隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)監(jiān)測方案(尚家灣)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司二一二年十二月隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測實(shí)施大綱目 錄第一部分 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施大綱11 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的12 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則13 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案23.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)23.2 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)63.3瞬變電磁法93.4復(fù)合式激發(fā)極化法預(yù)報(bào)103.5超前水平鉆探124 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)質(zhì)量與安全保證措施134.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)質(zhì)量保證措施134.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)安全保證措施15第二部分 擬投入的主要人員與設(shè)備18第三部分 合同報(bào)價(jià)20第一部分 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施大綱1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要包括常規(guī)地質(zhì)方法、工程物探方法等, 在預(yù)報(bào)時(shí)一定要結(jié)合隧道掌子面前方的具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì), 進(jìn)一步拓寬隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)概念的含義。特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件隧道施工過程中, 在加強(qiáng)工程地質(zhì)分析的同時(shí), 應(yīng)結(jié)合工程物探對(duì)隧道不良地質(zhì)進(jìn)行超前地質(zhì)探測預(yù)報(bào)研究,為工程設(shè)計(jì)及施工提供工程地質(zhì)資料。避免工程地質(zhì)災(zāi)害，從而保證施工安全。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要目的為：（1）預(yù)報(bào)開挖掌子面前方的巖性變化或圍巖類別；（2）掌子面前方可能出現(xiàn)的地質(zhì)斷層及巖石破碎帶的情況；（3）掌子面前方軟巖地段的位置和長度；（4）開挖段前方巖體是否含水及可能的涌水情況等。（5）通過對(duì)隧道洞身范圍內(nèi)（特別是掌子面前方）的巖體破碎地段、斷層發(fā)育等不良地質(zhì)的預(yù)測和分析，給掌子面的開挖提供重要的指導(dǎo)。2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則根據(jù)隧道工程線路長度、地質(zhì)條件等實(shí)際情況，堅(jiān)持超前地質(zhì)預(yù)報(bào)“三結(jié)合”和風(fēng)險(xiǎn)靶段劃分原則，即“地質(zhì)與物探、鉆探結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長短及不同物探方法結(jié)合”，在對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的基礎(chǔ)上，采用相對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)方案。（1）地質(zhì)與物探、鉆探結(jié)合地質(zhì)分析工作是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，在較好了解地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，才能使物探的解釋結(jié)果更接近真實(shí)情況，大大減少物探多解性帶來的難題，離開了地質(zhì)的物探極易偏離真實(shí)的地質(zhì)，離開了物探的地質(zhì)就很難將施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作細(xì)化。（2） 洞內(nèi)外結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查與洞內(nèi)地質(zhì)素描和洞內(nèi)預(yù)報(bào)成果相結(jié)合，即宏觀地質(zhì)分析與具體的施工超前預(yù)報(bào)相結(jié)合。（3）長短及不同物探方法結(jié)合長期超前預(yù)報(bào)探測距離較長，但準(zhǔn)確性稍差，短期超前預(yù)報(bào)探測距離較短，但準(zhǔn)確性較高，兩者的結(jié)合可以取長補(bǔ)短，有效提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性；各種物探方法各有千秋，單獨(dú)采用一種方法往往精度達(dá)不到要求。而不同物探方法的結(jié)合，則可以互相取長補(bǔ)短，有效提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案為了保證隧道施工安全，在高風(fēng)險(xiǎn)地段實(shí)施綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)手段包括TSP地震波探測、地質(zhì)雷達(dá)探測、瞬變電磁探測、激發(fā)極化探測以及超前水平鉆探。3.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是專門為隧道和地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研制開發(fā)的，是目前在該領(lǐng)域的最先進(jìn)設(shè)備，它能方便快捷預(yù)報(bào)掌子面前方100200m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，包括隧道前方巖性的變化、破碎帶和軟弱層的位置寬度、是否含水、是否存在不良地質(zhì)體等，通過探測為隧道工程以及變更施工工藝提供依據(jù)。這將大大減少隧道施工帶來的危險(xiǎn)性，減少人員和機(jī)械損傷，同時(shí)也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。（1） 測試儀器采用瑞士Amberg測量技術(shù)公司最新生產(chǎn)的TSP203型(Tunnel Seismic Prediction)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備。與TSP202相比，TSP203在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面都作了較大改進(jìn)，其軟件編程除了考慮與WINDOWS視窗的兼容之外，還特別強(qiáng)調(diào)了軟件的智能化和評(píng)估結(jié)果輸出的靈活性。圖1為TSP203系統(tǒng)組件簡圖。圖 1 TSP203系統(tǒng)組件簡圖（2）探測原理像所有振動(dòng)測量方法一樣,TSP測量方法也需要振動(dòng)發(fā)射源和接受裝置。TSP測量系統(tǒng)是通過在掘進(jìn)面后方一定距離內(nèi)的鉆孔內(nèi)施以微型爆破來發(fā)射聲波信號(hào)的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，當(dāng)波在隧道前方遇到異面時(shí)，將有一部分波從界面處反射回來，界面兩側(cè)巖石的強(qiáng)度差別越大，反射回來的信號(hào)也越強(qiáng)。放射信號(hào)經(jīng)過一段時(shí)間后到達(dá)接受傳感器，被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行放大。從起爆到反射信號(hào)被傳感器接收的這段時(shí)間是與反射面的距離成比例的，通過反射的時(shí)間與地震波傳播速度的換算就可以將反射界面的位置、與隧道軸線的交角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來；同樣使用TSP也可以將隧道上方或下方存在的巖性變化帶的位置方便地探測出來。圖2為TSP超前預(yù)報(bào)測量原理，圖3為TSP203系統(tǒng)組件標(biāo)準(zhǔn)測量圖示。圖2 TSP超前預(yù)報(bào)測量原理圖3 TSP203系統(tǒng)組件標(biāo)準(zhǔn)測量圖示為達(dá)到探測隧道前方和周圍地質(zhì)情況的目的，在TSP測量系統(tǒng)中使用了三對(duì)高敏加速度傳感器，三對(duì)加速度傳感器通過一根金屬桿連接在一起，分別以平行和垂直隧道軸線的方向定位在專門的傳感器鉆孔內(nèi)，傳感器的這種布置方式能保證接收有各種不同角度反射回來的反射信號(hào)，使用三對(duì)水平和垂直布置的傳感器還能有效地減少干擾信號(hào)的影響。由傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)上，整個(gè)測量過程也是通過這臺(tái)計(jì)算機(jī)來完成的。測量工作結(jié)束后將存儲(chǔ)在小型計(jì)算機(jī)上的地震信號(hào)作進(jìn)一步的分析處理之用。TSP測量系統(tǒng)配備有專門的分析軟件，分析軟件的主要任務(wù)之一是對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)值濾波、選擇放大等，以獲得清晰的反射圖像。分析軟件的另一功能是將反射波圖像所提供的信息與隧道的空間坐標(biāo)結(jié)合起來，通過一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算求出反射事件本身的空間位置以及與隧道的相對(duì)位置。這些數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果和解釋正是TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的最終結(jié)果。 （3）探測方法探測的基本步驟為：鉆孔布置施工鉆孔數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析報(bào)告提交。1）測線測點(diǎn)布置TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是利用振動(dòng)波的反射來進(jìn)行探測的。振動(dòng)波由在特定位置人為制造的小型爆破產(chǎn)生，一般是沿隧道一側(cè)洞壁布置24個(gè)爆破點(diǎn)，爆破點(diǎn)平行于隧道底面呈直線排列，孔距1.5m,孔深1.5m，炮孔垂直于邊墻向下傾斜15200，以利于灌水堵孔。距最后的爆破點(diǎn)1520m處設(shè)接收器點(diǎn)（在一側(cè)或雙側(cè)），接收器安裝孔的孔深2m，內(nèi)置接收傳感器。圖4為觀測系統(tǒng)與隧道關(guān)系平面示意圖。接收器孔21.5m1.5m2.5m1.5m掌子面52米接收器孔115米炮孔S1 S2 S3 S23 S24隧道軸TA圖4 觀測系統(tǒng)與隧道關(guān)系平面示意圖2）探測方法在測量過程中，逐次引爆爆破點(diǎn)的炸藥（約20-30g，根據(jù)圍巖不同適時(shí)調(diào)整）,制造出小型地震波，地震波遇到節(jié)理面、地層層面、破碎帶界面和溶洞、暗河等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波，反射波的強(qiáng)度及傳送時(shí)間反映了相關(guān)界面的性質(zhì)、產(chǎn)狀、據(jù)接受點(diǎn)的距離。接受傳感器將接受到的反射波數(shù)據(jù)傳輸給記錄儀電腦儲(chǔ)存起來，利用處理軟件對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成反映隧道相關(guān)界面的隧道影像點(diǎn)圖，由分析人員進(jìn)行解釋，得到前方的地質(zhì)情況。3）資料分析與處理采集的TSP數(shù)據(jù)，通過TSPwin軟件進(jìn)行處理，獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等一系列成果。在成果解釋中，以P波資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。解釋中，遵循以下準(zhǔn)則：a.正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層。b.若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。c.Vp/Vs增加或突然增大，常常由于流體的存在而引起。d.若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。探測結(jié)果以報(bào)告的形式提交，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)掌子面前方巖體進(jìn)行分段描述，包括巖性的變化、含水情況、是否存在不良地質(zhì)體等。(4)注意事項(xiàng)1) 嚴(yán)格按規(guī)定布置震源和傳感器鉆孔，并保證質(zhì)量，特別是孔距、傾角等；鉆孔前，應(yīng)用測量儀器測定接收器孔和炮孔的位置，接收器孔和炮孔在同一水平面上，并用紅油漆作標(biāo)記。炮孔要標(biāo)記序號(hào)。2) 嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工鉆孔，若測定的位置無法鉆孔，可在以測點(diǎn)為圓心半徑20cm的范圍內(nèi)鉆孔。3)注意選擇接收器孔的位置，不應(yīng)在松散圍巖中。接收器孔身要直。孔內(nèi)巖屑和泥漿要用水沖出孔外。4)注意保護(hù)炮孔，成孔條件好的，孔內(nèi)巖屑和泥漿要用水沖出孔外，以免炸藥包放置不到位。成孔條件差的，完鉆后要將柱狀物（錨桿等）留在孔中，防止圍巖掉塊。5)在洞內(nèi)的實(shí)際探測過程中，盡最大努力減少噪音和漏炮；6)若發(fā)現(xiàn)前方有可能存在不良地質(zhì)體或含水，施工單位應(yīng)打超前鉆孔，以保證施工安全。(5)工程量清單具體工程量根據(jù)隧道地質(zhì)條件及現(xiàn)場實(shí)際開挖巖層情況定。3.2 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(1)測試儀器美國GSSI是目前世界上最好的生產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)的廠家，它的產(chǎn)品遍布全球，目前超過1800套，占全球銷量80%以上，在中國200余套，占中國市場份額的75%以上。創(chuàng)始于1969年的美國地球物理探測公司（GSSI公司），是世界上第一家專業(yè)研制探地雷達(dá)的公司，其前身為美國宇航局。隨著60年代末期美國宇航局專門為阿波羅計(jì)劃所研制的專用儀器，成功地探測到月球表面塵埃之后，世界上第一臺(tái)進(jìn)入民用的商用探地雷達(dá)得以在美國推出，它就是美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR系列探地雷達(dá)的前身。它用電磁波為地質(zhì)勘察服務(wù)，為勘察方法起到了革命性的推動(dòng)作用。圖5為我單位的地質(zhì)雷達(dá)SIR 3000及100MHz天線。圖5 地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)及天線SIR 3000 主要特點(diǎn)：1）SIR-3000型雷達(dá)的一體化設(shè)計(jì)，加上內(nèi)置式可充電電池，性能堅(jiān)固耐用，整機(jī)僅4公斤重，是目前市場上最輕便的雷達(dá)系統(tǒng)； 2）SIR-3000型雷達(dá)高分辨率強(qiáng)光型液晶顯示，可在野外強(qiáng)光下操作； 3）除了傳統(tǒng)的USB、Ethernet, RS-232等接口外，還配備了獨(dú)特的微型閃存裝置，提供更便捷、快速的數(shù)據(jù)傳輸方式； 4）目前GSSI公司提供的雷達(dá)天線種類是最多，使購買我們雷達(dá)的用戶具有了強(qiáng)大的擴(kuò)展余地，可滿足不同工程檢測的需要。而且，所有的天線都可與SIR-3000型雷達(dá)主機(jī)兼容。頻率從16MHz到2.2GMHz可選；我單位共有從900MHz到100MHz四種天線，完全滿足膠州灣隧道的精度預(yù)報(bào)要求。5）天線和主機(jī)之間使用完全頻蔽的同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更加結(jié)實(shí)耐用，防土、防塵能力強(qiáng)，不受環(huán)境限制。 6）GSSI公司開發(fā)的各種功能的雷達(dá)軟件包更豐富了雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，除了配備專用的雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理軟件，用戶還可根據(jù)自己需要選擇特殊功能的軟件模塊，并且所有雷達(dá)軟件基于Windows2000/NT/XP，可在PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。(2)探測原理地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)也稱作探地雷達(dá)，是一種電磁探測技術(shù)，它利用地下介質(zhì)對(duì)廣譜電磁波(107109Hz)的不同響應(yīng)來確定地下介質(zhì)的分布特征。主要是通過觀測位移電流的變化來實(shí)現(xiàn)其探測目的。其應(yīng)用范圍涉及公路、鐵路、水電站、煤礦、隧道、礦產(chǎn)資源和考古等各個(gè)領(lǐng)域。發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會(huì)發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號(hào)并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，通過分析這些攜有地下介質(zhì)電信息的電磁波，可根據(jù)其旅行時(shí)間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布。探地雷達(dá)是在對(duì)反射波形特性分析的基礎(chǔ)上來判斷地下目標(biāo)體的，所以其探測效果主要取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強(qiáng)弱等。其中，目標(biāo)體與介質(zhì)間的電性差異越大，二者的界面就越清晰，表現(xiàn)在雷達(dá)剖面圖上就是同相軸不連續(xù)。可以說，目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異是探地雷達(dá)探測的基本條件。地質(zhì)雷達(dá)能預(yù)報(bào)掌子面前方地層巖性的變化，對(duì)于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識(shí)別能力。在深埋隧道和富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)是一個(gè)很好的預(yù)報(bào)手段。但是地質(zhì)雷達(dá)目前探測的距離較短，大約在2030m之間，對(duì)于長距離隧道的預(yù)報(bào)只能分段進(jìn)行，同時(shí)雷達(dá)記錄易受洞內(nèi)機(jī)器干擾，探測分析中要特別注意波相識(shí)別，排除干擾。(3)探測方法在隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測時(shí)主要按照以下流程進(jìn)行：1）檢查和記錄隧道掌子面的圍巖情況；2）完成雷達(dá)主機(jī)和天線以及專用采集筆記本電腦的連接和調(diào)試；3）準(zhǔn)備進(jìn)入采集模式，盡量避免各種電磁的干擾和串?dāng)_；4）根據(jù)采集方式，確定天線的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（3）資料分析與處理采用美國雷達(dá)專用處理軟件和我單位自行開發(fā)的二次處理軟件，根據(jù)雷達(dá)波波形、相位、頻率和能量等參數(shù)可以基本準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)掌子面前方中小型溶洞、斷層破碎帶和地下水，且探地雷達(dá)相對(duì)于TSP來說，具有探小溶洞和探水優(yōu)勢。探地雷達(dá)是用發(fā)射天線向巖體發(fā)射有一定寬度的高頻電磁波，巖體中的介質(zhì)因介電常數(shù)的不同而反射雷達(dá)波被接收天線接收。介電常數(shù)差是雷達(dá)工作的基礎(chǔ)?？諝獾慕殡姵?shù)為1，巖石的介電常數(shù)為420，水的介電常數(shù)為81，水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達(dá)對(duì)水有特別的敏感性。.雷達(dá)波對(duì)水和含水率高的介質(zhì)的反射強(qiáng)烈，反射波強(qiáng)度大；.雷達(dá)波從其它介質(zhì)到含水層界面的反射波相位與入射波相反；.雷達(dá)波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低；.雷達(dá)波遇中小型溶洞有明顯的“雙曲線”反映。圖 6 地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場工作(4)工程量清單具體工程量根據(jù)隧道地質(zhì)條件及現(xiàn)場實(shí)際開挖巖層情況定。3.3瞬變電磁法瞬變電磁法是一種時(shí)間域電磁法，它是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線向地下發(fā)射一次場，在一次場斷電后，測量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場隨時(shí)間的變化，來達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)的一種地球物理勘探方法。瞬變電磁法的測量原理是利用不接地回線(或電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(或電場)，即在發(fā)射回線上供一個(gè)電流脈沖方波，方波后沿下降的瞬間，將產(chǎn)生一個(gè)向地下傳播的一次瞬變磁場，在該磁場的激勵(lì)下在地質(zhì)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，其大小取決于該地質(zhì)體的導(dǎo)電能力，導(dǎo)電能力強(qiáng)則感應(yīng)渦流強(qiáng)。在一次場消失后，渦流不能立即消失，它將有一個(gè)過渡過程(衰減過程)，該過渡過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次場向地下傳播。在地表用接收線圈接收二次磁場，該二次磁場的變化，將反映地下介質(zhì)的電性情況，在接收機(jī)中按不同的延遲時(shí)間測量二次感應(yīng)電動(dòng)勢，得到二次場隨時(shí)間衰減的特性。圖7為瞬變電磁探測原理圖。圖7 瞬變電磁探測原理圖瞬變電磁法優(yōu)點(diǎn)如下：（1）斷電后觀測純二次場，可進(jìn)行近區(qū)觀測，減少旁側(cè)影響，增強(qiáng)電性分辨能力；（2）可用加大功率的方法增強(qiáng)二次場信號(hào)，提高信噪比從而增加勘探深度；（3）穿透高阻層能力強(qiáng)；（4）由于采用人工源方法，隨機(jī)干擾影響?。唬?）采用重疊回線裝置工作，可以避免地形影響；（6）線圈形狀方位要求相對(duì)不嚴(yán)格，測地工作簡單，工效高；（7）由于測磁場，受靜態(tài)位移的影響小；（8）通過多次脈沖激發(fā)，場的重復(fù)觀測疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，可以提高信噪比和觀測精度。具體工程量根據(jù)隧道地質(zhì)條件及現(xiàn)場實(shí)際開挖巖層情況定。3.4復(fù)合式激發(fā)極化法預(yù)報(bào)激發(fā)極化法(Induced Polarization，簡稱IP)方法是電法勘探的一個(gè)重要分支，在進(jìn)行電阻率法勘探時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象：在向地下供入穩(wěn)定電流的情況下測量電極之間的電位差并非瞬間達(dá)到飽和值，而是隨時(shí)間而變化，經(jīng)過一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定的飽和值；而斷開供電電流后，電位差也并非瞬間衰減為零，而是在最初的一瞬間很快下降，而后隨時(shí)間緩慢下降并趨于零。這種發(fā)生在地質(zhì)介質(zhì)中因外電流激發(fā)而引起介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電荷分離，由于電化學(xué)作用引起附加電場的物理化學(xué)現(xiàn)象，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法正是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測和研究被測對(duì)象的激電效應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)探查的一種電法。圖8為時(shí)間域激發(fā)極化現(xiàn)象的示意圖。3放電曲線充電曲線0468102t1230V2V1VV2圖8 時(shí)間域激發(fā)極化現(xiàn)象示意圖通過對(duì)激發(fā)極化法中極化率、電阻率以及半衰時(shí)之差等參數(shù)進(jìn)行分析和反演，可以得到掌子面前方巖體的電阻率、極化率結(jié)構(gòu)，為進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供重要的參考。半衰時(shí)之差的正值部分代表自由含水體或?qū)畼?gòu)造；三維成像的低阻部分代表含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造。復(fù)合式激發(fā)極化法測線布置采用定點(diǎn)源三極法進(jìn)行激發(fā)極化法超前探測的數(shù)據(jù)采集工作，圖9為定點(diǎn)源三極法的工作方式示意圖，將測線布置在邊墻或隧道底板。本次測量將測線布置在邊墻上，采用山東大學(xué)自主研發(fā)的時(shí)域二電流激發(fā)極化時(shí)差儀（如圖10），主要采集了視電阻率、半衰時(shí)差等參數(shù)。M極電位差測量B極掌子面N極電流測量圖9隧道超前探測工作方式示意圖圖10 復(fù)合式激發(fā)極化儀器3.5超前水平鉆探超前水平巖芯鉆孔，可視為隧道中的微形導(dǎo)坑，可能探測了解隧道開挖工作面前方幾十米乃至上百米范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)情況。在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)盡可能避免鉆頭發(fā)生偏移而導(dǎo)致的探測結(jié)果誤差。應(yīng)根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度，調(diào)整鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速和較低的鉆壓。堅(jiān)硬的巖石，應(yīng)采用較低的轉(zhuǎn)速和較高的鉆壓；較軟的巖石，則應(yīng)采用較高的轉(zhuǎn)速和較低的鉆壓。也可利用開挖工作面上的炮眼孔或深水孔、聲波探測孔的鉆進(jìn)情況來探測了解圍巖地質(zhì)情況。（1）超前水平鉆探的必要性1）由于前期工程地質(zhì)勘察階段鉆孔數(shù)量有限，即使加上必要的物化探等手段也不可能涵蓋所有地層的地質(zhì)信息，因此在正式施工后也需要根據(jù)新奧法的基本理念：即通過反饋施工過程中遇到的重要信息達(dá)到動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)，和施工協(xié)調(diào)一致，良性互動(dòng)。在施工階段，幾乎所有的地球物理探測技術(shù)（物探）的精度和準(zhǔn)確性都有待提高，在遇到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其他手段推測前方存在較大地質(zhì)缺陷或者隱伏水體存在而又無法驗(yàn)證時(shí)，超前水平鉆探作為最為直觀和有效的勘察手段顯得尤為必要。2）作為重要的地質(zhì)資料的補(bǔ)充和收集手段，超前水平鉆探的重要性極顯而易見。通過超前水平鉆進(jìn)，預(yù)報(bào)人員可以獲取除物探信息以外的現(xiàn)場信息。經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆機(jī)操作人員通過孔底鉆壓的異常波動(dòng)可以預(yù)測前方巖體質(zhì)量的好壞。如果前方有水體存在，則鉆進(jìn)中會(huì)有更加明顯的征兆。因此超前水平鉆進(jìn)除了補(bǔ)充驗(yàn)證物探預(yù)測的正確性，自身的作用也不容忽視。（2）超前鉆探設(shè)計(jì)超前鉆探距離一般為30m，搭接10m，以保證有足夠的安全巖柱，鉆探設(shè)備使用潛孔鉆或地質(zhì)鉆機(jī)。超前鉆探布置在物探異常段落、設(shè)計(jì)中存在不良地質(zhì)體段落、地質(zhì)情況需要進(jìn)一步探明的復(fù)雜段落和其它存在突水突泥危險(xiǎn)的段落。一般地段在掌子面中部打一個(gè)垂直于掌子面的30m探孔，關(guān)鍵地段打35個(gè)與掌子面垂直或外傾的30m探孔，具體外傾角度根據(jù)現(xiàn)場預(yù)報(bào)和地質(zhì)資料分析確定，如圖11。圖11 超前鉆探探孔布置圖（3）超前鉆探資料分析通過鉆探過程中鉆孔返水情況及軟弱層等的直觀記錄資料的分析，可以獲得如下信息：1）掌子面前方巖體完整性及裂隙發(fā)育情況；2）掌子面前方圍巖級(jí)別、巖性變化情況及巖性分界面；3）掌子面前方溶腔的具體位置及溶腔的充填情況；4）重點(diǎn)地段的巖石力學(xué)參數(shù)；5）掌子面前方含水情況及涌水量；6）隧道突水突泥危險(xiǎn)性判斷。通過鉆探的結(jié)果，對(duì)照物探結(jié)論和施工開挖過程揭示的地質(zhì)情況，可進(jìn)一步分析地層的軟硬、完整性、穩(wěn)定性等對(duì)施工安全影響的地質(zhì)因素，不斷地糾正鉆探的初步結(jié)論和調(diào)整施工措施。（4）工程量統(tǒng)計(jì)具體工程量根據(jù)隧道地質(zhì)條件及現(xiàn)場實(shí)際開挖巖層情況定。4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)質(zhì)量與安全保證措施4.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)質(zhì)量保證措施為保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料的真實(shí)可靠及連續(xù)性，應(yīng)遵循以下各項(xiàng)質(zhì)量保證措施：(1) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)理工程師密切配合工作，及時(shí)向監(jiān)理工程師報(bào)告情況和問題，并提供有關(guān)切實(shí)可靠的數(shù)據(jù)記錄。(2) 制定切實(shí)可行的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案，并將其納入工程的施工進(jìn)度控制計(jì)劃中。(3) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)項(xiàng)目人員要相對(duì)固定，保證數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性。(4) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀器采用專人使用、專人保養(yǎng)、專人檢校的管理。(5) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備、元器件等在使用前均應(yīng)經(jīng)過檢校，合格后方可使用。(6) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)項(xiàng)目在預(yù)報(bào)和檢測過程中必須嚴(yán)格遵守相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則。圖12 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)質(zhì)量保證框圖(7) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)均要經(jīng)現(xiàn)場檢查，室內(nèi)兩級(jí)復(fù)核后方可上報(bào)。(8) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、管理均采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行。(9) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)項(xiàng)目從設(shè)備的管理、使用及資料的整理均設(shè)專人負(fù)責(zé)。(10) 針對(duì)施工各關(guān)鍵問題開展相應(yīng)小組活動(dòng)，及時(shí)分析、反饋信息，指導(dǎo)施工。(11)對(duì)于本項(xiàng)目工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，主要采用工程地質(zhì)分析、宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)和長期超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，對(duì)于地質(zhì)條件較復(fù)雜的地段再結(jié)合短期超前預(yù)報(bào)和超前鉆探的方法進(jìn)行預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)質(zhì)量保證體系如圖12。4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)安全保證措施（1）施工安全保證措施在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中，樹立“安全第一、預(yù)防為主”的方針，建立健全安全生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)：設(shè)置項(xiàng)目安全領(lǐng)導(dǎo)小組，行政一把手任組長，主管生產(chǎn)、安全的副職擔(dān)任副組長。設(shè)專職安全員，定期對(duì)施工現(xiàn)場進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。對(duì)從事隧道超前預(yù)報(bào)工作的人員進(jìn)行崗位安全生產(chǎn)教育，做到操作人員經(jīng)考核合格后，持證上崗。對(duì)從事隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工人員發(fā)放各種必需的勞動(dòng)保護(hù)用品。開展“安全、快速超前地質(zhì)預(yù)報(bào)”建設(shè)；預(yù)報(bào)現(xiàn)場做到工作規(guī)范，各種預(yù)報(bào)儀器設(shè)備布局合理；在超前預(yù)報(bào)過程中禁止雙層作業(yè)。1）爆破作業(yè)施工安全措施采用TSP預(yù)報(bào)需要電雷管產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，必須按國家現(xiàn)行的爆破安全規(guī)程的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。進(jìn)行爆破作業(yè)人員，嚴(yán)禁穿化纖衣物。所有參加爆破作業(yè)人員，均必須依照爆破安全操作規(guī)程的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行培訓(xùn)，經(jīng)考核合格后才允許從事作業(yè)。照明不足、工作面巖石破碎尚未及時(shí)支護(hù)、有可能高壓涌水地段等嚴(yán)禁裝藥爆破。洞內(nèi)爆破作業(yè)使用安全炸藥，爆破作業(yè)后經(jīng)過通風(fēng)排煙，才準(zhǔn)檢查人員進(jìn)入工作面。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有瞎炮時(shí)必須由原爆破人員按規(guī)定處理。嚴(yán)禁在炸藥加工房以外地點(diǎn)改裝炸藥包等加工作業(yè)。裝炮時(shí)嚴(yán)禁火種，無關(guān)人員與機(jī)具等撤至安全地帶。爆破工隨身攜帶手電筒，并設(shè)事故照明。爆破作業(yè)要由信號(hào)采集人員統(tǒng)一指揮，設(shè)立警戒線，及時(shí)撤離機(jī)械和人員，加強(qiáng)爆破后的安全檢查，由爆破人員負(fù)責(zé)瞎炮的處理，避免事故；所有人員撤至不受振動(dòng)及飛石傷害的安全地點(diǎn)。嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)裝藥聯(lián)線并檢查，消除不安全因素。2）臨時(shí)用電及照明安全措施a.施工用電管理進(jìn)行TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)場需要用電時(shí)，提前提出向項(xiàng)目部申請(qǐng)，經(jīng)過用電管理機(jī)構(gòu)審核批準(zhǔn)，通知運(yùn)行、維護(hù)班組進(jìn)行接引。機(jī)電設(shè)備部作為用電管理機(jī)構(gòu)，組織好運(yùn)行、維護(hù)專業(yè)電工班組，明確各自的職責(zé)。建立、健全供用電設(shè)施的運(yùn)行和維護(hù)操作規(guī)程。運(yùn)行及維護(hù)人員必須熟悉操作規(guī)程，熟悉供用電系統(tǒng)的情況。接引電源工作，必須由維護(hù)電工進(jìn)行，并設(shè)安全監(jiān)察員進(jìn)行監(jiān)護(hù)。非電工不得擅自接引電源。施工用電用畢后，應(yīng)由施工現(xiàn)場廠隊(duì)或班組用電負(fù)責(zé)人通知維護(hù)班組電工進(jìn)行電源拆除。非電工不得擅自拆除電源。嚴(yán)禁非電工拆裝電氣設(shè)備，嚴(yán)禁亂拉亂接電源。b.照明安全安全要求地下工程照明系統(tǒng)的電壓不得高于36V，在潮濕和易觸及帶電體場所的照明供電電壓不應(yīng)大于24V。照明設(shè)備及電源線的安裝拆卸均由專業(yè)持證電工進(jìn)行作業(yè)。照明裝置使用安全規(guī)程照明燈具的金屬外殼必須作保護(hù)接零。單相回路的照明開關(guān)箱內(nèi)必須裝設(shè)漏電保護(hù)器。燈具內(nèi)的接線必須牢固。燈具外的接線必須做可靠的絕緣包扎。燈具的相線必須經(jīng)過開關(guān)控制，不得將相線直接引入燈具。損壞的燈具應(yīng)及時(shí)更換，保障施工照明需要。3）機(jī)械車輛作業(yè)施工安全措施超前預(yù)報(bào)作業(yè)前，操作人員必須認(rèn)真聽取施工技術(shù)人員的現(xiàn)場交底及有關(guān)安全注意事項(xiàng)，并對(duì)機(jī)械作詳細(xì)檢查，作業(yè)中集中精力，不得擅自離開工作崗位。工作所用車輛應(yīng)建立定期檢修和保養(yǎng)制度，使車輛保持在良好狀態(tài)，車輛駕駛員必須熟悉所駕車輛性能、保養(yǎng)程序及操作方法。4）防火安全保證措施嚴(yán)格執(zhí)行消防法中的有關(guān)要求，在庫房及臨時(shí)房屋集中的地方，配備各種消防器材并定期檢查。加強(qiáng)對(duì)職工的防火教育，建立嚴(yán)格的防火管理制度。5）隧洞超前預(yù)報(bào)的安全保證措施a.操作安全措施TSP超前預(yù)報(bào)時(shí)，禁止施工人員及其他人員站雷管附近。車輛進(jìn)出隧洞要亮燈和不斷鳴笛，保證剎車良好。b.地質(zhì)災(zāi)害防治安全措施 每次進(jìn)洞進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)前先詢問現(xiàn)場人員