超前地质预报及监控量测方案

1、兰渝铁路LYS-4标 DK259+510DK285+811段超前地质预报及监控量测方案中铁十一局兰渝铁路项目经理部二OO九年四月超前地质预报及监控量测方案超前地质预报是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的重要基础；现场监控量测是隧道施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态的信息（数据），为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌支护时间提供信息依据，为完善隧道工程设计与指导施工提供可靠的足够的数据。为确保隧道施工安全和工程质量，特制定此方案。一、超前地质预测预报方案1、成立超前地质预测预报组织地质超前预测预报由项目总工程师直接负责，具体工

2、作由项目工程部测量监测室承担，纳入施工工序管理，开工前制定详细的工作大纲，施工中严格按照大纲进行日常的预测预报工作，将预测预报结果及时提交工程部，并根据预报结果，及时反馈设计单位，调整设计、改变施工方案。在设计单位提供的地质资料和施工补充勘探的基础上，将超前地质预测预报工作纳入到隧道施工的正常工序中，以探明前方围岩的变化情况，预测施工中可能出现的地质灾害。及时修改、补充和完善隧道施工设计，为隧道的施工提出措施建议，避免重大事故的发生，保证施工的顺利进行。管段隧道综合超前地质预测预报工艺流程见“超前地质预测预报施工工艺流程图”。2、 开挖面地质素描地质素描预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不

3、良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法三种。对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描（观察岩石的矿物成分及其含量，结构构造特征和特殊标志），给予准确定名，测量岩层产状和厚度。超前地质预测预报施工工艺流程图补 充 地 质 调 查掌子面地质调查与素描长距离探测：TSP-203,预报距离100m左右短距离探测：地质雷达，探测距离30m； 红外线探水仪，探测距离30m；超前水平钻孔，探测距离3050m探测资料判释，提出探测意见和工程措施意见测量该岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度。将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比，确定其在地表地层（岩层）层序中的

4、位置和层位。依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TSP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的岩层在隧道中的位置和规模。施工过程中，每次爆破后由由技术人员到掘进掌子面通过一些简单的测量工具对围岩的岩性指标、岩体的完整状态、围岩级别等进行正确的判别。技术人员在每次完成地质素描后要及时填写一张施工阶段围岩级别判定卡（见附表一）并要简要描述岩层厚度、节理发育情况及绘制岩层走势图，此卡将作为最原始的数据资料予以保存。若现场技术人员发现掌子面出现夹层、断层等不良地质情况，应立即通过地质雷达、红外线探水等物探方法对前方的地质水文情况进行超前预报。地质素描为判定围岩的稳定性

5、以及后续的初期支护施工提供最有力的数据支持。而施工阶段围岩级别判定卡则为后期的设计变更等工作提供了可靠的证明材料。及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见，上报专管地质工作的项目副总工程师，以利采取有效的防护措施。3、TSP203地质预报系统地震（声）波由特定点上的小规模爆破产生，并由电子传感器接收。当地震波遇到岩石强度变化大（如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现）的界面时，在绕射点处部分射波的能量被反射回来。反射信号的传播时间与到达边界的距离成正比，因此能作为直接的度量方法。TSP203系统特别适用于高分辨率的隧道折射地震（微地震

6、）勘探，以及断裂和岩石强度降低地带的监测。TSP203系统理论上可预测150300m的距离。量测准备包括测线布置、钻孔、接收器及传感器套管安装，准备工作与隧道施工同步进行。测线由2个接收器孔和24个炮孔组成，接收器距掌子面约55m，最后一个爆破孔距掌子面约0.5m。爆破孔布置在一侧边墙上，间距1.5m，孔深1.5m，孔径1945mm，孔口距隧底约1.0m，向掌子面方向倾斜约10，向下倾斜1020。接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.4m，孔径3245mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向倾斜约10，采用水泥沙浆固定时向下倾斜510，采用环氧树脂固定时，向上倾斜510。见下图:+ + 隧

7、道轴线 掌子面 深度 17m 炮孔1、2.24接收器1 参考点 _方位角 方位角 X X -Y图1TSP203测线布置示意图在接收器及传感器套管安装完成12h后，进行爆破孔装药、传感器插入及功能性测试，然后引爆爆破孔，对每次爆破进行地震信号记录。在正式爆破采集数据时，洞内一切施工停止，以尽可能减少采集到的数据受外界噪声的干扰。该过程约需45min。通过TSP203专用软件对隧道内采集到的原始资料进行以压制干扰、提高信噪比和分辨率、提取地震参数为目的的技术处理。数据处理前，先确定描述隧道轮廓的参数、各炮孔的装药量等数据，再通过专用软件处理，给出掌子面前方结构的剖面及各种地震参数。资料分析（1）分

8、析原则在成果解释中，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：a、正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；b、若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；c、Vp/Vs增加或突然增大，常常由于流体的存在而引起；d、若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。（2）资料处理流程处理流程如下：地质解释提取参数得到时间、深度剖面软件计算原始数据误差分析隧道超前预报时，地震波速离散性大，软件处理时取波速平均值；当两个反射面间距不超过1m，合并为一个界面，预报误差为预报范围的5。数据处理后，提供的直接成果是围岩性质可能发生岩性变化的位置、各反射界面围岩的物理性质。通过人工解

9、译，得出反射界面的岩性参数、产状及其相互关系，以及各步解释后的隐含信息，以预测不良地质段的性质。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。确定好采样间隔和采样数目，采用早强膨胀水泥砂浆使接收器与岩体粘贴好，以保证采集信号的质量。4、 地质雷达探测法地质雷达是基于电磁波在有效介质中的传播特性工作的。发射天线发出微波频段的电磁波后，遇到不均匀介质或介电常数有差异时会发生反射，反射信号由接收天线接收记录，经微机处理形成雷达剖面图。解译人员对雷达剖面图进行解译分析，提出掌子面前方不良地质体的位置和规模。该法对30m范围内的不良地质体，尤其是含水地质体探测效果好。地质雷

10、达主要在临近含水构造地段使用，近距离探测富水溶洞、含水断层等。5、红外线探水法它是利用地下水活动引起岩体红外辐射场场强变化特性，推测掌子面前方含水体的一种探测方法。其工作流程为：从掌子面后方的探测段起点，按5m点距布设测点使用红外线探水仪量测各测点的初始场强（目标场强）对场强发生变化的测点重复量测，并作横向、垂向扫描，记录所在测点场强的极大和极小值以纵座标为红外辐射场强，横座标为测点，绘制红外探测曲线图根据曲线图，采用趋势外推法，判断掌子面前方的含水体构造。管段隧道采用红外线探水仪，主要在TSP-203和超前水平钻孔初步确定含水地段前30m左右开始探测，以进一步确定含水体位置及规模。6、超前水

11、平钻探超前钻探是隧道施工期超前地质预测预报最直接、最有效的方法，也是对其它探测手段成果的验证和补充。通过钻孔钻进速度测试和对钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况等诸方面的资料。超前水平探孔的探测孔沿掌子面周边轮廓线布置，呈伞形辐射状，掌子面中心可设置水平探测孔若干，孔数由设计确定，其终孔位于开挖轮廓线外的2-5米，在掌子面由钻机平台、钻机组成，探测距离200米。开挖每掘进150米探测一次。在物探反映出的的正常位置采用16孔的超前水平钻探测，在重要的物探反映出的的异常位置采用多孔(孔数由设计定)进行超前水平钻探，准确探测其位

12、置、规模及形态。超前水平探孔工序说明:1)搭钻孔平台安装钻机（1）钻机平台用钢管脚手架打设，搭设平台应一次性搭好，钻孔用2-4台钻机由高孔位向低孔位进行。（2）平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施工时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。（3）钻机定位：钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。2)钻孔（1）岩质较好的可以一次成孔。钻进时产生坍孔和卡钻时，需补注浆后再钻进。钻孔前编号孔号间隔布置为“单双”号。（2）钻机开钻时，应低速低压，待成孔10cm后可根据地质情

13、况逐渐调整钻速。（3）钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻机的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。（4）钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。（5）认真作好钻进过程的原始记录（见附表二），及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。7、预报成果分析及处理地质预测预报的结果由地质工程师进行汇总，原始资料上报设计单位。在综合分析的基础上，编写综合超前地质预测预报成果，对各种岩性进行描述，包括岩体应力、应变特征。量化岩体参数、综合确定围岩级别，对不连续界面、层面的构成进行细化，着重查清地质构造、断层破碎带。同时查明地下

14、水循环规律和水流动特征以及地下水化学成份等。会同有关专家对提交的成果进行再次分析，对可能出现的地质问题提出必要的安全措施。以指导现场施工。根据预报结果，及时反馈设计单位，调整设计、改变施工方案。8、地质预报领导小组组长：杨斌副组长：何磊、赵永生、张勇、唐文超、夏得胜组员：陈道鹏、王国强、王建勋、潘兆军、王力、阎文成、蔡得福、杨永平、向东、田小鹏9、超前预报范围罗沙隧道超前预报段落表序号里程范围长度（米）围岩级别备注物探预报范围长度（米）水平钻探长度（米）1DK259+846DK260+360514f30-1及f30-2断层物质断层角砾，弱富水中富水DK259+960DK260+36045036

15、02DK260+360DK260+460100下第三系砾岩夹砂岩弱风化层，节理裂隙发育，岩体较破碎，中等富水DK260+360DK260+460100503DK260+460DK260+930470岩性软，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水DK260+830DK260+930100504DK260+930DK261+390460板岩夹砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水DK260+930DK261+3904602005DK261+390DK262+4601070岩性软，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水DK261+390DK261+490100506DK262+460DK262+660200背斜

16、核部，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水DK262+400DK262+600200607DK262+600DK267+6605000岩性软，节理裂隙发育，岩体破碎，中等富水DK263+600DK263+70010030DK266+950DK267+050100308DK267+660DK267+764104下第三系砾岩夹砂岩弱风化层，节理裂隙发育，岩体较破碎，中等富水DK267+660DK267+764104509DK267+764DK267+84480砾岩夹砂岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，中等富水DK267+764DK267+84450合计1764880二、监控量测1、 监控量测目的监测围岩变

17、形和压力情况，验证支护衬砌的设计效果，保证围岩稳定和施工安全。提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据，确定二次衬砌与仰拱的施作时间。通过对量测数据的分析处理，掌握地层稳定性变化规律，预见事故和险性，作为调整和修正支护参数及施工方法的依据，提供围岩支护衬砌最终稳定的信息。3、监控量测领导小组组长：杨彬副组长：何磊 夏海青组员：傅国 李永杰 张书成3、监控量测流程监控量测计划根据隧道的规模、地形地质条件、支护类型和参数、开挖方式等制定。监控量测作业安排见下页“监控量测流程图”。监控量测流程图分析、研究地质勘测资料制定监控量测计划施工监控量测开挖工作面状态评价数据处理施工方法变便支护减弱已施工区段的支

18、护加强施工方法变更支护加强安全否经济否施工完成否结束是是是否否否4、 量测项目隧道监控量测的项目应根据工程特点、规模大小和设计要求综合选定。量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。选测项目应根据工程规模、地质条件、隧道埋深、开挖方法及其他要求，有选择地进行。监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业。按设计要求布设测点，并根据具体情况及时调整或增加量测的内容。根据管段隧道的特点，必测项目包括：洞内、外观察；二次衬砌前净空变化；拱顶下沉；地表下沉（浅埋隧道必测，H02b时）；二次衬砌后净空变化；沉降缝两侧底板不均匀沉降；洞口段与路基过渡段不均匀沉降观测。选测项目应包括：地表下沉（H02b时）；隧底隆起。

19、5、 量测方法和要求拱顶下沉、收敛量测起始读数宜在36h内完成，其他量测应在每次开挖后12h内取得起始读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成。测点应牢固可靠、易于识别，并注意保护，严禁爆破损坏。基底处理完毕经检测符合各项指标后，在仰拱回填顶面横断面上设3个测点，纵向每10m设一排，采用精密水准仪进行沉降观测。观测周期及观测时间根据现场实际情况确定。观测计划及观测方案应征得监理及业主批准，观测结果异常时应立即报设计单位拿出处理意见，并上报兰渝铁路有限责任公司备案，情况紧急时，应果断采取措施，确保施工安全。隧道浅埋地段地表下沉的量测宜与洞内净空变化和拱顶下沉量测在同一横断面内。当地表

20、有建筑物时，应在建筑物周围增设地表下沉观测点。测试中按各项量测操作规程安装好仪器仪表，每测点一般测读三次，取算术平均值作为观测值；每次测试都要认真做好原始数据记录，并记录开挖里程、支护施工情况以及环境温度等，保持原始记录的准确性。各项量测作业均应持续到变形基本稳定后23周后结束。对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。具体方法和要求见表1。6、 测点布置洞顶地表下沉量测断面布置见图1，洞内周边收敛量测布置见图2，拱部下沉、底部上拱、填充面下沉量测布置见图3。7、 监测资料整理、数据分析及反馈在取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变

21、形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，并将结果反馈给设计、监理，从而实现动态设计、动态施工。现场量测所取得的原始数据，不可避免的具有一定的离散性，其中包含测量误差。因此，应对所测数据进行一定的数学处理。数学处理的目的是：将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性；探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统稳定状态。目前，回归分析是量测数据数学处理的主要方法，通过对量测数据回归分析预测最终位移值和各阶段的位移速率。表1 量测项目及要求表测试时间3个月

22、以上每次机械或人工开挖后及初期支护后。13次/月13次/月13个月12次/周12次/周15天1个月1次/2天1次/2天115天12次/天12次/天观测点布置全长度开挖及初期支护进行中。隧道周边共设三条监测基线，沿纵向每1030米设一组，如图所示，测点布置位置尽可能与地面观测点相一致。拱顶和隧底各设一测点，沿纵向每1030米设一组，如图所示，测点布置位置尽可能与地面观测点相一致。填充面每30米设一组。方法、要求及工具岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述、地质罗盘。采用隧道周边位移计（或全站仪非接触观测法）量测。开挖后按图安设收敛杆件并进行编号，收敛杆件埋入土体深度不小于40cm。各测点设固定桩，

23、其设置应在开挖或第一次喷射混凝土完成后迅速完成，采用水平仪、水准尺抄平测量。尽可能和地面相应位置点同时进行。填充面固定桩在填充混凝土完成后设置。项目名称地质及支护状态观察洞内周边水平收敛位移量测拱顶下沉及底部上鼓、仰拱填充面高程量测应测项目 表1 量测项目及要求表 续前表测试时间3个月以上1次/天1次/15天13个月15天1个月115天观测点布置纵向沿隧道中线每1020米左右设一个混凝土桩，横向按图所示布点安设混凝土桩。横断面位置依据衬砌类型并结合实际地形选择在横向地形变化较小和不受仰坡开挖影响的部位。并在洞顶山体变形范围以外设两个水准点，供洞顶测点抄平使用。洞内沉降缝每侧布设四个以上观测点，

24、洞口布点视过渡段的情况而定，根据沉降曲线确定道床施作时间。方法、要求及工具采用精密水准仪，混凝土桩及水准基点要求按“铁路测量技术规则”办理，桩底应埋设于冻结线以下3050cm。沉陷抄平应按以下几个阶段进行：进洞前应将所有纵、横断面方向桩全部抄平一次。开挖至量测断面20m、 10m 、5m时、开挖至量测断面时、开挖超过量测断面5m、10m、20m时、至衬砌前每天测量一次。当出现沉陷值突然变大时，应酌情增加量测次数，进行监视。衬砌后，应根据沉陷情况继续量测一段时间。三等水准测量项目名称洞口及浅埋段、下穿高速公路段、洞顶地表沉陷量测沉降缝两侧底板不均匀沉降，洞口段与路基过渡段不均匀沉降观测。应测项目

25、8、 监控量测管理围岩稳定性的综合判别，应根据量测结果按以下方法进行。按变形管理等级指导施工，见表2。表2 变形管理等级管理等级管理位移施工状态U2Uo/3停工，采取特殊措施后方可施工注：U为实测位移值；Uo为最大允许位移值。根据位移变化速度判别净空变化速度持续大于5.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护。水平收敛（拱脚附近）速度小于0.2mm/d，拱顶下沉速度小于0.15mm/d，围岩基本达到稳定。在浅埋地段以及膨胀性和挤压性围岩等情况下，应采用监控量测分析判别。根据位移时态曲线的形态来判别当围岩位移速率不断下降时（du2/d2t0），围岩趋于稳定状态；当围岩位移速率保持不变时

26、（du2/d2t=0），围岩不稳定，应加强支护；当围岩位移速率不断上升时（du2/d2t0），围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。围岩稳定性判别是一项很复杂的也是非常重要的工作，必须结合具体工程情况采用上述几种判别准则进行综合评判。9、 监控量测质量保证措施将监测管理及监测实施计划纳入施工生产计划中，作为一个重要的施工工序来抓，并保证监测有确定的时间和空间。各施工单位应由工程技术管理中心组成专门监测小组，具体负责各项监测工作。制定切实可行的监测实施方案和相应的测点埋设保护措施，并将其纳入工程的施工进度控制计划。施工监测紧密结合施工步骤，监控每一施工步骤对周围环境、围岩、支护结构、变形的影响，据此优化施工方案。积极配合监理、设计单位做好对监测工作的检查、监督和指导，及时向监理、设计单位报告情况和问题，并提供有关切实可靠的数据记录，工程完成后，根据监测资料整理出本标段的监测分析总报告纳入竣工资料中。量测项目人员要相对固定，保证数据资料的连续性。量测仪器专人使用、专业机构保养、专业机构检校。量测设备、元器件等在使用前均经过检校，合格后方可使用。测试完毕后检查仪器、仪表