隧道地质超前预报(DOC)

工作大纲

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二0一五 年 五月

隧道地质超前预报

工作大纲

1 任务来源及合同规定要求

受贵州花安高速公路建设有限公司委托，辽宁省交通规划设计院承担贵阳（花溪）至安顺高速公路的隧道施工地质预报任务。

根据隧道地质预报相关规定要求，编制本工程地质超前预报工作大纲。

1). 工程概括：

贵州省贵阳（花溪）至安顺高速公路第二合同段包括3座隧道，具体隧道情况见下表：

2).地质预报内容：

A.断层及断层影响带的位置、规模及其性质；

B.岩体破碎带范围；

C.软弱夹层的位置、规模及其性质；

D.裂隙涌水等含水构造的位置、规模及其性质。

3).地质预报方法及要求

① 首先，对待进行地质预报的隧道进行详细地质调查，了解隧道区域地质、水文地质条件，初步确定隧道施工地质预报的重点和难点段。

② 在隧道施工过程中，以TSP超前地质预报为主要物探测试手段进行连续跟踪地质超前预报，每次预报距离一般100～150m，根据掌子面围岩地质条件可适当调整。

③ 当隧道施工开挖接近TSP超前地质预报的可疑地段或重点地段、或者隧道开挖揭露断层需要对周边进行精细探测时，采用地质雷达对周边进行短距离精确预报，预报距离一般20～30m。

2工程地质水文地质简况

2.1地层岩性

根据区域地质资料和现场初步调查，沿线隧道工程地质条件一般，围岩主要以中风化块状灰岩以及砂岩、泥质粉砂岩为主，岩体较破碎，碎裂块状结构，进出口位置岩石自稳能力较差。

2.2地质构造

项目区域处于黔中东西构造带、川黔经向构造带和新华夏系隆起带交接复合地带。构造形迹主要为经向构造、北东向构造体系。隧道区未发现较大断裂构造。

2.3水文地质条件

2.3.1地表水

隧道区属半湿润性气候区，东部项目区属亚热带黔北温和湿润气侯，温和多雨。年平均总日照时数1138小时，无霜期295天，雾日22天，凝冻日9天，受大气环流及地形等的影响，区内具冬少严寒、夏少酷暑的气侯特征。年平均气温14.7℃。极端最低温-8℃，极端最高温36.7℃。区内雨量充沛，雨季明显，年降水量1035.7mm，每年5~8月为雨季，占全年降雨量65%左右。区内受云贵高原湿润季风气侯影响，风向具明显的季节性，秋末至次年春初多偏北风，春末至夏季多偏南风，春秋两季则多东北风与偏南风交替，平均风速1.9m/s。年均湿度为81%。在冬季地势较陡的山坡，雨天由于气温低而易形成凝冻。

隧道区属长江水系，测区内主要有乌江等河流。大气降水及部分地表水是地下水补给的主要来源，其补给受地貌影响明显，峰丛洼地、溶丘洼地地形是地下水的补给地带;地下水运动方向多与构造线方向一致，地下水径流通道以管道为主、裂隙次之，地下水埋深一般在 50-80米。

2.3.2地下水

地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩风化裂隙水，第四系孔隙水主要赋存于沟谷堆积的坡洪积层内，含水岩性为坡洪积的碎石土、角砾土，水位埋藏浅，水量受季节变化较大，4～5月份积雪融化、7～8月份雨季对地下水均有补给作用。部分雨水顺坡流淌汇入沟谷排泄，少部分渗入地下或存于基岩风化裂隙发育、地势相对较低的强弱风化带内，微风化层透水性较弱，但垂向节理发育带可能透水性较强，富水性较弱。

3 隧道施工中的主要地质问题及地质预报重点

根据本工程的工程地质及水文地质条件分析，项目隧道施工主要存在的不良地质问题有：软弱围岩变形、岩体破碎带和断层破碎带等。

对于软弱围岩变形，施工安全的控制重点应集中在监控量测方面；岩体破碎带、断层破碎带以及涌水等不良地质体(带)，施工安全的控制重点集中在施工地质超前预报工作。

为此，本工程的施工地质超前预报重点内容为：隧道施工掌子面前方断层破碎带及岩体破碎带等不良地质体(带)等。

4地质超前预报方法的选择

4.1 国内外地质预报技术现状

国内外隧道施工地质超前预报技术的发展主要包括六个阶段(表1)，进一步可归为两大类：地质法和地球物理方法。

表1  各种超前地质预报技术的主要特点及优缺点

TSP24主要在重点预报段做长距离宏观控制预报。根据勘设阶段提供的地质资料和现场踏勘情况，确定本隧道工程主要采用TSP24进行超前预报。

2).地质雷达

在隧道开挖已揭露溶洞或暗河后，需要对溶洞及暗河的发育规模、形状、充填物性质等进行详细探测，以便隧道变更设计施工，此阶段的测试为精细探测，建议采用地质雷达进行测试。

地质雷达探测的特点：探测距离短(一般20～30米)，测试精度高，探测准确。

4.2 本工程隧道施工地质预报方法的选择原则

选择正确的隧道施工期地质预报方法是预报成功的关键。

    预报方法的选择应遵循以下原则：

    1)有牢固的理论基础，首先从根本上和宏观上把握隧道施工影响区域的地质条件，仍然以地质法为基础；；

    2)不占或很少占用掌子面施工时间，要求每次探测长度比较长(一般大于50米)，并尽量减少对正常施工工序的干扰，即现场探测时间应尽量短(一般60分钟以内为宜)；；

    3)适用性强，能够适合于多种围岩地质条件，对施工环境无特殊要求，能够排除隧道内的台架、金属、高压电等对仪器系统的影响；

    4)操作简便；

    5)能取长补短，尽量克服探测方法的缺点；

    6)能适应隧道工程施工的需要，尤其是预报长度满足施工进度的需要；

7)对道施工所面临的地质问题具有针对性。   

4.3本工程隧道施工地质预报方法的基本原理

根据隧道可能存在的主要工程地质问题，建议采用“以地质法为基础、以TSP24超前地质预报为主要手段，重点段配合采用电磁波反射法的综合方法”进行隧道施工期地质预报。

地质超前预报的程序如下：

(1)首先，对待进行地质预报的隧道进行地质调查，地质资料的收集分析，了解隧道区域地质、水文地质条件，初步确定隧道施工地质预报的重点和难点段。

(2) 在隧道施工过程中，以TSP24超前地质预报为主要手段，进行中短距离跟踪地质超前预报，预报距离一般100～150m，根据掌子面围岩地质条件可适当调整预报距离80～100m，保证整个测试段的里程连续。

4.3.1 地质法

    地质法是隧道地质超前预报采用的一种基本方法。

    在隧道的预可研和可行性研究阶段、勘察设计阶段均采用地质法进行。在隧道施工阶段主要根据隧道施工期掌子面地质条件，如岩体结构面产状及其发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等的变化特征，结合地表地质调查结果，采用相关分析（包括结构面统计分析、构造相关分析等）进行超前预报，主要预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间的接触界面特别是火成岩与沉积岩间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。

地质法隧道施工期地质超前预报是最早开展的，也是任何其它隧道施工期地质超前预报方法的基础。    

4.3.2  TSP超前地质预报

4.3.2.1  TSP超前地质预报的基本原理

TSP24是一种多波多分量地震反射勘探方法，和其它地震反射方法一样，采用了回声探测原理。TSP24方法是在隧道左边墙或右边墙布设24个炮点，用少量炸药激发地震波。地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质。反射回来的地震波由高灵敏度的地震检波器接收。接收到的地震反射波信号就是TSP24野外采集的原始数据。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，通过对反射信号的解析及计算，反演隧道掌子面前方的地质状况。

4.3.2.2  TSP超前地质预报的现场技术要求

TSP地质超前预报为施工提供指导性方案，而TSP地质超前预报的精确程度依赖来三个方面：一是原始地质勘察资料的准确与否；二是TSP地震波数据采集的精确程度，三是处理软件的优良与工程经验的丰富与否。为了使地震波采集数据更加精确，特提出以下技术要求。

TSP隧道地震波超前地质预报系统布置主要包括炮孔布置、传感器钻孔布置、测试前准备等。

 (a) 俯视图

(b) 剖视图

TSP超前预报观测系统布置图

一、炮孔布置

根据施工隧洞的地质情况和主要结构面产状确定观测系统布设在哪侧洞壁。如上图所示，根据主结构面的走向(结构面走向与左侧洞壁呈钝角)，确定炮钻孔布置在隧洞的左侧壁合适。

炮孔位置：第一炮孔S1应尽量靠近掌子面布设；

炮孔数量：24个（不少于16个）；

炮孔间距：1.5m； 炮孔直径：40mm； 炮孔孔深：1.5m；

炮孔孔向：垂直洞壁并稍向下倾斜（不超过10°）；

炮孔高度：距底板以1.0m左右，各钻孔呈直线分布。

二、传感器钻孔布置

钻孔位置：距最后一个炮孔(S24)20m；

钻孔数量：1~2个；

钻孔直径：使用加速度传感器时孔径为50mm，使用速度传感器时孔径为60mm；

钻孔孔深：2m (不超过2m)；

钻孔孔向：垂直于洞壁（上、下最大倾斜角度不能超过10°）；

钻孔高度：与炮孔在同一水平线上，距底板1.0m。

三、所需耗材

1、高爆速炸药1200g；要求：爆速大于6000m/s的高爆炸药，“黑索金”最好，一级、二级岩石乳化炸药也可以，测试时每孔药量一般为50g，共24个炮孔；

2、瞬发电雷管24发(必须是瞬发的电雷管)；

3、直径为28~32mm的混凝土药卷锚固剂80卷（24个炮孔，每孔需3卷，其余备用）。

四、仪器采集参数设置

电磁波反射法采用设备为地质雷达，选用38-75-150MHz变频天线，探测有效深度10～30米。

地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接受天线所接收，如图5。

图5 雷达工作原理及其基本组成

电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。

5隧道施工地质预报的具体实施方案

5.1 隧道施工地质预报的具体实施计划

建议采用“以地质法为基础，物探为主要测试手段的综合法”进行地质预报。

5.1.1预报总体方案

根据补充地质调查结果，隧道施工期地质超前预报分重点段和非重点段预报：重点段采用TSP超前地质预报作中远距离长期跟踪预报，必要时补充地质雷达辅助手段；非重点段采用地质法作短距离预报，TSP超前地质预报作中远距离长期跟踪预报。

5.1.2补充地质调查

由于对隧道施工无任何干扰，但对隧道施工期地质预报安排至关重要，因此大量的补充地质调查工作在预报工作开始前进行，少量的补充调查在预报实施过程中随时进行。

补充地质调查的内容包括：地层、岩性、构造、岩溶在地表的出露；地层产状；构造的规模、性质及其产状等。

5.1.3 洞內地质素描工作

    一般2～3个循环开展一次掌子面地质素描，必要时可加密现场工作，平均每10米记录一次，地质条件复杂多变地段适当加密。地质预报单位在每次物探测试完毕，另附地质素描一份。

洞內地质素描的内容包括：地层岩性变化；岩层产状变化；构造出露及其规模、产状变化；岩溶揭露位置及其规模、形态；软弱夹层的出露及其产状变化；岩体节理裂隙发育及其产状测量统计等。    

5.1.4 洞内探测

洞内探测TSP法、地质雷达进行。TSP法在重点预报段做中远距离预报，地质雷达可疑地段或重点地段、或者隧道开挖揭露断层时进行短距离精细探测，非重点段采用地质法作短距离预报，TSP超前地质预报作中远距离长期跟踪预报。

1). TSP超前地质预报作为常规地质预报技术手段，每次预报时间和部位根据实际施工进度做必要的调整，单次预报长度根据测试段的围岩地质条件做调整，一般100～150米。TSP超前地质预报无须进行任何其他辅助工作。

2).当隧道施工开挖接近TSP超前地质预报的可疑地段或重点地段、或者隧道开挖揭露断层时，采用地质雷达对周边进行三维短距离精确预报，预报距离一般20～30m。

3).各种物探方法的实施工作均在掌子面钻爆孔测量放线前进行，探测工作尽可能控制在60分钟内。

5.2实施组织设计 

5.2.1实施组织机构设置

下图为根据本工程需要拟建立的项目实施组织机构图。项目总负责人负责整个预报实施过程的全面管理工作；地质负责人负责洞外地质调查、洞内地质素描工作，物探负责人负责现场地质预报测试、数据分析工作等。

5.2.2工作机制及职责分工

实行二级管理制度，项目总负责人对参加预报人员直接管理。

1项目总负责人

    (1)按照合同条款，全面具体地组织隧道施工期地质超前预报工作的实施，满足甲方的合同要求。

    (2)制定项目管理目标，建立完整的管理体系，确保既定目标的实现。

    (3)确定项目人选及职责分工。

 (4)科学组织预报实施，及时编制预报实施方案。

    (5)沟通项目内外联系渠道，妥善解决项目内外关系。

    (6)接受甲方及监理单位监督指导，及时向有关单位汇报预报工作进展情况。

2地质负责人

    (1)负责现场隧道施工期地质预报实施前和实施过程中的补充地质调查工作、洞内地质素描工作。

    (2)分析补充地质调查资料，和物探负责人一道分析确定施工期地质超前预报重点段。

    (3)协助物探负责人编写《隧道施工期地质预报简报》。

 3物探负责人

 (1)负责具体实施隧道施工期地质超前预报工作。

    (2)根据补充地质调查结果、洞内地质素描资料和物探分析结果编写《隧道施工期地质预报简报》。

6 提交成果形式

每次现场掌子面测试后24小时内向委托方提交预报简报，一式五份；

隧道贯通、全部现场预报工作结束后三个月内提交《隧道施工期地质超前预报总报告》。