超前地质预报施工工艺应用.doc

超前地质预报施工工艺一、编制目的明确隧道超前地质预报施工作业的工艺流程、操作要点和相应的工艺标准，指导、规范地质预报的施工。二、编制依据武广专线铁路隧道工程施工技术指南（TZ214-2005）;武广专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准（铁建设2005160号）;铁路隧道施工规范（TB10204-2002）;武广客运专线双线铁路隧道参考图；铁路混凝土工程施工技术指南（TZ210-2005）;武广客运专线公司下发的各隧道施工图纸。三、适用范围适用于本标段的所有隧道的地质预报。四、施工工艺及方法不良地质隧道地质情况复杂，地下水丰富，断层多且破碎带影响范围不一，提前探明前方地质情况，准确了解不良地质里程、影响范围的大小，对指导隧道施工生产，做好施工准备具有重大的意义。鉴于隧道工程地质条件非常复杂，我单位将在设计文件提供的地质勘探资料基础上进一步进行地质调查，进行宏观的地质预测预报。在此基础上，制定施工阶段超前地质预测预报工作的纲要，作为隧道施工阶段超前地质预测预报工作的指导原则，以TSP203超前地质预测预报系统进行长期预测预报，以地质雷达、红外线探水、掌子面地质编录为短期进行预报，以超前探孔、涌水量实测作验证预报，实行长距离地质预报和中短期地质预报相结合的综合超前地质预报技术。超前地质预报程序图及拟采用的预测仪器设备见下页。预报精度：对预测、预报不良地质准确度达到基本正确正确。1、超前地质预报工作计划1.1、施工前地质预报科研部组织超前地质预报中心人员，对隧道工程地质及水文地质资料进行详细分析、核对所提供的地质勘探资料，对表露地质现状进行考察，以此为依据，编写隧道工程及水文地质资料表，对施工队进行技术交底，使施工队在施工前对隧道的工程地质、水文地质状况有所了解，并对相关人员进行专门的技术培训，为正式施工做好必要的准备。超前地质预测预报程序图 地质预报仪器设备表序号设备名称型号单位数量生产厂家1TSP探测仪TSP203套2瑞士安伯格公司2地质雷达SIR-10H套2美国3红外探水仪HY-303套2日本4超声波检测仪CSB-3台2日本5地质钻机MK-5台7煤科院西安分院6数码相机尼康台2日本1.2、施工中的工程地质预报1.2.1一般地段地质预报工作在一般地段的地质预报工作包括：长期TSP203超前探测预报、中短期地质雷达探测、红外探水仪、地质素描预报和超前钻孔揭露验证预报，由这三方面的探测来全面地分析掌子面前方的地质情况，为设计提供动态设计依据，为安全施工提供情报保证。1.2.2特殊地质段地质预报工作岩溶地带岩溶的突出特征是：发育强烈，管道、溶洞、溶隙极发育，洼地、落水洞密度大，岩溶地下水多以大泉、暗河形式排出，雨后地表水转化迅速；垂向岩溶发育带明显，垂向渗滤带的补给区厚度大、排泄厚度小，一般30200m；水平径流带为饱水带的下部，埋藏深度大于200500m。采用地貌、地质调查与地质推理相结合的方法，进行定性预测。具体采取的措施有：一是对洞体上方岩溶表现形态进行调查，对照纵断面推断岩溶可能发育洞段，为岩溶预测和处理做好做准备。二是对开挖全过程进行综合预测、预报，方法有超前导洞预报、TSP长期预测预报、红外线探水、地质雷达中短期预报、超前探孔近距离预报及前兆法预报等。三是开挖后对隧底和洞体周边进行探测，隧底岩溶可采用隧底钻探或地温探查、地质雷达等方法对岩溶发育地段进行探测隧底岩溶的分布情况，发现隧道底部距底板较近有溶洞或洞体周边有溶洞后及时通知设计单位，由设计单位拿出处理方案，确保隧道质量。断层破碎带 断层破碎带，主要采用下列预报措施：采用TSP203、地质雷达探测等超前地质预报手段，探测掌子面前方10020m以远的地质情况；安排人员关注导洞内地质素描，测量围岩变化范围，用类比法确定正洞施工前方断层破碎带的范围；加强超前孔涌水的观测，按涌水量的变化推断断层距掌子面距离，按出水量大小推断断层储水构造属性，对可能存在断层、且具有强富水特征地段，要加强地质超前钻孔，掌握其断层水的赋存情况，及时给监理、设计部门报告。C含瓦斯地带针对瓦斯地质，拟采用下述对策来预报：根据设计资料，结合现场实际情况，主要根据设计资料确定的里程和瓦斯探测仪进行预报。成立专职的瓦斯检测机构，安装瓦斯检测仪（瓦斯报警仪AQJ-9，瓦斯遥测仪AYJ-3），并打超前探孔预测。在有瓦斯地段，安排专人对瓦斯溢出情况进行检测，按表格形式填报，发现瓦斯含量超标，及时报警，并撤离人员和设备，通过处理后再行开挖。D高地应力地带对于高地应力地带、拟采取的预报手段是：经验准则预报:即在现场采用孔径变形法、简易应力解除法、声发射等技术进行地应力测试，根据强度理论、能量理论、冲击倾向理论、天生桥理论等工具来预测前方岩爆可能性与岩爆等级；类比分析预报:即根据超前平导已发生岩爆的洞段的地应力和岩爆规律预测前方发生岩爆的可能性及岩爆规模；设专职安全值班人员检测围岩动态，尤其是超前探孔有特异地质现象的发生时，常预示着岩爆现象的发生；关注超前探孔揭示的地下水情况，间接来预测岩爆的发生，一般少水、无水地段易发生岩爆；2、超前地质预报组织机构及工作模式针对复杂地质条件隧道的特点，施工中必须超前探明断层、地下水等不良地质情况，确保施工安全。项目经理部科研部下设地质预报中心，成立地质灾害治理专家组，聘请国内地质方面的专家、学者为顾问，预报中心配备专职地质工程师负责该隧道的工程地质预测预报工作。施工中配备有经验的地质工程师对隧道开挖施工进行全过程监控指导，确保各种预报措施的落实。地质预报工作组织机构见下图，超前地质预报工作的工作模式见下页图。3、TSP203超前预报TSP-203超前地质预报系统是由瑞士Leica公司与安百格测量技术公司合作开发的隧道及地下工程探测设备和探测技术。它具有探测、解译距离远，分辨率高的优点，最适合长距离不良地质体的超前地质预报。 地质预报工作组织机构图3.1、基本原理与野外布设其基本原理是人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震源断面，这些震源发出的地震波遇到地层层面、节理面，特别是断层破碎带界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质断面时，将产生反射波；这些反射波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向均与相关界面的性质、产状密切相关。依据以上原理，TSP-203系统设置了反射波数据采集系统和分析系统两大部分。反射波采集系统由传感器和记录仪组成。传感器设有多种超灵敏的加速传感器，它在计算机的监控下，将反射波数据传输给记录仪，经微机处理后储存起来。储存的反射波数据传输给分析系统后，电脑经过复杂的数学计算，最后形成反映相关界面的影象点图和隧道平、剖面图。工作原理详见下图： TSP-203探测系统工作原理示意图3.2、TSP203系统的数据处理与解译技术TSP203系统的数据处理过程主要包括：对原始波形（X、Y、Z） 施工阶段工程地质工作模式图的初步选择；波谱分析窗口选择；对原始波形进行波谱分析；进行带通滤波处理；调节、选择、捡取初始波；确定纵横波初始波的位置；各炮点的资料进行能量平衡；经Q值评价提取反射波；纵横波分离处理；将波形分析的结果显示成像图；从二维速度模型出发将时间断面转换到实际空间；根据选择的主要反射界面个数提取反射界面。3.3、现场探测3.3.1操作前准备：操作人员 4 人：其中，电工 1 人，爆破工 1 人，配合 2 人。材料：瞬发雷管30个，引爆电线约 60 m，高爆炸药每次约 600 克，每孔装 2030 g。3.3.2钻孔布置接收器钻孔：位置：距掌子面约 55 m处；数量：与爆破孔同侧壁，1个；直径/深度：38 mm(32-45mm)，深度2.4m；线向：垂直于隧道轴向底面倾斜10o，向洞口回斜10o；高度：约在地面以上 1 m。爆破钻孔：位置：第一个爆破孔约距接收器20m，而后，所有向前至隧道掌子面的爆破孔间距约1.5m；数量：根椐掌子面的实际情况而定，但应大于 18 个；直径/深度：38mm(1945mm)/1.5m(最小0.8mm，最大2m) ；线向：垂直于隧道轴向，或向上与掌子面成10夹角，向地面倾斜 1020；高度：约在地面以上1.0 m。3.3.3现场测试在接收器套管埋设 24h后，即可进行现场测试。现场测试主要有下面步骤：安装接收器、启动记录仪、噪声检查、触发测试、炮眼装药、地震波测试、测试结束。3.3.4数据输出完成现场测试后，将记录仪中记录的信息传输到计算机中，进行编译并输出结果。4、中短期预报方法4.1、掌子面及隧底地质雷达探测作为长距离超前地质预报TSP203的补充，特别是对长距离探测中预报的异常体进行补充探测，地质雷达是比较有效的一种探测手段。4.1.1基本原理与布设地质雷达是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。其原理是高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过的介质的电性特征及几何形态而变化。故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。4.1.2特点地质雷达主要优点是三维空间探测；地质雷达对探测范围内的断层破碎带等物性差异界面反映较灵敏，预测位置较准确；而对含水带反射信号的判别带有一定的偶然性，无法判定前方含水带的涌水性质和危害程度；且对与洞向平行的结构面较难查明。因此地质雷达应与其它探测方法相结合。4.1.3探测距离和频率准确探测距离为不大于30m，因此探测频率取1次/30m。4.1.4工作方式及程序由于岩溶洞穴与围岩的电性存在明显差异，由空气或水与围岩形成的界面对雷达发射的电磁波会形成强反射界面。地质雷达发射的电磁波在地下传播时被不同的介质吸收，其探测效果将受地下介质及反射面的影响。不同频率的天线对同一深度的地质界面，低频天线的分辨率相对较低，但探测深度大，最深可达30m；高频天线具有较高分辨率，可显示出止浆墙与岩盘的明确界限。在进行地质探测时应对不同的地电条件和需解决的问题，选择不同频率的天线与相应的工作方式，以达到较好的探测效果。工作程序：地质雷达的工作程序见下图地质雷达工作程序框图4.2、红外探水仪工程地下水具有突发性、高水头、大流量的特点，准确判定掌子面前方的地下水情况将是工程地下水防治施工的关键。因此，采用红外探水技术对掌子面前方富水情况进行探测。4.2.1基本原理由于地下水活动会引起岩体红外辐射场强的变化，红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否隐状的含水体。4.2.2特点A测量快速，基本不占用生产时间。测量结束，即可得出初步结论。B虽然探水准确率较高，但对水量、水压等重要参数无法预测。4.2.3探测距离及频率探测准确距离一般为20m，因此探测频率取1次/20m。4.3、地质素描利用地质素描判定工作面前方短距离范围内的地质情况。辅助洞掘进施工时，派有经验的地质工程师在每排炮后对工作面进行地质素描，必要时照相摄影，并绘制地质素描图。地质素描的主要内容包括：地下水状态（出水点、出水量、水压力、突水情况等）；地层岩性（产状、结构、地质构造影响程度等）；岩石特性（岩石名称、风化状况、岩石结构、质地、强度）；地质结构面（间距、延伸性、粗糙度、张开性等）；软弱夹层，贯穿性强的大节理、断层（填充情况、风化程度、开度、渗漏）等。根据地质素描图的内容，做出开挖面前方短距离内的岩体稳定性分析，并结合平导所揭示的情况和有害气体监测情况，通过综合分析判断，提出地质预测报告。4.4、数码相机分析法采用数码相机摄取有关掌子面及隧道断面的有关数据，如地质数据、变形数据，就可以比较方便、可靠地推定围岩的级别、进行三维的地质分析以及进行隧道净空变形的观测等。这是一项具有高科技含量和发展前景的技术“信息技术”在地下工程中的具体应用。该方法设备简单，仅仅需要数台较高分辨率的数码相机及相应的附属配件。例如，在隧道围岩分级中，重点是如何在施工阶段的掌子面上获取分级所需的基本要素（地质要素）， 因此，如何可靠地、快速地、客观地取得掌子面地质数据是至关重要的。采用地质画像处理技术对掌子面的地质条件进行画像处理，提炼出与围岩分级有关的参数，对围岩分级进行修正。此方法不仅适用于围岩分级的修正，也可用来进行掌子面前方的地质预测，以及对衬砌开裂的观察、隧道断面形状、变形的测试等等。我们准备在施工中将这种地质分析方法列为科研项目，与其它预报方法相结合进行地质预测。5、揭露式验证预报超前钻孔能够较真实地反映掌子面前方的地质情况，尤其是能直接探测掌子面前方地下水的赋存情况。对于大于30m深的超前钻孔，钻孔前应先用稍大直径的钻头钻孔，安设3m孔口管，并在孔口处设闸阀，在遇到高压水时可紧急关闭，防止突水。5.1、超前探孔（21m）掌子面超前钻孔采用液压钻孔台车，根据液压钻孔台车钻孔性能和为了确保钻孔精度，确定、类围岩每次超前钻孔长度为21m（留m止浆岩盘，再开始下一次探孔）。在超前预报基础上，针对有水部位，在需要探测断面上随机布置2个孔，争取探孔打到出水构造上，或者打在节理裂隙附近。探水孔的主要目的是：探明水量和水压情况，在钻孔的同时，记录钻孔速度、岩碴岩粉特征、冲洗液颜色、含泥量、出水部位、钻杆是否突进等情况，按设计和开挖面的地质资料，判定工作面前方的工程、水文地质情况，以采取必要的预防措施。5.2、超前探孔（30m）对于用地质仪器探测到掌子面前方有较大断层和储水构造时，用21m探孔不能足探测要求或需要取芯时，或掌子面涌水量1L/S时，采用MK-5型地质钻机进行30m超前钻孔。其布置方式和目的作用与21m探孔相同。5.3、超前取芯钻孔（5080m）对于用地质仪器探测到的在掌子面前方有较大断层或实测涌水量大于L/S时，采用MK-5型地质钻机进行5080m的超前取芯钻孔，对仪器探测结果、断层设计位置进行钻孔取