1、渝 利 鐵 路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案 中國(guó)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(bào)方案 中國(guó)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(xiàng)目任務(wù)重、工期緊，特長(zhǎng)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(bào)工作十分必要。 傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般采用超前鉆探，但是，超前鉆探的費(fèi)用很高，而且還會(huì)延誤工期。目前，無(wú)損地球物理探測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用在隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中。該方法預(yù)報(bào)時(shí)間短、精度高、效果好，并且，對(duì)隧道施工不會(huì)有干

2、擾（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(bào)工作中，采用先進(jìn)的儀器設(shè)備（即：TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)）和選派具有隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員投入該項(xiàng)工作中，以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度開展工作，對(duì)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(shí)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(bào)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(bào)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(dòng)力學(xué)參數(shù)（動(dòng)態(tài)彈性摸量、剪切摸量、泊松比、密度、彈性縱波速度、彈

3、性橫波速度等）進(jìn)行綜合評(píng)估，有利于及時(shí)預(yù)報(bào)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(bào)實(shí)施方案1、TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào)方法。2、通過TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(shí)，經(jīng)施工單位、監(jiān)理、TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三方確認(rèn)需要采

4、用地質(zhì)雷達(dá)方法或水平鉆探對(duì)TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行驗(yàn)證或詳查時(shí)，則開展地質(zhì)雷達(dá)方法或水平鉆探對(duì)掌子面前方530米內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)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(bào)工作。4、為保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào)。5、采用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)作預(yù)報(bào)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)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(gè)，隧道左、右壁各一個(gè)。 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：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

5、方法：爆破鉆孔數(shù)量：在隧道左或右壁面布置24個(gè)（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(gè)。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(duì)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(gè)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(bào)方法及原理 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法 TSP203系統(tǒng)TSP是Tunnel Seismic Predication ahead 的英文縮寫。TSP203系統(tǒng)是由瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)有限公司專門為隧道施工期間

6、探測(cè)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(cè)距離遠(yuǎn)，不占用隧道施工掌子面，探測(cè)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(bào)原理TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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）。 TM（m）:接收點(diǎn)位置； TB(ms):縱波傳播時(shí)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(shí)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

7、側(cè)上同時(shí)安裝一對(duì)接收器接收從掌子面前方反射回來(lái)的彈性波信息，通過對(duì)這些彈性波信息進(jìn)行處理、計(jì)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(shí)是未知的，但在隧道壁左右兩側(cè)上安裝一對(duì)接收器可以提供多方位信息，因此，使用一個(gè)爆破剖面和兩個(gè)接收器也是出于經(jīng)濟(jì)目的考慮。但對(duì)地質(zhì)狀況非常復(fù)雜的情況，建議使用兩壁爆破剖面測(cè)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(duì)比和相互校證。TSP203系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集方式如下圖。 TSP203系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量原理來(lái)對(duì)掌子面前

8、方的不良地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)（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(huì)直接傳到地震波接收器（直達(dá)波），另一部分波會(huì)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，則一部分波會(huì)被反射回來(lái)（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(lái)，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(duì)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

9、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(duì)掌子面前方的圍巖進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。應(yīng)用該方法可以探測(cè)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(cè)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)由采集單元和天線單元組成（見下圖）采集單元天線單元 SIR3000系統(tǒng)預(yù)報(bào)原理 地質(zhì)雷達(dá)法勘探是一種高分辨率探測(cè)技術(shù)，八十年代以來(lái)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(wú)損檢測(cè)、隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理示意圖地質(zhì)雷達(dá)（GPR）依據(jù)電磁波

10、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(shí)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(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同會(huì)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(duì)于非磁性介質(zhì)，當(dāng)電磁波垂直入射（=0）時(shí)，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(duì)于非磁性介質(zhì)，電磁波的反射特性僅與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。在隧道掌子面前方的不