新建鐵路渝利線隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報實(shí)施方案

1、渝利鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報方案中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司二 00 九年三月渝利鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報方案中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司二 00 九年三月一、前言在公路、鐵路的隧道施工中，由于隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，常常阻礙隧道施工進(jìn)程，甚至造成人員傷亡。大多數(shù)工程項目任務(wù)重、工期緊，特長隧道往往又是控制性工程。 為了使隧道施工能夠安全快速地進(jìn)行，在隧道施工中開展超前地質(zhì)預(yù)報工作十分必要。傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報一般采用超前鉆探， 但是，超前鉆探的費(fèi)用很高，而且還會延誤工期。 目前，無損地球物理探測技術(shù)廣泛應(yīng)用在隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報過程中。該方法預(yù)報時間短、精度高、效果好，并且，對隧道施工不會有干擾（

2、或者僅有輕微干擾） 。因此，我們承諾將在施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作中， 采用先進(jìn)的儀器設(shè)備（即： TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)）和選派具有隧道超前地質(zhì)預(yù)報豐富經(jīng)驗的技術(shù)人員投入該項工作中， 以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度開展工作， 對資料分析做到物探成果與地質(zhì)資料相符合， 提交的成果資料具有客觀性、 準(zhǔn)確性和科學(xué)性， 及時指出隧道掌子面前方存在的不良地質(zhì)狀況， 正確指導(dǎo)隧道的安全施工。二、隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報的目的 進(jìn)一步查清因前期地質(zhì)勘察工作的局限而難以探查的、 隱伏的重大地質(zhì)問題， 預(yù)報施工隧道掌子面前方的不良地質(zhì)災(zāi)害， 進(jìn)而正確指導(dǎo)隧道工程的安全施工。 通過動力學(xué)參數(shù)（動態(tài)彈性摸量、剪切摸量、泊松比、

3、密度、彈性縱波速度、彈性橫波速度等）進(jìn)行綜合評估，有利于及時預(yù)報隧道掌子面前方 100150米及周圍 10 米范圍內(nèi)以下影響隧道施工質(zhì)量和安全的不良（或特殊）地質(zhì)問題，其主要查明：1）軟弱巖層（包括含煤地層）的分布； 2）斷層及其破碎帶； 3）節(jié)理裂隙發(fā)育帶； 4）含水情況； 5）巖溶洞穴； 6）圍巖類別（僅供施工參考） ；三、隧道地質(zhì)超前預(yù)報實(shí)施方案1、TSP203超前地質(zhì)預(yù)報方法為主控方法，地質(zhì)雷達(dá)方法和水平鉆探為輔助預(yù)報方法。2、通過 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報后， 發(fā)現(xiàn)掌子面前方存在重大地質(zhì)災(zāi)害隱患的地段（如大型暗河、軟弱、破碎、富水、導(dǎo)水性良好的地層和大型突水突泥地段）時，經(jīng)施工單位、

4、監(jiān)理、TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報三方確認(rèn)需要采用地質(zhì)雷達(dá)方法或水平鉆探對TSP203超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行驗證或詳查時， 則開展地質(zhì)雷達(dá)方法或水平鉆探對掌子面前方 530 米內(nèi)進(jìn)行驗證或詳查。3、隧道進(jìn)洞 55 米后便開始進(jìn)行TSP203超前地質(zhì)預(yù)報工作。4、為保證超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性， 按隧道掌子面每掘進(jìn)100150米（由圍巖的完整性確定）作一次超前地質(zhì)預(yù)報。5、采用 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)作預(yù)報時， 現(xiàn)場工作布置如下：（1）接收器鉆孔布置方法：接收器鉆孔數(shù)量： 2 個，隧道左、右壁各一個。接收器鉆孔直徑： 45-50mm/孔深 2m。接收器鉆孔布置：沿軸徑向，向上傾斜5-10 度；布置高度

5、：離地面約 1 米；布置位置：離掌子面大約55 米位置。（2）爆破鉆孔布置方法：爆破鉆孔數(shù)量：在隧道左或右壁面布置24 個（根據(jù)巖層走向確定在左或右），根據(jù)實(shí)際情況可以選擇18-24 個。爆破鉆孔直徑： 38mm（20-45mm）/孔深 1.5m（最小 0.8m.最大2.0m）。爆破鉆孔布置：沿軸徑向，向下傾斜10-20 度(水封填炮泥 )，相對于隧道壁面傾斜 10 度；布置高度：離地面約 1米；布置位置：第一個鉆孔離接收器約20 米，其余炮眼間距 1.5 米（最遠(yuǎn) 2 米）。四、預(yù)報方法及原理 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報方法 TSP203系統(tǒng)TSP 是 Tunnel Seismic Predi

6、cation ahead的英文縮寫。TSP203系統(tǒng)是由瑞士 Amberg測量技術(shù)有限公司專門為隧道施工期間探測掌子面前方不良地質(zhì)體而研發(fā)的一套設(shè)備。由于該方法具有探測距離遠(yuǎn)，不占用隧道施工掌子面，探測效果好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于隧道開挖的全過程。TSP203系統(tǒng)由以下三部分組成：1、接收單元2、記錄單元3、附件箱TSP203系統(tǒng)組成 TSP203系統(tǒng)預(yù)報原理TSP-203 超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)采用的地震負(fù)視速度反射波法的基本原理（見下圖）。隧道接收點(diǎn)L1激法點(diǎn)面界射反0163248TM(m)直達(dá)波10VPt1(x)20A(XA,TA)30t11(x)-VPD40TB(ms)反射波面R子掌TM（

7、 m）: 接收點(diǎn)位置；TB(ms): 縱波傳播時間；XA：反射界面正交點(diǎn)的位置；TA：直達(dá)波與反射波交點(diǎn)的傳播時間。負(fù)視速度地震反射波法工作原理圖通常情況下， TSP203爆破剖面是在隧道的左壁或者右壁上布置一系列微型爆破孔進(jìn)行微型爆破激發(fā)彈性波，在隧道壁左右兩側(cè)上同時安裝一對接收器接收從掌子面前方反射回來的彈性波信息，通過對這些彈性波信息進(jìn)行處理、計算和綜合分析，獲得掌子面前方的詳細(xì)地質(zhì)情況。爆破剖面的位置選擇主要取決于巖層結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)方位，由于巖層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確產(chǎn)狀有時是未知的，但在隧道壁左右兩側(cè)上安裝一對接收器可以提供多方位信息，因此，使用一個爆破剖面和兩個接收器也是出于經(jīng)濟(jì)目的考慮。但對地質(zhì)

8、狀況非常復(fù)雜的情況，建議使用兩壁爆破剖面測量。這樣布置的好處是可將所獲得的多方位信息進(jìn)行綜合分析，并可加以對比和相互校證。TSP203系統(tǒng)的現(xiàn)場采集方式如下圖。TSP203 系統(tǒng)現(xiàn)場采集布置圖 信息處理和解釋TSP系統(tǒng)采用彈性波（地震波）回聲測量原理來對掌子面前方的不良地質(zhì)體進(jìn)行探測（見下圖） 。TSP203系統(tǒng)的彈性波傳播示意圖地震波的激發(fā)采用人工震源， 用小藥量的乳化炸藥在隧道的左或右邊墻按一定的距離進(jìn)行爆破產(chǎn)生地震波， 所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播。 一部分波會直接傳到地震波接收器 （直達(dá)波），另一部分波會向前傳播進(jìn)入掌子面前方的圍巖中，當(dāng)前方圍巖中存在波阻抗有差異的地方

9、，則一部分波會被反射回來（反射波） ，另一部分繼續(xù)向前傳播， 波將依次傳遞下去。 人工所激發(fā)的地震波被接收器所接收到并被記錄下來， 形成地震波記錄。 隨著傳播距離的增加和球面半徑的擴(kuò)大，直到能量足夠小不能被儀器所接收到為止。通過對地震波記錄進(jìn)行一系列的運(yùn)算后， 可以得到掌子面前方圍巖的速度掃描圖、深度偏移圖和二維、三維成果圖。根據(jù)這些資料綜合分析，便可對掌子面前方的圍巖進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報。 應(yīng)用該方法可以探測隧道掌子面前方約 120 米及隧道洞身周圍 10 米范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，可以探測斷層及影響帶、節(jié)理裂隙密集帶、巖溶等不良地質(zhì)體。 地質(zhì)雷達(dá)方法 SIR3000 系統(tǒng)SIR3000 系統(tǒng)由采集單元和

10、天線單元組成（見下圖）采集單元天線單元 SIR3000 系統(tǒng)預(yù)報原理地質(zhì)雷達(dá)法勘探是一種高分辨率探測技術(shù)，八十年代以來由于電子技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)飛速發(fā)展，在公路路面、路基與路基缺陷、隧道襯砌質(zhì)量的無損檢測、 隧道超前地質(zhì)預(yù)報等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)檢測原理示意圖地質(zhì)雷達(dá)（ GPR）依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作，電磁波脈沖在介質(zhì)中的傳播路徑波形隨所通過的介質(zhì)的介電性質(zhì)、幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收到反射波的旅行時間、幅值、頻率、波形變化資料，可推斷地質(zhì)目的體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)。 由于地質(zhì)雷達(dá)使用高頻脈沖電磁波 （106109Hz），與其它物探方法相比具有更高的分辨率、準(zhǔn)確率。當(dāng)電磁波到達(dá)兩種不同介質(zhì)性質(zhì)的分界面時， 由于上下介質(zhì)的電磁特性不同會發(fā)生反射與折射。入射波、反射波與折射波的方向，遵循反射定律和折射定律（見下圖） 。電磁波在介質(zhì)分界面的折射和反射 信息處理和解釋電磁波在介質(zhì)界面的折射和反射特征由折射系數(shù)T 和反射系數(shù) R表示，對于非磁性介質(zhì)，當(dāng)電磁波垂直入射（=0）時，可以用下式表示：式中： 1 、2 分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。由上式可知， 對于非磁性介質(zhì)， 電磁波的反射特性僅與介質(zhì)