向莆铁路fj-3a标超前地质预报专项方案

向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 1 -中铁十四局向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案1 向莆铁路 FJ-3A标管区施工隧道概况向莆铁路 FJ3A 标段内共有 10 公里以上的长大隧道 2.5 座， 57 公里的中长隧道 3 座，5003000 米的中短隧道 9 座，500 米以下隧道 4 座。每个隧道均存在不同类型的地质风险，其中尤其以戴云山隧道、棋盘石隧道、秀岩隧道最为突出：戴云山隧道存在着断层、涌水突泥段、落石、瓦斯、软岩大变形、岩爆、人工坑洞及采空区等高风险；棋盘石隧道和秀岩隧道存在断层、突泥涌水、高地温、岩爆等风险。尤溪隧道、秀岩隧道也存在断层、突泥涌水高风险，标段内其他隧道也不同程度存在着断层、塌方的可能性。因此超前地质预报在隧道施工中显得尤其重要。为了准确预报，规避施工风险，我标段与石家庄铁道学院建立综合超前地质预报技术服务合同。石家庄铁道学院科研团队为 FJ-3A 标段提供全面隧道工程施工综合地质预报专项技术服务和培训工作。2 超前地质预报的必要性2.1 隧道施工与超前地质预报概述隧道施工超前地质预报是在隧道设计的基础上，为保证隧道施工安全、指导隧道工程施工、提高隧道工程施工质量而开展的隧道不良地质和施工地质灾害超前预报工作。是隧道施工不可或缺的一道重要施工工序，不论是矿山法施工还是新奥法施工，它都是重要的工作环节。因此，全面、完善、扎实的做好隧道施工超前地质预报工作既是设计单位及时进行动态设计的基本依据，又是指导隧道施工正确决策、保证隧道施工安全、提高工程设计和施工质量、减少和杜绝突发地质灾害发生的有效和必要的隧道工程施工的基础性工作。长期超前地质预报能查明隧道掌子面前方隐伏的不良地质体的性质、种类、位置和规模，能半定量地确定掌子面前方的围岩地质条件（如不良地质体的围岩级别或富水性） ，以及对隧道施工的影响程度和有无发生施工地质灾害的可能。短期超前地质预报能根据地质体产状（走向、倾向和倾角） ，定量预报隧道掌子面已揭露的断层破碎带、特殊软岩（膨胀岩层） 、煤层、富水砂岩等形状规则的不良地质体向掌子面前方延伸的情况、影响隧道的距离和尖灭点;能根据各类不良地质的前兆，定性或半定量地确定掌向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 2 -子面前方较近距离内是否隐伏不良地质体;能应用仪器，定量探测掌子面前方近距离内上述隐伏的不良地质体的位置和规模。临近警报能通过一定监测技术和手段，对塌方、片帮、掉块、岩爆、瓦斯爆炸和突泥突水、煤与瓦斯突出等地质灾害进行预报或警报。长期超前地质预报可以帮助施工单位了解掌子面前方围岩的地质条件，较准确地了解掌子面前方 100150 米范围内的围岩地质情况，特别是不良地质发育情况;提前做好施工准备和施工计划，防患于未然。短期超前地质预报可以更准确地确定不良地质的性质、种类、位置和规模，以及围岩的级别;临近警报则可以确定塌方、片帮、掉块、突泥突水、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和岩爆等能否发生;这种预报和警报为施工项目在通过不良地质及时、有效地采取应急施工措施，防止发生施工地质灾害、特别是防治重大施工地质灾害提供了前提保障。超前地质预报对于隧道，特别是地质条件复杂、工期紧的隧道快速、安全施工来说，其作用和意义尤为突出。所以，超前地质预报应当，也必然要成为隧道施工的必不可少、不可或缺的工序。2.2向莆铁路 FJ-3A标管区隧道施工超前地质预报的必要性向莆铁路 FJ-3A 标管区内的隧道中多数隧道围岩既有古老的前震旦系变质岩，也有古生界二叠系和中生界侏罗系地层；既有正常沉积岩、变质岩，也有火山岩和岩浆侵入岩；部分隧道或区段的围岩还存在煤系地层，属于瓦斯隧道。多数隧道，特别是长大隧道和中长隧道地质构造复杂，断层破碎带发育。部分隧道或区段属于浅埋或深埋隧道。总之，预计向莆铁路 FJ-3A 标管区施工隧道，特别是占主导地位的长大或中长隧道，基本属于地质复杂隧道，或者至少一般以上的隧道区段属于地质复杂隧道。经统计，仅设计的风险区段和经过地质和地貌分析得出的潜在风险区段就多达 39 公里以上（见 FJ-3A 标管区隧道地质情况统计见表） 。在这类隧道或区段施工，若没有高水平的超前地质预报与恰当辅助工法施工的紧密配合，最容易发生坍塌塌方、突泥突水、岩爆甚至瓦斯爆炸等施工地质灾害。显然，要保证所属管区隧道的安全、按期贯通，隧道超前地质预报，特别是高水平的超前地质预报，就成为必不可少的工作。3 采取的技术方案、方法和仪器配备根据本标段隧道工程具体情况，结合设计文件及设计要求，采用隧道地质调查地向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 3 -质分析与宏观预报、隧道洞身不良地质长期（长距离）超前地质预报、隧道不良地质短期（短距离）超前地质预报、超前钻探和重大施工地质灾害临近警报，共五个完整的、缺一不可的、系统的超前地质预报方案。3.1隧道地质调查地质分析与宏观预报隧道不良地质宏观预报是所有后续的隧道的洞身不良地质体超前预报、超前钻探和重大施工地质灾害临近警报等地质预报的基础，是不可缺少的重要一步。 这是一项在设计院提交隧道设计书的基础上进行的、更深入进行的、专门化的地质工作和宏观超前地质预报方案。隧道不良地质宏观预报采用专门的地质调查方法、专门的地质分析技术，并在隧道洞身开展具体超前地质预报之前，专门用于研究和预报隧道的主要不良地质类型（特别是成因类型） 、成因特征、地质灾害和对隧道施工影响的一种专门超前地质预报方案，也是确定隧道洞身主要不良地质走向的惟一可采用的超前地质预报方案。隧道的主要不良地质类型（特别是成因类型） 、成因特征、地质灾害和对隧道施工影响，以及隧道洞身主要不良地质走向的确定，对于后续的隧道洞身各种预报成果的解译，特别是对各种物探成果的解译十分重要；因为，每个预报区段内存在的主要不良地质的类型、走向及其与隧道空间关系、两壁出露的具体位置、规模特征和对隧道施工的影响等，都离不开前述分析得出的正确结论。隧道洞身主要不良地质走向的确定，还对超前地质预报最重要手段的 TSP 超前地质预报来说是最重要探测壁的选择技术也至关重要主要探测壁（布设炮眼的隧道壁）要选择隧道主要不良地质走向尽量平行传感器的隧道壁。特别是对于隧道设计的“盲区” ，显得更为重要。只有在地质分析和宏观预报的原则指导下，才能更准确、更有效地实施洞身不良体地质超前预报和施工地质灾害监测、判断及临近警报等后续预报工作。特别是对于隧道超前地质预报占有极其重要地位的 TSP(TGP)地震波探测来说，只有通过隧道所在地区主要洞身不良地质分析和宏观预报，才能正确选择炮眼钻孔布设边墙，才能更准确地布设炮眼的位置，才能在 TSP 解译阶段选择正确的搜索角和调谐角。所以，它更是提高 TSP 预报精度的关键技术之一。隧道不良地质宏观预报是在隧道不良地质分析的基础上进行的。主要包括：应用超前地质预报的地质理论进行隧址所在地区的区域地质分析，应用超前地质预报理论向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 4 -进行隧道的洞身不良地质分析，应用地貌地质学知识进行隧道的洞身不良地质的地貌分析。3.1.1隧址所在地区的区域地质分析3.1.1.1 研究的资料研究的资料主要采用隧道设计文件和 1：10000 地图。3.1.1.2分析的目标分析的目的是应用超前地质预报的地质理论，初步分析并宏观预报隧道所在地区的主要构造方位、力学性质和构造多期活动特征及其不同方位构造对隧道围岩稳定性的影响程度，主要地层类型（如煤系地层、灰岩、白云岩等可溶岩地层等等）特征及其隧道围岩稳定性的影响程度，主要岩浆岩的类型（如侵入岩、喷出岩）特征、空间分布特征及其隧道围岩稳定性的影响程度，现今地应力特征及其与区域地壳运动的关系，等等。3.1.2 隧道不良地质的地质分析3.1.2.1 研究的资料研究的资料，主要是隧道详细地质勘探资料或隧道地形地质平面图、地质剖面图，和深入地表和洞内地质调查所取得的第一手地质资料。3.1.2.2 分析的目标分析的目标，是在区域地质分析的基础上，应用超前地质预报理论分析并宏观预报隧道施工可能遇到的不良地质类型、大约位置、规模和产状（特别是走向） ，分析并宏观预报施工地质灾害的类型、发生的可能性和对隧道施工的影响程度。主要包括：地层层序和特殊岩层分析，构造体系、构造型式和构造分布规律分析，地应力状态分析，岩浆岩侵入体成因、产状分析，溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带成生条件和展布规律分析，煤系地层中的煤层、采空区和瓦斯地质分析等等。3.1.3 隧道不良地质的地貌分析3.1.3.1 研究的资料主要是隧址所在地区 1：50001：5 万地形图或隧道地形地质平面图。3.1.3.2 研究的目标是在隧道不良地质的地质分析的基础上，研究隧道主要不良地质与地貌的关系，进而分析并宏观预报隧道主要不良地质，特别是断层破碎带，溶洞、暗河等岩溶不良向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 5 -地质大约位置、规模和产状（特别是走向） 。为隧道不良地质的地质分析提供佐证。3.1.4 隧道宏观预报基本流程一般预报的流程如下：（1） 收集隧址所在地区的区域地质资料进行区域地质分析，初步进行宏观预报；（2） 收集隧道详细地质勘探资料或隧道设计资料中的隧道工程地质资料（隧道地形地质平面图、地质剖面图及其地质说明应用超前地质预报的地质理论进行隧道地质分析，进行进一步的宏观预报；（3） 亲身进行深入的隧道地面地质调查，取得第一手隧道地表地质的资料应用超前地质预报的地质理论进行隧道不良地质分析，并进行更进一步的宏观预报；（4） 收集隧址所在地区小比例尺地形图或隧道地形地质图应用第四纪地貌地质学理论，分析隧道主要不良地质的地貌特征和标志，为隧道不良地质宏观预报提供佐证。（5） 在上述分析研究的基础上，最终进行隧道主要不良地质的、全面的宏观预报。3.1.5 隧道地质分析与宏观预报的主要内容（1） 隧道的洞身主要不良地质的性质、成因和类型，特别是能够引发施工地质灾害的主要不良地质的成因类型；（2） 道的洞身主要不良地质发育特征，特别是发育程度；（3） 隧道的洞身主要不良地质的大约位置；（4） 隧道的洞身主要不良地质空间分布规律，特别是分布方位特征；（5） 隧道的洞身主要施工地质灾害，特别是施工地质灾害与主要不良地质的关系。从宏观预报的内容看：即在仪器探测之前，通过隧道地质分析与宏观预报这一重要步骤，已经初步掌握了施工隧道的主要不良地质大约状况，仪器探测只是起到验证和精确化的作用。3.1.6关键技术（1） 熟练掌握和运用超前地质预报的地质理论；（2） 野外地质调查的基本功。3.2 长期（长距离）超前地质预报隧道洞身不良地质超前预报，是最主要的预报方案。依据预报距离，分为长期（长距离下同）超前地质预报、短期（短距离下同）超前地质预报两种预报向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 6 -方案。长期超前地质预报的预报距离为掌子面前方 100 米150 米以上。对于隧道不良地质体的长期超前地质预报来说，国内外主要采用 TSP（隧道地震探测仪）等仪器探测方法来进行。3.2.1 TSP概况TSP（Tunnel Seismic Prediction，隧道地震勘探）设备是由瑞士安伯格公司开发、生产的，是当前国内外最先进的隧道长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。它与其它超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测和预报距离远（探测距离可达隧道掌子面前方 300500 米，甚至更多；有效预报距离一般为掌子面前方 100 米，经验丰富者可有效预报 150200 米） ；分辨率高（最高分辨率可达 1 米） ；抗干扰能力强（除了放炮、打钻以外，基本不受干扰） ；对隧道施工影响很少（钻孔和测试均在隧道侧壁进行，若准备工作较好，洞内探测时间仅用 45 分钟） 。目前，TSP 共开发出 TSP-202 系列和 TSP-203、TSP-203PLUS、TSP-200 系列，共两大系列、四种型号。本项目主要采用 TSP-203 系列仪器进行超前地质预报。TSP-203 为智能解译型，又称“普及型” 。 在基本原理的指导下，设备软件最终形成物理参数与二维分析图，并依据软件规定的解译原则进行智能解译。因此，一般地说，解译效果一般，预报的精度偏低。但它具有解译技术要求低的优点（类似智能型相机） ，所以较适合解译水平一般的技术人员使用，便于推广应用；因此，又称“普及型” 。3.2.2 TSP的基本原理：首先，在隧道内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪） ，将这递增数据经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成各种成果图，供工程技术人员解译。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 7 -TSP 工 作 原 理 示 意 图TSP 系 统 探 测 示 意 图3.2.3 解决的主要技术问题和技术指标3.2.3.1 每次探测的较准确的有效预报距离一般为掌子面前方 100 米。3.2.3.2 对隧道不良地质的最高分辨率可达 1 米。3.2.3.3 预报精度：（1）较准确地预报一般隧道施工遇到的断层破碎带等造成坍塌或塌方的不良地质体的位置和规模；一般不能遗漏可造成坍塌 50m3以上的不良地质体。（2）较准确地预报一般隧道施工遇到的断层裂隙水、岩溶隧道遇到的溶洞、暗河、岩溶淤泥带和瓦斯隧道可能遇到的老窑、老崆或其他多水或富水不良地质体的位置和规模；一般不能遗漏可造成大涌水（50m3/h 以上） ，甚至突泥突水的不良地质体。3.2.3.4 较准确地预报区段的围岩级别（误差小于半级） ；并能定性地预报区段主要不良地质发生塌方、突泥突水等施工地质灾害的可能性。隧 道 轴 线 不 良地 质 带 接 收 器 震 源 图 3 TSP工 作 原 理 示传传传传传传传传传传传 传传传传传传传传传传传 TSP传传传传传传传传传 向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 8 -3.2.3.5 提出较恰当的施工辅助功法方案和应对措施。3.2.4 TSP仪器探测法的基本流程3.2.4.1 准备探测材料，主要包括瞬发电雷管、乳化炸药或黑索金炸药、环氧树脂或水泥。3.2.4.2 准备探测钻孔，依据地质分析和宏观预报得出的隧道最主要不良地质的走向或依据掌子面前方 100 米以内的明显断层破碎带的走向，在最先见到最主要不良地质的一侧隧道边墙布设炮眼钻孔；在距最外边（最后）一个炮眼 1520 米，布设传感器套管钻孔，隧道两壁各对称布置 1 个。3.2.4.3 制作炸药的药卷，钻孔检查钻孔是否合格个别钻孔“返工”洞内探测，采集数据。3.2.4.4 室内数据处理、成图成果图解译编写 TSP 探测报告。3.2.5 关键技术3.2.5.1 主要探测壁（布设炮眼壁）的选择，至关重要；3.2.5.2 应用超前地质预报的地质理论和物探理论进行成果解译，难度很大。3.3 短期（短距离）超前地质预报短期超前地质预报是在长期超前地质预报的基础上进行的，预报距离为掌子面前方 1530 米。对于我标段管区隧道工程来说，主要采用地质素描法（掌子面编录预测法）进行短期预报；适当辅以地质雷达探测、红外线和瞬变电磁等等仪器探测方法。 3.3.1地质素描预测法又称掌子面编录预测法。这项工作属于隧道施工短期超前地质预报的一种常用的方法和技术手段。具体包括：岩层层位预测法、地质体延伸预测法和不良地质前兆预测法，共三种方法。3.3.1.1 岩层层位预测法（1）基本原理：在掌子面和隧道两壁出露的岩层与地表某段岩层证为同一和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预报掌子面前方将要出现的岩层。 （2）关键技术：是证为同一和确认标志层。 向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 9 -3.3.1.2 地质体延伸预测法（1）基本原理：在长期超前地质预报得出的不良地质体厚度的基础上，依据掌子面以揭露的不良地质体的产状和单壁始见的位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置。（2）关键技术：隧道展开图的三角函数运算。3.3.1.3不良地质前兆预测法这是侧重预报掌子面前方不良地质体性质的一种短期超前地质预报技术。（1） 基本原理在隧道掘进过程中，在出现断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱和洞穴淤泥带之前，一般都会出现各自的明显或不明显的前兆标志；这些标志的出现，常常预示前述不良地质体已经临近了。因此，不良地质前兆预测法，一方面有助于掌子面前方不良地质体的性质的鉴别，也有助于对不良地质体临近的判断。 （2）主要技术指标在地质分析和宏观预报和 TSP 超前地质预报的基础上，不良地质前兆预测法预报不良地质性质的精度：预报断层破碎带的判断，一般可达到 90%，经验丰富者，可达到 95%以上。预报溶洞、暗河和岩溶淤泥带、岩溶陷落柱，以及老窑、老崆的判断，一般只能达到 5080%；经验丰富者，可达 8090%以上。对于这类不良地质性质的判断，主要还是靠超前钻探。（3） 预报流程TSP 超前预报；在临近 TSP 预报的主要不良地质时，加强洞内地质观测和编录；及时发出短期超前地质预报通知书，编写短期超前地质预报报告。（4）关键技术主要是隧道不良地质体的明显和不明显的前兆标志的确认。对于我标段隧道工程来说：地质素描法，无论单纯用于保存地质资料的地质编录，还是作为一种短期超前地质预报的方法，它都应用于隧道施工的、从开挖到贯通的全向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 10 -过程。3.3.2地质雷达探测与解译目前国内应用较为广泛的地质雷达主要有瑞典 MALA 公司的 RAMAC 系列，美国 GSSI公司的 SIR 系列，加拿大的 Pulse EKKO 系列，日本的 GEORADAR 系列，中国的 LLD 系列等型号。3.3.2.1 基本原理探地雷达是一种有源电磁波装备，其基本原理是向地下发送高频电磁波（10MHz1000MHz） ，然后接收从地下介质中反射回来的电磁波回波信号，通过对回波信号的分析、研究来识别地下目标及其特性。因此，探地雷达主要研究超高频电磁波在地下介质中的传播规律。由于雷达采用的是高频电磁波，因此其具有更高的探测分辨率，同时也带来更高的吸收和衰减作用，造成探测深度不大，一般在 200MHz 天线作用下，围岩电阻率在几百欧姆米时，有效超前探测深度在 30 米以内。地质雷达探测原理见下图地质雷达探测原理示意图 。3.3.2.2 仪器设备美国“地球物理测量系统公司”GSSI（Geophysical Survey Systems, Inc）的SIR 系列多功能地质雷达已经形成完整的多道、宽频、高速、高分辨、深穿透、多天线的地质雷达家族。它有 SIR-3、SIR-8、SIR-10、SIR-20 等一系列产品。SIR-20 地质雷达系统包括硬件(主机、天线、传输电缆等)和软件(现场数据采集、预处理、后处理等)两大部分。SIR- 20 地质雷达属于工程现场非破坏性的高频电磁脉冲全数字化地面探测系地 质 雷 达 探 测 原 理 示 意 图向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 11 -统，有中心频率分别为1680MHz、100MHz、200MHz、400MHz、900MHz、1GHz、1.5GHz、2.5GHz 的天线可供选择。可采用反射剖面方式测量、共中心点方式测量及透视测量等方式进行现场检测。从数据采集、储存、到数据处理都已实现数字化，边采集数据边显示波形，有强大的数据处理软件功能。SIR-20 雷达系统由现场数据采集主机和后处理单元两部分组成，整个系统由一个数据库来支持，数据库具有管理所有数据及将数据和结果归档的双重功能。最终将探测结果转换成各种 CAD 图像。目前 SIR-20 地质雷达系统可用于工程地质勘查(软土地基基岩面、岩溶地区等的探测)；地下管线、电缆的探测；古河道的探测；地质灾害调查；建筑物结构的完整性检查；混凝土缺陷、裂缝及其中钢筋分布的无损检测；公路工程质量的检测；考古探测及冰层、冻土调查等。探测深度：采用 SIR-20 型地质雷达，系统性能为 100db，用 100MHZ 天线，电导率为 0.001ms/m 时，探测距离可达到 20m 以远。探测深度是衰减系数、天线频率和介电常数的函数。即便是同一岩性，由于空隙度或裂隙大小不同，含水量不同，从而使衰减系数变宽，相应探测深度也会明显不同。天线耦合：天线耦合问题也是影响预报效果的一个关键因素，匹配好坏影响天线发射功率的变化。SIR-20 型雷达系统的天线在开挖工作面上工作时，由于凹凸不平，测量时天线要移动，不能保证与开挖工作面的距离不变，因而必须研究弥补这种耦合问题造成影响的有效途径。对探测不远的目标，天线与开挖面最近接触距离1/2 波长，而对于较远目标的探测可采用点测法、定点转角探测法及复测法。另外，掌子面岩层保持平整，以克服耦合不良造成的信息忽大忽小以及形成假信号的问题。探测干扰：雷达探测时，为解决干扰问题，采用专用支架移动天线，避免人的感应和天线晃动所带来的干扰。分辨率：相对介质常数如为 9m 时，横向分辨率：用 80HZ 天线时，在深度为 20m时为 1.8m 左右，用 100HZ 天线时为 2.2m 左右。3.3.2.3 主要技术指标地质雷达探测多是 TSP 等长期超前地质预报的基础上进行的（也有单独进行的） ，所以预报的精度大多超过长期超前地质预报。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 12 -（1）有效预报距离一般为掌子面前方 20 米，经验丰富者可达掌子面前方 3040米。（2）在 TSP 长期超前地质预报成果的基础上，能较准确预报隧道隧洞不良地质体的性质：对于断层破碎带的判断，一般可达 80%；经验丰富者可达 90%以上；对于溶洞、暗河、岩溶淤泥带、老窑和老崆等洞穴式不良地质体判断一般可达 80%；经验丰富者，可达 90%以上。（3）预报不良地质体位置的精度一般为 80%，经验丰富者可达 95%以上。（4）预报不良地质体规模的精度一般为 70%，经验丰富者可达 90%以上。3.3.2.4 预报流程（1）依据探测目标，在洞内合理布置测线洞内探测，数据采集；（2）数据处理各测线电磁波频谱图。（3）依据电磁波的频率、振幅和同轴连续性特征，进行成果图解译。（4）编写排除地质雷达探测报告。3.3.2.5 关键技术（1）地质雷达探测属于电磁波探测技术，施工场地能够形成电磁波的干扰因素很多（这一点与 TSP 探测有明显不同） ；所以，排除地质因素以外的、其它电磁波干扰，对地质雷达探测是最为关键的技术。（2）电磁波频谱图的解译技术。3.3.3 红外线探水采用 HY-303 型探水仪是根据探测红外场强的变化来预测掌子面前方是否有含水体存在。3.3.3.1 基本原理在隧道中，围岩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，场有密度、能量、方向等信息，岩层在向外发射红外辐射的同时，必然会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发射不同的红外辐射。地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，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来确定掌子前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。通过测试掘进工作面和隧道开挖纵向的地湿场变化情况，根据介质的辐射红外波段长的能量变化，判析前方是否为隐伏含水构造体，有无发生突涌水的可能。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 13 -3.3.3.2 仪器设备探水仪具体见下图HY-303 型红外探水仪图HY-303 型 红 外 探 水 仪 图3.3.3.3 红外探水的特点：一是测速快，基本不占用施工时间；二是资料分析快，测量完毕即可得出初步结论，室内成果整理及报告编写也可在 2 小时内完成；三是对前方有水无水的准确率较高，特别在石灰岩洞段，预报准确率高达 80%。对于 XPFJ-3A 管区隧道来说，红外探水主要是在 TSP 长期超前地质预报的基础上进行的，使用与长期预报的多水和富水区段的进一步验证。3.4 隧道重要不良地质超前钻探根据地质分析宏观预报和长期、短期超前地质预报结果，重点对断层破碎带及其影响带等软弱、破碎围岩段，煤层（及其可能的采空区） ，特别是富水带等等不良地质地段实施超前钻探。是系统超前地质预报方案的第四道工序。采用超前探孔进行隧道施工地质超前预报是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法，是对其他探测手段成果的验证和补充。超前水平钻孔能最直接地揭示掌子面前方的地质特征，准确率很高。通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水、气状况等诸方面的资料。超前钻探既对隧道隧洞的洞身长期、短期超前地质预报进行验证，又为施工地质灾害临近警报提供主要的、直观的地质信息。对于地质条件复杂的隧道隧洞区段，特别是已经被长期、短期地质预报确认的重大地质灾害可能发生的区段，这是必须采用的超前地质预报手段。3.4.1 超前钻探分类向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 14 -超前钻探分为长距离（100 米） 、中距离（5060 米）和短距离（1530 米）三种形式，一般采用其中的长、短或中、短搭配即可；又按钻探取芯分为取芯和不取芯两种类型。3.4.1.1 长距离超前钻探长距离超前钻探是采用水平地质钻机完成的，这些钻孔对于进一步探明隧道区域内的地质状况，特别是探测含水构造体或地质异常体，预防隧道突水突泥，对隧道开挖及后期运营都是极其重要的。采用地质钻机准备在破碎带边界进行超前探测和岩芯取样，具体见长期超前水平钻探示意图 。长 期 超 前 水 平 钻 探 示 意 图3.4.1.2 短距离超前钻探主要是掌子面加深钻孔探测。孔深一般为 20 米，搭接 5 米。通过钻进时间、速度、压力、卡钻、跳钻和岩性、地下水变化等情况，判断掌子面前方地质情况。超前钻探主要应用于隧道设计、长期短期超前地质预报所确定的主要不良地质，容易发生重大施工地质灾害的区段。对于我标段的隧道工程来说，这也是必须采用的超前地质预报方案。3.4.2 超前钻探的技术要求超前钻探的布孔数量，视不良地质的性质和可能发生施工地质灾害的严重程度来决定。对于较大的断层破碎带，布置 3 孔即可达到目的；对于溶洞、暗河或岩溶淤泥带等可能突水区段，则以布置 5 孔为宜。布孔的位置，则主要依据长期、短期超前地质预报的结论来确定。3.4.3 超前钻探的适用范围超前钻探一般是在隧道隧洞的洞身长期、短期超前地质预报的基础上进行的，特向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 15 -别侧重长期、短期超前地质预报已经基本认定的主要不良地质区段；除非特殊情况，一般不宜全隧道隧洞大量、连续地进行。3.5 隧道重大施工地质灾害临近警报地质灾害临近警报是一种重要的超前地质预报方案。它是超前地质预报体系中，最最重要的一个步骤和必须安排的一种预报方案。因为，所有超前地质预报方案的最终目的和落脚点，无非是减免隧道重大施工地质灾害的发生，然而，这一预报方案对于达到超前地质预报的最终目的和落脚点是不可或缺的一步。它是在隧洞所在地区不良地质宏观预报和隧道的洞体不良地质体长期、短期超前预报和超前钻探的基础上进行的，也是系统超前地质预报的第五道工序。它进一步可以划分为隧道施工地质灾害发生的地质环境监测，和隧道重大施工地质灾害发生可能性的判断两个分方案和步骤。3.5.1 施工地质灾害发生的环境监测这是施工地质灾害警报技术的基础工作也是第一步的工作。主要包括：不良地质体性质的鉴定和区分、地下水涌水量监测、地应力测量以及岩爆发生的地质环境的监测。 3.5.2 施工地质灾害能否发生的判断和应对措施这是施工地质灾害警报技术中的最为关键的技术，也是第二步的工作。主要包括：塌方、突泥突水、岩爆等等重大施工地质灾害发生可能性的一系列判断技术；并结合特殊辅助功法，提出应对措施。3.5.3 施工地质灾害临近警报的主要技术指标在局指下属各公司项目部的有力配合下，一般应达到减免，甚至避免重大施工地质灾害的发生的目标。从我标段管区隧道的地质特点来说，施工地质灾害临近警报是长期、短期预报的基础上进行的超前地质预报方案，更是经常伴随隧道重要不良地质超前钻探的同时采用的一种超前地质预报方案。4 工作安排、分工与工作量超前地质预报的主要工作有：地质调查地质分析与宏观预报，TSP-203 长期预报，地质素描为主、辅以地质雷达、红外探水和瞬变电磁法探水的短期预报，超前钻探，地质灾害临近警报等项。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 16 -4.1 地质调查地质分析与宏观预报4.1.1 具体工作4.1.1.1 收集 FJ-3A 标管区所在地区的区域地质资料和所有隧道的勘察和设计资料。4.1.1.2 对 FJ-3A 标的 3 条长大隧道、3 条中长隧道和 12 条 3000 米以下隧道（尤溪、戴云山各按一条隧道计算） ，开展地表地质调查工作，获得第一手地质资料。4.1.1.3 应用断层破碎带理论、岩溶地质理论、瓦斯地质理论等一系列超前地质预报的地质理论分析这些资料，并作宏观预报。4.1.2 工作分工本项工作主要是由局指挥部来负责完成，各施工项目管段内隧道调查，需要熟悉地形和地貌的工程师全力配合。4.1.3 主要工作量4.1.3.1 资料收集：30 天/3 人4.1.3.2 野外调查：大约 51.360 公里/3 人4.1.3.3 资料分析编写研究报告：60 天/3 人4.2 TSP探测与解译4.2.1 具体工作4.2.1.1 探测准备。4.2.1.2 洞内探测。4.2.1.3 数据处理、成果解译和编写报告。4.2.2 工作分工4.2.2.1 TSP 探测预报小组负责提供交通工具和工作服，每次探测提供共内工作的主要技术负责人 1 名，辅助工人 4 名。4.2.2.2 各隧道按超前地质预报频次和要求，由下属各公司项目部专人负责书面向局指 TSP 超前预报小组需要探测的时间和里程桩号；石家庄铁道学院科研团队负责具体洞内探测工作，提交研究报告。4.2.3 主要工作量4.2.3.1 合计 TSP-203PLUS 探测共 39.289 米（不含横洞斜井） 。4.2.3.2 具体每次探测的工作量：（1）探测准备洞内探测约 2 天/3 人；向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 17 -（2）数据处理成果解译编写报告约 3 天/2 人。4.3 地质素描4.2.1 具体工作4.2.1.1 洞内地质素描。4.2.1.2 填写地质素描表。4.2.1.3 编写重点区段短期预报报告。4.2.2 工作分工4.2.2.1 工程地质负责组负责提供交通工具和工作服，提供地质素描所必备的数码相机；负责 3000 米以下共 12 个隧道的具体地质素描工作。石家庄铁道学院科研团队负责指导并对报告的内容复核和检查。4.2.2.2 石家庄铁道学院科研团队负责 3 个长大隧道，3 个中长隧道具体地质素描工作。4.2.2.3 石家庄铁道学院科研团队负责隧道地质素描技术的培训和定期检查工作。4.2.3 主要工作量4.2.3.1 具体地质素描约 22 人/44 月。4.2.3.2 地质素描技术培训大约 20 天/1 人，定期检查大约 88 次/1 人。4.4红外探水4.4.1 具体工作4.4.1.1 探测准备。4.4.1.2 洞内探测。4.4.1.3 数据处理、成果解译和编写报告。4.4.2工作分工4.4.2.1 红外探测小组负责提供交通工具和工作服。4.4.2.2 石家庄铁道学院科研团队负责具体洞内探测工作，提交研究报告。4.4.3主要工作量4.4.3.1 合计探测 30 公里左右。4.4.3.2 具体每次探测的工作量：探测准备洞内探测约 1 天/2 人；数据处理成果解译编写报告约 1 天/2 人。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 18 -4.5地质雷达4.5.1具体工作4.5.1.1 探测准备。4.5.1.2 洞内探测。4.5.1.3 数据处理、成果解译和编写报告。4.5.2 工作分工4.5.2.1 地质雷达小组负责提供交通工具和工作服，每次探测提供共内工作的主要技术负责人 1 名，辅助工人 4 名。4.5.2.2 石家庄铁道学院科研团队负责具体洞内探测工作，提交研究报告。4.5.3 主要工作量4.5.3.1 合计地质雷达探测 20 次。4.5.3.2 具体每次探测的工作量：（1）探测准备洞内探测约 1 天/3 人；（2）数据处理成果解译编写报告约 2 天/2 人。4.6超前钻探4.6.1 具体工作4.6.1.1 探测前准备。4.6.1.2 洞内钻探。4.6.1.3 布孔、跟踪监测、分析判断、编写报告。4.6.2 工作分工4.6.2.1 超前钻探小组负责提供钻机，和洞内钻探。4.6.2.2 石家庄铁道学院科研团队负责布孔、跟踪监测、分析判断、编写报告。4.6.3 主要工作量4.6.3.1 总工作量：合计 8064 米（3 孔）/20 米=403 天。4.6.3.2具体每次探测的工作量：（1）洞内钻探 20 米/1 人天；（2）编写报告约 2 天/1 人次。4.7地质灾害临近警报向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 19 -4.7.1具体工作4.7.1.1 洞内地质跟踪。4.7.1.2 编写重点区段地质灾害临近警报报告。4.7.2 工作分工4.7.2.1 工地地质预报小组负责及报告施工险情出现的通报，负责提供交通工具和工作服。4.7.2.2 石家庄铁道学院科研团队派出专家负责具体监控、判断并提出应急处理措施的建议。4.7.3 主要工作量4.7.3.1 合计大约 200 天/1 人。 4.7.3.2 大约 10 天/1 人次。5 质量保证体系与措施严格的规范要求，实施质量保证体系，从而达到保障超前地质预报质量的目标。5.1 TSP超前地质预报TSP 是超前地质预报的最主要技术手段，对 XPFJ-3A 标管区隧道超前地质预报来说，特别提出严格规范要求。5.1.1探测中的规范要求：5.1.1.1 严格按规定布置震源和传感器钻孔，并保证质量，特别是孔距。5.1.1.2 主洞探测，必须坚持两壁布置炮眼，实施双壁探测。5.1.1.3 在洞内 45 分钟的实际探测过程中，尽最大努力减少噪音；尽最大努力减少漏炮。5.1.1.4 先后两次探测的里程，要有至少 10 米的相互衔接，以保证不遗漏隧道不良地质的预报。5.1.2 严格限制有效预报的距离一般将有效预报距离控制在掌子面前方 100 米，仅部分预报的有效预报距离延长到 150 米。5.1.3 超前地质预报报告编写规范要求超前地质预报报告编写总体要求是：报告不能过分简单，特别是有实质内容的“超前地质预报通知书”部分，要尽量详实。一般要依据围岩工程地质条件，将预报向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 20 -区段划分若干个围岩段，然后，对于每个围岩段都要具体描述出如下内容：5.1.3.1 工程地质特征：概略描述围岩段工程地质特征。5.1.3.2 主要不良地质：要描述主要不良地质的类型，数量，走向及其与隧道中线走向的关系，在两壁出露的位置，和不良地质的规模。对于突出的不良地质，更要预报可能发生的主要地质灾害，并提出施工建议或对策，并以黑体字醒目地表示出来。5.1.3.3 围岩总体评价：评价围岩稳定性，要预报围岩的级别。5.2 地质雷达超前地质预报规范要求5.2.1探测要求5.2.1.1 不少以规定的探测测线，有条件尽可能多地布置侧线。5.2.1.2 尽量选择平整的掌子面。5.2.1.3 移动测线时，尽量减少跳动；更不能出现间隔。5.2.2 预报距离：严格限定在 30 米以内，其中 20 米以内效果最好。5.2.3 报告编写要求报告不能过分简单，特别是“通知书”部分，要尽量详实。要写出探测区段的主要工程地质特征，主要不良地质的工程地质类型、数量、走向及其与隧道中线方位的关系、两壁出露的位置和三维规模；要较准确地预报围岩的级别，和可能发生的主要地质灾害；提出施工建议和施工对策。5.3 地质素描的规范要求5.3.1 地质编录表格内容5.3.1.1 掌子面描述：（1）岩石特征：岩石名称，矿物成分，风化状况，结构构造，岩石强度特征。 （2）地层特征：地质层位，产状，岩层结构，层间结合度，地质构造影响程度等。（3）节理特征：产状，形迹特征（主要是结构面形态、擦痕） ，力学性质，间距密度，延伸性，粗糙度，张开性等。（4）断层特征：产状，形迹特征（结构面形态和擦痕，构造岩特征、应力矿物特征，旁侧构造特征，排列组合特征，充填岩脉特征等等）力学性质，多期活动特征，断层破碎带宽度、物质组成、风化程度，断层对地下水的控制特征等等。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 21 -（5）地下水特征：出水位置及其与构造的关系，出水量（渗水、滴水、流水、涌水、突水情况等） ，水压力，夹杂物质等等。5.3.1.2 绘制掌子面地质素描图。5.3.1.3 对开挖面前方较短距离内的岩体稳定性分析，同时结合服务隧道所揭示的情况，通过综合分析判断，提出 520 米的地质预测报告。5.3.2 绘制隧道剖面图和三维展开图5.4 短距离超前钻探的规范要求5.4.1 80100 米钻探根据地质详勘报告和设计图纸，结合本标段实际情况，在掘进工作面上布设超前探孔，在钻探中根据钻机在钻进过程中推力、扭矩、钻速大小、岩粉成份、成孔难易及钻孔出水情况来判断前方的地层和岩性，同时进行涌水量和水压测试，判断掘进工作面前方地层含水情况。对于一般断层破碎带，每个掘进工作面布设超前取芯探孔 1个即可。 5.4.2 2030m 钻探根据地质详勘报告和设计图纸，结合本标段实际情况，在掘进工作面上布设超前探孔，在钻探中根据钻机在钻进过程中推力、扭矩、钻速大小、岩粉成份、成孔难易及钻孔出水情况来判断前方的地层和岩性，同时进行涌水量和水压测试，判断掘进工作面前方地层含水情况。对于一般断层破碎带，每个掘进工作面布设超前取芯探孔23 个；对于海底风化槽和多水、富水带，则应增设 23 个探水孔，分别位于拱顶和拱腰部位，超前探水孔终孔位于隧道开挖轮廓线外 1.51.3.0m。5.4.3 58m 钻探在地质不良地带，隧道开挖时，每循环需要进行短距离超前地质钻探时，利用液压凿岩台车或风钻对工作面进行钻探，钻孔深度 58m，探孔数量根据设计和实际进行布设。探孔布置见图超前短探孔布置示意图 。向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 22 -超 前 短 探 孔 布 置 示 意 图探孔探测若无异常情况出现，可进行钻爆开挖。在短距超前探孔预测预报过程中，若掌子面有出水或其它异常时，增加探水孔数量，以便准确地进行预测预报。6 目标管理体系6.1 组织管理6.1.1 组织为保证隧道超前地质预报工作顺利进行，专门成立一个由项目总工程师负责的隧道超前地质预报领导小组，成员包括专门从事隧道施工地质工作的工程技术人员 56人（其中高级工程师 2 人，工程师或技术员 34 人） ；专门成立一个施工地质勘探队，负责隧道施工的超前地质预报工作。超 前 预 报 组 织 机 构 图地质预报由地质预报组负责，其它施工、质检人员予以配合，进行资料收集、统计、分析和编制信息预报成果，由主管技术人员予以复核，并报设计、监理，为变更53 1隧道中线246 掌 子 面隧 道 隧 道 岩 层开 挖 轮 廓 线总工程师石家庄铁道学院专家副总工程师工程地质负责组 TSP超前预报组超前水平钻探组 试验专业负责组 地质雷达检测组 红外探测负责组向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 23 -设计、修改施工方法提供依据。经分析、整理的地质资料作为施工技术资料存档。 依据综合超前地质预报各阶段的预报资料，及时制订各类施工技术预案，保证顺利通过各类不良体。实施信息化施工，定期和不定期由设计、监理和施工单位论证和审查地质预报组的预报成果和专家组的技术方案的可靠性和经济性。6.1.2 管理建立健全隧道地质工作管理机制和信息共享机制。施工现场成立以项目总工程师孙伟亮负责的隧道超前地质预报专业小组。项目副总工程师汤茂宁兼施工地质室主任,并配有地质工程师和地质勘探队。项目总工程师负责布置安排开展隧道地质工作。地质工程师负责制定隧道地质工作勘察方案，地质勘察队在地质工程师的指导下开展超前地质预测预报的信息采集、收集工作，地质工程师负责整理相关地质资料并对有关的隧道地质状况进行初步的评估后，上报副总工程师由副总工程师主持对围岩稳定性进行评价，准确预报地质灾害可能发生段，并相应提出施工建议并形成隧道施工地质技术报告，上报项目总工程师，及时反馈给技术和设计单位，以共同制定施工技术方案和设计单位现场核查后进行隧道动态设计。施工决策人依据设计组织施工及时调整施工方法采取相应的技术措施，从而确保隧道安全快速施工、保证隧道的施工质量。6.2 超前地质预报主要资源配置超前地质预报资源配置见下表超前地质预报资源配备表 。超 前 地 质 预 报 资 源 配 备 表序号 资源名称 数量 型号 备注1 TSP 超前预报仪 1 套 TSP203PLUS2 地质雷达 1 台 SIR-203 地质罗盘 12 块4 红外探水仪 5 台 HY-303 型5 地质钻 10 台 XY-2PC 型6 数码相机 10 部7 台式电脑 3 台向莆铁路 FJ-3A 标超前地质预报专项方案 - 24 -6.3 强化措施6.3.1 一般强化措施地质分析和宏观预报是隧道施工期地质超前预报的基础，要给予足够的重视；地质方法与地球物理勘探方法的结合的综合预报，是发挥各自优势、提高隧道施工期超前地质预报准确率的重要保证。洞内现场常规地质调查、在施工中进行地质测绘工作，应由具有隧道工作经验的