隧道及地下工程超前地质预报技术介绍武广.ppt

隧道及地下工程超前地质预报技术介绍,汇报人 中铁隧道勘测设计院 齐传生2006年4月 武汉,汇 报 提 纲,1 国内外历史及现状2 超前地质预报的目的、任务及工作内容3 超前地质预报的主要手段4 工艺流程及操作要点5 材料6 机具设备7 劳动组织 8 安全措施 9 预报实例10 存在问题,1 国内外历史及现状,1.1 超前地质预报的重要性 突泥、突水是隧道建设中的主要工程地质问题，甚至为制约隧道建设工期及能否安全运营的关键。如雅砻(long)江锦屏二级电站地质探洞施工曾三次遇到特大规模的高压涌水，其中探洞3948m处突水射程达3537m，流量0.61m3/s，冲毁施工设施，疏干地表岩溶大泉，致使使用该泉水发电的电站关闭；衡广复线大瑶山隧道（14.295km）涌突水，冲毁施工设施，淹没竖井，延误建设工期，引发地表岩溶塌陷、水源枯竭、居民生产、生活用水困难等一系列的环境地质问题；衡广复线南岭隧道，施工时地表水通过岩溶裂隙下渗，多次发生涌水突泥，导致地表塌陷、井水枯竭、河水断流；2006年1月21日10时50分，宜万铁路马鹿箐隧道出口平导PDK255+978.1，即距洞口3152m处的掌子面拱顶突发透水事故，15分钟内涌水量达18104m3，造成重大人员伤亡和经济损失；2005年12月22日14时许四川都江堰至汶川高速公路董家山隧道发生瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受伤；日本东海道干线旧丹拿隧道（长7.84km）1981年开工后曾6次遇到大规模高压涌突水，最,1 国内外历史及现状,1.1 超前地质预报的重要性大一次达3.3m3/s，水头高达1.4MPa，贯通时总涌水量达1.63m3/s，致使该隧道建设工期达16年之久；日本的万之濑(lai)川引水隧道（8.2km），在施工中出现严重涌突水，最大水量2.4m3/s，水头压力高达1.45MPa，致使5次改变施工方案，延误工期近2年；1992年竣工的辛普伦双孔单线隧道是穿越阿尔卑斯山的第四座特长隧道，施工期间发生的特大规模涌水，涌水量达13.4m3/s，水温高达4756；前苏联的贝阿铁路北穆隧道（长13.5km），最大涌水量达60104m3/d。这些工程事例表明岩溶和涌突水给工程本身和周围环境造成极大的危害。准确预报施工前方地质条件是隧道建设的迫切需要，是确定工程对策、工程措施的关键，是工程施工安全的前提，是控制和合理运用工程投资的重要因素。,1 超前地质预报发展的历史及现状,1.2 超前地质预报发展的历史及现状 超前地质预报近年来在我国成为一热点技术，隧道及地下工程界对此非常重视。国外早在二十世纪四、五十年代就开展了隧道施工超前地质预报工作，日、法、英、前苏联、德、美等早已将其列为隧道工程建设必须开展的工作。我国自六、七十年代修建成昆铁路线时开始开展此项工作。八十年代以来，国内外隧道施工超前地质预报技术得到了长足的发展，尽管如此，还没有哪一种仪器和设备能解决所有的地质问题，预报理论与技术仍需完善，仪器和设备仍需不断更新改进。直到现在，我国还未有一部国家、地方、部门专门关于超前地质预报方面的规范，仍属于半科研半生产性质的技术，大家在工程实践中仍是探索着前进。2005年中铁隧道集团主编的行业规范客运专线铁路工程隧道施工技术规范,1 超前地质预报发展的历史及现状,1.2 超前地质预报发展的历史及现状第一次将超前地质预报技术作为专门章节列入，现正在送审之中，尚未发行，我院负责该章节的编写；2005年我院编写的岩溶地区隧道超前地质预测预报工法通过集团公司级评审，鉴定为集团公司级工法；受铁道部的委托，我院正在编写铁路隧道超前地质预报技术规程，尽管时间很紧，压力很大，我们作为一种荣誉任务要尽全力编写好，不仅要体现出我院的水平，还要体现出我国在超前地质预报方面的发展水平。很多人在问，目前经常采用的预报手段到底有哪些、原理是什么、有哪些优缺点、适用范围如何、在工程中该如何选择、准确度怎样？带着这些问题，今天与大家共同探讨。,2 超前地质预报的目的、任务及工作内容,2.1 超前地质预报的目的及任务 1 进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，进而指导工程施工的顺利进行；2 降低地质灾害发生的机率；3 为设计变更提供地质依据；4 为编制竣工文件提供地质资料。,2 超前地质预报的目的、任务及工作内容,2.2 超前地质预报的主要工作内容 1 地层岩性，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报；2 地质构造，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报；3 不良地质，特别是溶洞、暗河、人为坑洞、放射性、有害气体、高地应力等发育情况的预测预报；4 地下水，特别是对岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴及富水地层等的预测预报。,3 超前地质预报的主要手段,3.1 超前地质预报方法的分类 超前地质预报的方法主要包括：1 地质分析法，包括地质素描法、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析法、地质作图法等。2 超前导坑预报法，包括平行导坑法、正洞导坑法；3 超前钻探预报法，包括深孔水平钻探、58m加深炮孔探测及孔内摄影；4 物探方法，包括TSP隧道地震波反射法、HSP声波反射法、陆地声纳法、负视速度法、地质雷达、红外探测、单孔和跨孔CT等。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.1 地质分析法地质素描法 1、原理 利用地质理论和作图法，将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，结合已有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报。2、优缺点 该方法设备简单(地质罗盘）、操作方便、不占用隧道施工时间，提交资料及时，且能为整座隧道提供完整的地质资料，费用低，但对与隧道交角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报，对操作人员地质知识水平要求较高，一般要求地质专业人员来完成。,超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.1 地质分析法地质素描法,3 超前地质预报的主要手段,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.1 地质分析法3.2.1.2 地层分界线及构造线地下和地表相关性分析法 用已开挖隧道段地层分界线及构造线在地表的反映预报尚未开挖段隧道地质条件，预报距离长，施工有充分准备时间，不干扰施工，工作可由专业地质人员完成。（层序、层厚、标志层）3.2.1.3 地质投影作图法 利用地表观测到的断层、岩脉等产状，投影作图给出该断层、岩脉在洞轴上出现的位置。,超前地质预报的主要手段地层分界线及构造线地下和地表相关性分析法、地质投影作图法,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.2 超前导坑预报法3.2.2.1 平行导坑法 平行导坑法是在隧道正洞左边或右边一定距离开挖一个平行的断面较小的导坑，以导坑中的地质情况通过地质理论和作图法预报正洞地质条件的方法。平行导坑的作用很多（如排水、减压放水、改善通风条件、增加工作面及探明地质条件等），地质预报只是其中用途之一，一般只是当设计图纸中有平导设计的才采用该法，因其费用极为昂贵。3.2.2.1 正洞导坑法 正洞导坑法是在隧道正洞中某个部位开挖一个断面较小的导坑以探明地质情况的方法。该方法较平行导坑法更直接、更准确。正洞导坑可作为隧道施工工法的一种，既开挖了隧道，又探明了地质。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.3 超前钻探预报法3.2.3.1 深孔水平钻探 1、原理 超前地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。下图是某隧道复杂地段水平钻孔布置方式图，钻孔纳入了施工工序，每30m一个循环，纯钻时间59小时，辅助时间12小时，干扰施工时间611小时（约713%）。（仰角、伏角、外插角）(根据需要可有多种不同的布置方式和钻孔个数)图 超前水平钻探钻孔布置图,超前地质预报的主要手段3.2各种主要预报手段3.2.3 超前钻探预报法3.2.3.1 深孔水平钻探 隧道内超前水平钻探现场 超前探孔布置横断面投影示意图,超前地质预报的主要手段 3.2各种主要预报手段3.2.3 超前钻探预报法3.2.3.1 深孔水平钻探 技术人员利用钻孔测试水压 超前钻探取的溶洞填充物,超前地质预报的主要手段 3.2各种主要预报手段3.2.3 超前钻探预报法3.2.3.1 深孔水平钻探超前水平钻孔揭露岩溶水（见下图）,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.3 超前钻探预报法3.2.3.1 深孔水平钻探 2、优缺点 优点：可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等。煤系地层可进行孔内煤与瓦斯参数测定，采取适宜防治措施，防治煤与瓦斯突出危险性。（铁路瓦斯隧道技术规范(TB101202002）与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。缺点：费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见。(理论上讲，由于溶洞发育的复杂性、多变性，几个钻孔也难100%地把掌子面前方的管道岩溶提前揭露预报出来。),3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.3 超前钻探预报法3.2.3.2 加深炮孔探测 该方法是利用风钻或掘岩台车在隧道掌子面钻水平小孔径的浅孔获取地质信息的一种方法，它是(岩溶发育区)对深孔水平钻探的一种重要补充，因其数量较多，有时效果是非常明显的。与深孔水平钻探相比，它具有设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，可与爆破孔同时施作，只不过其深度较爆破孔深26m而已。这样，风钻探测深度总是超前每循环爆破进尺26m，保证施工安全。缺点是孔浅，且不能取岩芯。3.2.3.3 孔内摄影 目前用的比较少，中科院武汉岩土研究所在这方面经验比较丰富一点。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法(包括TSP隧道地震波反射法、HSP声波反射法、负视速度法、地质雷达、红外探测、单孔和跨孔CT等)3.2.4.1 TSP隧道地震波反射法 TSP202（TSP203）超前地质预报系统是专门为隧道与地下工程超前地质预报研制开发的设备，它为方便快捷地预报掌子面前方100350m(围岩完整时可粗略预报掌子面前方500m以上）范围内的地质情况提供了一种强有力的方法和工具。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.1 TSP隧道地震波反射法 1、预报原理(可以放一录像)TSP202（TSP203）超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的。它是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点，依此进行微弱爆破，产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播，当岩石强度发生变化时，比如有断层或岩层变化，信号的一部分被返回。界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收转化成电信号并进行放大。根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理就可以得到岩体强度变化界面的位置及方位。,图 TSP 超前地质预报原理图,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.1 TSP隧道地震波反射法(实例中有一些图)2、优缺点及适用范围 适用范围广 适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。预报距离长 能预报掌子面前方100350m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。对隧道施工干扰小 它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过30分钟左右。提交资料及时 在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.1 TSP隧道地震波反射法(实例中有一些图)（加录像）2、优缺点及适用范围 将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，就可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空间位置，计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。预报准确性 其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的，由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。预报精度 它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的，如采样间隔取80s，弹性波速度为5000m/s，则能预报出的地质体的宽度为0.4m。预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显，而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意，因其预报原理和计算模型是以平面为计算依据，对小型溶洞反映不明显。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.2 HSP声波反射法 该方法是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，根据波的传播、反射理论计算判释隧道掌子面前方反射界面（断层破碎带、软弱夹层等）距隧道掌子面的距离来进行预报。其原理与TSP相一致，现场采集信号时要求没有其它震动源。HSP可以预报掌子面前方50100m，还可用于利用超前平导对正洞未开挖段地质情况的预报。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.3 红外探测 1、基本原理：红外探测属广义遥感技术，它建立在红外辐射场的基础上。地球上一切物质，每时每刻都在向外部辐射红外电磁波，并形成红外辐射场。物质在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的信息传递出来，因而根据场的变化，即探测曲线上所出现的异常，提前发现隐蔽的灾害实体，从而预防灾害的发生。红外辐射场理论应用于隧道地质预报中，就是，当隧道外围空间和掘进前方存在隐伏水体或含水构造时，隐伏水体或含水构造产生的异常场就要叠加到正常场上，使隧道内的正常场产生畸变，根据拱顶、隧底、边墙、掌子面探测曲线、测量数据的变化就能确定隐伏水体或含水构造所在空间方位。如右图是某隧道某里程掌子面的探测结果图，据此图可判定掌子面前方存在含水构造。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法红外探测 2、优缺点及适用范围 优点：仪器小巧轻便，操作简单，可实现全空间全方位探测，能预测隧道外围空间及掘进面前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，基本不占用隧道施工时间，资料分析简洁、快速、直观。缺点：它只能告诉探测点前方30m范围内有没有水，至于水量大小、水体宽度及具体位置等则难以说清，也就是说目前红外探测只限于定性阶段。适用范围：适用于任何地层中定性判断探测点前方“有没有水”及水体存在方位。右图为红外探水仪照片,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.4 地质雷达 1、预报原理 地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，其理论基础为高频电磁波理论。工作方式是以宽频带短脉冲的高频电磁波的反射来探测目的体。雷达系统向被探测物发射电磁脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时的长短差别，确定探测目标的形态及属性，结合工程地质理论分析达到对埋藏目标（地质体）的探测与判断。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.4 地质雷达 2、优缺点及适用范围 目前国内还没有为隧道超前地质预报而专门设计制作的地质雷达，仪器密封性差，洞内不易防水、防潮、防尘，易造成仪器损坏，特别是没有专门的天线，操作起来费时费力，且效果不好。探测距离太短，一次只能探测530m，与目前隧道每天开挖接近1020m的速度极不匹配。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.4 地质雷达 2、优缺点及适用范围 隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础半无限空间不吻合，加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响，探测结果一般不太理想。就目前的技术水平而言，地质雷达采用高频率的天线作为隧道砼衬砌质量无损检测的手段仍是比较合适的。地质雷达在地表探测530m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空隙等)反射信号还是比较明显的，也是一种比较理想的手段；灰岩地区隧道铺底前采用中低频率的天线作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手段仍是大家经常采用的。岩溶重点发育地段，有时也用地质雷达对掌子面前方和边墙外侧岩溶洞穴进行探测。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法 陆地声纳法 1、预报原理 陆地声纳法是“极小偏移距高频宽带弹性波反射连续剖面法”的简化俗称，其基本原理也是地震反射法。它是在隧道掌子面上用锤击方式产生弹性波，并在激震点旁用检波器接收。弹性波向掌子面前方传播，遇到断层、大节理、岩脉、溶洞及其它不良地质界面会产生反射，由检波器接收到这些反射波，就能反映前方的不连续面。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法 陆地声纳法 2、优缺点 仪器为国产设备，价格便宜，工作费用较低。仪器设备轻便，采用锤击方式（而不是爆炸方式）激发震波，操作简单。现场总施测时间3050分钟。实践认为每次预报80100m是比较合理的。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.6 跨孔声波CT成像法（定发、定收、同步接发）（声波、电磁波、地震波）跨孔声波CT是通过探测成像确定钻孔间岩体结构等情况，借助医学界X射线断层扫描的基本原理，结合岩土的物理力学性质的相关分析，采用射线走时和振幅来重构岩土内部声速值及衰减系数的场分布，通过像素、色谱、立体网络的综合展示，达到直观反映岩石（体）内部结构图像（如岩溶洞穴的位置、规模及充填特性等）之目的。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.6 跨孔声波CT成像法（专用处理软件）声波CT探测的物理前提是：具不同物性差异的介质，声波在其内部的传播速度不同。该方法通过密集对穿的测试方式，计算并模拟测试剖面内部的物性差异情况，结合现场地质分析，从而达到对测试剖面范围内的地质体进行直观的三维图像描述。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 物探方法3.2.4.7 数码成像技术 1、原理 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。它可利用掌子面超前钻孔或隧洞已开挖段坑壁的画象情报，用计算机数值处理等方法，进行相关处理，就能进行施工阶段围岩级别的判定、掌子面前方地质情况预测。2、优缺点 该方法设备简单，仅仅需要一台或几台较高分辨率的数码相机及相应的附属配件。该项技术在我国尚处于引进研究阶段。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.4 其它3.2.4.1 声监测法 岩石受力过程中出现的微破坏会在岩体中引起自然声振动，随着岩体破坏程度的发展，到将要破坏的短时间内，这种声响会增大，单位时间内的声响次数也会增加。据研究，顶板冒落前还发出一系列人耳听不见的声音超声波，如果这种声响频率越来越大，接着急剧变小，顶板就有马上冒落的危险。根据岩石产生微破坏会在岩体中引起声振动及冒顶前声响频度产生异常变化的原理，采用仪器去监收或监听这类声振动，据以预报岩体发生破坏的可能性和时间，以便及时采取安全措施的方法叫做声监测法。这种方法利用压电效应灵敏的材料做成接收换能器（声响探头），将其放在钻孔中或直接粘贴在顶板上，它能将岩体中微弱的声振动转换成电信号，经电子放大器放大而为观测人员直接听到或进行自记，以监测岩体中声响的异常变化。声监测法对声发射活动比较显著的坚硬脆性岩石效果较好，而对软弱岩石不太理想。,3 超前地质预报的主要手段,3.2 各种主要预报手段3.2.5 其它3.2.5.2 声探测法 通过人工发出声波或超声波，测量它在岩体或岩石试件中传播速度、相位、振幅、频率等的变化，用以确定岩石力学性质、岩体应力等的方法称为声探测法。目前用声探测法可确定岩石的弹性模量，确定岩体的裂隙性（破坏程度）和破裂带范围，当应力与声速有固定关系的情况下，还可根据声速测定岩体应力。目前声探测法比较成功的是用于测动弹性模量和破裂带范围。,4 工艺流程及操作要点,综合超前地质预报工艺流程见下图,4 工艺流程及操作要点,4.1 研究既有资料，制定预报方案 首先，研究既有区域地质、工程地质资料，必要时到地表补充测绘，以达到对整个地区地质情况有一个比较全面和深刻的认识，地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质及特殊地质、地下水发育情况、隧道的主要工程地质问题等，通过对这些资料的分析和把握，制定预报预案，针对不同地段的地质情况进行地质预报重要性分级，不同级别的地段采取不同的预报手段，以达到既预报准确又节省有限预报资源的目的。根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，分为以下四级：A级：存在重大地质灾害隐患的地段，如大型暗河系统，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带，特殊地质地段，重大物探异常地段，可能产生大型、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、天然气问题严重的地段以及人为坑洞等。B级：中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂带等。C级：水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性较小。D级：非可溶岩地段，发生突水突泥的可能性极小。根据不同的地质灾害分级，针对不同类型的地质问题，选择不同的方法和手段开展超前地质预报。,4 工艺流程及操作要点,4.1 研究既有资料，制定预报方案 不同地质灾害地段的预报方式为：A级预报：采用地质分析法、TSP隧道地震波反射法、HSP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。首先以地质分析法进行长距离预测预报，然后采用中长距离TSP或HSP和一种或几种短距离物探方法相结合进行预报，同时进行多孔超前钻探探查。B级预报：采用地质分析法、TSP或HSP，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条件较复杂时，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、断层或物探异常地段可采用TSP进行探测，必要时采用红外探测和超前水平钻孔。D 级预报：采用地质分析法。,4 工艺流程及操作要点,4.2 长距离预报 长距离预报主要采用地质分析法，根据地面测绘和其它基础资料对隧道通过区的地质界线、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、其它不良地质及特殊地质发育情况进行长距离、宏观预测预报，预报距离一般在掌子面前方200m以上，并根据揭示的情况进行不断的修正。地质分析法，包括地质素描法、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析法、地质作图法等。地质分析法，应编制资料：1、掌子面素描图 2、隧道与导坑地质展示图 3、导坑预报正洞平面图 4、地层分界线及构造线隧道内和地表相关性分析预报图 5、特殊地段纵、横断面图 6、各种监测和测试资料 7、有关摄影和影像资料 8、隧道竣工工程地质纵断面图,4 工艺流程及操作要点,4.3 中长距离预报 中长距离预报是在长距离预报的基础上采用TSP或HSP、深孔水平钻探等对掌子面前方30200m范围内的地质情况作进一步的预报，如溶洞、暗河的位置、规模、充填情况等作较为详细的预报。在复杂地段应增加TSP或HSP预报次数，TSP每次预报有效长度100m左右，需连续预报时前后两次应重叠10m以上，HSP 每次预报有效长度应在50m左右，连续预报时前后两次重叠长度应大于10m，以便前后两次重复地段对比分析，另随着预报距离的增大，地质异常带的位置和宽度误差也在增大。TSP隧道地震波反射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、分析处理波形图、频谱图、深度偏移剖面图、二维成果显示图及岩体物理力学参数表。HSP声波反射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、原始记录波形图、经过处理用于解释的波形曲线。,4 工艺流程及操作要点,4.4短距离预报 短距离预报是在中长距离预报的基础上采用掌子面素描、红外探测、地质雷达和超前钻孔等方法进行预报，比如掌子面前方30m范围内有无水、在哪个方位有水、掌子面处地层岩性、地质构造及岩溶发育情况等，对以上判断可能有突泥、突水和其它有害地质情况的地段进行钻孔验证。4.4.1 地质素描 随开挖及时进行，地层岩性变化点、构造发育部位、岩溶发育带附近应每开挖循环进行一次素描，其他地段也应每1020m进行一次素描，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。地质素描包括正洞、平导和辅助导坑洞壁及掌子面素描，其主要内容包括：（1）工程地质 1）地层岩性，包括地层时代、岩性、岩体产状等；2）断层，包括断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分，并进行断层带岩体的稳定性评价；3）节理，包括节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特征、力学性质，分析组合特征、判断岩体完整程度；4）岩溶，包括岩溶规模、形态、位置、所属地层和构造部位，充填物成分、状态，以及岩溶展布的空间关系。5）塌方，应记录塌方部位、方式与规模及其随时间的变化特征，并分析产生塌方的地质原因。,4 工艺流程及操作要点,4.4短距离预报地质素描（2）水文地质 1）出水点位置、出水状态、水量、水压、水温、颜色、泥砂含量测定，必要时进行长期观测；2）水质分析，判定水对建筑材料的腐蚀性；3）出水点和地层岩性、构造、岩溶、暗河等的关系分析；4）必要时进行地表相关气象、水文观测，判断洞内涌水与地表径流、降雨的关系；5）必要时应建立涌突水点地质档案。（3）摄像和影像 隧道内重要的和具代表性的地质现象如溶洞、暗河等应进行摄像或录像。,4 工艺流程及操作要点,4.4短距离预报4.4.2 红外探测 原则上可以定性预报掌子面前方30m范围内有无地下水，因其体积小、操作方便、数据直观、不占用施工时间，可以20m预报一次，前后两次重叠长度10m，以增加对比分析。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。,4 工艺流程及操作要点,4.4短距离预报4.4.3 超前地质钻探 超前水平钻孔，需要时施做，一般每循环3040m；断层、节理密集带或其它破碎富水地层每循环可只钻一孔；岩溶发育区每循环35个孔，当钻到溶洞时可适当增加，并可采用地质雷达及其它物探手段进行精细探测，以满足溶洞处理所需资料为原则；也可进行深孔钻探，比如每循环钻100150m，但随着钻孔深度的增加，钻具下垂加大，孔位易偏离设计值；岩溶地段钻孔应终孔于隧道开挖轮廓线以外510m；孔口按计算应安设一定长度的孔口管，并安设闸阀，揭露大量地下水时及时关闭闸阀，使地下水始终处于可控状态，以便有时间制定和采取有效处理措施；连续预报时前后两循环钻孔应重叠58m；煤层超前探测钻孔按铁路瓦斯隧道技术规范（TB101202002）执行；为减少粉尘污染，保护操作人员身心健康，应采用水循环钻；若钻孔主要是探测有无地下水时，为提高钻进速度，减少工序时间，可采用冲击钻，特殊地段应采用回转取芯钻，以便对岩心进行鉴定。超前水平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。,4 工艺流程及操作要点,4.4短距离预报4.4.4 加深炮孔探测 由于隧道开挖炮眼数量较多，且风钻或掘岩台车打眼比较方便，在每循环掌子面对其中的几个炮眼加深至58m作为预报探测孔，实践证明会收到较好的效果，可探明掌子面前方地质情况，使掌子面前方总有35m以上的岩盘，避免或减少隧道突泥、突水事故的发生。,4 工艺流程及操作要点,4.4短距离预报地质雷达 目前地质雷达用于地质预报主要在岩溶发育地区探测溶洞，在非岩溶地区很少用于地质预报。在岩溶发育区原则上应连续重叠式预报，但因每次预报距离较短为530m，预报准确度不太高约30%，且占用施工时间较长，一般在很可能有溶洞的地段探测溶洞的发育部位、规模大小、走向等，称之为精细预报。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。,4 工艺流程及操作要点,4.5 地质综合判析 地质综合判析是综合超前地质预报方法的中枢，它对以上所采用的各种预报手段获得的资料进行归纳、分析、对比，提出最终预报结论和工程措施建议，指导施工。综合分析探测报告，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。,4 工艺流程及操作要点,超前地质预报的结果应体现出及时性，有异常情况时应及时通知决策部门和施工单位，及时采取措施，使溶洞、暗河、断层破碎带等不良地质体始终处于可控状态；在预报前方地质情况正常的情况下，亦应将预报结果及时通知决策部门和施工单位，使其安排正常施工工序，组织正常施工生产。,5 材料,超前地质预报主要是通过仪器、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。TSP202或TSP203采用爆速大于6000m/s的烈性炸药效果较好，比如黑索金、TNT炸药。,6 机具设备,7 劳动组织,超前地质预报的产品为文字、图表报告，属技术服务行列，所需人员主要为地质、物探专业技术人员、钻探技术工人，地质、物探人员可以同时兼顾地质分析、红外探测、TSP202或TSP203仪器的探测、钻孔岩芯、岩粉的鉴定及孔内情况的监测，但这需要复合型专业人才，一般情况下若几样预报手段同时进行，还需要各负其责。施工劳动组织安排如下表所示。,7 劳动组织,8 安全措施,1、TSP202或TSP203现场采集数据使用灵敏度很高的高爆速炸药，危险性较大，应由专业爆破工操作。2、钻机使用高压风、高压水，管路应连接安设牢固，并应经常检查，防止管接头脱落、管路爆裂高压风水伤人；高压电路接线应由专业电工操作，一般人员不得操作。3、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，特别是钻探掌子面附近是否还有危石存在。4、若岩体中含有煤层瓦斯、石油天然气等易燃易爆物，应采用水循环钻，且勿干钻，电机、照明设备、开关及其他机械设备也应采用防爆型，且不得携带烟火进洞。5、为便于控制超前钻孔揭露岩溶水时的水流及采取措施，孔口应安设孔口管和闸阀，但孔口管必须安设牢固，防止水压将孔口管冲出伤人。6、钻孔时，钻机前方安设挡板，防止泥沙冲出伤人。,9 预报实例,9.1 地质概况 圆梁山深埋特长隧道是新建铁路重庆至怀化线关键控制性工程，全长11.068km，最大埋深约780m，设贯通平行导坑，预留二线线位。因其地质条件极为复杂，二十世纪六十年代曾被地质、隧道专家称为隧道修建的禁区。该隧道穿越乌江与沅江水系分水岭毛坝-圆梁山地区，为中、低山深切河谷地貌；地质构造异常复杂，隧道穿越的主要地质构造为毛坝向斜和桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂等构造。毛坝向斜为两翼高凸、中间低洼的槽状地貌，四周被志留系泥页岩及粉砂岩所围限顶托的二叠系及三叠系碳酸盐岩构成的紧密向斜；向斜核部的空间形态呈长舟形状，南北长65Km，东西宽23.5Km；平面形态呈“S”状；桐麻岭背斜为中间高耸，两翼倾斜的条带状山脉。主要地质问题为，该隧道存在毛坝向斜段岩溶及大规模高压涌（突）水、冷水河浅埋段存在较大规模的河水渗漏、背斜段断层带岩溶及较大规模涌（突）水、硬质岩岩爆与软质岩大变形、局部石油天然气与煤层瓦斯等灾害性重大工程地质问题。,9 预报实例,9.2 地质预报概况 圆梁山隧道超前地质预报做了大量工作，它是我国建设史上第一座进行系统超前地质预报的隧道，包括正洞、平导、迂回导坑、泄水洞在内共完成如下工作量：地质素描24857.57m，TSP202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实验性探测4次，跨孔CT法探测1次，通过地质作图法平导预报正洞、泄水洞96次。现择其两例说明如下。,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞处于岩溶高压富水区，超前地质钻探纳入了每循环必须进行的预报手段之列。(1)一号溶洞平导段的地质预报、探测情况 平导掌子面PDK354+244.5处红外探测数据及曲线见下图。由图可知，掌子面上9个测点的数据最大值为675，最小值为661，其差值为14，超过允许的安全差值10，因而判定掌子面前方有储水构造；从拱顶、左边墙、右边墙红外探测曲线变化趋势也可判定前方存在含水构造。,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞(1)一号溶洞平导段的地质预报、探测情况 在平导PDK354+244.5掌子面采用MK-5型钻机进行超前钻探作业，共钻四孔，孔位布置如左图所示。1#孔钻进到1828m、3#孔钻进到1728m、4#孔钻进到1721m及2428m时，表现为钻机稍施压力便有较大进尺，同时可观察到黄褐色淤泥顺钻杆流出，内含岩屑，换钻具取岩心鉴定为溶洞填充物。钻探中涌水量约为3550 m3/h。,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞(1)一号溶洞平导段的地质预报、探测情况 PDK354+256+406段TSP202超前地质预报信号反射能量图如下图所示。结果显示，PDK354+256+313段有多条明显的较为杂乱的反射信号，结合超前钻探资料分析，平导PDK354+256+275段为溶洞区，充填有流塑软塑状粘土；PDK354+275+313段岩体破碎。PDK354+313+406段只有少量较弱的反射信号，岩体较为完整均一。,9 预报实例下图是 来自隧道前上方的反射波能量图,9 预报实例下图是 来自隧道前下方的反射波能量图,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞(1)一号溶洞平导段的地质预报、探测情况 隧道工程地质勘测报告物探解译 PDK354+140+270为F05与F08断层的交汇处。根据以上探测结果，结合掌子面素描情况综合分析判断，掌子面前方PDK354+256+275发育有充填大量软塑状粘土的溶洞，有贯通型岩溶水存在，水头压力及涌水量可能受淤泥阻挡未完全表现。,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞(1)一号溶洞平导段的地质预报、探测情况 开挖揭示PDK354+233+256段为粉砂质泥岩，围岩软弱；PDK354+256+275为溶洞段，溶洞段右侧发育一大横张断裂，断层近似产状为N60W/4578SW，溶洞顺断层破碎带发育，充填有软塑状棕红色粘土、粉质粘土夹碎、块石，碎、块石成分主要为灰岩、泥灰岩，块径一般100300mm，含量约20%。平导PDK354+256+275段溶洞开挖通过之后，为进一步探明溶洞的轮廓及规模，采用探地雷达对平导开挖轮廓线周边进行了探测。,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞(2)一号溶洞正洞段的地质预报、探测情况一号溶洞正洞段的地质预报、探测过程与平导基本相同，只是增加了通过地质作图由平导预报正洞的预报方法。(3)一号溶洞在平导、正洞段的发育情况见下图。,9 预报实例,9.3 实例一 圆梁山隧道深埋充填性一号溶洞 正洞下导坑及平导横断面图,9 预报实例,9.4 实例二 圆梁山隧道深埋充填性二号溶洞 圆梁山隧道深埋充填性二号溶洞的预报、探测过程及方法与一号溶洞基本相同，但二号溶洞较一号溶洞规模更大、溶洞水贯通性更好、水压更高、水量更大、处理难度更大，堪称世界性难题，必须采取综合措施特殊处理，但时间较长，如何确保工期，能否迂回绕行通过溶洞，一可以两面夹击处理溶洞，二可以增加隧道工作面继续往前开挖。这一切的一切，都要建立在对二号溶洞发育规模及方向的探测和认识上。如下图所示，先在平导右边墙探测，发现此处溶洞发育宽度更大，因而从平导右侧迂回绕行基本不可能；从正洞左侧迂回，便探边挖，每走一步，都有地质探孔指路，终于迂回绕过二号溶洞，实现