隧道綜合超前地質(zhì)預報作業(yè)指導書

隧道綜合超前地質(zhì)預報作業(yè)指導書1適用范圍改建鐵路龍巖線擴能改造工程位于福建省永安市，南戴云山隧道起訖里程為DK141+913~DK154+081.9，隧道全長為12589.47m，其中Ⅴ級圍巖204m,Ⅳ級圍巖477.9m,Ⅲ級圍巖2390m,Ⅱ級圍巖9517.57m。本作業(yè)指導書適用于南龍鐵路XX南戴云山隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖、巖溶地段及隧道斷層破碎帶施工期間超前地質(zhì)預報，本隧道超前地質(zhì)預報主要為地質(zhì)素描法，彈性波反射法，地質(zhì)雷達，超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔等方法。2作業(yè)準備2.1技術(shù)準備隧道地質(zhì)分級：根據(jù)地質(zhì)災害對隧道施工安全的危害程度一般分為四級。A級：存在重大地質(zhì)災害的地段，如大型暗河系統(tǒng)：可溶巖與非可溶巖接觸帶，大~特大型突水突泥地段：瓦斯災害嚴重的地段以及人為坑道等。B級：主要針對中~小型突水突泥地段，較大物探異常地段，斷裂帶等。C級：水文地質(zhì)條件較好的碳酸鹽巖及碎屑巖地段，發(fā)生突水突泥的可能性較小。D級：非可溶巖地段、小型斷層破碎帶，發(fā)生突水突泥的可能性極小。技術(shù)內(nèi)業(yè)準備：組建地質(zhì)超前預報專業(yè)小組，認真學習實施性施工組織設(shè)計，閱讀、審核施工圖紙，掌握隧道工程地質(zhì)情況，編制超前地質(zhì)預報計劃，采用先進科技手段進行超前地質(zhì)探測預報。預報手段主要包括以下幾種：地質(zhì)超前探測預報系統(tǒng)、地質(zhì)雷達、紅外線探測儀、超前地質(zhì)鉆孔、TSP203探測、風鉆超長鉆孔、地質(zhì)素描等。外業(yè)技術(shù)準備：根據(jù)隧道地質(zhì)情況，采用不同的超前地質(zhì)預報方法，現(xiàn)場收集隧道地質(zhì)情況的各種技術(shù)數(shù)據(jù)，進行分析、解譯、對比后得出結(jié)論，指導隧道施工。明確綜合地質(zhì)超前預報中各種方法的特點：TSP203作業(yè)快，測距長，干擾相對少，可以與多種預測法結(jié)合應用，但精度不高，解釋難度大，適于做長距離預測；地質(zhì)雷達可以準確測定短距離內(nèi)隧道四周和低部的空洞、水體情況，可補充TSP203的不足；紅外線探水儀適于判斷地下水情況，作業(yè)快，干擾少，較準確，但水量水壓無法測定；超前水平鉆孔基本可以100%的揭示地下水及圍巖物理力學性能，但干擾大，用時長，費用高。在施工中，根據(jù)各種方法的特點確定地質(zhì)超前預報的原則是：以常規(guī)地質(zhì)綜合分析法為基礎(chǔ)，TSP地質(zhì)超前預報系統(tǒng)做長距離宏觀控制，地質(zhì)雷達做近距離判斷，紅外線探水儀做連續(xù)地下水探測，水平鉆孔為必做項目，形成綜合地質(zhì)超前預報系統(tǒng)。并組成專業(yè)預報小組，建立健全隧道地質(zhì)超前預報工作制度，配備先進的儀器設(shè)備，開展地質(zhì)超前預報工作。2.2勞動力組織表1地質(zhì)預報小組人員配備表小組組長1人專業(yè)工程師2～4人工班長1人爆破工1人超前水平鉆孔工班6人其它利用隧道施工人員2.3材料要求2.3.1預報儀器設(shè)備處于良好狀態(tài)，無故障，無安全隱患。2.3.2火工品在有效期內(nèi)，材料規(guī)格、儲存、運輸和使用符合火工品相關(guān)規(guī)定。2.3.3鉆孔設(shè)備性能良好，滿足鉆孔要求。2.4設(shè)備機具配置表2超前地質(zhì)探測預報儀器設(shè)備配備表序號名稱數(shù)量備注1TSP2031套2地質(zhì)雷達1套3紅外線探水儀1臺4水平鉆機1～4臺5數(shù)碼照相機1臺6水量表2個7水壓表2個8筆記本電腦2臺9越野汽車1輛選用施工現(xiàn)場配合：鑿巖機3～5臺，提供高壓風、水和電源，提供現(xiàn)場運輸工具。3技術(shù)要求3.1預報人員為地質(zhì)專業(yè)工程師，有豐富的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，吃苦耐勞，有職業(yè)責任感。3.2爆破人員必須為取得爆破作業(yè)資格證人員，責任心強，沒有違章作業(yè)行為。4工藝流程及操作要點4.1工藝流程表3超前地質(zhì)預報方式工作范圍及作業(yè)方式表預方式工作范圍作業(yè)方式TTSP203隧道的斷層破碎帶、低阻區(qū)、巖石界面、不良地質(zhì)地段。隧道施工時，進行鉆孔、設(shè)備安裝隧道停止施工后，進行引爆監(jiān)測后恢復隧道施工。地地質(zhì)雷達接近和通過不良地段時使用，以準確推斷隧道四周及底部的巖溶、水體的形態(tài)。正洞均需監(jiān)測短時間占用正洞施工時間，接近巖溶、水體等之前開始施測，有水巖層10m/次，無水巖層＜20m/次。紅紅外線探水儀探測地下水分布，正洞均測。利用施工空隙時間，每掘進20～30m測一次，測點縱向間隔5m，每個測點向拱頂、兩側(cè)及隧底測四個方向，靠近工作面的測點還需要向前量測。超超前水平鉆孔隧道不良地質(zhì)地段。停止正洞施工約12～24h，探測深度30～100m時，水平鉆機使用MGY-80、MGY-100A、XY-2鉆機。短距離水平鉆孔探測，為日常監(jiān)測項目。正洞在地質(zhì)較差地段進行。不單獨占用施工時間，在每循環(huán)鉆孔時，將若干輔助眼加深1～5m，直覺確定圍巖變化情況。常地質(zhì)法正洞開挖面均進行地質(zhì)素描。不占用施工時間，每次爆破后進行素描，繪制展示圖，進行推測。4.2各種地質(zhì)預報施工方法隧道的地質(zhì)條件，超前地質(zhì)工作按照長短結(jié)合、上下對照、定性與定量相結(jié)合的辦法來保證預報的準確性。根據(jù)各種探測方法的特點，可分為長距離控制預報、中距離預報、短距離預報。長距離宏觀控制預報：在隧道穿過的巖溶地段、淺埋地段在洞身水平方向上采用TSP203超前地質(zhì)預測預報系統(tǒng)進行距離100～200m的預報。中距離預報：采用儀器（地質(zhì)雷達、紅外探測儀、水平聲波反射法）和超前地質(zhì)鉆孔進行的距離在30m～50m的驗證預報。無其他情況無其他情況無其他情況工程地質(zhì)分析預測判斷前方有大斷層破碎帶超前地質(zhì)預報儀探測[TSP203]50～80米超前鉆孔8～30米超前鉆孔判斷前方有小型斷層破碎帶30米紅外線、雷達補充物探30米內(nèi)紅外線補充探水反饋設(shè)計根據(jù)設(shè)計施工判斷前方無不良地質(zhì)隧道周壁雷達、紅外線補探結(jié)束有不良形態(tài)施工隧道周壁雷達、紅外線補探施工有不良形態(tài)反饋設(shè)計超前地質(zhì)預報圖1綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)流程圖短距離預報：地質(zhì)素描法和采用加長炮眼孔進行的距離小于30m的預報。TSP203：檢測預報工作面TSP203：檢測預報工作面前方100～200m范圍紅外線探測預報地下水及充填性溶洞30～50m超前鉆孔預報和驗證不良地質(zhì)及地下水HSP預報及地質(zhì)雷達驗證TSP203預報結(jié)果開挖時5m超前風鉆探孔預報檢驗不良地質(zhì)位置，避免突發(fā)性事故發(fā)生地質(zhì)雷達預報隧道周邊工作面常規(guī)地質(zhì)素描分析預報圖2主要地質(zhì)預報工作范圍圖4.2.1TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)超前探測隧道掘進過程中，每開挖150m通過TSP203對開挖前進方向進行中長距離（100～200米）預報，對一定規(guī)模的斷層破碎帶和巖溶帶進行預報。TSP203系統(tǒng)在圍巖較好地段可測出前方100～200m范圍內(nèi)的巖層分界面、巖層的物理性質(zhì)、斷層等，圍巖完整性較差時，預測范圍在100～150m之間。準備工作準備工作鉆孔埋設(shè)傳感器記錄孔位連線檢查暫停施工爆破拾波成果分析測量孔位恢復施工圖3TSP203作業(yè)程序見圖鉆孔：在距離工作面55米處，隧道兩側(cè)各布置1個深度為2m的孔（稱為接收孔），鉆孔角度可略微向上傾斜，可確?？變?nèi)無水，布置傳感器。自工作面起，每隔1.5m鉆孔一個，鉆孔深度為1.5m，共24個孔（稱為爆破孔），鉆孔角度可略微向下傾斜，可在孔內(nèi)灌水封閉，封堵效果較好，最后一個孔與傳感器的距離應在15～20m。所有鉆孔的高度盡可能的在同一標高線上，爆破孔和接收孔之間應無大洞室、橫通道等相隔。接收孔必須順直，否則套管出現(xiàn)彎曲后就會損壞傳感器，鉆孔直徑要略大于套管直徑，一般采用Φ50的鉆頭。鉆孔完畢后，對炮孔進行編號，防止測量時出現(xiàn)漏測，逐個測量孔的深度和傾斜度，并作好記錄。埋設(shè)傳感器桿：接收器套管的埋設(shè)工作至關(guān)重要，關(guān)系到接收器所收集震波信息的準確性，因此要確保套管與圍巖密貼緊密，無縫隙存在。埋設(shè)套管前，先清孔，清除孔底虛碴、積水，放入環(huán)氧樹脂藥卷，插入傳感器套管，用鉆帶動其鉆動，保證環(huán)氧樹脂藥卷充分攪拌，放置套筒時，應注意使一側(cè)面正對掌子面。待傳感器套管固定后，清洗套管，插入傳感器，注意傳感器方向朝向掌子面。連線檢查：把傳感器、檢波器（電腦）、起爆器、同步器連接并檢查其是否正常工作，注意此時起爆器不得與雷管相連。測量時間：測量時間選在施工交接班時間，要求工作面800米范圍內(nèi)不得有機械作業(yè)和作業(yè)人員作業(yè)，作業(yè)前與現(xiàn)場施工員聯(lián)系，以確定停工時間，此時準備好爆破藥卷、電雷管等。裝藥爆破：由靠近工作面炮孔開始，逐個依次裝藥聯(lián)線，裝藥后可采用錨固劑封堵，并灌水，封堵效果較好，起爆器起爆，裝藥量根據(jù)圍巖情況，一般控制在30～80g左右，圍巖較差時，可加大，但不能超過100g?；謴褪┕ぃ罕埔唤Y(jié)束，馬上可以恢復施工，一般停工時間在45min左右。成果分析：采用TSP203自帶的軟件分析系統(tǒng)，剔除一些明顯的干擾波，軟件自動分析，自動生成圖表，反映前方圍巖的物理特性，巖層分界線、軟弱帶、斷層的位置等信息。在隧道施工中，TSP203系統(tǒng)在斷層破碎帶、低阻區(qū)、巖石界面、不良地質(zhì)地段范圍內(nèi)按每100m段進行預測。4.2.2工作面超前地質(zhì)鉆孔探測預報在隧道施工通過巖溶、斷層破碎帶段每開挖30m，利用超前水平地質(zhì)鉆孔對開挖前進方向進行30～50m的鉆探。正洞除嚴格按照在可溶巖地段和斷層破碎帶以及可溶巖與非可溶巖過度接觸帶施做超前鉆孔外，還應結(jié)合超前探測結(jié)果的異常段，按地質(zhì)人員要求增設(shè)鉆孔。鉆機鉆孔時要固定牢固，并安設(shè)孔口管及高壓閘閥，確保超前鉆孔涌出高壓地下水時，能夠有效地控制。在斷層破碎帶施工中運用開挖用的鉆具進行長5米的超前鉆孔，對洞身前方進行全方位空間探測，探孔成放射形布設(shè)。4.2.3利用工作面地質(zhì)素描預報地質(zhì)素描內(nèi)容有：巖性、巖層產(chǎn)狀、軟弱夾層、巖脈穿插情況；斷層及破碎帶的形態(tài)、產(chǎn)狀、寬度、填充物特征；主要節(jié)理裂隙的形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模及相互切割關(guān)系。巖石結(jié)構(gòu)面調(diào)查內(nèi)容有：圍巖的巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀、節(jié)理的延伸性、粗糙起伏情況、張開程度。地下水出露情況、水量大小等；巖溶的形態(tài)、大小、位置走向等；圍巖節(jié)理內(nèi)含水情況。地質(zhì)素描采用圖表形式形象紀錄。施工階段地質(zhì)預測：根據(jù)開挖面地質(zhì)素描、巖石結(jié)構(gòu)面調(diào)查記錄采用前推法預測前方地質(zhì)情況，首先按1:100的比例做出開挖面前方一定長度的展開圖，逐一將開挖面地質(zhì)素描和巖石結(jié)構(gòu)面的記錄資料，按其產(chǎn)狀、節(jié)理軌跡線繪制到展示圖上，最后按其節(jié)理走向和軌跡延伸并結(jié)合TSP203的預報成果、地質(zhì)雷達預報成果和超前鉆孔的鉆芯地質(zhì)資料畫出前方地質(zhì)情況。地下水地質(zhì)預測：現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)以往施工經(jīng)驗對地下水作如下經(jīng)驗性預報：當隧道由弱可溶巖進入強可溶巖的邊界部位時，可能發(fā)生涌水；根據(jù)大突水點的涌水特征：一般有滲、滴水段→線狀滲水段→集中涌水段高壓噴水段，當隧道由滲、滴水段進入線狀滲水段時，應作好出現(xiàn)集中涌水的準備；進行超前預報的施工防治能取得較好的效果；鉆孔內(nèi)出現(xiàn)渾水，前方可能有涌水；若渾水能噴射5m以上，則前方可能有大于30～50L/s的涌水存在；當超前鉆孔能噴射3.5m以上，或涌水速度大于7m/s，或風鉆孔內(nèi)有涌水速度大于14m/s的出水，則前方可能出現(xiàn)大于20L/s的涌水存在；當?shù)販販y值出現(xiàn)比前一點低時，可能有涌水。4.2.4紅外線探水探測在隧道施工通過巖溶、巖溶水、斷層破碎帶可能發(fā)生涌水地段每開挖15～30m，對開挖面前方施作一紅外線探測技術(shù)，對地下水進行預報。HY-303型紅外線探水儀可預測掌子面前方20～30米范圍內(nèi)的地下水情況。操作方法：進入探測地段時，首先沿隧道一個壁，以5米點距用粉筆或油漆標好探測順序號，一直標到終點，或者標到掘進面處。在掘進面處，首先對斷面前方探測，在返回的路徑上，每遇到一個順序號，就站在隧道中央，分別用儀器的激光器打出紅色光斑，使之落在左壁中線位置、頂部中線位置、右壁中線位置、底板中線位置，并扣動儀器扳機分別讀取探測值，并作好紀錄。然后轉(zhuǎn)入下一序號點，直至全部探完。把探測數(shù)據(jù)輸入計算機后，由專用軟件繪成頂板探測曲線、底板探測曲線、兩壁探測曲線。根據(jù)探測曲線可以很明了的預報出前方地下水的情況。紅外線探水儀從探測到得出分析結(jié)果非?？欤姨綔y儀器輕便，方法簡單，在斷層地段，隧道全長每20米采用紅外線探水儀探測一次，適當加密探測頻次。4.2.5掌子面及開挖后的周邊巖溶探測地質(zhì)雷達除進行開挖面前方探測以外，在隧道已開挖過的可溶巖地帶隧底、斷層破碎帶洞壁8～15m范圍進行連續(xù)探測，以發(fā)現(xiàn)可能的不良地質(zhì)體，以便及時上報設(shè)計單位及時處理，免除后患。當超前地質(zhì)預報系統(tǒng)預報前方有溶洞、斷層、巖層破碎等不良地質(zhì)時，其規(guī)模、形態(tài)需要具體了解，采用地質(zhì)雷達進行探測。工作參數(shù)選擇：⑴天線中心頻率天線中心頻率選擇需要兼顧目標體最小尺寸和天線尺寸是否符合場所需要。襯砌檢測中，由于隧道內(nèi)存在臺車、機械等鐵磁性物品，需要采用屏蔽天線。⑵時窗時窗選擇主要取決于最大探測深度d（單位：cm）與混凝土的電磁波速度V（單位：cm/ns）。時窗W（單位：ns）可由公式計算：W=2d/V時窗的選擇主要取決于最大探測深度與介質(zhì)中電磁波速度，在隧道質(zhì)量檢測中，介質(zhì)主要是混凝土和巖石，若取電磁波的速度為0.1m/ns，要求探測深度在1.5m以內(nèi)，時窗可取為35ns（包含采集背景噪音所需的時間）。⑶采樣率、采樣頻率和采樣點數(shù)采樣率是記錄的反射波采樣點之間的時間間隔。采樣間隔的選擇直接影響到波形采集的質(zhì)量。對于規(guī)模較小的空洞異常，采樣間隔選取太大時，波形將會發(fā)生削波現(xiàn)象，甚至嚴重畸變；而采樣間隔太小，數(shù)據(jù)采集的效率將會降低，一般情況下，天線頻率越高，采樣間隔選取越小。在隧道檢測中，若使用400MHz的天線，采樣間隔一般選取0.2ns；使用1200MHz的天線，采樣間隔則選取0.1ns。⑷疊加次數(shù)疊加次數(shù)也會影響到波形采集的質(zhì)量和數(shù)據(jù)采集的效率。在隧道檢測中，探地雷達受外界電磁干擾較小，若采用點測的方式，疊加次數(shù)常選為4次或8次即可。⑸距離記錄方式隧道檢測一般采用時間記錄方式，手動打標記，5m做一個標記，每隔100m進行一次距離校準。數(shù)據(jù)采集中的注意事項：⑴密切注意雷達圖像的變化，對圖像異常段做好記錄，必要時進行復檢。⑵控制天線耦合情況，保證天線密貼檢測面，減少晃動。⑶保證檢測臺車平穩(wěn)勻速直線進行，中間盡量減少停頓，并記錄停頓位置。數(shù)據(jù)處理分析：探地雷達檢測數(shù)據(jù)，需要專業(yè)人員來進行判讀分析，并且需要一定的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗。對采集的數(shù)據(jù)進行處理主要有以下步驟：采集文件載入、文件測量方向掉轉(zhuǎn)、添加距離信息、添加里程信息、水平刻度調(diào)整、確定地面反射波信號位置，設(shè)置和修改介電常數(shù)，計算深度信息、信號振幅自動增益調(diào)整、水平相關(guān)分析、背景去除、一維頻率濾波、反褶積、一維頻率濾波、偏移歸位、希爾伯特變化、添加地面高程信息，并利用高程歸一化函數(shù)進行處理、文件拼接、繪制地質(zhì)剖面圖.利用電子表格Excel或者抓圖軟件繪制地質(zhì)圖件。4.3其它地質(zhì)工作內(nèi)容及方法4.3.1巖溶和斷層破碎帶形態(tài)調(diào)查調(diào)查巖溶的形態(tài)、規(guī)模及其分布位置、高程、延伸方向、涌水量大小、充填物情況。4.3.2地表監(jiān)測依據(jù)提供的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)圖，暫定隧道中線兩側(cè)各1.5公里與居民生活、生產(chǎn)關(guān)系密切的泉水、井水等進行監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要為水量、水溫、水壓、水質(zhì)的變化以及當?shù)氐臍庀笈c降水。監(jiān)測手段主要為測量、攝影、筆記等。4.3.3洞內(nèi)監(jiān)測用數(shù)碼攝像機將開挖后、沒有支護以前的隧道側(cè)壁進行攝像,通過編輯,制成具有里程標志的連續(xù)的影視資料，從而分析地層節(jié)理、裂隙的變化情況。隨著隧道施工進展，通過測試窗量測裂隙，即在洞壁畫定一定面積，對節(jié)理進行統(tǒng)計，計算隧道圍巖的滲透張量；嘗試通過裂隙的統(tǒng)計預測巖溶通道出現(xiàn)的概率。進行涌水動態(tài)的實時監(jiān)測，包括涌水點的空間分布、單點涌水量、涌出壓力、涌出機制和涌水的化學與同位素化學特征等。以10天為單位進行長期觀測，根據(jù)地下水的動態(tài)變化，間接地判斷工作面前方的地質(zhì)情況是否變化，尤其重點觀察大涌水點和集中的出水點。隨隧道的施工進度，對隧道工作面氣溫及水溫進行監(jiān)測