隧道超前预报实施方案

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*****隧道物探预报实施方案
东华理工大学勘探设计研究院武汉分院勘探甲级（证书编号140601-kj）
一、地质预报的意义和目的
隧道超前地质预报是以TSP-203、地质雷达、超前地质钻孔等仪器，并辅以其它地质调查方式，对隧道工作眼前方围岩尤其是隧道掌子眼前方一二百米或数十米内围岩的工程地质和水文地质情形的性质、位置和规模进行比较准确、全面、系统的探测和判定，确信不良地质体的空间位置和危害程度，结合监控量测数据，综合考虑围岩和主动支护因素，及时地调整支护参数，提出方法和建议，指导隧道施工，有效操纵地质灾害的发生，避免在正常施工下幸免工作面开挖显现意外事故（诸如显现断层、破碎带、采空区、溶岩、含水集水区、高应力地带、岩爆、瓦斯溢出等不良地质现象），确保隧道的平安和靠得住。

依照隧道地质的具体情形，超前地质预报要紧内容如下：
1.隧道穿越不稳固岩层较大断层预测；
2.显现涌水地段预测；
3.软岩显现内鼓、掉块地段预测；
4.岩体突然开裂或原裂隙慢慢增宽等危害性预测；
5.位移变形加速阻碍围岩稳固预测；
6.可能显现塌方、滑动阻碍预测；
7.浅埋段下沉裂痕对施工阻碍程度预测；
8.地质条件转变对施工阻碍程度预测；
9.岩爆预测；
10.瓦斯预测。

地质预报的方式
TSP超前地质探测
TSP（Tunnel Seismic Prediction）是一种快速、有效、无损的反射地震探测技术，它是专为隧道超前地质预报设计的。

TSP和其它反射地震波方式一样，采纳了回声测量原理。

地震波在指定震源点用小药量激发产生，震源点通常布置在隧道的左侧墙或右边墙，一样24个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面。

地震波以球面波的形式在岩石中传播，当碰到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触面、不同岩性接触面等波阻抗不同界面时，一部份地震信号将反射回来，一部份折射进入前方介质。

反射地震信号将被高灵敏度检波器接收，反射信号的传播时刻和反射界面的距离成反比，因此可确信界面的位置。

通过TSPwin软件处置，能够取得P波、SH波、SV波的时刻剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等功效，及反射层在探测范围内的空间散布。

TSP方式特点：
① 预报范围大，可从100m到200m；
② 施工时刻短，完成全数外业施工仅需2小时左右，可现场处置资料提交功效，也仅需3-6小时；
③ 本钱低廉，同时对施工大体无阻碍，可对全隧道开展；
④ 不必面对掌子面，对掌子面状况无要求；
⑤ 可提供岩石动力学参数，划分围岩类别；
⑥ 可确信地质体空间位置。

GPR（地质雷达）超前地质探测
GPR（Ground Penetraing Radar）方式是一种用于确信地下介质散布的电磁波法，类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率探测方式。

该方式是通过天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下传播，关于不同介质，由于电磁性质不同，传播特点不一样，当碰到存在电性不同介质的界面时，便发生反射，并返回为接收天线接收。

电磁波在介质中的传播时刻与距离成正比，因此可计算出界面位置，并可依照反射波的振幅、频率特点推测地质体的性质。

溶洞、断层破碎带、含水带、结构面等都于周围岩石存在较大的电性不同，用GPR方式进行超前地质探测正是基于这一前提。

现场探测时，可在掌子面布设“井”字型测网。

当区域构造走向与隧道轴线大致平行时，应在隧道侧壁布置一些测线。

采纳持续观测方式，用RADAN Ⅲ专用软件对搜集的数据进行处置。

在资料处置的基础上，分析地质雷达图象，识别反射信号，确信电磁波在岩石介质中的传播速度、反射波抵达时刻，计算反射界面的位置，通过度析反射波的振幅、频率，结合前期勘探资料推断地质
体性质。

GPR方式是基于介质电磁性不同的高频电磁波法，具有以下特点：
① 频率高，衰减快，探测距离短，20米为宜；
② 分辨率高，可探测围岩内的软弱结构面；
③ 对岩溶、富水带探测成效好；
④ 施工方便、本钱低廉，对隧道施工无阻碍。

2、锚杆锚固无损检测原理
锚杆锚固体系是由钢筋、水泥砂浆和围岩组成的，当显现砂浆灌注不饱满、空腔等质量问题时，钢筋与砂浆、砂浆与围岩之间就存在波波阻抗突变的界面，因此，采纳声频应力波对锚杆锚固质量进行无损检测具有检测物理条件。

方式原理
全长粘结砂浆锚杆的水泥砂浆的
灌注饱满与否，是锚杆可否按设计要
求起作用的重要指标。

传统的测试方
式是用抗拔力来查验，但这种方式并非能完全确信其施工质量。

实验证明，关于高强锚杆，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力再也不随锚杆长度的增加而增加，因此仅用抗拔力来查验施工质量不完整。

采纳声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测和抗拔力实验有机地结归并进行综合分析，才能对锚杆的锚固质量进行专门好地分析和评判，其原理如下：
当工程的锚杆构件的尺寸为圆柱体且其直径d远远小于其长度L时，即L>>d，那么此锚杆能够作为弹性波中的一维杆件理论分析处置。

锚杆是钢筋与
混凝土胶结在一路，与周围围岩存在较大的弹性波波阻抗不同，因此，应用弹性波理论对锚杆进行无损检测，能够视锚杆为一维弹性杆件。

应力波在锚杆中传播时考虑粘滞性阻尼力的一维弹性波波动方程为：
（1）
式中，为截面的纵向位移；为空间、时刻坐标；为锚杆周围介质的阻尼系数；别离表示锚杆的截面积及锚杆材料的弹性模量；为锚杆的纵波波速；，为锚杆材料的质量密度。

在小阻尼情形下，式（1）的解可近似简化为
（2）
式中，为衰减因子，为无阻尼条件下的圆频率。

由式（2）可见，波在传播进程中幅值随传播时刻的增加按指数规律衰减；当值不变时，值或值愈小那么波幅值随时刻衰减愈快。

在由锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的体系中，由锚杆端部发射的声波经杆体向周围传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩等界面发生入射、反射和透射。

入射波应力为反射波应力与透射波应力之间的关
系别离为
（3）
（4）
式中，波阻抗Z=cA，、c、A别离为介质的密度、声速和截面积。

从上述公式能够看出，当杆中某一截面面面积或材料性质发生改变时，入
射波将在该截面处发生反射和透射，其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相对转变的程度有关。

与变截面杆相类似，在锚杆体系中锚杆、砂浆、和围岩三者之间浇灌均匀密实时，应力波的能量大部份透射到围岩体中，只有小部份能量反射回来，且反射信号极有规律。

当砂浆浇灌不均匀、密实时，在砂浆中显现空穴，在空穴处将显现不同程度的波阻抗转变面。

表此刻原有的信号中迭加了强度不同的反射信号，或在不该显现反射波处有反射信号，依照反射波位置和反射信号的强弱，就能够够确信锚杆锚固质量并为其分级。

3、地质雷达衬砌无损检测原理
探地雷达探测原理
探地雷达的探测原理与探空雷达相似，探地雷达是用一对天线进行工作的，如图1a所示由发射天线T向地下介质中发射必然主频的电磁脉冲波，电磁脉冲波在地层介质中传播时，碰到地下介质中的物性介面（要紧指电阻率和介电常数的不同分介面）时，发生波的反射和透射；被反射的电磁波传回地面，被接收天线R所接收，电脑和仪器操纵并接收从接收天线经电路和光缆传回的地下反射回波信息，在电脑中存储每一测点上波形序列的振幅及波的旅行时刻，沿测线等距离移动天线，在每一观测点上可取得一个波形序列，关于整条测线就可形成一条雷达剖面（见示用意1b）。

由于不同的介质不仅会引发电磁波的反射，而且还会使电磁波发生衰减和相位等特点的转变，高速铁路隧道衬砌为层状结构，均为非磁性介质，各层介质的介电常数有明显的不同，它们之间能形成良好的电磁反射界面。

当结构层发生破损（如显现空洞、裂隙、脱空等），在雷达资
料中便会显现明显的特点反射，如脱空时将产生夹层反射，空洞会产生绕射等，当结构层因透水性问题而使某层含水量量增大，或同现软弱夹层时，介电常数将明显增大，在资料中就能够够取得高含水性的反射，且探地雷达具有极高的探测精度，因此在铁路隧道衬砌结构层划分、病害检测、隐患调查中具有良好的检测成效。

4、项目成员
项目组人员共计7人，由东华理工大学勘探设计研究院武汉分院刘前程高级工程师为组长组成的物探检测组，成员包括物探工程师、地质工程师、隧道工程师、测量工程师、结构工程师等。

5、拟投入本项目的仪器与设备
投入本项目利用的仪器设备表
序号仪器设备名称/型号型号、规格数量仪器、设备性能
1 TSP TSP-203 1台良好
2 地质雷达SIR2000 1台良好
3 锚杆无损检测仪/2台良好
4 声发射仪/ 2台良好
6、物探探测依据
一、《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB10223-2004
二、《铁路混凝土与砌体施工及验收标准》TB10210-2003
3、《铁路隧道工程质量查验评定标准》TB10417-2003
4、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》铁建设[2005]160号
五、《铁路工程岩土分类标准》（TB10077-2001）；
7、各时期方案和工作流程
本项目隧道共5座，别离为******。

地质预报方案
7.1.1前期预备工作方案
前期预备工作要紧有两项内容：
1.研究既有区域地质、工程地质资料，必要时到地表补充测绘，以达到对整个地域地质情形有一个比较全面和深刻的熟悉，如可溶岩散布情形、构造发育情形、地表水系发育情形、本地最低侵蚀基准面标高等。

2.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形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腕，以达到既预报准确又节省有限预报资源的目的。

地质灾害分级
地质灾害等级地质灾害等级对隧道
施工安全的危害程度
预报方式
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。

采用地质分析法、TSP隧道地震波反射
法、地质雷达手段进行综合预报。

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级中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，
断裂带等。

采用地质分析法、TSP，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。

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级非可溶岩地段，发生突水突泥的可能性极小。

采用地质分析法。

7.1.2现场施工方案
现场施工方案遵循“长期预报与短时间预报相结合、物探手腕与钻孔直接预测相结合、区域性地质预报与掌子面地质预报相结合”的“三结合”原那么，全面正规、贯穿全程。

做到“有疑必探、先探后掘”，充分发挥多种手腕综合预报的优势，通过各类方式彼此对照、彼此补充，彼此配合，提高物探功效解译水平，提高地质预报精度。

依照隧道地质预报工作特点，制定如下工艺流程图2。

图2 综合超前地质预报工艺流程
1.TSP超前地质预报系统
1.预备工作
TSP-203地质超前预报系统测线设在工作面周围的边墙上，由两个接收器孔和24个炮孔组成。

两个接收器孔对称散布在双侧边墙，24个炮孔等间距散布在一侧边墙。

在数据搜集前，钻孔、接收传感器套管的安装，和同意气孔、炮孔的偏向、倾角和各控基准点的测量可先期完成。

这些预备工作不阻碍正常施工，可与隧道施工作业同时进行。

注意依据工程地质力学的知识，正确选择和设定解译的搜索角和调谐角。

2.相关参数
爆破点沿着隧道一侧洞壁平行于隧道底面呈直线排列，孔距 1.5m，孔深
1.5m～
2.0m.距最后一个爆破点15m～20m设接收点，接收点孔深2.0m，孔口距隧底约1.0m与炮孔等高。

接收器孔向上倾斜5o～10o,炮孔向下倾斜15o～20o。

依照围岩软硬和完整破碎程度和同意器位置的远近，每一个炮孔装药50g～100g。

火药为高爆速火药，雷管采纳零延时电雷管。

3.现场测量
接收器孔内置接收传感器.探测时逐次引爆火药，制造出小型地震波.这些地震波碰到节理面、地质界面和破碎带、溶洞、暗河等不良地质界面时会产生反射波。

反射波的强度及传送时刻反映了相关界面的性质、产状、距接收点的距离。

4.地质雷达
5.预备工作
利用地质雷达搜集数据时，易受到测线周围的构造物、金属物体、电磁干扰，应将其记录在册，并标出位置，在如此的区域探测时应重复观测，排除干扰因素。

6.布设雷达参数
雷达天线利用100Hz天线，探测距离15～25m范围一样持续测量，视条件也能够点测，一样点距为～1.0m，探测断层或含水裂隙面，采纳十字探测法，开挖工作面凹凸不平不符合条件时，采纳点测法，有条件时可选用支架进行探测。

7.布设测线
利用地质雷达超前预报探测时，以掌子眼前方为检测目标，以拱顶为中心，以“一”字形或十字形布置2条雷达天线，假设探测面较宽时，能够“井字形布置4条雷达测线。

必要时加密雷达测线以提高探测结果的准确性。

7.1.3技术支持方案
1.数据处置分析
1.TSP超前地质探测的数据处置分析
TSP超前地质探测结果通过TSPwin软件处置，能够取得P波、SH波、SV 波的时刻剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等功效，和反射层在探测范围内的空间散布。

利用TSPwin软件按数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处置→炮能量均衡→Q-估量→反射波提取→P-S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层的步骤进行数据处置。

TSP处置功效的动力学特点说明遵循下述原那么：
1.正反射振幅说明岩层，负反射振幅说明软岩层；
2.假设S波反射较P波强，那么说明岩层含水；
3.假设P波速度与S波速度之比增加或泊松比突然增大，说明有流体存在。

4.假设P波速度下降，那么说明裂隙或孔隙度增加
5.GPR（探地雷达）超前地质探测的数据处置分析
现场探测时，可在掌子面布设“井”字型测网，为了取得较好的观测成效，掌子面最好平整、直立。

当区域构造走向与隧道轴线大致平行时，应在隧道侧壁布置一些测线。

为了取得丰硕的信息，应采纳持续观测方式。

用RADAN Ⅲ专用软件对搜集的数据进行增益、滤波、反褶积、希尔伯特变换等处置，突出异样。

在资料处置的基础上，分析地质雷达图像，识别反射信号，确信电磁波在岩石介质中的传播速度、反射波的抵达时刻，计算反射界面的位置，通过度析反射波的振幅、频率，结合前期勘探资料推断地质体性质。

图3 地质雷达图像和说明示用意
6.超前地质预报功效应用
7.对照原勘探设计文件，复核围岩类别
现今大多数隧道的支护参数设计仍然是以工程体会类比为主，仅对处于软弱围岩地段的初期支护钢拱架、二次衬砌辅以必要的强度验算。

围岩类别是工程类比设计施工的基础。

原勘探设计文件的围岩类别仅是依照地表的物探工作及少量的钻探工作量的结果来划分，受勘探工作量、场地条件及工作方式的限制，设计时期所划分的围岩类别往往实际存在必然的不同，据此施工经济与平安难以保正。

8.预报不稳固岩层、断层破碎带散布里程，幸免盲目施工
通过超前地质探测，预报不稳固岩层、断层破碎带散布里程，以便设计、施工及时变更施工方式，预备应急方法，幸免盲目施工。

9.预报富水带的散布里程，及时采取处置方法
对溶洞、暗河的散布、规模进行预报，幸免因突泥、涌水危及人员、设备平安的事故发生。

10.GPR超前地质探测功效
依照数据处置输出的资料结合前期勘探资料、现场地质调绘综合分析提交以下功效：
① 岩性分界面里程；
② 是不是存在断层，断层破碎带散布里程；
③ 富水带的散布里程；
④ 溶洞、暗河等不良地质体规模、散布里程；
⑤ 软弱结构面的散布；
○6绘制沿隧道轴线方向的工程地质、水文地质综合剖面图。

施工时地质预报由专门的地质专业工程师负责，其它施工、质检人员予以配合，进行资料搜集、统计、分析和编制信息预报功效，由主管技术人员予以复核，并报设计、监理单位。

为变更设计、修改施工方式提供依据，经分析、整理的地质资料作为施工技术资料存档。

八、效劳费用报价参考
物探效劳费用报价表。