软件进行地震波分析处理：波形处理、预报计算、预报输出。根据所掌握的地质资料，判断出岩体强度变化界面节理密集带、断层还是岩性分界面。TSP203地质预报系统存在预报准确性和预报精度方面的问题，需要采用其他预报手段来补充和完善。8数据处理流程见“数据处理流程图”。数据处理流程图2.3.2.2水平钻孔超前探测采用钻孔超前探测，钻孔孔径≥50mm，钻孔长度≥60m，准确探测前方围岩的地质情况，并对TSP203地质预报系统的超前探测成果进行验证。在TSP203地质预报系统的分析基础上，只能描绘前方围岩断层破碎带的准确位置、围岩完整程度及坚硬程度的大致情况，但不能准确判定含水情况。因此，为了更准确判定断层内的充填物及含水情况，在距TSP203地质预报系统的分析的破碎带界面30米，用水平钻孔进行超前探测。超前探孔每循环原则上设3个，钻孔深度不小于60m，两循环之间搭接长度不小于5m。3个探孔中其中一个须采用地质钻机进行取芯，通过对芯样完整程度的分析及钻孔速度的快慢、钻孔出水的清浊及水压，来判断对掌子面前方地质情况，根据钻孔的出水量及水压可判定前方围岩的富水情况及涌水可能性的大小。采用超前水平钻孔可以最直接的揭示掌子面前方的地质特征，准确率很高。采用长短钻孔相结合，并结合其它探测成果，可取得良好效果。超前水平钻孔采用MK50型地质钻机施工。探孔布置如图4所示。根据预报及探测的结果，分析判定围岩的级别，决定是否采取预注浆或超前支护、加强支护等措施。近距离超前探测：即加深炮眼超前探测，利用在隧道开挖工作面上的炮眼钻孔来探测前方围岩的地质情况，在每一循环钻设炮眼时布设3~5个钻孔加深1~3m作为探测孔。数据设置带通滤波初至波拾取提取处理能量平衡品质因素估算反射波拾取P、S波分离速度分析时深转换反射界面抽取9隧道中线探孔一探孔二图4探孔布置示意图2.3.2.3探地雷达地质雷达探测（GroundPenetratingRadar简称GPR）采用电磁波反射原理探测浅层地层的划分、岩溶、空洞、不均匀体的检测。仪器将发射天线和接收天线集于一体，具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点，但在掌子面有水的情况下不宜使用。作为TSP203地质预报系统的补充，在TSP203预报异常点，在确定异常体的规模、性质、危害性有困难时，采用探地雷达作为补充手段，短距离进一步探测前方30m内的地质情况。同时利用探地雷达对隧道洞底和两侧的溶洞发育及岩体破碎情况进行探测。2.3.2.4红外探水红外探水每20m测量一次。红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。红外探水有较高的准确率，但是它对水量、水压等重要参数无法预报。10超前防水预测预报：了解掘进前方20～30m范围内，是否存在隐伏水体、是否存在含水破碎带。每次防水超前探测预报需15分钟。向隧道上方探测、下方探测是确保掘进工程安全不可缺少的一环，其根本原因在于上方或下方都存在承压隐伏水或含水构造，一旦在卸压时地下水水溃入隧道，将会造成重大灾害。向隧道两壁外侧探测：其目的是了解支承顶板的两个侧壁外缘是否存在空洞，是否存在威胁隧道安全的含水构造。其作用有两个：一是确保当前施工安