隧道超前地质预测预报_secret.doc

新建xx铁路XX标段隧道工程编 号：超前地质预报作业指导书单 位：xx隧道集团有限公司xx铁路XX标项目部编 制：xx审 核：xx批 准：xxxx日发布 年 月 日实施xx铁路隧道工程超前地质预报作业指导书1.适用范围本作业指导书适用于xx铁路XX标段隧道超前地质预测预报施工。2.施工地质和信息化设计的目的xx铁路XX标正线双线隧道13座，隧道总长41678m（不含斜井），其中500m以下短隧道7座，5003000m中长隧道2座，300010000m长隧道2座，10000m以上特长隧道2座。其中小湘2号隧道揭露有溶洞，北岭山隧道有3条断层，穿过破碎带，笔架山隧道存在高压承压水，地质条件极其复杂，特别是长大复杂隧道，其涌水突泥等突发性地质灾害将严重危及施工安全，开展好超前地质预报，快速决策、妥善处理突发性地质灾害是工程建设成败的关键。针对全线可能引发较大突水突泥、软岩大变形等地质灾害的小湘2号、北岭山隧道、笔架山、飞鹰、五指山等五座隧道设隧道施工地质组，现场组织协调，强化技术管理，及时分析判断，快速决策处理。通过开展超前地质预报为信息化设计与施工提供支撑,规避风险,力保施工顺利进行。3.隧道施工地质工作内容主要包括：超前地质预报，施工期间围岩稳定性评价，施工地质综合预报和灾害警报及施工方法、施工技术建议等四项工作。4.施工地质组织机构和人员设备配置4.1施工地质组织机构中铁隧道集团铁路xx铁路XX标项目部部专家组中铁隧道集团专家组技术管理机构安质部工程部中隧集团地质勘测分院地质组现场专家现场技术顾问组织机构图4.2人员组成序号人员数量单 位1工程地质专家1中隧集团勘测院地勘分院2岩溶水文专家1中隧集团勘测院地勘分院3物探专家1中隧集团勘测院地勘分院4隧道专家1中隧集团勘测院地勘分院5其它施测人员6中隧集团勘测院地勘分院4.3仪器设备的配置序号名 称数量备注1汽车3辆2TSP1台3HSP1台4地质雷达1台5红外探水仪1台6超前水平钻机1台7钻机2台8数码相机2部9笔记本电脑5 台10GPS13部11孔内数字全景摄影仪13台12电磁波CT仪2台13瓦斯监测仪10台14应变仪13台15水压仪10台5.施工地质实施及职责 地质素描，填写施工阶段围岩级别判定卡，提出设计围岩分级修正建议。地质超前预报，包括TSP、红外探水、地质雷达、HSP、等综合物探探测及超前钻孔实施与预报。监测隧道变形、瓦斯、天然气、地应力、地温等。相关地层地下水侵蚀性分析。洞内岩溶涌突水动态监测，水压测试。编制单个隧道施工地质实施细则。6.施工地质工作程序6.1总则6.1.1施工地质工作应作为一道工序纳入施工组织设计中。6.11.2施工地质超前预报,信息化设计和信息化施工是一有机整体,需各方协调一致,相互配合,做到信息传递顺畅、反馈及时，快速决策处理。6.1.3施工地质预报发布要求(1)依据预报成果的等级不同，逐级采取不同的方式发布，制定对策。(2)重大预报成果发布须逐级审查，核实、考虑时效的同时，尚须慎重，必要时依据不同级别的会审，指定对策，稳妥处理。6.1.4施工地质工作由施工单位实施，数据和预报成果归口设计院，经综合分析，提出预报和地质灾害警报，并深化完善或变更施工图设计，经签认或审批后提交施工单位施工。6.1.5 五座复杂隧道中B级（中型突水除外）和C级施工地质工作由施工地质组实施，A级和B级中型突水由隧道施工地质部决策和报批，A级由设计院专家组决策，必要时经和部专家组共同研讨后决策。6.1.6其他隧道的超前地质预报工作由设计院提出预报内容、段落，技术原则和要求，施工单位实施。施工地质技术管理归口配合施工设计组。6.2施工地质工作程序图施工地质技术工作流程图7.施工地质的实施7.1施工地质分级在各阶段的勘察，尤其是专项地质工作的基础上，针对隧道不同段落的地质复杂程度，提出施工地质的不同要求，把隧道的施工地质工作分为三个等级。 A级：可能存在重大地质灾害的地段，如可能遭遇大型暗河系统，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层；存在重大物探异常；可能发生大特大型突水突泥；并可能诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严重的地段。 B级：主要针对可能发生中小型突水突泥地段，存在较大物探异常、断裂带等地段。 C级：主要针对岩溶水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段，发生突水突泥的可能性较小。施工地质工作分级简表，是根据岩溶发育程度，岩溶水文地质条件，断层带及其软弱围岩的稳定程度、瓦斯及天然气有害气体的影响程度等以及它们对施工安全、环境问题影响程度，进行程度分级，在此基础上依据风险程度进行施工地质分级。7.2施工地质的内容和方法隧道施工地质工作内容包括：超前地质预报，施工期间围岩稳定性评价，施工地质综合预报和灾害警报及施工方法、施工技术建议等四项任务。7.2.1超前地质预报超前地质预报是隧道施工地质工作最主要的工作内容。分为长距离和短距离超前地质预报两类。其工作内容包括：施工地质工作分级简表 施工地质分级 因子影响程度 危害程度分级因子ABCa(严重)b(较严重)c(一般)1.地质复杂程度(含物探异常)1-1、岩溶发育程度岩溶管道、暗河、大型岩溶腔体。密集溶隙管道，中小型岩溶腔体。溶隙、溶孔、局部小型溶隙管道。1-2、涌水、涌泥程度大型突水、突泥、成灾害；高水压。中-小型突水、突泥，可能成小型灾害。小型涌水、涌泥。1-3、断层稳定程度大型断层带、性态差、富水，形成大型失稳坍方，可能酿成大型事故。中型断层带，软弱，中-弱富水，个别中型坍方，可能酿成中-小型事故。中小型断层，弱富水，小型坍方。1-4、地应力影响程度高应力区，强岩爆，大变形。高应力，弱岩爆；中-弱变形。高应力不致形成岩爆，轻微变形。2.(地质因子)对隧道施工影响程度危及施工安全，影响工期存在安全隐患。可能存在安全问题。3.诱发环境问题的程度形成环境灾害。施工、防治不当，可能诱发环境问题。特殊情况下可能出现一般环境问题。资料收集:既有资料和相关地质成果的收集和分析,对存疑虑的相关重大地质问题和地段,必要时进行踏勘和补充恰当的地质工作。地质素描：施工地质最基础的工作，包括正洞和辅助导坑洞壁地质及掌子面地质素描。其主要内容包括：(1)地质观测地层岩性-地层时代划分,岩组划分,岩石划分,岩体性态,切割程度,围岩等级等。断层-断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分，断层岩体的围岩级别划分及稳定性评价。断层坍方的地质原因，是地质素描的重点。贯穿性节理-产状、密度、宽度、延伸情况，节理面特征、力学性质。分析判断组合特征、岩体完整性程度，控制局部坍方的构造内因。 地应力-高地应力显示性标志(岩爆、软弱夹层挤出，探孔饼状岩心等现象)及其发生部位。特殊地层-煤层、沥青层、含膏盐层和含黄铁矿层单独素描。(2)水文调查出水点位置、水量、水压、水温、水色、悬浮物（泥砂等）测定。出水点和地质环境（地层、构造、岩溶、暗河等）的关系。地表相关气象、水文观测。判断洞内涌水与地表径流、降雨的关系。(3)岩溶调查岩溶规模（形态）、位置（洞体里程）、所属地层和构造部位，充填物（成分、状态）、洞体展布的空间关系。监测测试：瓦斯、天然气、地温、变形监测及、洞内地应力测试。其中隧道周边位移量测，包括拱顶下沉、净空水平收敛及必要时增设的隧底上鼓量测（采用仪器为收敛计、水准仪、塔尺）和隧道浅埋段、山间洼地、岩堆、破碎带、偏压洞口的地表下沉量测（采用仪器为水准仪、塔尺等）为必测项目。7.2.2.超前地质预报内容(1)地层、完整性及含水情况；(2)断层及富水情况：(3)大型岩溶及富水情况(4)暗河。7.2.3预报方法(1)地质编录预测法(图解法、类比法、断层参数法)；(2)超前平导预报法；(3)超前钻探预报法；(4)物理探测法（TSP、HSP、地质雷达、红外探水、孔内摄影、单孔和跨孔CT）。长距离超前地质预报：其预报距离为150200m。以TSP、断层参数法等为手段结合地面地质工作综合预报。短距离超前地质预报：其预报距离为1530m以内。在长距离超前地质预报的基础上，以地质雷达、红外探水、HSP等为手段并结合掌子面地质素描工作进行综合预报。7.3施工围岩分级和围岩稳定性评价一般分为初步稳定性评价和最终稳定性评价。内容包括： 施工围岩分级，根据开挖后暴露或超前预报的地质状态，地下水发育情况、地应力测试结果，对设计阶段的围岩级别进行修改，按表8填写施工阶段围岩级别判定卡。 围岩楔体稳定性分析：根据调查的岩层、产状、结构面及软弱夹层的情况，评价围岩的局部稳定性，预报拱顶掉块、侧壁片帮等灾害。施工阶段围岩级别判定卡工程名称施工里 程评 定 距洞口距离（m）岩性指标岩石类型（名称）埋深H m 极硬岩 硬 岩 较软岩 软 岩 极软岩 土岩石强度Rc(Mpa)Rc6060Rc3030Rc1515Rc5Rc5掌子面状态稳定稳定随时间松弛掉块自稳困难需及时支护正面不能自稳、需超前支护岩体完整状态地质构造影响程度轻微较重严重极严重完 整地质结构面间距(m)1.51.50.60.60.20.20.060.06较完整延伸性极差差中等好极好粗糙度明 显 台阶状粗 糙 波纹状平整光滑 有擦痕平整光滑较破碎张开性(mm)密闭1.0黏土 充填破 碎风化程度未风化 微 风 化弱 风 化强风化全风 化极破碎简要说明地下水状态渗水量 L/min.10m10 干燥或湿润1025 偶有渗水25125 经常渗水干燥或湿润偶有渗水经常渗水围岩级别附图记录者复核者日 期备注: 岩性指标栏岩石力学强度、指标变形必要时做。 隧底隐伏岩溶勘察和稳定性评价：根据既有勘察资料分析和洞内地质素描及超前预报的岩溶发育情况，预报隧底岩溶发育段落，并采用地震仪、地质雷达和钻探查明隧底隐伏岩溶的位置、大小顶板厚度，分析评价隧底稳定性。7.4施工地质综合预报和灾害警报隧道施工地质工作中的核心内容。 综合预报和灾害警报内容 大型塌方； 突水突泥； 煤与瓦斯突出、天然气、瓦斯爆炸； 岩爆、软岩大变形 施工期间围岩分级、拱顶掉块和侧壁片帮等； 隧底稳定性评价。 综合预报灾害警报方法资料综合分析法；不良地质前兆预测法；地质灾害发生可能性判断法。7.5施工方法和施工技术建议隧道施工地质工作必须完成的任务。施工地质人员以设计为基础，根据综合预报的地质条件，从地质角度出发，针对不同地质条件和地质灾害，对隧道施工方法即和围岩级别相匹配的隧道开挖方法、钻爆技术，支护技术、衬砌类型和不同岩溶发育段的防排水措施提出建议，以及隧道通过不良地质地段辅助工法提出建议。8.施工地质技术原则8.1工作要求8.1.1严格按设计的超前预报方案实施，科学组织，正确处理施工进度与施工地质工作的关系。当施工进度与超前预报发生矛盾时，施工必须为施工地质预测预报让路，以避免盲目施工，确保施工地质预测预报实施，并起到指导施工的作用；及时将监理签认的超前预报资料和其它施工地质资料提交给设计单位。8.1.2超前预报人员应能正确使用物探仪器设备，并具备判译、预报能力。8.1.3参与施工地质工作的单位应按要求配备施工地质人员与超前探测仪器设备。8.1.4设计单位开展综合和特殊物探方法时，应予以配合，提供条件。8.1.5当发生涌（突）水、涌（突）泥（砂），瓦斯、天然气燃烧或爆炸等大型地质灾害时，设计、施工、监理单位应及时共同研究分析、提出处理方案及措施意见，报宜万总指批准后实施。8.2不同施工地质分级的超前预报要求施工地质工作应作为一道工序纳入施工组织设计中。在复杂岩溶隧道施工地质预报工作中，应坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探的结合、地质方法与物探方法的结合、多种物探方法的结合、地球物理方法与超前水平钻探的结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿整个施工过程。根据不同的施工地质分级，针对不同类型的地质问题，选择不同的方法和手段开展超前地质预报。 A级：综合开展地质素描、TSP、HSP、地质雷达、红外探水、孔内摄像、跨孔CT、超前平导和超前水平钻预测。首先以长距离TSP和一种短距离物探方法相结合进行预测，同时进行多孔超前钻探探查。局部复杂地段，开展多种短距离物探探测以及跨孔CT，孔内数字全景摄像等多种方法综合预测；必要时在平导里开展探测正洞的物探工作。B级:在平导或正洞里开展地质素描，TSP，辅以红外探水、地质雷达，进行必要的单孔超前水平钻。当发现局部地段较复杂时，则按A级要求实施。C级：以地质素描为主。对重要的地质（层）界面、断层或物探异常可采用TSP进行探明，必要时红外探水和单孔超前钻探。8.3不同预报方法技术要求8.3.1超前水平钻探根据需要采取15孔超前水平钻探，其位置一般按图布置。每个掌子面要求配备钻进功效4米/小时的水平钻机两台。两次循环的超前水平钻探搭接长度不小于5米。钻进过程中，对断层、溶洞充填物应干钻取样，对不同岩层代表性取样，其余采用孔内摄像记录，以提高功效。超前水平钻探资料应现场记录描述。采用少量5米炮眼钻进预测掌子面前方地层和地下水。8.3.2TSP 应达到的有效探测距离TSP有效预报距离应达到：A级地段100米，B、C级地段150米。需要预报区段大于有效预报距离时应多次预报，两次预报重复长度不小于10米。 操作要求a.爆破钻孔的布置要求： 预报断层构造时爆破钻孔应根据断层走向布置在与断层夹角较小一侧的隧道边墙上。预报岩溶则隧道两侧边墙都应布置爆破钻孔进行重复测量。每一次预报的炮数不少于20个，炮间距1.5m。炮眼高度11.5m，所有炮眼与接收器的高度应相同。炮眼孔深1.21.5m（孔深应尽量一致），向下倾斜1020，垂直于隧道轴向，或向前与掌子面成10夹角。钻孔完成后应注意保护，防止蹋孔。b.爆破要求：遵守爆破安全规程的规定；使用毫秒级无延迟电雷管；炸药量应大于200m探测距离要求，一般50g左右，最多不大于75g。应保证炸药与炮孔严密藕合。c.接收器钻孔的布置要求：距掌子面约50m，距第一爆破孔20m。必须在隧道两壁各安置1个接收器，接收器安置高度与炮孔一致。孔径4245mm，孔深不小于2m，应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还是下倾，在水平方向上向洞口倾斜10。 接收器与孔壁的藕合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。 资料的处理和整理：数据采集时应对每一炮的波幅进行调节，记录不好或存在干扰时应重新放炮。对采集的数据及时进行三维波场处理，提取反射界面。提交以下资料： TSP野外记录表；原始波形记录；二维和三维反射界面的透视图象；声波轨迹、频谱、速率和位移结果；地质解释结果。8.3.3地质雷达 应达到的有效探测距离：地质雷达的有效探测距离在完整灰岩地段应达到30m，在岩溶发育地段根据雷达波形判定。两次预报的重复长度5m左右。 仪器要求：用于超前地质预报的地质雷达可选用SIR3000、SIR20或RAMAC等型号，天线应使用中心频率为3050MHz和100MHz的两种低频屏蔽天线。 现场数据采集要求：现场数据采集主要是在掌子面上进行，采集前应对掌子面进行平整处理，使雷达天线与掌子面能有较好的藕合，在掌子面附近应没有其它的金属物体。雷达测线在掌子面上呈“井”字形布置，测线长度根据天线长度决定，在有限的掌子面上尽可能的长。采用两种不同中心频率的天线在相同的测线上重复观测，一般应采取连续观测方式。应充分利用避车洞或超前钻探揭露的地质界面等有利地段求取地层的相对介电常数和电磁波速度。 资料整理和处理要求：雷达记录应清晰，反射波形、同相轴明显，不合格的记录应重测。对合格的记录应根据记录的情况进行必要的处理如：编辑、滤波、增益、褶积、道分析、速度分析和消除背景干扰等，求得时间剖面。在时间剖面中应标出探测对象的反射波组，确定反射体的形态和规模。解释确定反射体的位置、形态，推断其充填情况。必要时应制作模型进行反演解释。提交以下资料：测线布置图；原始记录；时间剖面；解释参数和解释结果。8.3.4单点反射（HSP） 应达到的有效探测距离：单点反射的有效探测距离应达到50m左右，两次探测的重复段应大于5m。 仪器要求；通道数不低于12道的地震仪，现用于外业工程勘探的地震仪均可用来进行单点反射预报。检波器可采用28Hz垂直检波器。要求地震仪和检波电缆具有较好的绝缘性能，电缆的绝缘电阻应大于1M，检波器内阻应一致，各道检波器相位差不大于05ms。地震仪的时间触发系统正常，不存在误触发和延迟现象。 现场数据采集要求：a.数据采集的时间段，现场没有其它振动源。b.在掌子面上随机布置510个钻孔，应均匀分布，孔深11.5m。c.炸药置于孔底，与孔壁藕合严密，药量50g左右，最大不超过75g。d.检波器随机均匀的垂直安置在掌子面上，必要时可用棉被将掌子面覆盖，以防声波干扰。e.在已施工完洞身部位用锤击求取地层的传播速度。 整理与处理：对单道记录进行滤波、压制干扰和指数增益调整。对于每一道不同炮的记录和每一炮不同道的记录进行对比分析，以规律性好、重复性好的记录道进行解释。必要时应进行正演计算提交以下资料：原始记录、经过处理用于解释的波形曲线、解释结果和地质结论。8.3.5红外探水 有效探测距离红外探水的有效探测距离约为20m。每两次探测应重复5m。 仪器红外防爆探测仪。 现场数据采集：a.在施工隧道的隧底、隧顶和两侧边墙的中部各布置一条测线，5m点距，发现异常后应加密测点。b.隧道每掘进20m应在掌子面中心和上述四个部位作一次超前探测。在四条测线上对四个方向进行探测，每次探测应重复一个测点。c.每次探测应对岩体的裂隙发育情况和隧壁渗水情况进行详细记录。 资料整理按测点顺序绘出掌子面前方、隧底、隧顶和两侧边墙的红外探测曲线，并标明裂隙发育和有渗水现象的里程位置。每次探测应特别注意比较掌子面前方的两次探测结果，如有异常应及时采用其他方法综合排查。提交资料为掌子面和洞身周围四条测线的探测曲线。8.4施工地质工作记录、报表及资料整理要求施工地质工作日志施工地质工作报表施工地质工作周报、月报、年报施工地质资料整编a.施工地质编录、导坑展示图b.洞内涌（突）水、涌（突）泥实录及摄影c.洞内瓦斯、天然气涌出及洞内岩爆、大变形实录及摄d.洞内超前地质物探资料及成果图表e.洞内水平钻孔布置图、钻孔柱状图、钻探日志（或记录）f.洞外气象、水文、地面变形观测记录及图表g.洞内外地应力、水压力、水质分析等测试试验成果h.施工地质预测预报综合成果图及分析报告i.施工地质工作总结9.主要仪器设备简介 9.1地震反射波法开挖工作面上的单点反射（HSP）法、TSP、负视速度法。利用有一定宽度的地质不连续面对地震波的反射原理，探测开挖工作面前方100m左右范围内地质界面（地层分界面、断层面、有一定规模的溶蚀面）。单点反射（HSP）法还可用于利用超前平导对正洞未开挖地段的地质情况预报。探测的距离与激发能量有关，分辨率与震源频率和距震源的距离有关。 主要设备： TSP由瑞士安佰格公司生产。 HSP主要用于开挖工作面上的单点反射，中铁西南科学研究院生产。 9.2地质雷达主要利用高频电磁波在不同电性界面上的反射特性探测开挖工作面前方30m以内的不良地质界面，由于水的介电常数和电阻率与围岩差异很大，所以对充水和充泥的不良地质体反映灵敏，可较准确探测开挖工作面前方和洞体周围有一定规模的含水裂隙、溶洞、断层。由于采用高频电磁波，其分辨率相对较高。一般应用主频为30和100MHz的天线重复测量，综合分析。除了可以在正洞进行预报外还可以利用与正洞间距较小的平导对正洞前方未开挖段进行探测。生产地质雷达的厂家和经销商很多，性能相对优越的有美国劳雷公司生产的SIR20型（北京美国劳雷公司代表处）和瑞典MALA公司生产的RAMAC型（北京鑫衡运科贸有限公司）。9.3红外探水利用流动水体与其围岩存在的温度差异定性评价开挖工作面前方和洞体周围岩体的含水情况，对于流动的含水体有较好的反映，能分辨深部循环水和浅部岩溶水，但对孤立的静止水体没有反映。探测距离与幅射场的规模有关，一般可达20m左右。在探水方面应用较好的仪器为煤矿防爆红外探测仪，由煤炭科学研究院唐山分院生产。 9.4利用超前钻孔探测工作面至钻孔深度范围内钻孔周围的地质情况。主要方法有单孔地质雷达探测和孔中数码摄像。主要设备为钻孔地质雷达（瑞典MALA公司生产，北京鑫衡运科贸有限公司经销）、钻孔数字全景摄像仪（中科院武汉岩土所生产）。 9.5超前水平钻机利用超前钻孔探测工作面至钻孔深度范围内的地层、构造、岩溶、地下水的情况，验证超前预报的成果。要求钻进速度不小于4米/每小时，如西安产MK-5（8m/h），YQ-100（4m/h）等。10.重大地质灾害设计原则10.1高水压富水区隧道注浆加固圈11.1.1根据超前地质预测预报提供的工程地质、水文地质结论，在保证施工安全、防止大规模涌、突水（泥）的前提下，不断优化注浆加固的范围。11.1.2针对岩体结构特性、岩溶发育情况、岩溶类型、地下水赋存条件等，调整浆液类型、注浆方式、注浆工艺。11.1.3根据不同地域环境保护的要求，在满足环境保护要求的前提下，优化隧道防排水措施，必要时对溶洞、溶槽进行注浆堵水设计。10.2高水压富水区隧道衬砌结构112.1根据注浆加固圈力学性能、注浆堵水效果，优化抗水压衬砌结构形状和几何尺寸。11.2.2根据对已成衬砌、岩体注浆加固圈的内力及水压力实时演变的监测，对衬砌结构预留补强空间、预留补强方式及材料进行优化设计。11.2.3针对不同的地质条件下环境要求、可能的注浆堵水效果和采用的排水方式，优化衬砌的水压力折减系数。10.3穿越大型溶洞、暗河地段隧道衬砌结构11.3.1 在施工地质及超前预报的基础上，针对大型溶洞、暗河与隧道空间关系，综合判定大型溶洞、暗河对隧道的影响。11.3.2通过分析溶洞、暗河地段地下水发育特征、水量大小及补给条件、水压力大小，优化衬砌结构几何外形、结构型式和衬砌材料。11.3.3根据大型溶洞、暗河与隧道空间关系，决定维系暗河的施工方案和隧道的施工方法。10.4高地应力(软岩大变形)段衬砌结构根据隧道的埋深、地层构造地应力测试结果和对洞壁变形的监测，优化隧道预留变形量、初期支护体系、二次衬砌结构和施工方法。10.5瓦斯等有害气体段隧道通过超前地质钻孔探测、瓦斯测定仪检测等手段，检测地层中瓦