隧道超前地质预报方案

1、山西中南部铁路通道 ZNTJ06 标段项目经理部第四分部 隧道超前地质预报方案 编 制： 复 核： 审 核： 审 批： 中铁隧道集团有限公司 二 O 一 O 年五月 目目 录录 1、编制依据.2 2、工程概况.2 3、超前地质预报的目的.2 4、超前地质预报组织机构.3 5、超前预报的范围.4 6、综合超前地质预报流程.4 7、超前地质预报的分级与方案设计.5 7.1 区域地质和不良地质资料分析 .5 7.2 超前地质预报分级管理 .6 7.3 超前地质预报方案设计.8 8、超前地质预报仪器.17 9、超前地质预报周期.18 10、资料交附与质量保证措施.18 10.1 资料交付.18 10.

2、2 质量保证措施.18 1 1、编制依据、编制依据 1.1岩土工程勘察规范 （GB50021-2001） 1.2铁路隧道超前地质预报技术指南 （铁建设【2008】105 号） 1.3物探工程测量规程 （DZ/T0153-95） 1.4 山西中南部铁路通道 ZNTJ06 标隧道施工图及隧参图等。 2 2、工程概况、工程概况 山西中南铁路通道 ZNTJ06 标四分部位于山西省临汾市蒲县境内， 地处吕梁山西坡黄土高原峁梁区，沟壑纵横，植被稀疏，地形起伏较大。 本段起讫里程为蒲县隧道中点 DK279+572.5 至蒲城隧道中点 DK288+525；分部驻地位置为，蒲城隧道进口附近。第四分部全线长 89

3、52.2 米，其中路基 674.9 米，桥梁 2 座，隧道 6 座，涵洞 5 座。 设计列车行车速度 120Km/h。隧道所处原地面高程在 850m1250m，地形起伏较大，本工点隧道所处位置天然水源丰富，水 质经检测合格。隧道洞身有少量基岩裂隙水及微量孔溪水，受大气降水 补给。隧道区地层主要为山顶上覆第四系上更新统风积层，新黄土，浅 黄土，浅黄色-灰黄色，硬塑，土质均匀，垂直节理发育，层厚 42-51cm;第 四系中更新统洪积层， ；老黄土：棕红色，坚硬，具微层理，土质经压 实层厚 47-50.8 米，第三系上新统粉质粘：褐红色-棕红色，中密，饱 和，风化-弱风化，节理较发育，岩体较破碎，岩

4、层产状 13013。 3 3、超前地质预报的目的、超前地质预报的目的 在隧道开挖前及施工过程中对隧道周围及掌子面前方的地质情况进 行探测，识别和预测隧道掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构， 提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数，为正确选择开 挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、 突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，提前做好施工准备， 保证施工安全，同时还可节约大量资金。 本标段隧道大部分岩性主要为黄土、砂岩，砾岩，岩层缓倾节理较 发育，对隧道的掘进将造成很大的困难，最显著的特点就是不良地质会 造成隧道的塌方或者拱顶掉块，造成人员伤亡和设备损

5、坏，以及其所带 来的次生灾害更加重了生态环境污染和破坏。因此，为避免不良地质给 隧道施工造成危害，在隧道施工前，必须充分认识和了解围岩，进行超 前地质预报。 4 4、超前地质预报组织机构、超前地质预报组织机构 施工中将超前地质预报工作作为一个工序来进行安排，成立专业超 前地质预报室，配备先进的预测与预报设备和仪器，建立地质预报管理 组织机构，由总工程师任组长，工程部长、地质工程师任副组长，各专 业工程师任成员的组织机构，配备 TSP203 地质超前预报仪、HSP 水平声 波反射仪、地质雷达、红外探水仪、超前水平地质钻机、数码相机、数 码摄像机等先进仪器以组成完善的超前地质预测预报体系，全面实施

6、本 隧道的超前地质预测预报工作。组织机构见：图 1。 图图 1 1 超前地质预测预报组织机构图超前地质预测预报组织机构图 总工程师任组长：全面负责综合测试与超前地质预报工作，直接向 项目经理负责；工程部长、地质工程师任副组长：组织工程地质、水文 地质、物探及试验等专业组成人员进行超前地质预报日常工作； 地质工程师：负责隧道工程的地质超前预报和调绘、监测以及测试、 试验资料的分析、研究，提出施工工程措施建议； 组长：总工程师 副组长：工程部长、地质工程师 工 程 地 质 水 文 地 质 物 探 专 业 试 验 专 业 水文工程师：负责水文地质调绘、测试及隧道涌水量的预测与环境 水文地质评价； 物

7、探专业工程师：负责物探测试工作； 试验专业工程师：负责岩、土、水样的测试、试验工作。 5 5、超前预报的范围、超前预报的范围 本段施工范围内共有隧道 6 座，在施工前和施工过程中对每座隧道 的正洞进行超前地质预报。 隧道工程数量一览表隧道工程数量一览表 序号隧道名称起点里程终点里程长度 1 蒲县隧道（出口） DK279+572.5DK281+7502177.5 2 平里沟隧道 DK281+915DK282+265350 3 清水岭隧道 DK282+555DK285+5002945 4 前古坡隧道 DK285+675DK286+130455 5 东关隧道 DK286+335DK286+94060

8、5 6 蒲城隧道（进口） DK286+995DK288+5251530 合计 8062.5 6 6、综合超前地质预报流程、综合超前地质预报流程 综合超前地质预报是采用以地质分析法为基础，以 TSP 法、地质雷 达法和地震波反射映像法三种方法为辅助手段的综合预报方法，对隧道 的不良地质进行了预报分析，可准确得到开挖掌子面前方岩性变化和构 造分布的详细地质信息。 综合超前地质预报流程见：图 2 图图 2:2:综合超前地质预报流程图综合超前地质预报流程图 7 7、超前地质预报的分级与方案设计、超前地质预报的分级与方案设计 7.17.1 区域地质和不良地质资料分析区域地质和不良地质资料分析 7.1.1

9、7.1.1 区域地质分析区域地质分析 本标段隧道区域地质分析是宏观预报的基础之一。区域地质资料， 主要包括： 隧道所在地区大地构造环境、构造体系、构造复合与构造演化； 沉积建造环境、建造特征、建造演化； 岩浆侵入、喷溢的地质环境、岩浆活动的特征。 还包括它们与区域地壳运动的关系，等等。 上述资料主要从本标段隧道所在地区的各种比例尺区域地质图、区 域构造体系图及其施工图纸资料中获取。区域地质分析，则是应用大地 构造学、构造地质学、特别是地质力学的理论，应用沉积岩石学和沉积 建造理论，应用岩浆岩石学和岩浆建造理论分析所收集的区域地质资料， 初步了解隧道所在地区： 主要构造方位、力学性质和构造多期活

10、动特征及其不同方位构造 对隧道围岩稳定性的影响程度； 主要地层类型（如煤系地层、灰岩、白云岩等可溶岩地层等等） 特征及其隧道围岩稳定性的影响程度； 主要岩浆岩的类型（如侵入岩、喷出岩）特征、空间分布特征及 其隧道围岩稳定性的影响程度。 7.1.27.1.2不良地质条件分析不良地质条件分析 不良地质条件分析是隧道所在地区不良地质宏观预报的依据。因为： 大多数隧道不良地质体本身就是区域地层、地质构造或岩溶地质体的一 部分。 主要包括：依据地层层序和特殊岩层分析，构造体系、构造型式和 构造分布规律分析，地应力状态分析，岩浆岩侵入体成因、产状分析， 溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带成生条件和展布规律

11、分析，煤系 地层中的煤层和瓦斯地质分析等等。 7.27.2 超前地质预报分级管理超前地质预报分级管理 根据设计图和本管段隧道的地质情况，结合目前国内外超前地质预 报设备、技术和手段发展的现状和水平，拟采用以施工掌子面地质素描 法、超前水平钻孔(30120 m超前水平钻探和5 m加深风钻)、TSP203超 前地质预报系统、HY一303红外探测等为主要手段的综合预报技术，对 超前地质预报实行分级管理。 7.2.17.2.1 超前地质预报分级超前地质预报分级 根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，超前地质预报分级分为 以下四级。 A级：存在重大地质灾害的地段，如软弱、破碎、富水、导水性良 好的断层破

12、碎带，特殊地质地段，重大物探异常地段，大型、特大型突 水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严 重的地段以及人为坑洞等。 B级：主要针对中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂 带等。 C级：主要针对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。 D级：非可溶岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性极 小。 地质预测预报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、多种物探方法相结合、地球物理方法与超前水平钻 探相结合，辅助导坑与主洞探测相结合，开展多层次、多手段的综合超 前地质预报，并贯穿于施工全过程。 7.2.27.2

13、.2 分级预报方式分级预报方式 A级预报：采用地质分析法、地震波反射法、声波反射法、地质雷 达、红外探测、超前水平钻探等手段进行综合预报。 B级预报：采用地质分析法、地震波反射法或声波反射法，辅以红 外探测、地质雷达，进行必要的超前水平钻孔。当发现局部地段工程地 质复杂时，则按A级要求实施。 C级预报：以地质分析法为主，对重要的地质(层)界面、断层或物 探常地段可采用地震波反射法或声波反射法进行探测，必要时红外探水 和超前水平钻孔。 D级预报：采用地质分析法。 结合本标段隧道实际地质情况，将隧道分级预测定为C级。在施工 过程中根据实际情况调整。 7.37.3 超前地质预报方案设计超前地质预报方

14、案设计 7.3.17.3.1 TSPTSP长距离超前预报长距离超前预报 7.3.1.1简介 TSP 设备是由瑞士安伯格公司开发、生产的，是当前国内外最先进 的隧道长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要 手段。它与其它超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测距离远 （可达隧道掌子面前方 300500 米,有效预报距离 100150 米） ，分辨 率高（最高分辨率为 1 米） ，抗干扰能力强（基本不受干扰） ，影响施工 很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅用 45 分钟） 。 该设备主要用于超前预报隧道掌子面前方不良地质的性质、位置和 规模，最大探测距离为掌子面前方 300

15、500m，设备限定的有效预报距 离为掌子面前方 100m，最高分辨率为1m 地质体。 7.3.1.2 操作要点 准备工作：操作人员4人，其中电工、爆破工各1人，配合人员2 人；瞬发雷管约30个，引爆电线约60m，炸药600g/次，每孔装 2030g。 钻孔接收器钻孔位置距工作面约55m，与爆破孔同侧壁，数量1个， 直径38mm，深度2.4m，方向垂直于隧道轴线或向底面倾斜10o，向洞口回 斜10o，高度约在地面以上1.0m。第一个爆破孔距离接收器20m，而后所 有向前至工作面的爆破孔间距约1.5m，爆破孔数量根据隧道工作面的实 际位置而定，但应大于18个；直径38mm，深度1.5m，线向垂直于

16、隧道轴 向，或向上与工作面成10o夹角，向地面倾斜10o20o，高度约在地面以 上1.0m。 接收器套管的埋置与爆破孔的保护，接收器套管的埋置关系到接 收器所收集震波信息的准确性。在接收器钻孔钻好后，用不收缩的快干 砂浆或锚固剂注满钻孔，然后将套管插入孔中，24h后固化备用，整个 过程小心操作，确保套管与围岩无孔缝存在。爆破孔钻好后，为防止钻 孔在不稳定围岩中坍塌，可用塑料管（直径30mm，长约1.5m）插入孔中 备用，实测时取出装药。 仪器调试包括基本工程数据的输入，测量几何图形参数的输入， 地震波参数的输入。 现场测试在接收器套管埋设24h后，即可进行现场测试，探测断 层产状及有无设计遗漏

17、断层。 7.3.1.3 TSP能解决的主要技术问题 预报掌子面前方的断层破碎带、软岩、岩溶陷落柱等不良地质体 的性质、位置和规模； 预报涌水量大于5米3/h以上的富水地质体和老窑、老崆等采空区 的存在、位置和规模； 预报煤系地层的边界和其中的煤层、富水砂岩； 粗略地预报围岩级别（类别）； 定性地预报发生塌方、突泥突水等施工地质灾害的危险性。 7.3.1.4 TSP的主要技术指标 探测距离一般为掌子面前方300500米，最大可达1500米；有效 预报距离为掌子面前方100150米。 最高分辨率为1米地质体； 预报不良地质体位置的精度可达90%以上； 预报不良地质体规模的精度可达85%以上。 7.

18、3.27.3.2 TEMTEM地质雷达短距离精确探测（地质雷达短距离精确探测（20-6020-60米）米） 当开挖揭露的地质情况与前期工程地质勘察资料有较大的出入，预 计开挖前方可能遇到软弱层带、含有害气体的地层、突泥、突水等；当 出现围岩不断掉块，洞内灰尘突然增多，支撑变形或连续发出响声；出 现片帮或严重鼓胀变形。出现以上情况时，应对其产生原因、性质和可 能的危害作出科学的分析判断，并及时进行地质雷达超前探测预报。 7.3.2.1地质雷达超前预报原理 地质雷达属于电磁波物探技术。电磁波通过天线向地下发射，遇到 不同阻抗介面时，将产生反射波和透射波。接收机利用分时采样原理和 数据组合方式，把天

19、线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字 信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的形式显示出来， 供解译人员分析。 地质雷达是一种无损探测仪器。它依据电磁波脉冲在地下传播的原 理进行工作，电磁波脉冲由发射天线发出，被地下介质介面（或埋藏物） 反射，由接收天线接收然后将这些信号记录下来，成图显示出来。被反 射脉冲旅行时间在单置式天线情况下为 vht/2 式中h为反射界面的深度(m)；v为波速(m/ns)；t为脉冲双程旅行时 间(ns)。 图4 地质雷达电磁波脉冲传播示意图 图5 地质雷达工作原理图 图6 电磁波在介质分介面上的反射和折射 每发射一次脉冲，就接收到一串反射讯号，称为时间

20、系列或扫描记 录。随着天线在介质面上方平行移动，得到无数扫描记录（大约200次/ 秒），合成一张完整的地下透视图像。 对于地质雷达所使用的频段来说，地下媒质一般可视为准电介质， 波速可由下式近似求出 rcv/ 式中c为真空中光速(0.3m/ns)；r为地下介质的相对介电常数。 研究表明，引起雷达脉冲反射的主要原因是各种介质的介电常数不 同。这是由于各介质的物质结构不同而造成的。如灰岩的介电常数通常 在78之间。根据电磁波理论，当电磁波穿过层状介质时，由于上下介 质的电磁特性不同而产生折射和反射。 7.3.2.2工作方法 本隧道超前预报采用美国劳雷公司(GSSI)研制生产的SIR-20型地质 雷

21、达。天线的中心频率为100MHz和40MHz，有效采样视窗为 6001000ns，每根扫描的样点数选用512-1024，每0.5m打一个点，探 测深度达3060m。根据掌子面的情况，沿水平、竖直方向各布置了2条 测试剖面，具体测线位置及方向见。由于掌子面不平整，为提高测试的 准确性,测试过程中每条剖面均进行了重复测试。 图7 测线位置及方向示意图 图8 地质雷达探测图像 7.3.2.3雷达超前预报操作流程 为保证本标段隧道检测工作能够及时准确地完成，我部组建检测组， 特针对雷达检测施工工作做出以下细则，本细则自即日期开始实施，要 求全部检测人员认真、严格执行。 A 前期准备工作 雷达检测组技术

22、负责人制定雷达检测工作进度表，下发全体技术 人员，要求技术人员按此进度表制定详细工作计划，以便于雷达检测组 能及时地向施工方提前发出雷达检测通知，便于施工队伍提前做好雷达 检测的必要准备工作，以保证施工队伍调整施工进度，且利于我队检测 组及时、高效地完成雷达检测工作。 雷达检测组技术负责人要根据检测目的计算好仪器的参数设置， 以保证能在现场采集到全面、高效的数据记录；布线方式可根据掌子面 地质情况及施工条件，现场设计合理的采集测线。 雷达检测组技术负责人在出发前进行仪器的全面检查，避免由人 为因素造成工地采集过程中出现采集中断。 B 现场采集工作 雷达采集过程中要求有至少两名专业技术人员在场，

23、以保证仪器 操作、天线布设及仪器采集过程中的维护工作，同时在采集过程中要做 好仪器的保护工作，防止人为或落石等造成仪器的损坏情况发生 雷达检测数据采集现场保证至少一人为专业地质描述人员，按要 求做好掌子面及周边围岩的描述。 C 雷达检测组描述人员管理 雷达检测组描述人员做好现场记录，以便准确记录现场地质情况， 同时配备必要的工具（地质锤、罗盘、放大镜、皮尺、花杆）。 描述人员要对周边围岩进行详细的描述，对于大于 25cm 的裂隙 或节理一定要进行详细描述(包括长度、走向、宽度、数量)，对其可能 的延伸方向要进行三维推断描述。要求描述信息准确、有效，并在野外 做出描述草图，以备后期的资料整理与存

24、档。 雷达检测描述人员要对记录进行全面记载，包括： 断面号，要求为简单易记，能反映断面所处隧道的准确位置。 里程号，要求精确到 0.1m （如 XX 检测的位置为 DK722+000.3）。 面积，要求有整体的把握，并对其做出准备合理的描述，包括影 响深度、范围、影响消失边界。 雷达检测描述人员也要准确记录已支护拱顶及周边变形及渗水情 况，做好野外描述，要求描述语言要严格按规范中语言对地质情况进行 客观描述，对有疑义处必须进行必要的咨询，对确难定义处要求争取多 人意见，最终得出结论，并做好记录。 雷达检测采集人员在现场采集过程中要及时做好雷达记录与现场 地质情况的对比，以便于为后期的资料处理过

25、程中提供参考。 雷达检测采集人员要做好现场的班报记录（包括检测位置、文件 名、仪器参数设置），保证数据记录格式的统一和准确性。 在检测中出现较大数据误差，技术人员进行诊断处理，无法达到 检测目的的，得出处理意见，经雷达检测组技术负责人审核后，雷达检 测组及时修改检测方案，对该次雷达检测进行必要的补充检测。 7.3.37.3.3 超前钻孔超前钻孔 当通过 TSP 长距离超前预报和 TEM 地质雷达短距离探测（瞬变电磁 仪法探测）初步判断前方有不良地质时，如区域性断层、岩溶发育段、 突涌水段等，应采用钻孔检查验证，探孔长度 2030 米，保护段长度 不小于 10 米。根据不良地质地空间规模，确定钻

26、孔的施作位置、方位、 孔数，一般一个断面钻孔不对于 3 个，钻进时应对钻进速度、取芯情况、 出水点位置、流量、水压、水温及出水状态等作详细记录。瓦斯段超前 钻孔应符合煤矿安全规程的有关要求。 10m 2米 图图 9 9：超前钻孔纵断面图：超前钻孔纵断面图 图图 1010：超前钻孔横断面图：超前钻孔横断面图 通过地质超前预报和探孔，及时发现异常情况，预报掌子面前方不 良地质体的位置、产状、含水量情况及围岩结构的完整性，从而为优化 施工隧道方案提供依据，为预防隧道突水、突泥、有害气体溢出等可能 形成的灾害性事故及时提供信息 7.3.47.3.4 有毒有害气体监测有毒有害气体监测 当隧道穿过煤层或其

27、它赋存有毒有害气体的地层时，有毒有害气体 会突然释放出来，威胁施工人员的生命安全。因此，必需对隧道施工过 程中的有毒有害气体进行监测。 本项目采用移动式复合气体检测仪，对隧道中空气进行实时监测。 该议器有四个检测通道，最多可同时检测15种气体，一种可燃气体及 四种毒气，即插即用。360度光报警及103dB声报警。 图图1111 移动式复合气体检测仪移动式复合气体检测仪 8 8、超前地质预报仪器、超前地质预报仪器 、地质罗盘 、TSP203； 、SIR20 地质雷达； 、地质钻孔机； 、移动式复合气体检测仪（瓦斯探测） 。 9 9、超前地质预报周期、超前地质预报周期 、隧道每掘进 100 米使用 TSP 进行一次长距离超前地质预报； 、每 60 米