隧道超前地质预报监测方案

隧道超前地质预报
实施方案
山东正元建设工程有限责任公司
二〇一二年十二月
目录
第一部分隧道超前地质预报实施大纲 (1)
1 超前地质预报的目的 (1)
2 超前地质预报的原则 (1)
3 隧道超前地质预报方案 (2)
3.1 TSP超前地质预报 (2)
3.2 地质雷达超前地质预报 (6)
3.3瞬变电磁法 (9)
3.4复合式激发极化法预报 (10)
3.5超前水平钻探 (12)
4 超前地质预报质量与安全保证措施 (13)
4.1超前地质预报质量保证措施 (13)
4.2 超前地质预报安全保证措施 (15)
第二部分拟投入的主要人员与设备 (18)
第三部分合同报价 (20)
第一部分隧道超前地质预报实施大纲1 超前地质预报的目的
隧道超前地质预报技术主要包括常规地质方法、工程物探方法等, 在预报时一定要结合隧道掌子面前方的具体情况进行合理设计, 进一步拓宽隧道超前地质预报概念的含义。

特别是在复杂地质条件隧道施工过程中, 在加强工程地质分析的同时, 应结合工程物探对隧道不良地质进行超前地质探测预报研究,为工程设计及施工提供工程地质资料。

避免工程地质灾害，从而保证施工安全。

超前地质预报的主要目的为：
（1）预报开挖掌子面前方的岩性变化或围岩类别；
（2）掌子面前方可能出现的地质断层及岩石破碎带的情况；
（3）掌子面前方软岩地段的位置和长度；
（4）开挖段前方岩体是否含水及可能的涌水情况等。

（5）通过对隧道洞身范围内（特别是掌子面前方）的岩体破碎地段、断层发育等不良地质的预测和分析，给掌子面的开挖提供重要的指导。

2 超前地质预报的原则
根据隧道工程线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“三结合”和风险靶段划分原则，即“地质与物探、钻探结合，洞内外结合，长短及不同物探方法结合”，在对隧道风险分级的基础上，采用相对应的预报方案。

（1）地质与物探、钻探结合
地质分析工作是超前地质预报工作的基础和重要环节，在较好了解地质情况的基础上，才能使物探的解释结果更接近真实情况，大大减少物探多解性带来的难题，离开了地质的物探极易偏离真实的地质，离开了物探的地质就很难将施工超前地质预报工作细化。

（2）洞内外结合
野外地质调查与洞内地质素描和洞内预报成果相结合，即宏观地质分析与具
体的施工超前预报相结合。

（3）长短及不同物探方法结合
长期超前预报探测距离较长，但准确性稍差，短期超前预报探测距离较短，但准确性较高，两者的结合可以取长补短，有效提高超前地质预报的准确性；各种物探方法各有千秋，单独采用一种方法往往精度达不到要求。

而不同物探方法的结合，则可以互相取长补短，有效提高超前地质预报的准确性。

3 隧道超前地质预报方案
为了保证隧道施工安全，在高风险地段实施综合超前地质预报，预报手段包括TSP地震波探测、地质雷达探测、瞬变电磁探测、激发极化探测以及超前水平钻探。

3.1 TSP超前地质预报
TSP203超前地质预报系统，是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的，是目前在该领域的最先进设备，它能方便快捷预报掌子面前方100－200m 范围内的地质情况，包括隧道前方岩性的变化、破碎带和软弱层的位置宽度、是否含水、是否存在不良地质体等，通过探测为隧道工程以及变更施工工艺提供依据。

这将大大减少隧道施工带来的危险性，减少人员和机械损伤，同时也带来了巨大的经济利益和社会效益。

（1）测试仪器
采用瑞士Amberg测量技术公司最新生产的TSP203型(Tunnel Seismic Prediction)超前地质预报系统设备。

与TSP202相比，TSP203在硬件设计和软件设计等方面都作了较大改进，其软件编程除了考虑与WINDOWS视窗的兼容之外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的灵活性。

图1为TSP203系统组件简图。

图 1 TSP203系统组件简图
（2）探测原理
像所有振动测量方法一样,TSP测量方法也需要振动发射源和接受装置。

TSP 测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，当波在隧道前方遇到异面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也越强。

放射信号经过一段时间后到达接受传感器，被转换成电信号并进行放大。

从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的，通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来；同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

图2为TSP超前预报测量原理，图3为TSP203系统组件标准测量图示。

图2 TSP超前预报测量原理
图3 TSP203系统组件标准测量图示
为达到探测隧道前方和周围地质情况的目的，在TSP测量系统中使用了三对高敏加速度传感器，三对加速度传感器通过一根金属杆连接在一起，分别以平行和垂直隧道轴线的方向定位在专门的传感器钻孔内，传感器的这种布置方式能保证接收有各种不同角度反射回来的反射信号，使用三对水平和垂直布置的传感器还能有效地减少干扰信号的影响。

由传感器采集到的振动信号经过模数转换器转换后存储在一台小型计算机上，整个测量过程也是通过这台计算机来完成的。

测量工作结束后将存储在小型计算机上的地震信号作进一步的分析处理之用。

TSP测量系统配备有专门的分析软件，分析软件的主要任务之一是对测量信号进行各种数值滤波、选择放大等，以获得清晰的反射图像。

分析软件的另一功能是将反射波图像所提供的信息与隧道的空间坐标结合起来，通过一系列的数学运算求出反射事件本身的空间位置以及与隧道的相对位置。

这些数学运算的结果和解释正是TSP地质超前预报的最终结果。

（3）探测方法
探测的基本步骤为：钻孔布置——施工钻孔——数据采集——数据分析——报告提交。

1）测线测点布置
TSP-203超前地质预报是利用振动波的反射来进行探测的。

振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m,孔深1.5m，炮孔垂直于边墙向下倾斜
15～200，以利于灌水堵孔。

距最后的爆破点15～20m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2m，内置接收传感器。

图4为观测系统与隧道关系平面示意图。

图4 观测系统与隧道关系平面示意图
2）探测方法
在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约20-30g，根据围岩不同适时调整）,制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、据接受点的距离。

接受传感器将接受到的反射波数据传输给记录仪电脑储存起来，利用处理软件对储存的数据进行处理，形成反映隧道相关界面的隧道影像点图，由分析人员进行解释，得到前方的地质情况。

3）资料分析与处理
采集的TSP数据，通过TSPwin软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。

在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。

解释中，遵循以下准则：
a.正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

b.若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

c.Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。

d.若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

探测结果以报告的形式提交，根据分析结果对掌子面前方岩体进行分段描
述，包括岩性的变化、含水情况、是否存在不良地质体等。

(4)注意事项
1) 严格按规定布置震源和传感器钻孔，并保证质量，特别是孔距、倾角等；钻孔前，应用测量仪器测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，并用红油漆作标记。

炮孔要标记序号。

2) 严格按设计要求施工钻孔，若测定的位置无法钻孔，可在以测点为圆心半径20cm的范围内钻孔。

3)注意选择接收器孔的位置，不应在松散围岩中。

接收器孔身要直。

孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外。

4)注意保护炮孔，成孔条件好的，孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外，以免炸药包放置不到位。

成孔条件差的，完钻后要将柱状物（锚杆等）留在孔中，防止围岩掉块。

5)在洞内的实际探测过程中，尽最大努力减少噪音和漏炮；
6)若发现前方有可能存在不良地质体或含水，施工单位应打超前钻孔，以保证施工安全。

(5)工程量清单
具体工程量根据隧道地质条件及现场实际开挖岩层情况定。

3.2 地质雷达超前地质预报
(1)测试仪器
美国GSSI是目前世界上最好的生产地质雷达的厂家，它的产品遍布全球，目前超过1800套，占全球销量80%以上，在中国200余套，占中国市场份额的75%以上。

创始于1969年的美国地球物理探测公司（GSSI公司），是世界上第一家专业研制探地雷达的公司，其前身为美国宇航局。

随着60年代末期美国宇航局专门为阿波罗计划所研制的专用仪器，成功地探测到月球表面尘埃之后，世界上第一台进入民用的商用探地雷达得以在美国推出，它就是美国GSSI公司生产的SIR系列探地雷达的前身。

它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。

图5为我单位的地质雷达SIR 3000及100MHz天线。

图5 地质雷达主机及天线
SIR 3000 主要特点：
1）SIR-3000型雷达的一体化设计，加上内置式可充电电池，性能坚固耐用，整机仅4公斤重，是目前市场上最轻便的雷达系统；
2）SIR-3000型雷达高分辨率强光型液晶显示，可在野外强光下操作；
3）除了传统的USB、Ethernet, RS-232等接口外，还配备了独特的微型闪存装置，提供更便捷、快速的数据传输方式；
4）目前GSSI公司提供的雷达天线种类是最多，使购买我们雷达的用户具有了强大的扩展余地，可满足不同工程检测的需要。

而且，所有的天线都可与SIR-3000型雷达主机兼容。

频率从16MHz到2.2GMHz可选；我单位共有从900MHz到100MHz四种天线，完全满足胶州湾隧道的精度预报要求。

5）天线和主机之间使用完全频蔽的同轴电缆进行数据传输，更加结实耐用，防土、防尘能力强，不受环境限制。

6）GSSI公司开发的各种功能的雷达软件包更丰富了雷达系统的应用，除了配备专用的雷达数据后处理软件，用户还可根据自己需要选择特殊功能的软件模块，并且所有雷达软件基于Windows2000/NT/XP，可在PC机上进行数据处理。

(2)探测原理
地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)也称作探地雷达，是一种电磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波(107～109Hz)的不同响应来确定地下介质的分布特征。

主要是通过观测位移电流的变化来实现其探测目的。

其应用范围涉及公路、铁路、水电站、煤矿、隧道、矿产资源和考古等各个领域。

发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其
数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。

对所采集的数据进行相应的处理后，通过分析这些携有地下介质电信息的电磁波，可根据其旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。

探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。

其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。

可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。

地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化，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，地质雷达是一个很好的预报手段。

但是地质雷达目前探测的距离较短，大约在20～30m之间，对于长距离隧道的预报只能分段进行，同时雷达记录易受洞内机器干扰，探测分析中要特别注意波相识别，排除干扰。

(3)探测方法
在隧道进行地质雷达探测时主要按照以下流程进行：
1）检查和记录隧道掌子面的围岩情况；
2）完成雷达主机和天线以及专用采集笔记本电脑的连接和调试；
3）准备进入采集模式，尽量避免各种电磁的干扰和串扰；
4）根据采集方式，确定天线的运动方式，进行数据采集。

（3）资料分析与处理
采用美国雷达专用处理软件和我单位自行开发的二次处理软件，根据雷达波波形、相位、频率和能量等参数可以基本准确的预报掌子面前方中小型溶洞、断层破碎带和地下水，且探地雷达相对于TSP来说，具有探小溶洞和探水优势。

探地雷达是用发射天线向岩体发射有一定宽度的高频电磁波，岩体中的介质因介电常数ε的不同而反射雷达波被接收天线接收。

介电常数差是雷达工作的基础。

空气的介电常数为1，岩石的介电常数为4～20，水的介电常数为81，水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对水有特别的敏感性。

ａ.雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大；
ｂ.雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反；
ｃ.雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低；
ｄ.雷达波遇中小型溶洞有明显的“双曲线”反映。

图 6 地质雷达法现场工作
(4)工程量清单
具体工程量根据隧道地质条件及现场实际开挖岩层情况定。

3.3瞬变电磁法
瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。

瞬变电磁法的测量原理是利用不接地回线(或电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(或电场)，即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。

在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡过程(衰减过程)，该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。

在地表用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减的特性。

图7为瞬变电磁探测原理图。

图7 瞬变电磁探测原理图
瞬变电磁法优点如下：
（1）断电后观测纯二次场，可进行近区观测，减少旁侧影响，增强电性分辨能力；
（2）可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比从而增加勘探深度；
（3）穿透高阻层能力强；
（4）由于采用人工源方法，随机干扰影响小；
（5）采用重叠回线装置工作，可以避免地形影响；
（6）线圈形状方位要求相对不严格，测地工作简单，工效高；
（7）由于测磁场，受静态位移的影响小；
（8）通过多次脉冲激发，场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，可以提高信噪比和观测精度。

具体工程量根据隧道地质条件及现场实际开挖岩层情况定。

3.4复合式激发极化法预报
激发极化法(Induced Polarization，简称IP)方法是电法勘探的一个重要分支，在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象：在向地下供入稳定电流的情况下测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，而是随时间而变化，经过一段时间后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在最初的一瞬间很快下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。

这种发生在地质介质中因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场的物理化学现象，称为激发极化效应。

激发极化法正是以不同地质介质之间的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究被测对象的激电效应进行地质探查的一种电法。

图8为时间域激发极化现象的示意图。

图8 时间域激发极化现象示意图
通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，为进行超前地质预报提供重要的参考。

半衰时之差的正值部分代表自由含水体或导水构造；
三维成像的低阻部分代表含导水地质构造。

复合式激发极化法测线布置
采用定点源三极法进行激发极化法超前探测的数据采集工作，图9为定点源三极法的工作方式示意图，将测线布置在边墙或隧道底板。

本次测量将测线布置在边墙上，采用山东大学自主研发的时域二电流激发极化时差仪（如图10），主要采集了视电阻率、半衰时差等参数。

图9隧道超前探测工作方式示意图
图10 复合式激发极化仪器
M 极 电位差测量 B 极 ∞ N 极
电流测量 V
放电曲线 充电曲线 1
2
3
△V 2 △V 1 △V
△V 2
3.5超前水平钻探
超前水平岩芯钻孔，可视为隧道中的微形导坑，可能探测了解隧道开挖工作面前方几十米乃至上百米范围内围岩的地质情况。

在钻进过程中，应尽可能避免钻头发生偏移而导致的探测结果误差。

应根据岩石的坚硬程度，调整钻机的转速和较低的钻压。

坚硬的岩石，应采用较低的转速和较高的钻压；较软的岩石，则应采用较高的转速和较低的钻压。

也可利用开挖工作面上的炮眼孔或深水孔、声波探测孔的钻进情况来探测了解围岩地质情况。

（1）超前水平钻探的必要性
1）由于前期工程地质勘察阶段钻孔数量有限，即使加上必要的物化探等手段也不可能涵盖所有地层的地质信息，因此在正式施工后也需要根据新奥法的基本理念：即通过反馈施工过程中遇到的重要信息达到动态的设计，和施工协调一致，良性互动。

在施工阶段，几乎所有的地球物理探测技术（物探）的精度和准确性都有待提高，在遇到地质构造复杂，其他手段推测前方存在较大地质缺陷或者隐伏水体存在而又无法验证时，超前水平钻探作为最为直观和有效的勘察手段显得尤为必要。

2）作为重要的地质资料的补充和收集手段，超前水平钻探的重要性极显而易见。

通过超前水平钻进，预报人员可以获取除物探信息以外的现场信息。

经验丰富的钻机操作人员通过孔底钻压的异常波动可以预测前方岩体质量的好坏。

如果前方有水体存在，则钻进中会有更加明显的征兆。

因此超前水平钻进除了补充验证物探预测的正确性，自身的作用也不容忽视。

（2）超前钻探设计
超前钻探距离一般为30m，搭接10m，以保证有足够的安全岩柱，钻探设备使用潜孔钻或地质钻机。

超前钻探布置在物探异常段落、设计中存在不良地质体段落、地质情况需要进一步探明的复杂段落和其它存在突水突泥危险的段落。

一般地段在掌子面中部打一个垂直于掌子面的30m探孔，关键地段打3~5个与掌子面垂直或外倾的30m探孔，具体外倾角度根据现场预报和地质资料分析确定，如图11。

图11 超前钻探探孔布置图
（3）超前钻探资料分析
通过钻探过程中钻孔返水情况及软弱层等的直观记录资料的分析，可以获得如下信息：
1）掌子面前方岩体完整性及裂隙发育情况；
2）掌子面前方围岩级别、岩性变化情况及岩性分界面；
3）掌子面前方溶腔的具体位置及溶腔的充填情况；
4）重点地段的岩石力学参数；
5）掌子面前方含水情况及涌水量；
6）隧道突水突泥危险性判断。

通过钻探的结果，对照物探结论和施工开挖过程揭示的地质情况，可进一步分析地层的软硬、完整性、稳定性等对施工安全影响的地质因素，不断地纠正钻探的初步结论和调整施工措施。

（4）工程量统计
具体工程量根据隧道地质条件及现场实际开挖岩层情况定。

4 超前地质预报质量与安全保证措施
4.1超前地质预报质量保证措施
为保证超前地质预报资料的真实可靠及连续性，应遵循以下各项质量保证措施：
(1) 超前地质预报与监理工程师密切配合工作，及时向监理工程师报告情况和问题，并提供有关切实可靠的数据记录。

(2) 制定切实可行的超前地质预报实施方案，并将其纳入工程的施工进度控制计划中。

(3) 超前地质预报项目人员要相对固定，保证数据资料的连续性。

(4) 超前地质预报仪器采用专人使用、专人保养、专人检校的管理。

(5) 超前地质预报设备、元器件等在使用前均应经过检校，合格后方可使用。

(6) 超前地质预报项目在预报和检测过程中必须严格遵守相应的实施细则。

图12 超前地质预报质量保证框图
(7) 超前地质预报数据均要经现场检查，室内两级复核后方可上报。

(8) 超前地质预报数据的存储、计算、管理均采用专用计算机系统进行。

(9) 超前地质预报项目从设备的管理、使用及资料的整理均设专人负责。

(10) 针对施工各关键问题开展相应小组活动，及时分析、反馈信息，指导
施工。

(11)对于本项目工程地质超前预报，主要采用工程地质分析、宏观地质预报和长期超前预报相结合的方法进行综合预报，对于地质条件较复杂的地段再结合短期超前预报和超前钻探的方法进行预报。

超前地质预报质量保证体系如图12。

4.2 超前地质预报安全保证措施
（1）施工安全保证措施
在隧道超前地质预报过程中，树立“安全第一、预防为主”的方针，建立健全安全生产组织机构：设置项目安全领导小组，行政一把手任组长，主管生产、安全的副职担任副组长。

设专职安全员，定期对施工现场进行检查，发现问题及时处理。

对从事隧道超前预报工作的人员进行岗位安全生产教育，做到操作人员经考核合格后，持证上岗。

对从事隧道超前地质预报的施工人员发放各种必需的劳动保护用品。

开展“安全、快速超前地质预报”建设；预报现场做到工作规范，各种预报仪器设备布局合理；在超前预报过程中禁止双层作业。

1）爆破作业施工安全措施
采用TSP预报需要电雷管产生信号时，必须按国家现行的《爆破安全规程》的有关规定执行。

进行爆破作业人员，严禁穿化纤衣物。

所有参加爆破作业人员，均必须依照《爆破安全操作规程》的有关规定进行培训，经考核合格后才允许从事作业。

照明不足、工作面岩石破碎尚未及时支护、有可能高压涌水地段等严禁装药爆破。

洞内爆破作业使用安全炸药，爆破作业后经过通风排烟，才准检查人员进入工作面。

当发现有瞎炮时必须由原爆破人员按规定处理。

严禁在炸药加工房以外地点改装炸药包等加工作业。

装炮时严禁火种，无关人员与机具等撤至安全地带。

爆破工随身携带手电筒，并设事故照明。

爆破作业要由信号采集人员统一指挥，设立警戒线，及时撤离机械和人员，加强爆破后的安全检查，由爆破人员负责瞎炮的处理，避免事故；所有人员撤至不受振动及飞石伤害的安全地点。

严格按爆破设计装药联线并检查，消除不安全。