超前地质预报作业指导书

1、新建铁路云桂线(广西段)YGZQ-2标 隧道超前地质预测预报施 工 作 业 指 导 书中国交通建设股份有限公司云桂铁路（广西段）YGZQ-2项目经理部2010年9月5日发布 2010年9月5日实施目 录1、目的12、编制依据13、适用范围14、本线隧道施工地质预测、预报内容15、方案设计16、工艺流程及工作方法、技术要求26.1 工艺流程26.2 TSP203超前地质预报系统26.2.1 工作原理26.2.2 工作内容36.2.3 技术要求36.2.4 仪器使用要求36.2.5施工工艺46.2.6 TSP使用中应注意的问题66.3地质雷达法66.3.1工作原理66.3.2工作内容76.3.3技

2、术要求76.3.4数据分析76.4工作面超前地质钻孔探测预报86.5红外线探水探测96.6利用工作面地质素描预报107、综合预报技术要求108、异常解释119、提交报告1110、超前地质预测预报设备配置1111、人员配置11隧道超前地质预测预报施 工 作 业 指 导 书1、目的根据隧道区域地质资料和施工图，结合现场实际情况，制定预报方案，针对不同工程地质情况、不同围岩级别的地段采取不同的预报手段，以达到既预报准确又节省有限预报资源的目的。2、编制依据2.1铁路隧道工程施工技术指南（TZ204-2008）；2.2铁路隧道工程施工质量验收标准（TB10417-2003）；2.3新建铁路云桂线（广西

3、段）YGZQ-2标隧道工程施工设计图以及配套使用的参考图、通用图。3、适用范围适用于新建铁路云桂线（广西段）YGZQ-2标隧道工程正洞及辅助坑道（横洞）开挖面前方一定距离的岩溶、岩溶突水和突泥、断层破碎带、浅埋段、软弱围岩塑性变形等灾害地质的施工探测。4、本线隧道施工地质预测、预报内容（1）岩溶的位置、规模及其性质；（2）岩溶含水、含泥构造的位置、规模及性质；（3）暗河的位置、规模、地下水流量、流速等；（4）断层及断层影响带的位置、规模及其性质；（5）软弱夹层的位置、规模及其性质；（6）不同岩性、围岩级别变化界面的位置。5、方案设计本线隧道超前地质预测预报工作采用多种手段互相验证，各工作阶段互

4、补，并按照长短结合、上下对照、定性与定量相结合的方法来保证预报准确性。根据各种探测方法的特点，本线隧道采用长距离宏观控制预报、中距离预报、短距离验证预报相结合的手段。长距离宏观控制预报：在隧道穿过的灰岩地段以及断层在洞身水平方向上采用TSP203超前地质预测预报系统进行100150m的预报，采用100m的成果。通过长距离宏观地质控制预测预报，初步判定隧道开挖面前方不良地质（岩溶、岩溶突水和突泥、断层破碎带、浅埋段、软弱围岩塑性变形）距开挖面长度、所处位置及发育（破碎、软弱）程度。中距离预报：采用仪器（地质雷达、红外探测仪）和超前水平地质钻孔进行距离为3050m的验证预报。通过中距离预报，进一步

5、明确隧道开挖面前方不良地质的准确位置、分部范围、发育（破碎、软弱）程度。短距离验证预报：地质素描法和加长钻孔进行距离小于30m的预报。6、工艺流程及工作方法、技术要求6.1 工艺流程本线隧道超前地质预测预报工艺流程见图1所示。图1 超前地质预测预报工艺流程图根据设计文件， 分析区域性地质资料确定预测对象及测程远程近程中程地质雷达、超前地质钻机钻孔、地质素描TSP203超前地质预预报系统地质雷达、红外探测仪 和超前地质钻机钻孔有准确测定地层界线、测定含水层分布和探测不良地质情况。按测程及用不同方法相互验证地层界线、测定含水层分布和探测不良地质距开挖面长度、所处位置及发育（破碎、软弱）程度。.确定

6、不良 地 质 情 况 无制定施工方案及抢险预案，准备物资、机械等按原施工组织设计施工实施施工方案检验中程预报准确性检验远程预报准确性6.2 TSP203超前地质预报系统6.2.1 工作原理TSP203探测是根据地震波的回波原理，人工制造一系列有规则排列的轻微震源，由三维地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。发射地震波（声波）是通过在隧道掌子面后方一定范围内的钻孔中实施微型爆破来实现的，爆破引发的地震波在岩体中以球面形式向四周传播，遇到隧道前方的地质界面时，将有一部

7、分波从界面处反射回来，TSP测量系统用一对接收传感器将这些信号进行采集和记录，并通过相应的软件对其分析和评估。TSP203超前地质探测工作原理见图2所示。图图2 TSP203预报原理图6.2.2 工作内容重点探查规模较大岩溶、暗河、破碎带、裂隙发育带等。隧道掘进过程中，每开挖100150m通过TSP203对开挖前进方向探测一次，具体工作内容如下：（1）接收孔、激发炮孔的钻孔；（2）接收器在接收孔内的埋设工作；（3）激发炮孔内装药，并依次进行起爆；（4）数据采集；（5）数据处理分析；（6）综合判别，给出结论；（7）编写报告。6.2.3 技术要求（1）隧道掘进过程中，达到有效探测距离（100150

8、m）必须采用TSP203预测预报系统对开挖前进方向探测一次，不同岩石中探测距离有所变化。（2）本次TSP203探测起始位置与上一次探测重叠长度不小于10m。6.2.4 仪器使用要求（1）使用环境应具有防震、防水、防尘和散热能力，为确保数据准确度，采集时仪器应置于干燥无噪音处，环境温度040。（2）操作人员方法项目负责人，应具有大本以上文化程度，物探专业毕业或接收过物探专门培训，并有从事两年以上工程物探的资历。仪器操作员应具有大专以上文化程度，受过工程物探的专业培训，有可以操作TSP203的上岗许可证。（3）仪器动力主机电压56V；并配笔记本电池、主机充电器。6.2.5 施工工艺（1）接收孔、激

9、发炮孔的布置预报断层构造时，接收孔、激发炮孔应根据断层走向，布置在与断层夹角较小一侧的隧道边墙上。预报岩溶时，则在隧道两侧边墙都应布置。每一次预报由1个接收器孔和24个激发炮孔组成，同侧接收孔和激发炮孔一线排列，距地面高度相同。接收器孔距掌子面约55m，钻孔直径4345mm，深度2m，离地面高度1.2m左右，应根据采用的耦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。激发炮孔钻孔直径38mm，布置间距1.5m，深度1.5m，离地面高度1.2m左右，垂直于隧道轴向向下倾斜1020。第一个激发炮孔与接收器孔间距20m，最后一个激发炮孔距掌子面约0.5m。钻孔完成后应注意保护，防止蹋孔。

10、接收孔、激发炮孔布置见图3所示。 20m 231.5m 0.5m 10 掌隧道边墙 隧道中线 子 面 接收孔 激发炮孔 接收孔、激发炮孔布置平面示意图 1020 隧 接收孔2m深 道 激发炮孔1.5m深 1.2m激发炮孔 中 线 接收孔、激发炮孔布置横断面示意图注：预报断层构造时，接收孔、激发炮孔应根据断层走向，布置在与断层夹角较小一侧 的隧道边墙上。预报岩溶时，则在隧道两侧边墙都应布置。 图3 接收孔、激发炮孔布置示意图 （2）接收器在接收孔内的埋设为使接收器能与周围岩体更好地耦合以保证采集信号质量，应在采集信号前（至少12h）将保护接收器的接收套管插入孔内，并用含有双组分环氧树脂成分的不收

11、缩水泥砂浆使其与周围岩体很好地粘结在一起。接收器与孔壁的耦合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。 （3）激发炮孔内装药，并依次进行起爆，进行数据采集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；为保证炸药与炮孔严密耦合，准备24个预先连接瞬发电雷管的炸药，将其放入预先钻好的炮孔内，每孔放置炸药一个，并以锚固剂锚固。激发炮孔内炸药起爆从靠近掌子面处最后一个激发炮孔开始，向洞口方向依次进行爆破。（4）数据分析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；对

12、所采集的原始数据经软件处理后，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释，并遵循以下准则： 正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层； 若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水； Vp/Vs增加或突然增大，常常由于流体的存在而引起； 若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。最终提出掌子面前方反射界面的位置、性质等结论。TSP203超前地质预报数据处理(1).TSP203：数据处理流程如下：建立数据带通滤波器首至信号的提取起跳点信号处理平衡能量Q-评估反射波提取P-S波分离速率分析极度偏移反射面提取（5）提交报告提交的资料有：原始波形记录，二维反射界面的透视图象，声波轨迹、频谱、

13、速率和位移结果，地质解释结果。4.2.6 TSP使用中应注意的问题（1）探测过程 严格按规定布置震源和传感器钻孔，并保证钻孔质量（特别是孔距）。 操作人员的地质知识（特别是工程地质力学的知识）不足时，必须使用应用两个传感器实施双壁探测。 在洞内每次爆破约需45min的实际探测过程中，应尽最大努力减少噪声和漏炮。 掌握探明掌子面附近（前方）的不良地质的炮眼布置方法。（2）TSP解译过程 根据工程地质力学知识，正确选择和设定搜索角和调谐角。 依据地质学知识，通过对不良地质体成因特征和成因标志的正确认识，判别不良地质的性质。6.3 地质雷达法6.3.1工作原理地质雷达是基于地下介质的电性差异，向地下

14、发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术（见图4）。其工作过程是由发射天线送入地下一高频电磁脉冲波，当其在地下传播过程中遇到不同的目标体（岩土体、空洞等）的电性介面时，有部分电磁能量被反射回来，被接收天线所接收，并由主机记录，得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。地质雷达方法是由已知条件推断未知情况的方法，当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。GPR 发射器 GPR 接收器图4 地质雷达工作原理6.3.2 工作内容重点进行隧道开挖面前方30m及周边815m范围内的地质体探测，查找隧道开挖面前方及周边隐伏的岩溶、暗

15、河、地质破碎带及其他不良地质体，防止开挖通过后，隧道掌子面、顶板、底板及侧壁出现灾害性的突水突泥。6.3.3技术要求（1）应达到的有效探测距离在隧道施工通过岩溶、断层破碎带段每开挖30m，利用地质雷达进行探测，两次预报的重叠长度在5m左右。（2）仪器要求用于超前地质预报的地质雷达可选用SIR2000、SIR10H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。(3)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耦合，在掌子面附近应没有其它的金属物体；一般应采取连续观测方式；应充分利用避车洞或超

16、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。6.3.4数据分析雷达记录应清晰，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。根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，可分析地下介质、地下结构状态，确定反射波组的地质含义。地质雷达数据处理程序如下：数据文件均衡排序文件编辑数字滤波速度分析人工判释6.4 工作面超前地质钻孔探

17、测预报工作面超前地质钻孔探测预报分长距离超前地质钻孔和短距离超前地质钻孔。长距离超前地质钻孔：在隧道施工通过岩溶、断层破碎带段每开挖30m，利用超前水平地质钻机单独钻进或钻进取芯（或孔内成像），根据钻进速度、取芯情况、出水位置、水量、压力（孔内成像则包含围岩图像）等情况进行前方3050m地质情况预报。短距离超前地质钻孔：在隧道开挖掘进施工中，每循环作业运用钻具进行长5m的超前钻孔，对洞身前方进行全方位空间探测。钻孔数量一般地质情况为1个孔，地质条件复杂复杂的情况下采用35个孔，同时布置有12个孔在边墙位置，沿隧道边墙向外探测，探孔成放射状布设，两次钻孔重叠长度不小于3m。工作面超前地质钻孔探测

18、预报见下图所示。钻机钻孔时要固定牢固，并安设孔口管及高压闸阀，确保超前钻孔涌出高压地下水时，能够有效控制。对于钻孔涌出的地下水，要进行涌水动态的实时监测，包括涌水点的空间分布、单点涌水量、涌出压力，涌出机制和涌水的化学与同位素化学特征等。并以10天为单位进行长期观测，根据地下水的动态变化，间接地判断工作面前方的地质情况是否变化，尤其重点观察大的涌水点和集中的出水点。6.5 红外线探水探测红外探水技术就是通过红外探水仪探测前方一定范围内红外辐射场的变化，即通过探测仪探测显示出红外辐射的变化。在隧道掘进现场，当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会叠加到围岩正常辐射场上，仪器显示

19、屏上的曲线出现数据突变。而当掌子面前方没有含水构造时，所测定的红外辐射场为正常场值，数据曲线为一条近似直线。 在隧道施工通过岩溶、岩溶水、暗河、断层破碎带可能发生涌水的地段，每开挖1530m，对开挖面施作一次红外线探测技术，对地下水进行预报。通过测试已开挖隧道纵向的场强分布值和开挖面的场强分布值，根据场强的变化规律预报开挖面前方可能出现的岩溶裂隙水、地下水活动规律、地下水压力和储量等。两次重叠不小于3m。红外探水法的应用及特点：（1）在探测岩层含水变化有重要作用（2）无法判断富含水位置的规模与位置（3）能推断含水变化，但无法评估其危害（4）其探测效果受多种因素影响大：高能热源场（电动空压机）、

20、掌子面围岩与后方围岩温差、掌子面附近施工用水、放炮后初支混凝土距离温度差异等。6.6利用工作面地质素描预报地质素描在隧道隧道施工中全段进行。地质素描内容为：根据对超前地质预报结果，对开挖面和洞身周边综合分析围岩岩性、结构、构造和地下水情况，判断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并依次提出工程措施建议和进一步预报的方案。根据开挖面围岩的工程地质、水文地质特征进行预报结果的验证，提出是否修改预报方法及参数的意见。根据开挖段及开挖面水文地质情况，提出针对性工程方案建议。施工掌子面是施工前方岩体唯一的暴露面，施工前方岩体内的节理、裂隙、断层、岩脉等都在施工掌子面上有所反映，如实记录施工掌子面上的

21、信息对施工前方地质预报有很高的价值。地质素描是采用目测手记，并以数码相机记录，采集岩石样本进行分析。最终成果是：工作面的地质断面展开图，多个断面合成后可形成一幅隧道的三维洞体柱状图。地质素描的技术要求：(1)素描必须现场进行，不得补记；(2)素描一律采用写实方法，记录方式、比例、图例应统一；(3)素描不占用开挖时间，最好在扒渣工作完成后钻车就位前进行，因为此时浮渣都已被清理掉，信息比较真实。资料分析：通过目测记录和对数码像机所取得的掌子面图像，进行分析，得到地质断面图，并提出岩性、裂隙、含水等地质信息。7、综合预报技术要求超前地质预报采用的物探手段是一种在测定岩体各种物理参数之后，推断分析岩体性质的间接性测试方法。为提高预报水平，应坚持隧道洞内探测与洞外勘探相结合、地质方法与物探方法相结合、多种物