隧道超前地质预报实施大纲

TA1TA1 施工组织设计 方案 报审表施工组织设计 方案 报审表 工程项目名称 通霍铁路西哲里木至霍林河段扩能改造工程 施工合同段 编 号 致 黑龙江中铁监理公司通霍项目监理部黑龙江中铁监理公司通霍项目监理部 项目监理机构 我单位根据承包合同的约定已编制完成隧道超前地质预报实施方隧道超前地质预报实施方 案案 并经我单位技术负责人审查批准 请予以审查 附 施工组织设计 方案 承包单位 章 项目经理 日 期 专业监理工程师意见 专业监理工程师 日 期 总监理工程师意见 项目监理机构 章 总监理工程师 日 期 注 本表一式 4 份 承包单位 2 份 监理单位 建设单位各 1 份 通霍通霍铁铁路西哲里木至云端段路西哲里木至云端段 扩扩能改造工程能改造工程 隧隧道道超超前前地地质质预预报报实实施施方方案案 编编制 制 审审核 核 审审定 定 审审批 批 中中铁铁九局通霍九局通霍铁铁路路扩扩能改造工程第五作能改造工程第五作业队业队 二 一 年二月 云端隧道超前地质预报实施大纲云端隧道超前地质预报实施大纲 1 超前地超前地质预报质预报的方法的方法选择选择 云端隧道通过部分地段地质条件复杂 不仅有细角砾土 强风化凝灰岩 还有浅埋段 堆积岩等等 随时都可能给隧 道施工带来灾害 施工前我们必须提前探明掌子面前方地质 情况 对可能发生的地质灾害做出充分的预测预报 以便确 定有针对性的施工方案 在人员 设备 材料等各方面作好 充分的准备 最大限度的减少地质灾害的发生 现在比较先 进的预报方式有 TSP 203 超前地质预报 地质雷达 红外探 水 冲击钻探和取芯钻探预报等 以 200m 为例 对几种预报 方式进行比较 预报方法对比 200 米 TSP203地质雷达冲击钻探取芯钻探 预 报 范 围200M 50M200M200M 掌 子 面无有有有 测量时停工时 间 1 1 5 小时1 5 小时45 小时240 小时 测 量 人 员一般人员专 家一般人员一般人员 成果 处理时间3 6 小时8 10 小时0 5 小时6 9 小时 成果 处理人员一般人员专 家一般人员地质专家 岩 类 属 性无条件无条件 有条件 优 良 岩石的力学参 数 优 良无条件 有条件 优良 实验室 空 间 参 数优 良无条件 无条件 有条件 从仪器探测角度看在预报方面 TSP203 系统具有较大的 优越性 我单位决定多种预测系统同时使用 采用 TSP203 超前地质预报系统作为长距离预报手段 地质雷达 钻孔超 前探测 红外线探水 隧底探测等方法作为补充进行综合预 报 预报的重点内容 预测开挖面前方的地质情况 围岩整 体性 断层 溶洞 暗河 软弱破碎带在前方的位置和对施工 的影响 地下水活动情况等 1 1 TSP 超前地超前地质预报质预报 1 1 1 工作原理工作原理 TSP 和其它反射地震波方法一样 采用了回声测量原理 地震波在指定的震源点 通常在隧道的左边墙或右边墙 大 约 24 个炮点布成一条直线 用小量炸药激发产生 地震波在 岩石中以球面波形式传播 当地震波遇到岩石物性界面 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 一部分地震信号透射进入前方介质 反射的地震信号将被 高灵敏度的地震检波器接收 反射信号的传播时间和反射界 面的距离成正比 故能提供一种直接的测量 1 1 2 量量测测方法方法 通常情况下 TSP 测量剖面是在隧道的左壁或者右壁上 布置一系列的微型爆破 测量剖面的选择主要取决于岩层结 构的主导方位 在上图中 测量剖面安排在隧道掌子面的左 壁 这是因为根据地质结构分析 断层先从左侧与隧道相交 在隧道壁左右两侧上安装一对接收器提供一些附加信息 对 地质状况非常复杂的情况 须使用两壁爆破剖面测量 所获 得的地质数据加以对比和相互校证 1 1 2 1 标记测量剖面 根据当地的地质情况决定测量设计图样以后 明确接收 器和爆破钻孔的位置标记测量剖面须遵循如下操作步骤 估 计在进行 TSP 测量时隧道掌子面所在的位置 确定接收器的 位置离掌子面的距离大约为 55 米 1 1 2 1 1 确定隧道轴线的参考点位置 将之与整个隧道 工程所使用的坐标系 X Y Z 轴 联系起来 隧道轴 X 指隧 道里程 其参考点位置应该接近接收器 最大不超过 50 米 或者是与隧道轴向上的位置完全一致 为简化实际定位过程 所有接收器以及爆破点的位置必须根据参考坐标系设置 将 参考点位置与接收器的位置重合在一起 将标尺的零点固定 在接收器的位置上测量爆破剖面的相对位置 参考点在隧道 横断面的位置是根据与隧道左右两侧以及相对拱顶和底板 的位置来确定的 1 1 2 1 2 根据标准测量剖面所显示出的位置确定接收器 和炮眼的位置 接收器和第一个炮眼 S1 的距离应该控制在 大约 20 米 在任何情况下都不允许小于 15 米 各炮眼点之 间的间距大致为 1 5 米 如果所选择的测量剖面较短 此距 离可缩小 距离都不允许超过 2 米 测量时必须布置 TSP 测 量所必须的最少炮眼数 不得少于 18 个 1 1 2 1 3 所有接收器和炮眼在相对坐标系中平行于隧道 轴面 即沿 X 轴布点 如果相对坐标系在隧道右侧壁 接收 器和炮点的位置就应该布置在右壁 否则就应该布置在左壁 相对坐标系中的 X 轴相应的应定位在右壁或左壁上 1 1 2 1 4 所有接收器和炮眼的深度可以非常容易地测出 并沿隧道轴向作一标记 或者是沿 X 轴的某一条理想直线连 接接收器和炮眼 此直线应该与 X 轴方向一致 或者平行于 隧道轴线 在垂直方向不允许有较大的偏差 偏差 1 米 台阶开挖处可能会存在较大的高度差 在这种情况下 需要 测量炮孔在 X 轴和在 Z 轴方向的位置 此相对坐标系与隧 道工程所使用的坐标系必须吻合 X 轴即为隧道轴向 X 值 即为相对坐标系中离坐标原点的位置 1 1 2 1 5 接收器和炮点位置根据标准剖面进行布置 隧 道每壁面钻一个接收器孔 直径为 43 45mm 孔深 2m 用环 氧树脂固结 向上倾斜 5 10 度 离地面约 1 米 爆破钻孔需 钻 24 个孔 根据实际位置可以选择多于 18 个 直径为 20 45mm 孔深 1 5m 最小 0 8m 最大 2 0m 向下倾斜 10 20 度 水封填炮泥 第一个钻孔离接收器约 20 米 其余炮眼间距 1 5 米 最远 2 米 1 1 2 2 接收器套管的安装 相对 TSP203 测量系统 有两种不同的方法可将接收器套 管固定在岩体中 一种是灌注灰泥 一种是安装环氧树脂套 管 我们采用后一种 钻好接收器钻孔后 应马上安装接收 器套管 必须保证将足够多的环氧树脂药卷塞入钻孔内 使 用小型钻机 而且孔径小于 45mm 需用 3 根环氧树脂药卷 具体操作步骤如下 1 1 2 2 1 为了不使接收器套管在安装过程中发生变形 最好是在钻孔之后立刻安装套管 当钻杆退出时 应保证钻 机的曲臂始终保持在同一条直线上 1 1 2 2 2 用一个更短的钻杆来替代原来的钻杆 保证钻 机能通过一个较短的配备了适配器的钻杆 将接收器套管安 装到钻孔内 同时这些部件必须足够长 以确保不移动钻机 曲臂就完成接收器套管安装 1 1 2 2 3 将接收器套管连接到适配器上 并检测套管与 钻孔是否在同一直线上 向前推动套管 最终套管的顶位会 抵到套筒 此时套管的转速应该为 200 300 转 分 大约 10 秒后 向后拉钻臂使之与套筒分离 两种组分的树脂混合后 完全粘合只要 5 10 分钟 应该快速取出手柄 使套管与所 安装的适配器连在一起 调整接收器套管使套管前置边缘线 在水平面上布置在一条直线上 1 1 2 3 钻孔和防护爆破孔 在不坚固的岩体上钻爆破孔 隔一定时间可能会引起爆 破孔内的坍塌 为了避免孔坍塌 可以采用一种薄型的塑料 管 外部直径约为 30mm 长度约为 1 5mm 防护爆破孔坍塌 炸药和雷管可从塑料管内部推进钻孔底部 爆破前 将 塑料管取出 取出的套管还可用做下次测量 如果岩体非常 不稳定 引爆前套管不可取出 在这种情况下就不必取出即 可引爆 1 1 2 4 TSP 测量操作 1 1 2 4 1 系统安装 接收单元的安装 测试套管与孔壁之间用灰泥填充后结合的牢固程度 并 检查套管底部是否受到机械损坏 利用电子仪表对钻孔的倾 斜度进行测量 移动传感器部件 并将它插入接收器套管 将 延长部件转动拧在传感部件上 然后将其推入套管中 最后 将其与后座相连 启动记录单元 按下控制面板上标有 电源 的黑色按扭可以启动记录单元电 源指示灯亮 所显示的电压值至少为 6 0V 位于显示屏的中 部 当电压降到 5 5V 以下时 记录单元就会很快停止工作 启动记录单元时 小型橙色控制灯 Busy 会亮一会儿 这表 示整个装置运行状态良好 切断电源后 红色控制灯 Idle 会 闪亮 1 1 2 4 2 选择噪声测试模式 测试记录单元的功能 在每组爆破记录开始时 噪声检测会自动进行 通过安装在 松下笔记本电脑中的 TSPwin 软件可以显示出来 记录单元 的端口与松下笔记本电脑是串口联结 启动电脑进入 MS Windows NT 环境 双击 TSPwin 图标可以启动 TSPwin 程序 噪声检测开始 1 1 2 4 3 用引爆器和试验电阻进行模拟爆破测试 首先要做的工作是线路联接 将试验电阻 用于替代爆 破雷管 联接在引爆盒输出端口上 旋转按钮 如用雷管进行 爆破试验 必须连接两根引线 合适的长度为 50 米或者更长 到触发器插座和雷管上 进入 TSPwin 界面的噪声检测对话框 这时 控制 面板 上绿色的 准备爆破 信号灯就会亮 同时 触发盒上的绿色 信号灯也会亮 现在就可以开始引爆并记录 1 1 2 4 4 填充爆破孔 引爆测试记录完后 填充爆破孔 用安装杆检查 PVC 管 是否堵塞 用电线连接引爆炸药和雷管 用安装杆将炸药顺 着 PVC 管推至爆破孔的底部 小心拨出 PVC 管 用水将孔 充满封住洞口 然后可以开始使用 TSP203 系统进行实地测 量了 1 1 1 3 TSP 量测数据采集分析 为了节省量测时间 TSP 量测的所有准备工作 钻孔 粘 接金属传感器的套管 都在常规的隧洞掘进作业中进行 量 测准备工作包括传感器系统的插入 爆破孔的装药以及功能 性测试 约需 1h 地震信号记录包括每次爆破的引爆记录 约需 45min 整个量测循环 包括仪器的清理 共需 2h 数据处理的图象反映了开挖面前方或开挖面周围的地 层界面情况 因此可用来确定界面的位置 这种方法使用为 标准 PC 机而专门开发的 TSP203 设备 并按系统的步骤操 作 首先 选定适当的调查区域 然后 进行波场处理以区 分直达波场和反射波场 该平面 即绕 2 射叠加平面 DFS 使由与隧洞轴线相平行的爆破点的中心线和通过相关调查 区域的对角线确定的 对于纵波 压缩波 和横波 S 剪切波 其速度为有价值的 量测参数 通常都能进行单独的人机对话数据分析 S 波的 数据处理能帮助提高含水断层带 断裂带 和岩体构造走向的 识辨率 在其它相应的预报区域中 重复进行这种数据分析 过程 所有对独立空间区域数据分析的最终结果为工程师的 综合图 该综合图为开挖隧洞的区段垂直和水平剖面图及其 坐标系统 该图显示了预测的前面重要反射界面的进出点及 其相应岩石强度变化 通过计算纵波和横波速度可以确定重 要的岩石力学参数 如杨氏模量的泊松数 这些参数有助于 隧道工程师考虑施工措施 而且是连续进行 TSP 断面量测的 一个有价值的岩石力学监测方法 TSP 203 软件在现场可以进行快速 准确的数据分析 最为典型的是在 2h 后就可以查看数据分析情况 综合数据 分析报告可在 4h 后生成 TSP 超前预报的误差量随着量测 范围的扩大而增加 通过增加爆破点和炸药量以拉大 TSP 的 探测范围 1 1 1 4 预报工作操作注意事项 首先为保证预报长度 预报精度 提高预报质量 在一 切可能的情况下尽量减少环境噪音 爆破接收信号时隧洞内 应停止一切施工作业 确定好采样间隔和采样数目 另外 安放接收器保持与周围岩体很好地耦合 以保证 采集信号的质量 用早强膨胀水泥砂浆 使接收器与岩体粘 贴好 其次要优化作业程序 科学组织施工 采取不停工采集 数据 为隧洞掘进赢得时间 同时对于爆破炸药作震源对预 报结果所带来的影响要引起重视 1 2 SIR 3000 地地质质雷达雷达 作为 TSP 203 超前地质预报的补充 在高水压地段对 TSP 203 预报的异常点 比如确定异常体的规模 性质危害 性判断有困难时采用地质雷达作为补充手段 根据 铁路工 程不良地质勘察规程 TB10027 2001 要求 灰岩地段铺轨 前应用物探方法探明隧底隐伏岩溶洞穴 主要采用地质雷达 地质雷达采用的是时间域脉冲雷达 将宽频带的脉冲发 射到地下介质中 通过接受反射信号达到探测地下目标的目 的 雷达系统向被探测物发射电磁脉冲 电磁脉冲穿过介质 表面 碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来 根 据电磁波的双程走时的长短差别 确定探测目标的形态和属 性 结合工程地质理论分析达到对埋藏目标 地质体 的探测 与判断 实施时 配备 40MHz 低频天线 该天线分辨率较低 但探测深度大 最大埋深大 30m 1 3 红红外探水外探水 红外探水基本原理 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 场具有密度 能量方向等信息 岩层在向外部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 层发射强度不同的红外辐射 地下水的活动会引起岩体红外 辐射场强的变化 红外探水仪通过接受岩体的红外辐射强度 根据围岩红外辐射场强的变化值 推断掌子面前方或洞壁四 周是否有隐伏的含水体 红外探水的特点 测量快速 基本不占用生产时间 资料 分析快 测量完毕即可得出初步结论 室内整理和编写报告 可在 小时内完成 有较高的准确率 但对水量 水压等重要 参数无法预测 2 超前地超前地质预报实质预报实施施检测检测内容和内容和频频次次 超前地质预报实施检测内容与频次表 检测检测方法方法监测频监测频次次检测检测内容内容备备注注 TSP 超前地质预每 100 150 米预测开挖面前方的地质情况 报检测 1 次围岩整体性 断层 溶洞 暗河 软弱破碎带在前方的位置和对施 工的影响 地下水活动情况等 地质雷达不大于 50 米检 测一次 高水压地段确定异常体的规 模 性质危害性 TSP 的补 充手段 红外探水高水压地段检 测 推断掌子面前方或洞壁四