铁路隧道工程综合超前地质预报技术

铁路隧道工程超前地质预测预报施工工法1、前言新建云南国际通道玉溪至蒙自段通海铁路隧道，位于云南省玉溪市通海县境内，全长10.3公里，是玉蒙线的控制性重点工程。隧道工程地质复杂，褶皱与断层均比较发育，岩体破碎，风化强烈。在施工过程中隧道内还频繁遇到岩溶、突泥、涌水（最大涌水量达230000m3/d）、坍塌、变形和煤层瓦斯等地质问题，施工难度大，工序复杂，工期十分紧张。本工法依托该隧道的施工方案和施工工艺，开展施工地质预测预报研究工作。20世纪末，我国在隧道工程的施工中将超前地质预测预报技术逐步纳入了施工工序，为确保施工安全起到了非常重要的作用。近年来，超前地质预测预报技术、方法和设备都有了进一步的发展，科技含量进一步提高，经济效益和社会效益日益明显，国家规定新建隧道的施工必须全面、全过程应用该项成果。鉴于超前地质预测预报方法很多，特点各异，技术参差不齐，国内目前尚无成熟的规范，预测预报技术有较大的发展空间。为了进一步加强该项工作，针对各种方法的适用条件，合理选择预测预报方法以提高预报的准确性，特编制本工法。2、工法特点2.1明确把超前地质预测预报工作划分为长距离、中距离、短距离三个阶段，规范了不同阶段的工作内容、成果要求、仪器设备配置、适用条件和距离等。2.2针对不同地质情况，明确提出了物探、钻探等仪器设备的适用范围和使用方法，把先进技术和科学管理结合起来，提高了施工的科学性。2.3对各种预测预报方法所得的数据，提出了各阶段、各种仪器设备和方法应提交资料的内容和深度以利于判译和提高预报精确度。3、适用范围本工法适用隧道及地下工程施工前的地质超前预测预报，重点核对设计文件提出的不良地质段地质状况、核对怀疑有不良地质状况地段的地质情况（尤其是重大不良地质情况）、确认不良地质及灾害地质的具体分布范围、规模、性质以及灾害发生的可能性、影响程度等做出进一步的核对、补漏及验证工作，进而评判其危害程度，提出针对性的预防措施和对策，指导修正设计和完善施工方案。4、工艺原理11 以具体工程为对象，在使用先进的仪器设备和智能分析方法的同时，运用系统工程的原理，坚持隧道洞内探测与洞外地质勘测相结合、地质方法与物探方法相结合、辅助导洞与主洞探测相结合，多种物探方法相结合的原则，进行深层次、多手段的地质探测。把先进技术和科学管理结合起来，经过工程实践形成的综合配套的先进施工方法。其服务对象是工程，其核心（关键技术）是对工艺中各种探测成果数据的判译，通过对获得的数据信息进行归纳、对比和分析，从而尽可能准确地及早判定地层的地质状况，指导修正工程设计，优化施工方案。4.1地质分析法本法是对隧道地质状况进行宏观预测预报的基本方法。首先通过地质素描、数码影像等手段，结合地表详细调查，收集有关地质资料。然后利用地质理论和作图法，对隧道所穿过地层地质构造及特征等准确记录和标示。最后对资料进行归纳、对比、分析、论证，以宏观推断隧道通过段的工程、水文地质情况。4.2物理探测法本法是利用物体物性差异进行地质判断的一种方法。该法借助于专用物理探查仪器，探查地层各岩体的物理性质差异，通过分析和研究这些资料，结合其他有关勘查成果，推断出地层一定深度范围内的地质状况。主要包括以下几种方法：4.2.1地震波法（TSP法）利用地震波在不均匀地质体中产生的反射或折射波特性来预报隧道掌子面前方的地质状况，现场采集信号时要求没有其它震动源。4.2.2声波反射法（HSP法）声波反射法是指利用声波的反射波原理进行分析预测预报。4.2.3地质雷达法地质雷达法是利用高频电磁波在不同电性界面上的反射特性进行预测预报。4.2.4红外探测法红外探测建立在红外辐射场的基础上，利用流动水体与周围岩体存在的温度差异，定性预测预报掌子面前方和隧道周围岩体的含水情况。4.3超前地质钻探本法是利用新型地质钻机，在掌子面进行水平及放射向地质钻探以获取地质信息的一种准确性较高的预测预报方法。它通过对岩芯的分析、试验，直观地揭示地层岩性、岩体构造、地下水储存等资料，还可获得岩石强度等定量指标。11 4.4超前导洞预测法本法是在在隧道正洞中部、单侧或隧道附近，平行、超前地开挖一个小断面导洞，一般可与主体工程相结合。通过对导洞揭露的地质情况，进行直观地观察和地质素描，以准确分析其地层岩性、地质构造、水文地质情况。5、工艺流程及操作要点5.1工艺流程依据本工法适用范围、工作原理，隧道超前地质预测预报应遵循地质探测判析宏观与微观相结合；长、中、短距离相结合；定性与定量指标相结合的总体工作思路。隧道超前地质施工预测预报分长距离、中长距离、短距离三个阶段，不同的工作阶段有不同的工作内容、工作重点，对应的预测预报成果及精度也不同。地质分析法研究既有地质资料制定预测预报方案地震波法长距离预报超前导洞法正常TSP或HSP法异常地质素描深孔钻探法中长距离预报超前浅孔钻探正常异常短距离预报红外探测正常异常地质雷达地质综合判析修正施工设计、隧道正常施工组织专家会审审图5.1.1超前地质预测预报工艺流程图5.2操作要点5.2.1制定施工预测预报方案研究工程所在区域既有及勘设文件提供的地质资料，必要时进行11 地表补充测勘，通过对获取资料的分析，根据各种探测方法的特点和预测预报阶段的需要制定系统的施工预测预报方案。5.2.1.1对比分析各种预测预报方法的适用条件（详见下页表5.2.1.1）。5.2.1.2确定预测预报方法。根据勘察设计资料和地质调查成果，通过对不良地质情况进行深入研究、评估，确定隧道长距离、中长距离、短距离预测预报实施方案和方法。5.2.2进行长距离预测预报5.2.2.1长距离预测预报内容本阶段主要根据地质分析法，结合地面调查和其它基础资料，对掌子面前方大于150m的长距离进行预测预报。主要对隧道通过区域的地质界线、地层岩性、地质构造、围岩级别、储水构造、富水规模、岩溶发育规律及特征进行宏观预测预报，同时对施工设计文件提出优化意见。5.2.2.2长距离预测预报主要采用方法主要采用地质分析法、地震波法（TSP法），超前导洞法等。5.2.2.3整理长距离预测预报成果资料A、掌子面地质素描图，比例尺根据需要确定；B、隧道与导洞地质平面展示图，比例为1:100～1:500；C、地层分界线及构造线隧道内和地表相关性分析图；D、特殊地质地段纵、横断面图，比例为1:100～1:500；E、各种监测和测试资料及相关数码影像资料。5.2.3进行中长距离预测预报5.2.3.1中长距离预测预报内容中长距离预报是在长距离预测预报的基础上，对掌子面前方30～150m范围内的长距离预报所揭示的不良地质条件的位置、规模、充填情况进行验证预报。在地质条件较为复杂和严重地段应增加预报频次。TSP法每次预报有效长度150m左右，HSP法每次预报有效长度50m左右；需连续预报时前后两次应重叠10m以上，以便前后两次重复地段进行数据对比分析。5.2.3.2中长距离预测预报主要采用方法地震波法（TSP），声波反射法（HSP）、深孔地质钻探法等。11 分类方法能源原理适用条件优点缺点预报距离影响因素长距离预测预报地质分析人工观察结构面产状、地下水出露等地质信息，运用地质理论和经验判断分析、预报。任何地质条件无需大型设备，人力与资金投入。专业性强，劳动强度大，效率低,结论依赖经验。大于150m经验、观察工具等。TSP系列机械波利用反射波的原理，据走时与波速确定结构面位置。块裂岩体分辨率高、抗干扰能力强、影响施工少。探测成本高，对近隧道轴向及水平界面无效。大于150m装置参数、及解译经验超前导洞挖掘导坑超前开挖一个横断面较小的隧道，以探明正洞的地质条件，以此推断正洞的地质条件。较完整的硬岩地层结论直观、可靠。工程量及投资大，垂直钻进方向探测范围小，易揭穿水、气层大于150m现场条件、经济成本等。中长距离预报TSP系列机械波利用反射波的原理，据走时与波速确定结构面位置。块裂岩体分辨率高、抗干扰能力强、影响施工少。探测成本高，对近隧道轴向及水平界面无效。30～150m装置参数、及解译经验地质钻探钻机用钻机钻取探测地岩芯编录。任何地质条件结论直观、可靠。需钻探设备，占时多，一孔之见。30～150m岩芯采取率、判译经验。短距离预测预报地质素描人工观察结构面产状、地下水出露等地质信息，运用地质理论和经验判断分析、预报。任何地质条件无需大型设备，人力与资金投入。专业性强，劳动强度大，效率低,结论依赖经验。小于30m经验、观察工具等。浅孔钻探钻机用钻机钻取探测地岩芯编录。任何地质条件结论直观、可靠。需钻探设备，占时多，一孔之见。小于30m岩芯采取率、判译经验。地质雷达电磁波据电导率的差异性利用回波原理进行不同介质边界的探测。任何地质条件分辨率高，频带宽，探测成果直观。探测环境要求较高，需多次重复探测。小于30m测线布置、参数、经验红外探测电磁波利用红外辐射场强的差异进行不同地质体的探测。大型充水结构的地层对水体较敏感，可进行全方位探测。对经验的依赖性突出，需多次试测。小于30m测线布置、环境温度、判译经验。表5.2.1.1国内外地质预测预报方法工作机理、适用条件及优缺点对比分析5.2.3.3整理中长距离预测预报成果资料A、地震波法（TSP）预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、分析处理波形图，有条件时尚应提交频谱图、深度偏移剖面图、三维成果显示图及岩体物理力学参数表。B、声波反射法或HSP11 预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、原始记录波形图、经过处理用于解释的波形曲线。C、红外探测预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、掌子面探测数据图、左右边墙及拱顶三条测线的探测曲线图。D、超前钻探预报应编制探测报告，内容包括工作概况、钻孔探测结果、钻孔综合柱状图。5.2.4进行短距离预测预报5.2.4.1短距离预测预报内容短距离预报是在中长距离预测、预报的基础上，对掌子面前方30m范围内的综合地质情况进行详细预报。其中在岩溶发育、富水断层地段，对洞身前方进行全方位空间探测。结合各方面资料，综合分析、判断掌子面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并对长距离、中长距离预报结果进行确认。5.2.4.2短距离预测预报主要采用方法地质素描法、红外探测法，超前浅孔地质钻探，地质雷达法等。5.2.4.3整理短距离预测预报成果资料A、地质素描包括正洞、导坑掌子面地质素描，随开挖随机进行。对于地层岩性变化点、构造发育部位、岩溶发育带附近每开挖循环进行一次素描，其他地段每10～20m进行一次素描并进行掌子面编录。结合地面地质体投射，预报前方的地质情况。成果资料主要包括：工程地质（地层岩性、断层、节理、岩溶、塌方）；水文地质（出水位置、出水状态、水文观测、水质分析）；数码影像。B、红外探测：在隧道施工通过断层破碎带可能发生涌水时，对掌子面前方每隔20m施作一次红外探测，前后两次重叠长度10m，以增加对比分析，对==[地下水产状进行预测预报。本法原则上可以定性预报掌子面前方30m范围内有无地下水并出具相应报告。C、超前浅孔钻探：在隧道施工通过断层破碎带、高压富水岩溶发育区时，利用新型地质钻机对掌子面前方30m范围内进行连续钻探。开挖时预留3～5m岩盘。地质异常段可采用地质雷达及其它物探手段进行精细探测，以查清岩溶规模及发育特征，以便制定和采取有效处理措施。钻探时要认真填写钻探记录，确定溶洞临界尺寸和到隧道轴线之间的距离关系为地质及物探专业人员进行预报分析和结构工程师进行结构计算提供第一手资料。D、11 地质雷达探测：原则上应连续重叠式预测预报，但因每次预测预报距离较短，占用施工时间较长，一般在很可能有溶洞的地段探测溶洞的发育部位、规模、走向等。地质雷达法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、测线布置图（表）、探测剖面图、采集及解释参数。E、其它方法探测：除综合采用上述方法外，必要时还可采取辅助措施，充实预测、预报资料。主要内容包括：断层破碎带形态调查、地表监测、洞内监测、必要时采用超前导坑法进行开挖，揭示地质情况。5.2.5编制超前地质预报成果对以上所采用的各种预报手段获得的资料，通过归纳、分析、对比进行地质综合判析，分阶段提出预报结论，内容包括工作概况、采用的各种预报手段及预报结果、相互印证情况、综合分析预报结论、施工方法和施工技术建议等。同时对采取的超前预测预报方法和采取的工程技术措施的效果进行评估。并将成果资料反馈给建设、设计、监理单位，作为工程设计变更、修正工程概预算、制定施工安全规章制度的依据。6、材料与设备6.1工法所需主要材料本工法主要是通过仪器、设备、观察分析判断掌子面前方的地质情况，所用新型材料较少。地震波反射法中的某些仪器采用如下主要材料：①炸药：使用爆速大于6000m/s的高爆炸药“黑索金、TNT”为最好。若有困难，也可以采用一级岩石乳化炸药(最好)或二级岩石乳化炸药。每孔装药量介于20~30g。每次测量大约600g。②雷管及导线：建议使用一段第一系列(最好)或第二系列毫秒电雷管或8号普通瞬发电雷管，约30个。引爆电线大约60m。③接收器套管：由瑞土安伯格公司提供，每次使用l或2支。6.2工法所需主要设备仪器（详见下页表6.2.1）表6.2.1主要设备仪器表项目名称设备仪器名称性能数量11 地质素描地质罗盘能测岩层、构造面产状视需要地震波反射探测隧道地震波超前地质预报仪或普通地震仪能探测150m以上1台声波反射法探测智能工程探测声波仪能探测50m以上1台红外探测红外探测仪能探测20～30m范围每工点1台直流电法探测直流电法仪能探测80~100m范围1台地质雷达探测地质雷达能探测20～30m范围1台超前钻探水平钻机钻孔深度30～300m视需要7、劳动力组织玉蒙通海隧道的地质条件异常复杂，隧道施工中超前地质预测预报工作尤其重要。为了更好地完成施工阶段的地质预测预报工作，工程伊始，项目经理部即成立了超前地质预测预报工作组织机构，配备了具备工程、地质、物探知识的复合型专业人员具体负责隧道的超前地质预测预报工作，确保地质预报工作的及时性、准确性及各项措施的落实。施工中根据隧道开挖地质情况的需要，及时进行超前地质预测预报工作，结合预测预报反馈的信息，强化和监督各下属施工队伍落实指导施工，并将其真正纳入正常的施工工序。表7.1劳动力组织一览表预报方法人数职责技术工人地质素描2无负责地质素描及地质资料的编制地震波反射法探测21名爆破工，1名普工负责地震波反射法探测现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写声波反射法探测22负责声波反射法探测现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写红外探测2无负责红外探测现场数据的采集及室内数据的分析、预测报告的编写地质雷达23负责地质雷达现场数据的采集和室内数据的分析及预测报告的编写地质钻探1/班3～6人/（班·钻机）负责钻机、钻孔定位、施钻，岩心、岩粉的鉴定、孔内情况的观测及钻孔柱状图的绘制、钻孔报告的编写地质综合判析1～2无负责对以上预报资料归纳、分析、对比，提出预报结论，指导施工，并对以上各预报手段提出下步工作计划。8、质量控制8.111 为组织好超前地质预测预报工作，有关预报方案设计、费用、工序时间及作业空间安排等，均应纳入施工组织设计和概预算中。8.2作为一项专项技术，超前地质预测预报需认真编制技术方案和工作大纲，方案批准后方可实施。8.3工作所采用设备、仪器、机具、材料必须严格履行进场检验、定期标定程序。8.4参加该项工作的人员要具备工程、水文地质、物探专业知识，并经培训考试合格。8.5超前地质预测预报技术成果资料应满足标准化、规范化、程序化的工作要求，同时必须与其它工程地质技术紧密结合。9、安全措施9.1采用地震波反射法在现场采集数据时，需使用灵敏度很高的高爆速炸药，应由专业爆破工严格按爆破作业规程操作。9.2钻机使用高压风和高压水，故管路要连接固定牢固，并应经常检查，以防止管接头脱落、管路爆裂伤人；钻孔时，钻机前方要安设挡板，防止泥沙冲出伤人。电器设备安装应由专业电工进行。9.3所有人员必须进行隧道施工安全培训并考试合格，方可进洞。进洞应带好安全帽、穿防高压电的雨靴；注意操作空间上方、周围有无安全隐患，特别是掌子面附近是否有危石存在。9.4若岩体中含有煤层瓦斯、石油天然气等易燃易爆物，不得携带明火进洞，应采用水循环钻施工，其他电器及其他机械设备均应符合有关安全操作规程的要求。9.5为在岩溶地区钻孔时，孔口应安设孔口管和闸阀，且孔口管必须安设牢固，以防止岩溶水将孔口管冲出伤人。10、环保措施11 本项作业是隧道内施工必须进行的一道工序，因此各项环保措施和指标均应按隧道项目部的环保措施和规定执行。为确保工作落实，超前地质预测预报小组人员要认真学习国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和业主及项目部下发的规章制度，并指定专人负责监督检查。11、效益分析超前地质预测预报虽然花费一定的费用、占用一定的作业空间和施工时间，但可通过对地质灾害、特别是重大地质灾害的预报预警，使施工单位提前做好应对措施，将不良地质问题处于可控状态，从而避免和减少地质灾害的发生，保证人民生命财产的安全和减少国家经济损失。所以，在隧道和地下结构物施工中，认真落实超前地质预测预报工法，不但在确保施工安全方面意义重大，同时对提高国家投资效益、构建和谐社会也具有重大意义。据国外资料统计，超前地质预测预报技术的实施可为隧道及地下工程施工增收节支总经费的20%。玉蒙通海隧道借助于超前地质预测预报技术成果，共计11次成功地预防了岩溶、突泥突水等地质灾害，成功地穿越了四条大的断层，确保了隧道安全、优质、高效的施工，最大化地优化了施工设计和施工资源配置，降低了工程投资和施工成本。12、应用实例12.1综合超前地质预报情况为准确掌握隧道地质情况，合理地选择施工方法和支护参数提供依据，确保该隧道施工安全，隧道超前地质预测预报按着长距离、中长距离和短距离三个层级进行。长距离超前地质预测预报主要采用地质分析法；中长距离超前地质预测预报主要采用TSP地震波探测、HSP声波探测及深孔钻探的方法；短距离超前地质预测预报主要采用地质雷达、浅孔钻探、红外探测及作业面地质编录预测等方法。累计取得的主要资料如下：地质素描24857.57m，TSP预报61次，红外探测570次，地质雷达22773m，超前钻探74476.8m/2324孔、其中深孔13522.7m/240孔，HSP探测4次。12.2综合技术指标效果评价通过探测成果与实际揭示隧道地质状况对比验证，以TSP为主的中长距离超前地质预测预报系统能够探测距离为250~500m（硬岩300~500m，甚至更远，软岩250~400m），有效解译距离为150m；若与地面地质调查法相结合，其解译距离可达400~500m，最高分辨率为1m311 地质体。对不良地质体的地质性质判断、一般较准确；对不良地质体的位置判断精度可达90%以上；对不良地质体规模的判断精度可达85~90%。短距离超前地质预报的距离一般可达掌子面前方15~30m。如果应用两种或两种以上方法进行综合的短距离预测预报，其精度可达90~95%以上。玉蒙通海隧道超前地质临警预报成果的成功应用，共11次成功地预防了岩溶、突泥突水等地质灾害，成功地穿越了四条大的断层，针对性的预防了有害气体的侵袭，在施工过程中避免了隧道坍塌，未发生一次安全事故。2013年一月二十五日11