祥和隧道综合地质预报方案.doc

祥和隧道综合地质预报方案一、编制依据1.1.广通至大理铁路扩能改造工程七标祥和隧道设计文件。1.2.施工相关合同文件1.3.标段实施性施工组织设计1.4.国内其它高风险隧道超前综合地质预报方案1.5.隧址区域实际调查情况二、工程概况祥和隧道起讫里程：D1K149+274D1K159+494，全长10220米，为双线隧道。线路经五里坡双线中桥后进入祥和隧道，经五里坡、马厂箐、荞麦地、小三家村、黑土山顶等村落于下迎风村附近出洞；最大埋深位于D1K153+270附近，约705m。沿线路右侧30m设贯通平行导坑，全长10076米。斜井与正洞交汇于D1K157+500右侧与线路呈45设，全长922m。进口左侧设置一座横洞，与正洞交汇于D1K149+424处，全长111m。2.1.工程地质隧道位于川滇南北走向构造带和青藏滇缅歹字型构造带之间的构造斜交与复合地带，地质构造极为复杂。主要不良地质为滑坡、岩溶、危岩落石、热害、有害气体、放射性、高地应力，特殊岩土为软土及膨胀土。隧道地表覆第四系全新统洞穴堆积粉质黏土、滑坡堆积层粉质黏土；冲湖积层软土、粉质黏土、细角砾土、坡残积粉质黏土；更新统松毛坡组粉质黏土(膨胀土)、细角砾土、泥炭。下伏基岩为：泥盆系下统青山组灰岩、康郎组白云质灰岩、白云岩；奥陶系向阳组四段砂岩、石英砂岩夹灰岩等。受区域地质构造影响测区内发育上泥哨断裂、荞麦地-马鞍山断裂、荞麦地-架子山断裂、三家山断层、五福山断裂、万宝林断裂、黑土山断裂、柳冲箐断裂、上迎风村断裂等断裂构造，其中上泥哨断裂为活动断裂。(1)上泥哨断裂：为逆断层，破碎带宽50150m，物质以断层角砾为主，部分为断泥层，线路与该断层于D1K151+280附近呈63度相交，断层附近地层产状紊乱，岩体破碎，节理很发育、地下水丰富。该断层为富水断裂，沿断层破碎带构造裂隙水发育。(2)荞麦地-马鞍山断裂：为逆断层，破碎带宽30100m，物质以断层角砾为主，部分为断泥层，线路与该断层于D1K151+600附近呈68度相交，该断层地下水丰富。(3)荞麦地-架子山断裂：为逆断层，破碎带宽3080m，物质以断层角砾为主，部分为断泥层，线路与该断层于D1K152+585附近呈52度相交，该断层地下水丰富。(4)三家山断层：该断层具有右旋走滑性质，破碎带宽2050m，物质以断层角砾为主，部分为断泥层，线路与该断层于D1K153+760附近呈52度相交，该断层地下水丰富。(5)五福山断裂：为一区域性逆断层，破碎带宽3080m，物质以断层角砾为主，部分为断泥层，线路与该断层于D1K155+060附近呈42度相交，该断层地下水丰富。(6)万宝林断裂：为一区域性逆断层，破碎带宽60120m，物质以断层角砾为主，部分为断泥层，线路与该断层于D1K155+630附近呈59度相交，该断层地下水丰富。(7)黑土山断裂：为一逆断层，破碎带宽50100m，物质以断层角砾为主，间夹透镜状岩块。部分为断泥层，线路与该断层于D1K156+960附近呈56度相交，该断层地下水丰富。(8)柳冲箐断裂：该断层位于柳冲箐沟槽内，为一正断层，破碎带宽1030m，为断层角砾和断层泥，部分为断泥层，线路与该断层于D1K158+470附近垂直相交，该断层地下水丰富。(9)为一逆断层，破碎带宽2080m，为断层角砾和断层泥，间夹透镜状岩块。部分为断泥层，线路与该断层于D1K159+120附近近于垂直相交，该断层地下水丰富。2.2.水文地质特征地表水主要为山间沟水及山间盆地之河水。众多山间沟水、河水均为常年性流水，主要受大气降水补给，部分为基岩裂隙水及岩溶管道水补给。地表水受降雨控制明显，雨季流量大，枯水季节水量小。地表水主要会流于澜沧江及元江。隧道区地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水为主。地下水主要受大气降水及河水补给，同时也向线路左侧低洼地带及河流排泄。2.2.1.隧道集涌水量预测隧道通过区有多个断裂和侵入岩接触等蓄水构造，在进口段及中部分布大段可溶岩，且可溶岩地层中岩溶中等至强烈发育，地下涌水多呈大股状、部分呈喷射状涌水，伴有泥沙，雨季流量明显增大，正常涌水量约为92800m3/d,雨季最大涌水量约为111360m3/d。2.3.主要地质灾害预测祥和隧道可能遇到的主要不良地质有：滑坡、岩溶、危岩落石、高温热害、有害气体、放射性、高地应力、侵入接触带等。塌方及岩溶易发生地段表桩号围岩特性可能存在的地质灾害重点预报段落断层位置富水情况D1K149+000D1K151+000灰岩、白云岩和白云质灰岩岩体破碎，易塌方D1K149+083-D1K149+490推测水量不大D1K51+000D1K152+000辉绿岩及岩浆岩、白云质灰岩涌水、突泥和塌方D1K51+280-+430D1K51+600-+700上泥哨和荞麦地-马鞍山断裂富水D1K52+000D1K154+600花岗岩、砂岩、板岩涌水、突泥和塌方D1K53+070-+138D1K53+529-+649D1K54+457-+470三家村断层富水D1K54+600D1K159+560砂岩、石英片岩、板岩夹灰岩涌水、突泥和塌方D1K55+691-+747D1K56+017-+083D1K56+620-+700D1K57+427-+658D1K57+855-+926D1K58+216-+370D1K58+925-D1K159+123五福山断层、万宝林断层、黑土山断裂带、柳冲箐断裂、上迎风断裂带水量较大(1)基岩裂隙水：受断裂构造，褶皱以及侵入活动等作用，使得在褶皱转折端，断裂带附近，及与侵入岩接触带上，易形成大型的富水构造。(2)岩溶水：主要赋存于D1K149+280D1K151+270、D1K151+350D1K152+500及D1K155+750D1K157+130段泥盆系青山组（D1q）灰岩及康郎组（D1k）白云质灰岩，白云岩，其中D1K149+280D1K150+225处于青山组（D1q）纯灰岩地层中，D1K150+225D1K151+270、D1K151+615D1K152+160、D1K152+350D1K152+500及D1K155+620D1K157+220段在康郎组（D1k）白云质灰岩、白云岩地层中，溶蚀中等强烈发育，外业调查地表溶沟溶槽、落水洞、岩溶大泉等均有发育，并发育水茂坪暗河，结合地形地貌及四周冲沟及地下水排泄标高等因素判定，该段隧道处于岩溶水季节变动带内，隧道开挖极有可能遇到大的隐伏岩溶形态，发生突水、突泥，雨季可能发生大涌水，其中D1K150+000D1K150+300及马厂箐沟槽内产生高压突水的可能性极大，并可能疏干地表泉点及地下水，影响居民生产生活。(3)侵入接触带：岩体破碎，节理裂隙发育，围岩稳定性差，且地下水丰富，可能会发生涌水、突泥和坍塌。(4)高地温热害：线路方向主要受宾川热水及弥渡热水分布区影响，线路左侧2000m以远有温泉沿断裂带出露，水温约35度，隧道开挖可能遇到高温热水的危害。(5)有害气体：区内断裂切割深度大，地壳深度的岩浆活动及热力作用强，测区内九顶山矽卡岩化严重，岩石变质作用复杂，矿物变质、富集可能伴生有毒气体。(6)高地应力：隧道中部最大埋深达到705m，洞身硬质岩体可能存在高地应力，并有可能产生岩爆。岩性主要为灰岩或石英砂岩，本隧道埋深大于400m地段D1K150+450D1K151+000及D1K152+000D1K154+780均有可能发生岩爆或有严重岩爆发生的可能性。三、综合超前地质预报方案随着我国西部地区的建设发展，长大隧道高风险地质灾害的防治与风险管理问题，已经得到业界的广泛关注。如何准确的预报隧道前方地质状况及制定相应的施工方案，规避风险、降低风险，进而做好全过程风险管理；如何选择适用的施工方法，确保隧道施工的安全、质量和工期等，皆在研究和日趋完善的过程中。但由于隧道是隐蔽工程，特别是岩溶复杂地区的长大深埋隧道，受地形、地层岩性、地质构造、地下水等影响，以及野外自然环境作业条件的限制等因素，给地质勘察工作带来很大困难，所以对隧道地质调查难以达到设计与施工的理想要求，况且因地区地质构造不同，高风险隧道各有其特点，如衡广线大瑶山隧道突泥、突水；渝怀线圆梁山隧道突泥；宜万线多座岩溶隧道突泥、突水；南昆线家竹箐隧道围岩大变形等均不同程度造成了工程损失。据统计，岩溶隧道地质灾害中有70%是因隧道涌水突泥引起的，隧道的安全风险常导致工期延长、投资增加，甚至造成人员伤亡。因此针对滇西地区长大隧道高风险地质灾害的防治与风险管理仍具深入研究的必要。近年来，在隧道地质层析成像超前预报方面美国NSA工程公司研发了TRT技术，使前方地质缺陷定位精度大大提高，在欧洲隧道超前预报中有成功的应用，如Blisadona隧道、奥地利的过阿尔卑斯山的铁路双线隧道等。德国研发的BEAM法，是目前国际上唯一的电法超前预报方法，2003年9月，由铁道部工程管理中心主办“隧道地质超前预报技术交流研讨会”针对宜万线等岩溶、暗河、突泥、突水，以及断层破碎带等地质条件复杂的长达隧道展开隧道地质预报交流，将超前地质预报纳入施工工序等。隧道超前地质预报虽然积累了很多成功的经验，但仍存在不少问题，一是物探手段单一，分析处理方法简单，不能多种方法相互印证，判释的结论与实际揭示的围岩或水文情况大相径庭，对施工无有或少有指导意义。二是各地域地质差异很大，隧道施工中遇到的地质风险各异，一地一隧的经验与做法终归带有局限性。滇西地区地质复杂，长大隧道多种地质灾害风险防治的施工经验与总结鲜见。针对祥和隧道位于云南高原与横断山脉交接地区，属川滇南北向构造带和青藏滇缅歹字形构造带之间的斜交与复合地带，地质构造极为复杂的实际，我们拟开展复杂地质深埋隧道地灾防治与施工关键技术研究，以期取得探索滇西地区复杂多变地质条件下隧道施工的规律、地质风险灾害的规避与防治、动态风险控制与管理的实施程序及隧道施工的关键技术等方面的经验，并付诸推广应用。针对本标段隧道工程地质情况复杂的特点，成立专业的超前地质预测预报小组，并将该项工作纳入施工工序管理。实现信息化施工，提前掌握开挖地层的特性，确定合理的支护参数和施工方法，制定施工中可能出现的各种问题的处理预案，确保工程质量和施工安全。在设计地质资料的基础上，采用地面预报和洞内超前预报相结合的模式，主要以洞内超前预报为主，对未开挖地段进行地质预测和分析，采集各种水文、地质、变形、应变等信息，及时进行信息反馈，以确定合理的支护参数，制定合理的施工方法。洞内超前预报主要通过TSP203地质超前预报系统、地质雷达、红外探水和超前水平钻孔、中距离水平探孔、扇形探孔、径向探孔、底板探孔并辅助超长炮孔等手段进行。3.1.超前地质探测与预报组织机构及职责成立专业的超前地质预报组，配置物探、水文、地质、试验专业工程师、超前钻探人员并配备先进的预测、预报设备和仪器及钻探设备，进行超前地质预报工作。编制隧道施工测试与超前预报实施细则，并严格遵照执行。将超前地质预报作为隧道施工的一道工序。超前地质预报组成员共计20人，其中5人主要负责工程地质、水文地质、试验以及物探工作；5人负责全标段隧道监控量测工作，并负责分析数据，确定围岩空间变形关系，并提出相关建议；10人负责隧道的超前钻探工作，并与物探相印证，提出相关建议。组织机构见图3-1-1。职责分工如下：图3-1-1 综合地质预报组织机构项目总工程师任组长：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。超前地质预报室主任任副组长：组织工程地质、水文地质、物探及试验等专业组成人员进行超前地质预报日常工作。工程地质：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，提出施工措施建议。水文地质：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：负责物探测试工作。试验专业：负责岩、土、水样的测试、试验工作。钻探专业：负责隧道中短距离水平探孔，扇形探孔，径向探孔，底板探孔等工作。施工中积极协调配合设计单位做好综合地质超前预报工作。3.2.地质预报项目地面预报：在施工过程中，根据设计提供的地质勘探资料，对重点地段地表开展可控源音频大地电磁法(V5)为主的综合物探，沿隧道轴线绘制纵向剖面图；同时进行地表补充地质测绘，采集地表代表性岩样，并将样品在室内做对比分析和物探资料分析整理。洞内预报（祥和隧道正洞及平导）：施工中加强围岩、含水地层等地段的超前地质预报工作，采用开挖掌子面全断面地质素描、超前钻孔并辅以TSP203、地质雷达、红外线探水仪等物探手段进行综合预测。隧道地下水发育地段及断层破碎带采用超前水平钻探、红外线探水仪等措施。根据超前地质预报和施工地质工作获取的地质信息及平导所揭示的工程地质、水文地质条件，调整隧道的施工方案。3.3.超前地质探测与预报方法根据本标段隧道工程地质条件，拟采用TSP203地质预报系统、地质雷达、超前钻探法、红外线探水仪等进行地质预报，并预测开挖工作面前方一定范围内围岩的工程地质和水文地质条件。初步确定本标段采用以下方法进行超前地质探测与预报。根据不同地质风险级别划分，地质超前预报主要采用以下方法，本方法适用于隧道正洞、平导、斜井以及横洞，平导作为隧道的超前导洞并承担祥和隧道大量施工任务，平导可以提前揭示隧道地质情况，综合超前地质预报异常重要，在探水方面要加强，探孔过程中根据物探结果及掌子面围岩情况适当调整钻孔数量及长度。3.3.1. A+级 可能发生大特大型突水突泥及重大物探异常段落风险级别A+综合超前预报方法可能发生大特大型突水突泥及重大物探异常段落（包括较大断层带）地质素描、加密观测、注意成灾先兆长距离TSP203,80m100m；（有效判读距离80m）超前长距离钻孔：100120m（取芯）中短距离超前水平钻孔：13孔，3060m短距离地质雷达：1530m；红外探水：20m超前水平钻：不少于6孔（含中距离探孔）30m超长炮孔：5孔，510m可适当增加掌子面周边扇形探孔、底板探孔等必要时：孔中CT和摄像3.3.2. A级可能存在较大地质灾害的地段，如可能遭遇断裂带大型暗河系统，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层；可能诱发环境地质灾害地段及高地应力、高低热地段风险级别A综合超前预报方法可能存在较大地质灾害的地段地质素描长距离TSP203,80m100m；（有效判读距离80m）超前长距离钻孔：80100m（取芯）中短距离超前水平钻孔：1孔，30m；如有异常：不少于3孔，距离3050m异常处、富水、岩溶发育层面：地质雷达：1530m；红外探水：20m超长炮孔：35孔，510m3.3.3. B级 可能发生中小型突水突泥及较大物探异常段落风险级别B综合超前预报方法可能发生中小型突水突泥及较大物探异常段落地质素描长距离TSP203,80m100m；（有效判读距离80m）短距离超长炮孔：35孔，510m异常处、富水、岩溶发育层面：地质雷达：1530m；红外探水：20m；超前水平钻孔13孔，距离30m3.3.4.TSP203隧道超前探测系统的应用3.3.4.1.TSP203超前地质预报系统：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，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，比如有断层或岩层变化时，会造成一部分信号返回，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，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，根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理，就得到岩体强度变化界面的位置及方位。TSP203施工地质超前预报工作流程见图3-3-1。TSP203地质预报系统实际操作中有如下特点：适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况；距离长，能预测掌子面前100m200m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大；需连续预报时，前后两次预报应重叠10米以上；对施工干扰小，可在施工间隙进行，即使专门安排时间，也不过一小时左右；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。采用专用处理软件，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。将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质相对于隧道的空间位置，计算机自动绘出弹形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。但也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。图3-3-1 TSP203地质超前预报工作流程TSP203地质预报系统现场测试示意见图3-3-2。图3-3-2 TSP203地质预报系统现场测试示意图3.3.4.2.测线布置及钻孔要求(1)记录进行TSP测量时隧道掌子面所在的位置。(2)确定接收器的位置离掌子面的距离大约为55米。(3)测线尽量布置于可能存在地质构造体的一侧，测线布置要考虑炮点炸药爆炸时，不对探测场地内的机械设备及线缆产生危害；(4)确定炮眼的位置，接受器和第一个炮眼的距离应控制在大约20米，在任何情况下都不允许小于15米，各炮眼之间的距离大致为1.5米，但如果所选择的测量剖面较短，此距离可缩小，无论如何此距离都不允许超过2米，测量时必须布置测量所必须的最少炮眼数，至少不得少于18个。(5)测量接受器孔及炮眼的深度及角度，并作好记录。接收器钻孔2个，隧道每壁面一个，直径4345mm，孔深2m，沿轴径向，用环氧树脂固结时，向上倾斜5-10度，离地面1m进行布置。爆破钻孔24个，直径38mm，孔深1.5m，沿隧道轴径向，向下倾斜10-20度，用水或炮泥封堵，布设高度距地面1m。具体布设如图3-3-3。3.3.4.3. TSP系统数据采集步骤(1)根据岩层产状与隧洞轴线的关系，在隧道边墙布置炮点的位置；(2)对探测孔参数进行复测，然后将接收器套管放入探测孔中，套管与围岩必须耦合良好；图3-3-3测线及炮孔布置图(3)采用乳化炸药、瞬发电雷管制成炸药包, (4)用木制炮棍将炸药包安放到位，炮孔充水或用炮泥填充炮孔；(5)安装测试套筒，将接收器放入测试套管内，放置时对好方向，连接整套测试系统；(6)依次单个激发震源炮点，进行地震波信号数据采集，在采集过程中记录并设置每一炮的几何参数，如装药量、深度及倾角等。3.3.4.4 保证高质量数据所需要注意的事项(1)炸药用量炸药用量取决于炸药爆速、围岩性质和预报距离等因素，不能过大，否则干扰波会加强，过小则反射波能量不足，影响预报距离。以二号岩石乳化炸药为例提供以下参考值。岩石类别与装药量关系岩 石 类 别装药量（g）岩浆岩、变质岩50灰岩、白云岩50-60碎屑岩60-100风化岩层100每一次测试需根据现场围岩实际岩性来调整炸药用量，硬岩要适当减少炸药量，避免产生过多的声波干扰，软岩、破碎岩体则适当增加药量，主要是考虑到破碎岩石对地震波的漫反射会减弱反射波的传播距离。(2)雷管舜发电雷管受电起爆延迟时间不一致，会造成直达波不在同一直线上，影响到直达波波速的提取和反射波同相轴的识别，影响预报的准确性。因此尽量使用同一批次的电雷管，对消减起爆延迟造成测试误差有一定帮助。(3)起爆器采用50100发电起爆器，为提高原始资料的准确性，现场操作时一定要保证起爆器的充电时间，待电容充分充满电后再起爆，并检查电池的状态，一旦发现电池电量不足要及时更换。(4)噪音根据探测现场噪音的种类和来源，确定测试时背景噪音的抑制措施，尽量减少干扰。(5)接收器套筒耦合接收器套筒与围岩之间耦合的好坏，关系到数据质量好坏，如耦合的不好，会直接接受到声波和炸药爆炸泄漏到筒状的隧道内产生“管道波”的干扰，一般采用环氧树脂耦合或锚固剂耦合，必须保证耦合质量。 3.3.4.5. 数据处理该系统采用专用数据处理软件TSPwin，如图3-3-4，该软件能自动绘出地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图，从中可分析得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空间位置和不同地段岩体的物理力学参数。图3-3-4 TSPwin处理软件数据处理时，要根据每次采集数据质量，如地震频谱、干扰波情况，以及每次探测的目的，综合考虑进行参数设置，并经过不同参数组合处理，得到最优结果。在利用数据成果进行地质判释时，要结合施工地质图和掌子面附近地质情况综合判释。3.3.4.6. TSP203判释原则TSP判释需充分结合地质设计图、相临已开挖段及掌子面地质情况综合判释，应遵循如下原则：(1)综合分析各分量相似反射面的属性，正反射界面表明前方岩体趋好，负反射界面岩体趋差；(2)有无水的判释应综合分析，若S波反射比P波强，则表明岩层饱含水；若Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起；(3)若Vp下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。数据处理流程见图3-3-5。 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图3-3-5 数据处理流程图3.3.5.地质雷达地质雷达探测(Groun d Penetrating Radar简称GPR)采用电磁波反射原理探测浅层地层的划分、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，采用地质雷达作为补充手段，短距离进一步探测前方30m内的地质情况。3.3.6.超前钻孔探测“物探先行，钻探验证”，超前钻探是一种传统而可靠的工程地质探测方法，具有研判准确，直观的优点。针对本标段隧道围岩特点，拟采用超前钻探方法进行探测，以超前水平岩芯钻探为主，辅以浅孔钻探。超前水平岩芯钻探可根据需要探测和了解隧道开挖前方几米、几十米乃至上百米范围内围岩的工程地质情况；通过钻孔了解和释放影响隧道掘进施工的地下水；通过岩芯观察和分析对隧道开挖前方的不稳定岩层和断层破碎带进行准确定位；直接采集岩芯样进行各种抗压强度试验，获取岩石物理力学性质参数。超前钻探方法是在钻进过程中，从钻进的时间、速度、压力、冲洗液的颜色、成分以及卡钻、跳钻等和岩性、构造性质及地下水等情况掌握地质条件。综合不同位置钻孔的钻进时间变化曲线，大致确定断层的规模和产状。此方法要求在探孔揭露之前，岩体能承受管道水的压力而保持稳定。因此在临近突水地段，多打一些超前探孔，并改放小炮，避免工作面出现冲溃现象。3.3.6.1.钻探设备的选择我们对国内外各种钻探型号和技术性能进行了广泛的调查，根据不同设备型号和技术性能，根据现场的环境、钻探的目的采用不同的设备。拟上场设备见表3-3-1：3.3.6.1.1.RPD-150C钻机设备概况表3-3-1 超前钻探设备表序号型号外形尺寸（mm）功率（KW）主要技术性能钻探类型钻孔孔径作业范围扭矩深度m1RPD-150C722024502550111KW1012258000120长距离水平探测2XY-22150900169022KW427309027601030扇形探测和隧底探测3XY-2PC1720800130017KW435009015304YT-284250短距离超前和径向探测原理：矿岩RPD-150C钻机是一个用111KW的内燃机作为动力，通过全液化传动的冲击回转钻机，并通过传感到记录仪和记录卡上的数据进行分析调查研究地质情况。数据项目：钻孔深度、钻孔速度、转数、旋转扭矩、推进力、打击力、排水压、Ev能。Ev能是把钻机钻孔数据储存在数据卡上，通过程序自动换算每一米所需要的能量进行分析岩质情况。Ev能=打击能打击数/（打击速度钻孔面积）数据卡：是存储钻孔数据的。具有防水、怕高温、高压的特点。存储钻孔数据的间隔距离可以在记录仪上手动调节。若按2厘米间隔存储，可存储度160米的钻孔数据；若按1厘米间隔存储，可存储80米的钻孔数据。记录仪：记录仪可以调出控制数据、流量数据等更详细具体的数据，即可以调节间隔距离，也可以将数据卡格式化删除废旧数据以便重新利用，还可以设定孔号。RPD150钻机各项技术性能项 目单位数据钻孔口径mm101225钻孔最大深度m150m扭矩kN-m8.0打击能J750推进力kN60冲程长mm2760柴油发动机Kw111额定扭矩N-m/rpm637机体尺寸（LWH）mm725024502550重量kg11500水泵（天津聚能高压泵厂）3S3水泵(功率)KW55水压Mpa11水量L/min225该钻机作为长距离超前水平钻探的优势介绍：1、钻孔方式：采用三种钻孔方式：旋转力、推进力、油压冲击力成孔，适应的地层广、快，且不宜卡钻等；2、钻杆种类：可选择采用单管和双管两种（双管一般用于取芯探测）；RPD150多功能快速钻机3、记录方式：相比国内钻机需要钻探记录大多数依靠经验丰富的司钻手个人判断，全过程采用记录卡进行客观记录，同时可现场打印钻探过程中的各种参数曲线图。4、钻机设备本身可钻探、止水，配套注浆设备可进行注浆等作业。该钻机具有四项工程功能：超前钻探、取岩芯分析、管棚施工、止水。3.3.6.1.2.现场应用施工准备根据施工工序安排要求,钻孔每次搭接10m，钻孔前在洞外对设备进行检查，包括油料、钻杆、水泵、管路等材料的准备。洞内对水、电、照明、排水泵等进行检查，并整平掌子面附近作业现场。设备就位钻进开进洞内就位，连接水管、水泵、电线以及输出微机、打印机等设备。根据现场测量结果进行钻孔定位。钻孔准备：安装3个内边块锁紧块4片钻杆导向水能转换检测延长杆及钻头在水泵和钻机之间连接送水流量计连接自动记录装置插入数据卡钻孔定位钻孔：连接57mm的钻杆（每根1.5米），钻前首先打开水泵开始送水，送水量7080L/min、调节钻进参数：旋转压力45Mpa，转数3539r/min，打击压力89Mpa进行钻进。钻孔过程中时刻观察驾驶席前的显示器，特别是送水压的变化，送水压达到2MPa时，钻孔速度将变慢，需采用钻杆退后等措施待送水压降到1 MPa后再继续进行钻孔。钻孔过程中应将旋转扭矩设定在10 MPa以下，若达到10Mpa以上，将会发生卡钻并易导致钻杆折断。撤出钻杆钻孔至设计深度后，撤出钻杆。施工中应保存记录数据，并注意观察钻杆的损坏程度。如需使用管钳时，特别注意人员安全。数据处理通过对现场钻孔返水情况和钻探过程中对软弱层的直观记录以及数据卡内数据的综合分析，可对前方地层中的软弱面、富水情况、以及可能的溶腔位置等进行准确判断3.3.6.1.3对比分析，提高预报精度根据钻探的结果，对照施工开挖过程中揭示的地质情况做好掌子面地质素描和地质展示图，进一步分析地层的软硬、整体性、稳定性等对施工安全影响的地质因素。不断的纠正钻探的初步结论和调整施工措施。3.3.6.25.0m超长炮眼探测、径向钻探、底板探孔及扇形钻探(1)5.0超长炮眼探测和径向探测由于岩溶发育小范围内的不确定性，超前水平探测后仅为一孔之见（或多孔之见），为保证对前方地质情况的准确，在掘进钻孔过程中通过加深炮眼至5.0m探测，(爆破时进尺为2.22.5m，预留至少2.0m的岩盘)确保爆破后的安全。探孔布置以周边为主，探孔间距一般为3.0m左右。在施工掘进的同时司钻手利用风枪对周边进行5.0m径向探测，这样不需要专门的工序和作业平台进行施作，可完成径向探测。通过这样大量的探孔，在爆破前基本将前方和周边的短距离范围内的地质搞清楚，为安全掘进又进一步提高了安全系数。(2)底板探孔由于本隧道穿越可溶岩，隧道开挖后，仰拱施作前对隧道基底隐伏岩溶进行探测，采用XY系列地质钻机在隧道底板一定范围内进行定向探测，深度大于6m，其钻探的目的就是发现底板6m以下岩溶发育情况及底板厚度、溶腔跨径等，并根据探测结果采取合理可行的处理措施。(3)扇形定向钻探在前方出现溶腔后，为进一步摸清溶腔的发育规模、位置形态及其充填情况、岩溶水的流量水压夹杂物等水文地质特征及其与降雨关系。 针对溶腔采用多台XY系列地质钻机在隧道洞身一定范围内进行集中定向探测，其钻探的目的就是溶腔发育的各种情况，钻孔布置按照设计的钻探方案进行。一般情况下钻探深度是30m左右。在钻探之前必须安装孔口管和闸阀，以便在出水后及时控制，也可以通过排水进行放水试验，并通过安装压力表等进行水压观测等更过的水文地质信息。3.3.7红外探水仪HW-304红外线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的变化，分析判断开挖面前方30m范围内是否存在含水体。将含水裂隙、含水构造、含水体作为寻找对象场源，场源所形成的场要远远大于场源本身，当由远而近接近场源时，仪器显示屏上的读数值会发生明显变化。当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常场会迭加到掌子面后方的正常场上，产生场的畸变，距场源的距离不同，畸变后的场强亦不同，在数据曲线上表现为突变。而当掌子面前方没有含水构造时，由掌子面到其后一定距离内所测的红外辐射场场值均为正常场值，为一常数，其数据曲线表现为一近似直线。3.3.7.地质分析方法地质分析法是隧道地质超前预报中应用最广泛、最经常的基础方法，主要有地表地质调查法和掌子面地质素描两种方法，尤其是掌子面地质素描，是对隧道已开挖地段地质条件的详细、真实记录，它不仅可以作为地质构造较为简单地区隧道地质预报的直接依据和成果，同时它还可以指导需要开展其他探测(如超前水平钻探和一些物探探测)方法的选择、探测系统的布置和成果分析解释。例如，物探结果往往具有多解性，当由地震波或声波探测得知隧道掌子面前方一定距离的位置存在一个波阻抗分界面时，它可以是软弱夹层、断层破碎带、软硬岩接触面或者岩溶溶蚀面，这时应该做出何种判断呢?这就取决探测者对探测地段的地层岩性特征、地质构造特征等工程地质水文地质的认识掌握程度，如果仅仅依据物探资料做出预报，极有可能得出错误的判断，因此，地质分析法同时也是其它探测方法获得的结果能否做出符合实际的地质解释的基础。3.3.7.1.地表地质调查法地表地质调查法是在设计院提交的该隧道工程地质勘察报告、隧道地质平面图和隧道地质纵断面图的基础上，并结合隧道所在地区的区域地质构造特征，通过地质填图法进行地面地质调查复查和核实，并通过地表地质界面和地质体投射法对以上两种设计图做进一步的修改、补充和完善。其调查的内容包括地层与岩性的产出特征、断裂构造与节理的发育规律、岩溶发育的部位、形态规模、走向等，预测隧道掌子面前方的不良地质现象可能的类型、部位、规模，以便隧道施工中采取合理的施工工艺与措施，避免灾害的发生。3.3.7.2.掌子面地质素描掌子面是施工的第一现场，其上显示的地质情况是最客观和最可靠的，在隧道修建过程中，详细认真收集掌子面及两侧边墙的工程地质和水文地质特征等信息，具体包括掌子面上围岩的地层岩性、实测岩层和节理产状、岩体的完整性、岩体风化程度、地质构造及围岩受地质构造影响的程度、地下水发育情况及其出水点、涌水量等。在有必要的条件下，还要对掌子面及两侧边墙进行数码照相，并结合在勘察设计阶段的隧道工程地质勘察报告和前期地表地质调查等资料，根据掌子面上岩体的上述特征，沿其产状推断该岩体在掌子面前方延伸情况，其包括隧道正洞、超前平行导坑掌子面和两侧边墙的地质素描，分析、预测隧道开挖面前方处在23个开挖循环(大约5lOm)范围内的地质情况，并判断在这个范围内可能发生的地质灾害的性质和概率。该项工作是在施工开挖间隙中进行，并贯穿于整个隧道完成。在隧道开挖后，及时记录隧道洞身和掌子面地质情况是对地质调查的细化和补充。其主要内容主要包括以下：(1)地层岩性：由于隧道施工中发生的地质灾害大多由岩性控制，如在以石灰岩、白云岩为主的碳酸盐岩区多发生岩溶突水突泥灾害，而在砂岩等碎屑岩区多发生小规模的涌水灾害，所以说，地层岩性是最基本的地质资料。在地质素描的过程中，要详细认真的对岩性、颜色、岩层产状、矿物成分、岩体固结程度及软硬程度、岩体风化程度、岩体完整程度等信息进行描述和记录。(2)地质构造：同样，隧道中发生的地质灾害同时也大多受地质构造的控制。如断层是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象，断层破碎带分布区段是隧道围岩最不稳定的区段；断层及其破碎带又是岩溶发育地区岩溶水、地下暗河和淤泥带的最主要储存场所；在隧道开挖后的地质环境中，这些地质因素会很快发生变化，破裂作用和动力变质作用会导致岩体强度降低；同时，由于构造破坏、节理裂隙发育及断层面附近透水性较高，导致断层带内岩体特性变化大、完整性差。在这些地带，隧道拱部和边墙稳定性程度大大降低，自然应力常常发展成重力的23倍。断层及其破碎带对隧道施工影响极大，是隧道施工中发生塌方的主要原因之一。所以，在地质素描过程中，需对掌子面上的地质构造(主要是断层、节理)进行素描。对断层，主要对其性质、位置、产状、破碎带宽度、破碎程度及胶结程度等进行描述；对节理，主要描述节理面组数、产状、密度、宽度、延伸情况。裂隙方向及频率、充填物及性质。分析判断组合特征、岩体完整程度，控制局部塌方的构造原因。(3)岩脉：岩脉侵入的位置往往是地壳的薄弱点。主要描述其岩脉的岩性、出露位置、宽度、接触关系、破碎情况、风化程度等。(4)软弱夹层：软弱夹层也是导致隧道发生坍塌事故的主要地质原因之一。在隧道施工中，软弱夹层往往成为层间剪切的主要部位。在构造作用下，软弱夹层沿剪切面被剪切，岩体大多成破碎状，有的甚至被研磨成为较细的颗粒，成岩粉状，破坏了母岩颗粒原有的结构连接，增加了其分散性和吸附性。同时，层间的研磨错动为后期地下水和风化作用提供了条件。母岩中的粘土矿物在地下水作用下，富集在夹层中，形成层间泥质，往往成为隧道发生坍塌的潜在滑移面。所以在素描过程中，要重点对软弱夹层的岩性及矿物成分、岩体完整程度、岩体固结程度、含水性等进行描述。(5)地下水：地下水是诱发各类突发地质灾害发生的主要地质因素之一。在天然应力状态下，地下水与周围岩土体形成动态力学平衡，当隧道开挖时，这种地下水的力学平衡将被破坏。由于地下水的渗透，水压力的降低引起围岩土体骨架压缩；地下水冲刷软岩或进入软岩细微裂隙，引起岩体颗粒位移，使软岩产生软化或泥化，降低了岩体强度。对于膨胀岩土体，由于其有吸水膨胀的特点，在地下水的作用下，会造成围岩和支护结构的破坏；地下水对围岩中的软弱结构面也有一定的影响，地下水活动可以使软弱结构面上的物质软化或泥化，或地下水会将软弱结构面中的充填物带走，从而降低结构面的抗剪强度，影响岩土体的整体强度和稳定性。所以说，地下水的赋存状态和运动对隧道的施工安全和进度会带来各种不利影响。所以，应主要对掌子面上出水点位置、出水状态(渗水、滴、流、涌)、出水量、出水点附近有无沉淀物，另外，还要化验地下水对混凝土有无侵蚀性。(6)地应力：随着隧道埋深增加，地应力也将增大。高地应力可使软岩发生塑性流动或挤出，在高地应力状态下，脆性硬岩可能发生岩爆。所以，在地质素描过程中，要特别注意高地应力特征标志，如探孔岩芯饼化、软弱夹层挤出等往往是高地应力显示标志。3.3.8.工作程序超前地质探测和预报工作程序见图3-3-6。地质资料研究现场地质状况调查制定超前探测预报方案根据开挖及支护情况发现塌方征兆比拟法预测前方地质TSP203地质预报系统开挖面岩性前推法地质和涌水超前钻孔探明反馈施工确定施工方案，保证开挖安全资料整理与经验积累地 质 雷 达声 波 法图3-3-6 超前地质预测预报工作程序图3.3.9.综合地质预报的补充在长大隧道岩溶地层施工过程中，由于岩溶发育分布的复杂性、不确定性，以及隧道开挖揭示岩溶的随机性，致使施工过程中岩溶突水、突泥等地质灾害时有发生，对隧道施工将会带来极大的危害，同时会破坏地下水的动力平衡，使地下暗河出口、溶洞出口、岩溶泉水等周围的水生生物和喜湿的植物减少或大面积消失，使地下水补给地段的空气湿度降低而改变，给岩溶山区的生态环境带来严重的影响甚至破坏。本隧道施工过程中将尽量少破坏水动力平衡，做好岩溶水的排堵结合，对影响居民生活用水的出水点提前制定科学的治水方案。隧道通过岩爆地段的支护、通过暗河及岩溶发育强烈地段的跨越、通过断裂断层富水破碎带的防突泥突水、通过地热、有害气体地段的通风降温等关键技术将作为研究的重点。由于地域特点，每个长大隧道的地质灾害不尽相同，在祥和隧道的施工综合地质预报中肯定有不完善的地方，需要我们在施工过程中逐步进行优化，做出切合实际的、日臻完善的综合地质预报方案。超前地质预报数量表和高风险段落地质预报方法及处理见附表3.4.分级预报及方法3.4.1隧道超前地质预报实行分级管理，根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，对工程地质灾害分级，采取不同的地质预报方案，分级决定调整实施施工方案。A级：存在重大地质灾害隐患的地段，如大型暗河系统，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带，特殊地质地段，重大物探异常地段，可能产生大型、特大型突水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段，高地应力、瓦斯、天然气问题严重的地段以及人为坑洞等。B级：存在中、小型突水突泥隐患的地段，物探有异常的地段、断裂带等。C级：水文地质条件较好的碳酸岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性较小。D级：非可溶岩地段，发生突水突泥的可能性较小。3.4.2.地质复杂隧道的预测预报应坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探相结合，地质方法与物探方法相结合，辅助导坑与主洞探测相结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，按远程、中程、近程不同探测方法相互验证，判断断层破碎、岩溶区，含水结构等的规模及位置幷贯穿于施工全过程。不同地质灾害的预报方式：A级预报：采用地质分析法、地震波反射法、地质雷达、红外探测、超前水平钻（5孔+加深炮眼）等手段进行综合预报。B级预报：采用地质分析法、地震波反射法，辅以地质雷达、红外探测，进行必要的超前水平钻孔（3孔+加深炮眼）等手段进行综合预报。当发现局部地段条件复杂时，按A级要求实施。C级预报：以地质分析法为主。对重要的地质（层）界面断层或物探异常地段可采用地震波反射法或声波反射法进行探测，必要时采用红外线探测和超前水平钻孔（1孔+加深炮眼）。D级预报：采用地质分析法。3.4.3.上述隧道超前地质预报方法不能满足预报要求时，各队部需提出变更建议上报项目经理部，项目经理部审核后上报监理、设计、建设单位，经批准后按变更方案实施。3.4.4.地质分析法应进行摄影或录像。洞内地质素描随隧道开挖及时进行，地层岩性变化处、构造发育部位、岩溶发育带附近等复杂、重点地段每开挖循环进行一次；一般地段每1020米进行一次。3.4.5.超前水平钻孔每循环钻探一般为3050米，必要时也可钻100米以上，钻进过程中，应安设孔口止水装置。连续预报时前后循环钻孔重叠58米。加深炮眼钻孔，其深度较爆破孔深24米，数量原则上不少于8个，掌子面配备检查炮孔深度工具。3.4.6.物探法应根据探测对象的埋深规模及其与周围介质的物性差异，选用有效的方法。物理勘探法预报连续预报时前后两次应重叠10米以上。3.5.信息反馈及处理3.5.1隧道超前地质预报显示地质条件异常时，各分部应及时采取措施，防止事故发生，同时将预报信息报项目经理部，然后由项目经理部上报监理、设计、建设单位。A级预报：各队部隧道超前地质预报技术资料（纸质和电子）实作后三天内报项目经理部，项目经理部审查后两天内报监理、设计、建设单位，各队部建立相关台账。项目经理部总工程师组织指导全标段现场施工；各队部技术主管组织各管段现场施工。需调整施工方案的，项目经理部总工程师组织各工程师评定各队部上报的调整初步施工方案，上报监理单位、指挥部批准后组织实施。涉及变更的，按变更程序办理。重大技术方案，包括重大地质灾害涉及预案及变更设计，上报集团公司、建设单位、监理单位等组织有关专家进行方案论证审查后实施。B级预案：隧道超前地质预报技术资料（纸质和电子）实作后三天内报项目经理部，项目经理部审查后两天内报监理、设计、建设单位，各分部建立相关台账。项目经理部总工程师组织指导全标段现场施工；各队部技术主管组织指导各管段现场施工。需调整施工方案的，项目经理部总工程师组织工程师审定各队部上报的调整初步施工方案，上报监理单位批准后各队部组织实施。涉及变更的，按变更程序办理。C级预报：隧道超前地质预报技术资料各队部上报项目部总工程师，指导现场施工。需调整施工方案的，各队