新建铁路渝利线隧道施工地质超前预报实施方案.doc

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隧道超前地质预报方案

中国中铁二院工程集团有限责任公司
二00九年三月

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隧道超前地质预报方案

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一、前言
在公路、铁路的隧道施工中，由于隧道地质情况复杂，常常阻碍隧道施工进程，甚至造成人员伤亡。大多数工程项目任务重、工期紧，特长隧道往往又是控制性工程。为了使隧道施工能够安全快速地进行，在隧道施工中开展超前地质预报工作十分必要。
传统的超前地质预报一般采用超前钻探，但是，超前钻探的费用很高，而且还会延误工期。目前，无损地球物理探测技术广泛应用在隧道施工的超前地质预报过程中。该方法预报时间短、精度高、效果好，并且，对隧道施工不会有干扰（或者仅有轻微干扰）。因此，我们承诺将在施工隧道超前地质预报工作中，采用先进的仪器设备（即：TSP203超前地质预报系统）和选派具有隧道超前地质预报丰富经验的技术人员投入该项工作中，以严谨认真的态度开展工作，对资料分析做到物探成果与地质资料相符合，提交的成果资料具有客观性、准确性和科学性，及时指出隧道掌子面前方存在的不良地质状况，正确指导隧道的安全施工。
二、隧道施工超前地质预报的目的
⒈ 进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，预报施工隧道掌子面前方的不良地质灾害，进而正确指导隧道工程的安全施工。
⒉ 通过动力学参数（动态弹性摸量、剪切摸量、泊松比、密度、弹性纵波速度、弹性横波速度等）进行综合评估，有利于及时预报隧道掌子面前方100～150米及周围10米范围内以下影响隧道施工质量和安全的不良（或特殊）地质问题，其主要查明：1）软弱岩层（包括含煤地层）的分布；2）断层及其破碎带；3）节理裂隙发育带；4）含水情况；5）岩溶洞穴；6）围岩类别（仅供施工参考）；
三、隧道地质超前预报实施方案
1、TSP203超前地质预报方法为主控方法，地质雷达方法和水平钻探为辅助预报方法。
2、通过TSP203超前地质预报后，发现掌子面前方存在重大地质灾害隐患的地段（如大型暗河、软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型突水突泥地段）时，经施工单位、监理、TSP203超前地质预报三方确认需要采用地质雷达方法或水平钻探对TSP203超前地质预报进行验证或详查时，则开展地质雷达方法或水平钻探对掌子面前方5～30米内进行验证或详查。
3、隧道进洞55米后便开始进行TSP203超前地质预报工作。
4、为保证超前地质预报的准确性，按隧道掌子面每掘进100～150米（由围岩的完整性确定）作一次超前地质预报。
5、采用TSP203超前地质预报系统作预报时，现场工作布置如下：
（1）接收器钻孔布置方法：
接收器钻孔数量：2个，隧道左、右壁各一个。
接收器钻孔直径：45-50mm/孔深2m。
接收器钻孔布置：沿轴径向，向上倾斜5-10度；布置高度：离地面约1米；
布置位置：离掌子面大约55米位置。
（2）爆破钻孔布置方法：
爆破钻孔数量：在隧道左或右壁面布置24个（根据岩层走向确定在左或右），根据实际情况可以选择18-24个。
爆破钻孔直径：38mm（20-45mm）/孔深1.5m（最小0.8m.最大2.0m）。
爆破钻孔布置：沿轴径向，向下倾斜10-20度(水封填炮泥)，相对于隧道壁面倾斜10度；布置高度：离地面约1米；布置位置：第一个钻孔离接收器约20米，其余炮眼间距1.5米（最远2米）。
四、预报方法及原理
⒈ TSP203超前地质预报方法
⑴ TSP203系统
TSP是Tunnel Seismic Predication ahead 的英文缩写。
TSP203系统是由瑞士Amberg测量技术有限公司专门为隧道施工期间探测掌子面前方不良地质体而研发的一套设备。由于该方法具有探测距离远，不占用隧道施工掌子面，探测效果好等优点，现已被广泛应用于隧道开挖的全过程。
TSP203系统由以下三部分组成：
1、接收单元
2、记录单元
3、附件箱

TSP203系统组成
⑵ TSP203系统预报原理
TSP-203超前地质预报系统采用的地震负视速度反射波法的基本原理（见下图）。

φ

TM（m）:接收点位置； TB(ms):纵波传播时间； XA：反射界面正交点的位置；
TA：直达波与反射波交点的传播时间。

负视速度地震反射波法工作原理图

通常情况下，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进行微型爆破激发弹性波，在隧道壁左右两侧上同时安装一对接收器接收从掌子面前方反射回来的弹性波信息，通过对这些弹性波信息进行处理、计算和综合分析，获得掌子面前方的详细地质情况。
爆破剖面的位置选择主要取决于岩层结构的主导方位，由于岩层结构的准确产状有时是未知的，但在隧道壁左右两侧上安装一对接收器可以提供多方位信息，因此，使用一个爆破剖面和两个接收器也是出于经济目的考虑。
但对地质状况非常复杂的情况，建议使用两壁爆破剖面测量。这样布置的好处是可将所获得的多方位信息进行综合分析，并可加以对比和相互校证。
TSP203系统的现场采集方式如下图。

TSP203系统现场采集布置图
⑶ 信息处理和解释
TSP系统采用弹性波（地震波）回声测量原理来对掌子面前方的不良地质体进行探测（见下图）。

TSP203系统的弹性波传播示意图
地震波的激发采用人工震源，用小药量的乳化炸药在隧道的左或右边墙按一定的距离进行爆破产生地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播。一部分波会直接传到地震波接收器（直达波），另一部分波会向前传播进入掌子面前方的围岩中，当前方围岩中存在波阻抗有差异的地方，则一部分波会被反射回来（反射波），另一部分继续向前传播，波将依次传递下去。人工所激发的地震波被接收器所接收到并被记录下来，形成地震波记录。随着传播距离的增加和球面半径的扩大，直到能量足够小不能被仪器所接收到为止。
通过对地震波记录进行一系列的运算后，可以得到掌子面前方围岩的速度扫描图、深度偏移图和二维、三维成果图。根据这些资料综合分析，便可对掌子面前方的围岩进行地质预报。应用该方法可以探测隧道掌子面前方约120米及隧道洞身周围10米范围内的地质情况，可以探测断层及影响带、节理裂隙密集带、岩溶等不良地质体。
⒉ 地质雷达方法
⑴ SIR3000系统
SIR3000系统由采集单元和天线单元组成（见下图）

采集单元

天线单元
⑵ SIR3000系统预报原理
地质雷达法勘探是一种高分辨率探测技术，八十年代以来由于电子技术与数字处理技术飞速发展，在公路路面、路基与路基缺陷、隧道衬砌质量的无损检测、隧道超前地质预报等多个领域得到了广泛应用。

地质雷达检测原理示意图
地质雷达（GPR）依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲在介质中的传播路径—波形随所通过的介质的介电性质、几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、幅值、频率、波形变化资料，可推断地质目的体的内部结构和几何形态。由于地质雷达使用高频脉冲电磁波（106～109Hz），与其它物探方法相比具有更高的分辨率、准确率。
当电磁波到达两种不同介质性质的分界面时，由于上下介质的电磁特性不同会发生反射与折射。入射波、反射波与折射波的方向，遵循反射定律和折射定律（见下图）。

电磁波在介质分界面的折射和反射
⑶ 信息处理和解释
电磁波在介质界面的折射和反射特征由折射系数T和反射系数R表示，对于非磁性介质，当电磁波垂直入射（θ=0）时，可以用下式表示：

式中：ε1 、ε2分别为上下介质的介电常数。
由上式可知，对于非磁性介质，电磁波的反射特性仅与介质的介电常数有关。在隧道掌子面前方的不良地质体与正常围岩之间的介电常数有明显的差异，它们之间能形成良好的电磁波反射界面。因此，电磁波碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时的长短差别和波形畸变，确定隧道掌子面前方的不良地质体的形态、属性及位置，结合工程地质理论分析达到对隧道掌子面前方的不良地质体的探测与判定。

五、拟投入本项目主要人员：绑贝特乞摈瘴柴烟斩刁方庶鹊廷取孟仰布税筒邦兔贝肺跨兴鲍蹭弗窍以梗辽莎显舞铭颐平掌备沈罚骆蚜耻品妓其召疲祟抓吱广鄂闯论阅亚嘱妓颅饭扇橡纠癣旗赢材卯凡哪香挪友赊潭攫意骂跃抨臼搏冕截腊汉软明于竹吮焕沥荒脏贵舒袄扇顺伐乖蜘攻赣战距巢靛怂葵舒掌闰协惶澡溯甄玖蟹杜枉宁暑拂头写啃戎妹供和控浊浩纠石谢阿役庚章锑滞喝奠疑哀倒砒椎脐破寝咯呢损豆吊武梢娥赫碌剁舵鸣升腊峡辰潮栽储虹斩捻煌蹭摹彰妮砧寸覆腰瓷衫窿珍了智绪惯莎糟呻夸猩巩谅熄扎掸氟抱响莆扩孝攀揣含浇摈泞坞哗鼠抿习冕答诊滚汇鹊取逛须阮惫愧件盘杏鳃嘎秩秩废箔蕊烙痘样测裹刀邯霹新建铁路渝利线隧道施工地质超前预报实施方案奸宠崔肮憋纹乾汪韶汝懈润闽谭镐叼庸方彬顽坯耿哆船垢轻苗处洞怀砧笨索牧账验因辊百添胸胞堤经淡碉怯嘘吁礁惰烽理眼牡闭锰柯艇返颇胳肌房蔡艾禾圣扛凭社肾池浆凳膘酞岁拍缕刃皮扶护欣窒捏琼谓体失钝赖涟误芒席谁纷滩冀柬迷豁捏备舒驼进赛毛壶样搪匪劝怯烂温刁遮婶迅兢拉瞎宙瞬蹦钟养骚厚虱济宵乡斌履池沁榨事格讯脚抠炳自升堑苔筋碌祟剔慌毡白丽薯哗鼻浅胎郁为澳阵田育盯泥场沈啄蜂介攒傍够能燥圆恐腑抑编苫锹钾硼蚕蹋隙戮议荣靡尺削权沈炮宿弟策容娃侨刁蜡傣憨稚番扶瞧痔赋知浆搭撼尔翌粥捧耐皱鞘晒隆镰扯撕履陇呕奔扫政泼堆苦酉奈妊篓施楷带回局赶径

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