地质超前预报措施

隧道工程超前地质探测与预报
一、本段工程施工情况简介
本管段隧道地质条件较复杂。

主要工程地质问题有岩溶、涌水、突泥、断层破碎带等，因此超前地质探测与预报是本标段隧道施工的一个极其重要的内容和环节。

施工中采用动态管理、动态设计和信息化施工。

提前解拟开挖地层的特性，确定合理的支护参数和施工方法，制定施工中可能出现的各种问题的处理预案，确保工程质量和施工安全。

即在预设计地质资料的基础上，采用地面预报和洞内超前预报相结合的模式，主要以洞内超前预报为主，对未开挖地段进行地质预测和分析，采集各种水文、地质、变形、应变等信息，及时进行信息反馈，以确定合理的支护参数，制定合理的施工方法。

洞内超前预报主要通过TSP2034质超前预报系统、地质雷达、声波法、红外线探水仪和超前钻孔等手段进行。

并将该项工作纳入施工工序管理。

二、超前地质探测与预报组织机构及职责
施工中将超前地质预报工作作为一个工序来进行安排，成立专业超前地质预报室，人员由物探、地质及试验专业工程师、测试技工组成；配备先进的预测与预报设备和仪器，建立地质预报管理组织机构，由总工程师任组长，超前地质预报室主任任副组长，各专业工程师任成员的组织机构，并聘请国内知名地质预报和隧道施工专家组成专家组。

组织机构见图1。

图1超前地质探测与预报组织机构图
总工程师任组长：全面负责综合测试与超前地质预报工作，直接向项目经理负责；
超前地质预报室主任任副组长：组织工程地质、水文地质、物探及试验等专业组成人员进行超前地质预报日常工作；
工程地质：负责地质超前预报和调绘、监测以及测试、试验资料的分析、研究，提出施工工程措施
建议；
水文地质：负责水文地质调绘、测试及隧道涌水量的预测与环境水文地质评价；
物探专业：负责物探测试工作；
试验专业：负责岩、土、水样的测试、试验工作。

根据本标段隧道的工程地质特点，为保障施工安全，采用地面预报和洞内预报相结合的模式，并主要以洞内预报为主。

为提前解拟开挖地层的特性，在预设计基础上，采用多种超前地质探测与预报手段，采集各
种水文、地质、变形、应变等参数进行信息化管理和监测，对未开挖地段进行地质预测和分析，
以供设计单位及时提出是否需要修改设计的正确判断，并研究拟采用的支护类型，确定合理的结构支护参数，实行动态管理、动态设计和信息化施工，以保证施工顺利进行。

三、地质预报项目
由于隧道存在岩溶、突水突泥、岩溶塌陷等地质灾害问题，施工中对可能发生的地质灾害加
强预防并开展地质预报工作。

洞内预报：施工中加强岩溶、断裂破碎带等的超前地质预报工作，如采用超前钻孔并辅以
TSP203地质雷达、红外线探水仪等物探手段进行综合预测，并在必要时联合设计单位对地面进行补充地质测绘，加强洞外地表观测。

开展动态设计，及时针对隧道施工超前预报，有关监测结果及时开展动态设计，变更施工方案。

四、超前地质探测和预报方法及工艺
根据本标段隧道工程地质条件，结合本承包人以往施工中在超前地质探测与预报方面所积累
的经验，拟采用TSP2034质预报系统、地质雷达、声波法、超前钻探法等进行地质预报，并预测
开挖工作面前方一定范围内围岩的工程地质和水文地质条件。

初步确定本标段采用以下方法进行超前地质探测与预报。

1、TSP203超前地质预报系统
TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质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的地质状况。

它是在掌子面后方边墙一定范围内布置一排爆破点，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，界面两侧岩石的强度
差别越大，反射回来的信号、返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理得到岩体强度变化界面的信号也就越强。

返回信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大，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。

TSP203地质预报系统现场测试如图2。

图2 TSP203I4质预报系统现场测试示意图
TSP203地质预报系统实际操作中有如下特点：适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况；距离长，能预测学子面前方100m〜200m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大；对隧道干扰小，在隧道施工间隙进行，且提交资料及时。

采用专用处理软件，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。

计算机自动绘出弹形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。

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相对于隧道的空间位置。

但TSP203I4质预报系统也存在预报准确性和预报精度方面的问题，需要采用其他预报手段来补充和完善。

2、地质雷达
作为TSP203地质预报系统的补充，在TSP2031报异常点，在确定异常体的规模、性质、危害性有困难时，采用地质雷达作为补充手段，短距离进一步探测前方30m内的地质情况。

地质雷达能发现学子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。

在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个在短距离内很好的预报手段。

地质雷达探测与预报在学子面测量放样和监控量测时平行安排，每25〜27m 一循环。

3、声波法(HSP、CT)
(1)声波反射界面探测
声波反射法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，判释隧道掌子面 成前方反射界面（岩溶界面）距隧道掌子面的距离来探测岩溶界面，如图3所示。

图3声波反射法（HSP 济溶界面探测原理
（2）界面距探测学子面距离计算
在任意介质中传播的波，当其传播到该介质与另一介质的分界面时，一部分产生反射，另一 部分穿过界面折射后继续在另一介质中传播。

显然，探测到的距离是波信号在发射换能器及接收 换能器与界面间传播的最短距离，该距离并不一定是隧道学子面前方界面距探测面所在位置的水 平距离，应根据界面产状进行预报距离修正。

（3）岩溶性质的分析判断
岩溶充填物前方界面（岩溶溶洞洞壁面）探测，反射波相位与接收首波相位相同；施工学子 面前方岩溶探测，反射波相位与接收首波相位相反，此时岩溶充填物（水、泥夹石或空溶洞）的 判断则需结合溶洞在岩溶地下水动力剖面分带中的位置加以分析确定。

（4）岩溶声波CT 探测预报
声波CT 层析成像（Computer Tomography 简称CT 成像或CT ）法预报移植于国外始于七十 年代且得到广泛应用的岩土及混凝土声波CT 层析成像技术，借助医学界X 射线断层扫描的基本 手段，结合岩土物理力学性质的相关分析，采用孔间声波探测射线走时和振幅来重构孔间岩土内 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，达到直观反映孔间岩土 体内部结构（岩容发育分布）的目的。

4、超前钻孔探测
“物探先行，钻探验证”，超前钻探是一种传统而可靠的工程地质探测方法，针对本标段隧道 位于煤系地层地段的特点，拟采用超前钻探方法进行探测，以超前水平岩芯钻探为主，辅以浅孔 钻探。

超前水平岩芯钻探可根据需要探测和了解隧道开挖前方几米、几十米乃至上百米范围内围岩 的工程地质情况，为施工地质灾害预警提供信息；通过钻孔了解和释放影响隧道掘进施工的地下
水和瓦斯积聚；通过岩芯观察和分析对隧道开挖前方的不稳定岩层和断层破碎带进行准确定位； 直接采取岩芯样进行各种抗压强度试验，获取岩石物理力学性质参数。

掌子面前方界面
隧道开挖掌子面
A-波发射点B-波接收点
C-波在界面上的入射点 a -界面倾角 0 -波入射角
为节约施工时间和减少经费，对地质情况稳定、岩性坚硬完整且变化小的地段可酌情减少超
前水平岩芯钻探工作量，在钻进过程中，尽可能避免钻头偏移，导致探测结果发生误差。

根据岩
石的坚硬程度，调整钻机转速和钻压，坚硬岩石采用较低钻压。

采用XY-2PC 地质钻机进行超前
深孔钻探，钻探深度可达150m,孔径90520mm
根据物探结果，安排超前钻探。

浅孔超前钻探方法是在钻进过程中，从钻进的时间、速度、
压力、冲洗液的颜色、成分以及卡钻、跳钻等和岩性、构造性质及地下水等情况掌握地质条件。

综合不同位置钻孔的钻进时间变化曲线，大致确定断层的规模和产状。

根据设计或超前物探，在需要地段做超前钻孔探明涌水量。

在临近突水地段，最好多打一些
超前探孔，并改放小炮，避免工作面出现冲溃现象，喷距应比较稳定。

若探孔水喷距逐渐缩短，
说明遇到储量不大的静储量水，危害不大。

喷距大于
5m 时，可加补几个探孔加速施工，查清水情。

若探孔水喷距突然缩小，或时大时小，说明管道中有较多的泥砂堵塞，应以初喷距为准。

探孔水喷距和隧道涌水量之间的关系还受到其它一些因素的影响，应对于隧道的每一出水段，建立单独的预报标准。

5、红外线探水仪
HY-303红外线探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场的变化，分析判断开挖面前方30m范围内是否存在含水体。

将含水裂隙、含水构造、含水体作为寻找对象场源时，场源所形成的场要远远大于场源本身，当由远而近接近场远时，仪器显示屏上的读数值会发生明显变化。

当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常场会迭加到掌子面后方的正常场上，产生场的畸变，由距场源的距离不同，畸变后的场强亦不同，在数据曲线上表现为突变。

而当掌子面前方没有含水构造时，由掌子面到其后一定距离内所测的红外辐射场场值均为正常场值，为一常数，其数据曲线表现为一近似直线。

6、采用相似比拟法对涌水量预报
根据本承包人在岩溶隧道工程施工中的成功经验，选用相似比拟法或超前地质预报（物探或钻探）对隧道涌水预测。

相似比拟法是通过正洞已开挖地段实测涌水量来推断未开挖地段的涌水量。

它建立在岩层裂
隙比较均匀，比拟段的水文地质条件相似，涌水量与坑道体积成正比的基础上。

相似比拟法对涌水量预报结合平时的地质素描工作进行统计和分析。

五、工作程序
超前地质探测和预报工作程序见图4。

现场地质状况调查
制定超前探测预报方案
确定施工方案、保证开挖安全 资料整理与经验积累
图4超前地质探测预报工作程序图
六、资料交附与质量保证措施
1、资料交付
地质测试与超前预报成果资料采取分报告与总报告相结合的交付方式。

每天将现场采集的资 料进行分析和汇总，并向施工和技术负责人进行汇报；每周进行一次归纳汇总。

对地质条件与设计变化较大、影响隧道施工安全，可能产生地质灾害的重点地段（强富水地 带、不同岩性接触带、节理密集带等）所做的地质超前预报，及时交付业主、设计单位进行动态 设计；情况紧急时，先及时采取防范措施，有条件时邀请有关方进行现场会勘，再以书面形式报 告业主、设计单位，以保证施工安全。

2、质量保证措施
为了保证地质测试与超前预报质量，成立QC 小组，实行全面质量管理，按ISO9000质量体
系的要求，建立内部质量管理机制，制定岗位责任制，保证测试预报工作按计划运行，全部地质 地质资料研究 地
质
预
报
系
统
比拟法预测前方地质 反馈于设计、施工，进行动态设计 根据开挖及支护情况发现坍方征兆 TSP203
资料实行计算机管理，保证资料的完整性和连续性。

测试预报人员要根据现场实际每天或经常、
主动地深入施工现场，及时了解施工动态，进行地质测绘与编录，同时对一些地质条件复杂的地
段，设置质量控制点，进行重点测试预报，确保地质测试与超前预报工作的质量。

同时为了地质测试与超前预报和施工的顺利进行，实行定期会议制度，每天进行一次调度会，每周召开周例会，每月进行一次汇总和分析，若遇特殊情况，根据需要随时召开，适时邀请业主
和设计单位参加，及时协调解决存在的问题，保证地质测试与超前预报和施工的顺利进行。