隧道围岩超前地质预报方案-报信山隧道

新建沪昆客专贵州段

(CKGZTJ-3标)

报信山隧道超前地质预报 实施方案

编制:中交股份有限责任公司沪昆客专贵州段二项目部

日期：2010年11月23日

沪昆客专贵州段二项目部 超前地质预报实施方案

报信山隧道超前地质预报实施方案

一、工程地质概况 1、地理位置

报信山隧道位于台江县城北部，行政区划属台江县老屯乡管辖。起讫里程为DK529+926~ DK535+343，全长17m。

2、地形地貌

隧道洞身穿越区域以经浅变质的碎屑岩广泛分布为主要特征，具构造剥蚀槽谷地貌特点。槽谷的发育多与断层、大型节理等构造走向线一致，呈线状分布，坡麓自然斜坡陡峻，坡度达25～30°，常为地下水的集中排泄和地表冲沟源头。

3、地层岩性

隧道区基岩大多裸露，缓坡上多为薄层坡残积（Q4dl+el）粉质黏土所覆盖，下伏基岩为新元古界青白口系板溪群清水江组一段（Pt3q1）板岩、变余砂岩夹板岩。隧道进出口及缓坡地带有少量覆土。

4、地质构造及地震动参数

以北东向为主，东西向次之，构造发育，主要构造有南匠向斜、排生断层，断层倾角较陡。隧道位于南匠向斜南东翼，排生断层平行于隧道线路走向经过线路左侧。

地震动峰值加速度为＜0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。 5、水文地质特征

地表水以山间沟水为主，水量较小，雨季时沟内水量增加明显，普遍在 2～5 L/s。地表出露泉流量一般0.2～0.5l/s，局部具有承压性。故隧道穿越区地表水较发育，主要以季节性水流为主。

地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水。地下水的补给主要来源于大气降水，地下水动态随季节而变化，一般规律是丰水期流量增大，而枯水期地下水流量减小。

二、不良地段描述：

不良地质现象为顺层偏压，无特殊岩土，分述如下： 1、顺层偏压：

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DK529+926～DK535+337段线路左侧存在顺层偏压，岩层产状N40°～67°E/21°～38°NW，岩层走向与线位走向夹角约6°～14°，在洞身横断面视倾角约20°～38°，地层岩性为新元古界青白口系板溪群清水江组一段（Pt3q1）板岩、变余砂岩夹板岩，隧道开挖后应及时支护，加强衬砌。

三、超前地质预防设计施工方案及在本标段的意义

报信山隧道应全隧道全断面地质描述。对于断层破碎带等不良地质还需采用地震波反射法超前探测、超前水平钻孔等手段探测。本隧道可能存在有断层、褶皱、节理、裂隙、放射性物质及岩爆、突水涌泥等多种不良地质，通过超前地质预报以获得开挖面前方的地质信息，及时调整隧道施工方案，指导隧道安全施工，避免发生地质灾害，地质探测与预报是本标段隧道施工的一个极其重要的内容和环节。

四、地质探测与预报组织机构

施工中将超前地质预报工作作为一道施工工序来进行安排，成立专业超前地质预报室，配置物探、地质及试验专业工程师、测试技工；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，地质预报室主任任副组长，各专业工程师任成员的组织机构，并聘请集团公司内部博士后流动站专家组进行指导。根据本标段的工程地质特点，采用地面预报和洞内预报相结合的模式，主要以洞内预报为主。

为提前推断开挖地层的特性，在设计基础上，采用多种超前地质探测与预报手段，采集各种水文、地质、变形、应变等参数进行信息化管理，对未开挖地段进行地质预测和分析，以供设计单位及时提出是否需要修改设计的正确判断，并研究拟采用的支护类型，确定合理的结构支护参数，实行信息化管理、信息化施工，以保证施工顺利进行。

五、超前地质探测实施方案与预报方法

根据本标段隧道工程地质条件，采用TSP203地质预报系统、地质雷达、超前钻探、地质素描等综合地质预报技术，预测开挖工作面前方一定范围内围岩的工程地质和水文地质状况。

1、工作程序

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超前地质探测和预报工作程序见图

超前地质探测预报工作程序图

2、探测方法及频率

全隧道进行全断面地质素描。对于断层破碎带等不良地质采用地震波反射法超前探测，超前水平钻孔等手段进行探测，以获取开挖面前方的地质信息，及时调整隧道施工方案，指导隧道安全施工。探测方法及频率见下表：

探测方法及频率表

探 测 方 法 地质素描 项 目 频 率 及 位 置 3处/1m，左右侧洞壁、探 测 目 的 洞顶及洞壁 (数码成像) 洞顶 地质构造 3

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掌子面 TSP203地质预1张/10m， 地质构造 地质构造、软弱夹层、断层、100m/次 报 在TSP203 地质雷达 物探方法 预报有异常时 在TSP203 地震反射波法 预报有异常时 红外探水 单孔水平钻探超前水平 钻探 （每次20～30m） 孔内数码成像 地下水侵蚀性判测试试验 定取样 组 水平钻探时 花岗岩地段每100m一水的侵蚀性判断 地质构造 F1、F2断层浅埋段 地质构造、涌水量 每30m一次 富水情况 基底岩溶探测 期支护、二次衬砌密实性 岩溶等不良地质探测 断层、岩溶、富水带等，初3、超前地质预报内容

（1）地下富水、岩溶、水的侵蚀性判断等情况； （2）地质构造、软弱夹层断层破碎带情况。 4、预报实施方案

根据桑浦山盖隧道的具体施工地质情况，该隧道的超前地质预报划分为三类：一般性地质情况地段进行一般性常规预报；可能发生地质灾害地段进行重点预报；特殊地质灾害突发性地段随时进行预报。具体如下：

（1）常规预报：一般性地质情况地段，实施方案：①地质素描；②短距离预报采用地质雷达法，预报间距15～30和超前水平钻探1孔30m；③长距离预报采用TSP203法，预报间距150m及超长炮眼

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3～5孔，距离5～10m。

（2）重点预报：可能发生地质灾害地段，实施方案：①地质素描；②长距离预报采用TSP203，预报间距150m；③超长炮眼3孔，距离5～10m；④在异常处、富水断层和岩溶发育层面预报采用地质雷达，预报间距5～10m；红外探水20m；超长水平钻探1～3孔，距离30m。

（3）跟踪预报：应随时探测预报地段，实施方案：①地质素描； ②长距离TSP203，距离100m；③超前水平钻1孔，距离30m，遇异常不少于3孔，距离30m；④超长炮眼3～5孔，距离5～10m；⑤异常处、富水断层及岩溶发育层面增加地质雷达，距离15～30m；⑥采用红外探水，距离20m。

5、预报技术要求 （1）TSP203法

TSP和其它地震反射波方法一样，采用了回声测量原理（见下图）。地震波在岩石中以球面波形式传播,当遇到岩石物性界面(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，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量。

掌子面 岩 炮点 接收点 TA 层

图TSP203预报原理图

TSP203法的技术要求：

①应达到的有效探测距离 TSP有效预报距离应达到：常规预报地段100米，重点级地段150米。需要预报区段大于有效预报距离

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时应多次预报，两次预报重复长度不小于10米。

②操作要求

a爆破钻孔的布置要求：预报断层构造时爆破钻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；预报岩溶则隧道两侧边墙都应布置爆破钻孔进行重复测量；每一次预报的炮数不少于20个，炮间距1.5m；炮眼高度1～１.5m，所有炮眼与接收器的高度应相同；炮眼孔深1.2～1.5m（孔深应尽量一致），向下倾斜10～20º，垂直于隧道轴向，或向前与掌子面成10º夹角；钻孔完成后应注意保护，防止蹋孔。

b爆破要求：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；应保证炸药与炮孔严密藕合。

c接收器钻孔的布置要求：距掌子面约50m，距第一爆破孔20m；在隧道两壁或一壁安置接收器，接收器安置高度与炮孔一致；孔径42~45mm，孔深不小于2m，应根据采用的藕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10º。

③接收器与孔壁藕合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。

④资料分析：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：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δ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。最终提出掌子面前方反射界面的位置、性质等结论。

提交的资料有：TSP野外记录表，原始波形记录，二维和三维反射界面的透视图象，声波轨迹、频谱、速率和位移结果，地质解释结果。

（2）地质雷达法

地质雷达是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，

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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（见下图）。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 地质雷达工作原理

地质雷达法的技术要求：

①应达到的有效探测距离：地质雷达的有效探测距离在完整灰岩地段应达到30m，在岩溶发育地段根据雷达波形判定。两次预报的重复长度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30～50MHz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 藕合，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。

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④资料分析：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。

（3） HSP超前检测法

HSP即水平声波反射法，利用声波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，来预报隧道施工开挖面前方及周围区域的地质情况。HSP方法能够预测隧道施工中的不良和特殊地质问题，分辨率高，精度高，可探测掌子面前方60～120米内的构造断裂、软弱夹层，破碎带等不良地质体，也可近距离探测岩溶具体形状和边界位置。这种方法的特点是各检测点所接受的反射波路径相等，因此反射波组合形态与反射界面形态相同，图像直观。从图中可看出，直达波是双曲线形态，反射波是直线形，很容易区分。

HSP方法的技术要求有： 达到的有效探测距离：

单点反射的有效探测距离应达到50m左右，两次探测的重复段应大于5m。

②仪器要求：通道数不低于12道的地震仪，现用于外业工程勘探的地震仪均可用来进行单点反射预报；检波器可采用28Hz垂直检波器；要求地震仪和检波电缆具有较好的绝缘性能，电缆的绝缘电阻应大于1MΩ，检波器内阻应一致，各道检波器相位差不大于05ms；地震仪的时间触发系统正常，不存在误触发和延迟现象。

③现场数据采集要求：数据采集的时间段，现场没有其它振动源；在掌子面上随机布置5～10个钻孔，应均匀分布，孔深1～1.5m；炸药置于孔底，与孔壁藕合严密，药量50g左右，最大不超过75g；检波器随机均匀的垂直安置在掌子面上，必要时可用棉被将掌子面覆盖，以防声波干扰；在已施工完洞身部位用锤击求取地层的传播速度。

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④整理与处理：对单道记录进行滤波、压制干扰和指数增益调整；对于每一道不同炮的记录和每一炮不同道的记录进行对比分析，以规律性好、重复性好的记录道进行解释；必要时应进行正演计算。

6、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、多种物探方法互相结合、地球物理方法与超前水平钻探相结合的原则，开展多层次、多手段的综合预报分析。

六、超前地质预报的资料分析及归档

在资料分析中，首先必须充分利用掌子面上取得的地质素描资料，以其为资料分析的重要参数；还必须掌握隧道的既有地质资料，对重要异常均应布置水平超前钻探，根据钻探资料对物探成果进行复解，以确保综合预报成果结论的可靠性。

资料分析

①TSP203：数据处理流程如下：

建立数据 带通滤波器 反射波提取 首至信号的提取 P-S波分离 起跳点信号处理 极度偏移 平衡能量 反射面提取 评估 Q-速率分析 ②HSP：数据处理流程如下：

数据采集 数字滤波 均衡排序||速度分析||反射面提取 人工判断 ③地质雷达法：数据处理流程如下： 数据文件 均衡排序 文件编辑 数字滤波 速度分析 人工判释 2、异常解释和处理

在资料分析中，应坚持多种方法相互结合、物探与钻探相互结合的原则，对产生疑问的异常在条件允许的情况下要进行复测，以及由施工单位进行超前钻孔；对可能产生地质灾害的重大异常，应由施工地质组组织进行多专家会诊，确认后签报提出。

3、超前地质预报的资料归档

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超前地质预报资料必须及时完整归档，以备数据参考和查询。

附表一： 报信山隧道超前地质预报管理框图

超前地质预报小组组长：王凤俊

超前地质预报小组副组长：杨凡

测量员：孙潮青

测量员：刘归来 超前地质预报小组副组长：杨勇 测量员：黄山 测量员：辛生

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