隧道工程标准化工艺工法超前地质预报与监控量测(讲义).doc

全省公路重点工程隧道施工安全培训会超前地质预报与监控量测1 超前地质预报1.1 一般规定（1）承担超前地质预报工作的单位应具备相应的资质。（2）超前地质预报单位开工前应编制超前地质预报实施方案，按程序审查和批准后实施；主要内容应包括： 超前地质预报的目的、方法和技术； 根据工程勘察设计资料分析隧道工程地质及水文地质环境条件，重点说明隧道施工存在的主要工程地质问题及地质灾害风险； 方案的编写原则、预报的具体实施内容、预报方法选择及不同方法的结合关系、各种预报方法的具体技术要求，物探、钻探仪器设备的选择； 超前地质预报实施技术要求； 超前地质预报组织机构设置及投入的人力、设备资源； 施工单位的配合要求； 超前地质预报工作安全措施； 地质预报成果报告的提交时限，信息传递方式等。（3）超前地质预报实施单位根据预报方案与合同配备足够的专业人员和仪器设备，仪器设备的性能、精度及效率应能满足预报和工期的要求，对预报成果的真实性、准确性负责。（4）超前地质预报应主要查明（预测）下列内容： 断层及其影响带和节理（结构面）密集带的位置、规模和性质； 软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质； 岩溶发育位置、规模及其性质； 不同岩性间的接触界面与位置； 采、废弃矿巷分布及其与隧道的空间关系； 不同风化程度的岩性分界位置； 其它不良地质体（带）的分布位置； 隧道涌水位置、水压及水量； 岩爆的可能性与区域。（5）超前地质预报的成果应体现及时性，超前地质预报实施单位应及时将预报成果报送有关各方。超前地质预报成果“送达时限”，应根据预报推断的工作面前方围岩情况，在预报区段内，按下列规定时限送达： 无明显地质危害情况的，应在48小时内送达； 有较轻微地质危害情况的，应在24小时内送达； 发现重大地质问题（如岩溶、突水、突泥、较大的破碎带等），应立即送达。（6）具有下列条件之一的隧道均应全程实施隧道超前地质预报工作： 深埋长大隧道； 水下隧道； 查明或推测存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、岩爆、废弃矿巷、瓦斯突出等严重工程地质灾害的隧道； 隧址区全程或者大部分通过可溶岩，特别是强溶岩层(灰岩、白云岩、盐岩)的隧道； 可能因开挖造成环境生态破坏的隧道； 监理工程师认为有必要的其它隧道。1.2 工作程序超前地质预报工作程序框图见图1.2-1。有效隧道地质调查及物探综合预报资料数据分析处理地质条件优于勘察设计地质条件差于勘察设计地质条件与勘察设计相近继续按原设计施工预测重大不良地质现象或可能产生的重大地质灾害通报业主、监理工程师、施工单位，由施工单位迅速采取应急措施通报业主、监理工程师、施工单位会商措施以及围岩变更事宜根据变更后设计继续施工异常有效数据异常图1.2-1 超前地质预报工作程序框图1.3 超前地质预报的分级（1）根据地质对隧道安全的危害程度，地质灾害分为A、B、C、D四级，其影响因素见表1.3-1。表1.3-1 地质灾害分级影响因素地质灾害分级ABCD严重较严重一般轻微地质复杂程度（含物探异常）岩溶发育程度极强，厚层块状灰岩，大型溶洞、暗河发育，岩溶密度每平方公里15个，最大泉流量50L/s，钻孔岩溶率10%强烈，中厚层灰岩夹白云岩，地表溶洞落水洞密集、地下以管道水为主，岩溶密度每平方公里515个，最大泉流量1050L/s，钻孔岩溶率5%10%中等，中薄层灰岩，地表出现溶洞，岩溶密度每平方公里15个，最大泉流量510L/s，钻孔岩溶率2%5%微弱，不纯灰岩与碎屑岩互层，地表地下以溶隙为主，最大泉流量5L/s，钻孔岩溶率2%涌水涌泥程度特大突水（涌水量1105m3/d）、大型突水（涌水量11041105m3/d）、突泥，高水压中小型突水（涌水量11031104m3/d）、突泥小型涌水（涌水量11021103m3/d）、涌泥涌水量1102m3/d，涌突水可能性极小断层稳定程度大型断层破碎带、自稳能力差、富水，可能引起大型失稳坍塌中型断层带，软弱，中弱富水，可能引起中型坍塌中小型断层，弱富水，可能引起小型坍塌中小型断层，无水，掉块地应力影响程度极高应力，严重岩爆（拉森斯判据0.083，即岩石点荷载强度与围岩最大切向应力的比值），大变形高应力，中等岩爆（拉森斯判据0.0830.15），中弱变形弱岩爆（拉森斯判据0.150.20），轻微变形无岩爆（拉森斯判据0.20），无变形瓦斯影响程度瓦斯突出：瓦斯压力P0.74MPa，瓦斯放散初速度10，煤的坚固性系数f0.5，煤的破坏类型为类及以上高瓦斯：全工区的瓦斯涌出量0.5m3/min低瓦斯：全工区的瓦斯涌出量0.5m3/min无地质因素对隧道施工影响程度危及施工安全可能造成重大安全事故存在安全隐患可能存在安全问题局部可能存在安全问题诱发环境问题的程度可能造成重大环境灾害施工、防治不当，可能诱发一般环境问题特殊情况下可能出现一般环境问题无复杂地质的预测、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，并贯穿于施工全过程。不同地质灾害级别的预报方式可采用：（1）1级预报可用于A级地质灾害。采用地质分析法、地震波反射法、超声波反射法、陆地声纳法、地质雷达法、瞬变电磁法、红外探测法、超前水平钻探法、炮孔加长探测法等进行综合预报。（2）2级预报可用于B级地质灾害。采用地质分析法、地震波反射法、超声波反射法、陆地声纳法，辅以地质雷达法、瞬变电磁法、红外探测法、炮孔加长探测法，必要时进行超前水平钻孔。（3）3级预报可用于C级地质灾害。以地质分析法为主。对重要地质（层）界面、断层或物探异常地段宜采用地震波反射法或超声波反射法进行探测，必要时采用红外探测法、超前水平钻孔和炮孔加长探测法。（4）4级预报可用于D级地质灾害。采用地质分析法。1.4 超前地质预报主要方法超前地质预报工作及采用的方法宜按表1.4-1的步骤及顺序实施，但必须满足设计要求。表1.4-1 超前地质预报工作及方法的步骤及顺序步骤满足条件之一的隧道或地段主要方法辅助方法第一步所有隧道全过程地质调查法第二步1、全程实施超前地质预报的隧道；2、设计标示的需进行超前地质预报的地段；3、通过地质调查法推断的不良地质地段；4、级围岩地段；5、监理工程师认为有必要的地段。弹性波反射法富水地段应辅助高分辨直流电法第三步通过第二步推断的以下不良地质地段：1、断层破碎带地段；2、软弱夹层地段；3、岩溶地段；4、瓦斯地段；5、含水围岩地段；6、监理工程师认为有必要的其他不良地质地段。地质雷达法含水地段辅助红外探测法第四步通过第三步推断的以下不良地质地段：1、 软弱夹层地段；2、 级围岩地段；3、 监理工程师认为有必要的其他不良地质地段。炮孔加长探测法通过第三步推断的以下不良地质地段：1、 富水软弱断层破碎带；2、 富水岩溶发育区；3、 煤层瓦斯发育区；4、 重大物探异常区；5、 监理工程师认为有必要的其他不良地质地段。超前地质钻探法1 地质调查法（1）地质调查法适用于各种地质条件下隧道的超前地质预报，应在隧道施工全过程进行，为隧道施工地质预报提供基础地质资料。（2）地质调查法包括隧道地表补充地质调查和隧道内地质素描等。 隧道地表补充地质调查应包括下列主要内容：对已有地质勘察成果的熟悉、核查和确认；地层、岩性在隧道地表的出露及接触关系，特别是对标志层的熟悉和确认；断层、褶皱、节理密集带等地质构造在隧道地表的出露位置、规模、性质及其产状变化情况；地表岩溶发育位置、规模及分布规律；煤层、石膏、膨胀岩、含石油天然气、含放射性物质等特殊地层在地表的出露位置、宽度及其产状变化情况；人为坑洞位置、走向、高程等，分析其与隧道的空间关系；根据隧道地表补充地质调查结果，结合设计文件、资料和图纸，核实和修正超前地质预报重点区段。 隧道内地质素描是将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表。（3）隧道地表补充地质调查应在实施洞内超前地质预报前进行，并在洞内超前地质预报实施过程中根据需要随时补充，现场应做好记录，并于当天及时整理。2 弹性波反射法（1）适用于预报地层特征、地层界线、地质构造及探测不良地质体的厚度和范围。（2）应配备具有一定专业知识和经验的人员，以提高探测的准确度。（3）每次探测距离100150m，连续探测搭接长度不小于20m。3 地质雷达法（1）地质雷达法主要用于岩溶探测，亦可用于断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体的探测。（2）隧址区内不应有较强的电磁波干扰；现场测试时应清除或避开测线附近的金属物等电磁干扰物；当不能清除或避开时应在记录中注明，并标出位置。（3）现场记录应注明观测到的不良地质体与地下水体的位置与规模等。（4）重点异常区应重复观测，重复性较差时应查明原因。（5）每循环探测2025m，连续探测搭接长度不小于5m。4 红外探测法（1）适用于定性判断探测点前方有无水体存在及其方位，但不能定量给出水量大小等参数。（2）探测时间应选在爆破及出碴完成后进行。（3）全空间全方位探测地下水体时，需在拱顶、拱腰、边墙、隧底位置沿隧道轴向布置测线，测点间距一般为5m，发现异常时，应加密点距。（4）每次探测距离2025m，连续探测搭接长度不小于5m。5 高分辨直流电法（1）适用于探测任何地层中存在的地下水体位置及相对含水量大小，如断层破碎带、溶洞、溶隙、暗河等地质体中的地下水。（2）每次探测距离80100m，连续探测搭接长度不小于10m。6 超前地质钻探法（1）适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，如富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段。（2）超前地质钻探在一般地段采用冲击钻，复杂地质地段采用回转取芯钻，二者应合理搭配使用，提高预报准确率和钻探速度。（3）断层、节理密集带或其他破碎富水地层每循环可只钻一孔；富水岩溶发育区每循环宜钻3-5个孔，揭示岩溶时，应适当增加；（4）在需连续钻探时，一般每循环可钻30-50m，必要时也可钻100m以上的深孔，连续预报时前后两循环钻孔应重叠5-8m。（5）富水岩溶发育区超前钻探应终孔于隧道开挖轮廓线以外58m。（6）在富水地段进行超前钻探时必须采取防突措施；测钻孔内水压时，需安装孔口管，接上高压球阀、连接件和压力表，压力表读数稳定一段时间后即可测得水压。（7）富水区隧道超前地质钻探时，发现岩壁松软、片帮或钻孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等异状时，必须停止钻进，立即上报，并派人监测水情。当发现情况危急时，必须立即撤出所有受水威胁地区的人员，然后采取措施，进行处理。7 炮孔加长探测法（1）适用于各种地质条件下隧道的超前地质探测，尤其适用于岩溶发育区；（2）孔长应较爆破孔(或循环进尺)深3m以上；孔径宜与爆破孔相同；孔数、孔位应根据开挖断面大小和地质复杂程度确定；（3）钻到溶洞和岩溶水时，应视情况采用超前地质钻探和其他探测手段，查明情况，确保施工安全；（4）加长炮孔探测严禁在爆破残眼中实施。2 监控量测2.1 一般规定（1）在设计阶段，应由设计单位对监控量测目的、监控量测项目、测点的布置以及各监控量测项目的控制基准等进行设计。（2）监控量测项目分为必测项目和选测项目。必测项目是每座隧道应进行的日常监控量测项目，由施工单位（有相关资质）负责实施或施工单位委托有相关资质的第三方专业监测单位实施；选测项目是为满足隧道设计与施工的特殊要求进行的监控量测项目，由项目业主委托有相应资质的单位负责实施。（3）隧道开工前，监控量测单位应根据工程特点、设计要求、施工方法、地质条件及周边环境等编制监控量测实施方案。编制内容应包括：量测项目、仪器、测点布置、量测频率、数据处理、反馈方法、组织机构，经监理工程师审查批准后实施。（4）隧道开工前，施工单位应成立现场监控量测小组。现场监控量测小组应由熟悉监控量测工作的人员组成，且要求人员相对固定，避免人员频繁交接，确保数据资料的连续性，现场应配置专门的人员进行埋点、测试数据处理、信息反馈及仪器维修、保养工作并及时向相关部门报告监控量测结果。（5）在隧道施工前应建立监测级预警管理体系，在施工过程中应严格按照级管理体系执行，进入级、级必须发出书面预警通知项目各相关单位。（6）监控量测是施工工艺流程中的一个重要工序，应贯穿施工的全过程。监控量测应达到下列目的：掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈，指导施工作业；通过对围岩和支护的变形、应力量测，为修改设计提供依据。（7）围岩松弛范围量测：可采用弹性波法或位移法。（8）当围岩条件差、变形过大或初期支护开裂、变形较大时，应进行支护结构内的应力及接触应力量测。（9）各项量测作业均应持续到变形基本稳定后1520d结束。（10）各预埋测点应牢固可靠，并设置专用标识牌，标明测点的名称、部位、编号、埋设日期等；要加强教育，提高所有进洞人员保护意识，对测点进行妥善保护，不得任意撤换和遭到破坏；施工过程中应做好仪器的日常维护工作，保证性能良好；量测人员进洞应满足隧道洞内作业施工要求。（11）现场裂缝监测可采用数显智能裂缝仪，收敛监测必须采用数显收敛仪，拱顶沉降监测可使用精密水准仪、铟钢尺，地表坐标监测可采用全站仪。（12）现场监测点标牌布置要求：标牌材料可采用铝制铁皮，标牌内容主要包括：桩号、布点时间、累计监测变形量、本次监测变形量等。2.2 现场监控量测工作程序(1)现场情况的初始调查施工前对隧道工程的地质条件、地下水状况及施工影响区域内的周边环境进行初始调查，掌握工程特点和难点，为监控量测工作的顺利开展做好准备。(2)编制实施细则现场监控量测小组按照监控量测设计的要求，结合初始调查结果编制实施细则，经监理工程师审查批准后实施。(3)布设测点并取得初始监测值基准点、测点的埋设须严格按照相应规范进行，以确保监控量测数据可靠。测点埋设后应及时取得初始监测值。(4)现场监控量测及分析现场监控量测工作由现场监控量测小组实施，并根据监控量测数据对隧道施工安全及结构的稳定性做出分析评价。(5)提交监控量测成果监控量测小组一般以周报(特殊情况要形成日报)的形式提交监控量测成果(包括纸质和电子文件)。当出现异常现象时，应及时反馈，以便采取相应的对策。现场监控量测工作停止后，应在一个月内编写出该工程的施工监控量测总结报告。2.3 监控量测方法隧道监控量测的主要项目及采用的仪器见表2.3-1。表2.3-1 隧道监测项目与常用仪器表序号项目名称常用量测仪器1必测项目洞内、外观察现场观察、罗盘仪等2拱顶下沉水准仪、钢挂尺或全站仪3周边位移收敛计、全站仪4地表沉降水准仪、铟钢尺或全站仪5选测项目钢架内力及外力支柱压力计或其他测力计6围岩体内位移（洞内设点）单点、多点杆式或钢丝式位移计7围岩体内位移（地表设点）位移计8围岩压力压力盒9两层支护间压力压力盒10锚杆轴力钢筋计、锚杆测力计11支护、衬砌内应力应变计12围岩弹性波速度声波仪13爆破振动振动传感器、记录仪14渗水压力、水流量渗压计、流量计（1）洞内、外观察 施工过程中应进行洞内、外观察。洞内观察可分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。 开挖工作面观察应在每次开挖后进行，及时绘制开挖工作面地质素描图、数码成像，填写开挖工作面地质状况记录表，并与勘查资料进行对比。其主要内容包括：围岩类型及分布特征，结构面位置和产状，节理裂隙发育程度，节理裂隙的填充物的性质和状态等；开挖工作面的围岩稳定状态，顶板有无剥落、掉块现象；是否有涌水，涌水量大小，涌水位置，地下水的物理性质（颜色、气味、色度等）。 对已施工地段观察每天至少进行一次，应记录喷射混凝土、锚杆、钢架变形和二次衬砌等的工作状态。其主要内容包括：有无锚杆被拉断或垫板陷入围岩内部的现象；喷混凝土是否产生裂隙或剥离，喷射混凝土是否产生剪切破坏；钢拱架有无被压变形现象；是否有底鼓现象。 洞外观察重点应在洞口段和洞身浅埋段，记录地表开裂、地表变形、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗漏情况等，同时还应对地面建(构)筑物进行观察。（2）变形监控量测 变形监控量测可采用接触量测或非接触量测方法。 隧道净空变化量测可采用收敛计或全站仪进行。采用收敛计量测时，测点采用焊接或钻孔预埋。 采用全站仪量测时，测点应采用膜片式回复反射器作为测点靶标，靶标粘附在预埋件上。 拱顶下沉量测可采用精密水准仪和铟钢挂尺或全站仪进行。在隧道拱顶轴线附近通过焊接或钻孔预埋测点。测点应与隧道外监控量测基准点进行联测。采用全站仪量测时，测点及量测方法与隧道净空变化量测相同。 地表沉降监控量测可采用精密水准仪、铟钢尺进行，基准点应设置在地表沉降影响范围之外。测点采用地表钻孔埋设，测点四周用水泥砂浆固定。 当采用常规水准测量手段出现困难时，可采用全站仪量测。（3）应力、应变监控量测 应力、应变监控量测宜采用振弦式、光纤光栅传感器。 振弦式传感器通过频率接收仪获得频率读数，依据频率量测参数率定曲线换算出相应量测参量值。 光纤光栅传感器通过光纤光栅解调仪获得读数，换算出相应量测参量值。 钢架应力量测可采用振弦式传感器、光纤光栅传感器。传感器应成对埋设在钢架的内、外侧。采用振弦式钢筋计或应变计进行型钢应力或应变量测时，应把传感器焊接在钢架翼缘内测点位置。采用振弦式钢筋计进行格栅钢架应力量测时，应将格栅主筋截断并把钢筋计对焊在截断部位。采用光纤光栅传感器进行型钢或格栅钢架应力量测时，应把光纤光栅传感器焊接(氢弧焊)或粘贴在相应测点位置。 混凝土、喷混凝土应变量测可采用振弦式传感器、光纤光栅传感器，传感器应固定于混凝土结构内的相应测点位置。（4）接触压力量测 接触压力量测包括围岩与初期支护之间接触压力、初期支护与二次衬砌之间接触压力的量测。 接触压力量测可采用振弦式传感器。传感器与接触面要求紧密接触，传感器类型的选择应与围岩和支护相适应。（5）爆破振动监控量测爆破振动速度和加速度监控量测可采用振动速度和加速度传感器，以及相应的数据采集设备。传感器应固定在预埋件上，通过爆破振动记录仪自动记录爆破振动速度和加速度，分析振动波形和振动衰减规律。（6）孔隙水压与水量监控量测孔隙水压监控量测可采用孔隙水压计进行。水压计应埋入带刻槽的测点位置，采取措施确保水压计直接与水接触。通过数据采集设备获得各测点读数，并换算出相应孔隙水压力值。2.4 监控量测断面及测点布置（1）控制点的布设 水准基点的埋设确定水准基点点位时，必须保证点位所在地的地基坚实稳定、安全可靠，并利于标石长期保存与观测。水准基点应尽可能远离工程施工影响范围。 工作基点的埋设工作基点应根据