向莆铁路标项目部隧道超前地质预报方案.doc

隧道超前地质预报方案
一、隧道工程概况
中铁二十四局承建为DK98+550～DK160+819.24与DK219+911～DK228+816，共71.17424公里，隧道共7座长9.108公里，占线路长度的12.8%，其中重点控制工程为武夷山隧道，施工长度5671m。
武夷山隧道：根据我局与中铁3局划分任务中，针对武夷山隧道，我局承揽任务为武夷山隧道里程为DK219+911～DK225+582,即武夷山隧道施工长度5671m，其中II级围岩4234m，III级围岩714m，IV级围岩526m，V级围岩197m。
平成关隧道：平成关隧道全长为1235m，里程为DK126+145～DK127+380，其中III级围岩576m，IV级围岩88m，V级围岩571m。
游源隧道：游源隧道全长为147m，里程为DK127+715～DK127+862，其中III级围岩40m，IV级围岩29m，V级围岩78m。
界山隧道：界山隧道全长为175m，里程为DK128+000～DK128+175，所有都是V级围岩175m。
柴山隧道：柴山隧道全长为155m，里程为DK128+860～DK129+015，所有都是V级围岩155m。
乌碑石隧道：乌碑石隧道全长为354m，里程为DK135+651～DK136+005，其中III级围岩295m，V级围岩58m。
武调一号隧道：武调一号隧道全长为1366m，里程为DK227+444～DK228+810，其中II级围岩349m， IV级围岩463m，V级围岩554m。
针对以上隧道情况，隧道超前地质预报以武夷山隧道为主，其他短隧道重要也是IV级和V级围岩，且隧道就穿过一座山胞，地质情况比较简朴，根据现场施工情况，选择做超前地质预报。
二、武夷山隧道工程概况
2.1、根据我局与中铁3局划分任务中，针对武夷山隧道，我局承揽任务为武夷山隧道里程为DK219+911～DK225+582,即武夷山隧道施工长度5671m，其中II级围岩4234m，III级围岩714m，IV级围岩526m，V级围岩197m。
2.2、隧道出口内轨顶面设计标高341.89m，从进口到出口处，采用单一上坡，变坡点左线内轨顶面标高及坡率为：变坡点DK210+800标高为267.938，坡率为+4.9‰；变坡点DK224+600标高为335.558，坡率为+6.5‰；变坡点DK225+600标高为342.058，坡率为0‰。在变坡点里程DK224+600、DK225+600处均需设立圆曲线型竖曲线，竖曲线半径R=20230m，设立范围分别为DK224+584～+616、DK225+535～+664.20。隧道内左线内轨顶面标高等于左线路肩设计标高加上0.92m，隧道内轨顶面至道床底面高度为0.515m。斜井与正洞连接处：斜井坑底设计标高等于左线线路内轨顶面标高减去0.515m。
2.3、隧道进口段左线DK210+923～DK211+374.04(右线DK210+923～DK211+386.11)位于右偏曲线上，左、右线半径R=11000m，隧道曲线段左线长451.04（右线长463.11m）；洞身左线DK222+212.82～DK224+482.19(右线DK222+214.79～DK224+482.43)段位于左偏曲线上，左、右线半径R=5500m，隧道曲线段长2269.37m；隧道其余地段均位于直线上。
2.4、全隧道除出口端DK225+566～+582段采用路堑式明洞衬砌外，其余地段均采用复合式衬砌。
2.5、我局施工武夷山隧道范围内，有一座斜井为下村斜井，位于线路前进方向左侧，斜井综合坡度7.78%，平面交角90°，斜井长度1368.28m，与正洞交于DK221+360里程处，采用无轨运送单车道+错车道。
三、武夷山隧道地质情况
3.1地理位置及地貌特性
向莆铁路武夷山隧道地处福建省西北部建宁县及江西省黎川县境内，出口位于建宁县黄坊乡五调新村的NW向冲沟，NE侧斜坡上，自然坡度20°～30°，植被发育，山坡临空面倾向方位160°。隧道洞身最大埋深355.91m。
3.2自然地理概况及隧道水文地质特性及涌水量
3.2.1、地形地貌
隧道位于剥蚀中低山区，山势陡峻，地势以狮子寨为界，向北西由中低山变为丘陵区，向南东侧北西高、南东低，仍为剥蚀中低山区，区内沟谷纵横、植被发育，乔、灌木、杂草众生，隧道通过区域最高山锋狮子寨，高709m左右，隧道出口处高程约340.541m，其相对高差达368m，区内地形标高一般为300～600m，相对高差300m左右。自然山坡坡度10°～45°不等。洞身地段沟谷地表水发育，在大东坑、际下、曹家地、横口、五调新村等处发育沟谷，沟谷地表水较发育，洞身与沟谷夹角30～70度以上，少数沟谷与线路基本正交穿过，隧道埋身18～350m。测区内交通不便。
3.3.2、气象、水文
测区位于低纬度带，气候温和、雨量充沛，属亚热带气候。年平均气温最高24.57℃,最热为7月份，月平均气温34.17℃,最冷1月份，月平均气温5.2℃。每年11月至次年1月为霜期，年平均无霜期292天。年平均降雨量1799.3mm，3～6月为雨季，其平均降雨量1043.1mm，占年降雨量的58%。区内水系发育，形成树枝状水系，属五调河支流，发源于武夷山两省交界分水岭(武夷山)，支流重要分布于芦岭村、将上、大东坑、际下、曹家地、横口、五调新村。
3.3隧道工程地质条件
3.3.1．隧道洞身工程地质条件
隧道出口位于NW向冲沟的NE侧斜坡上，自然坡度20°～30°，植被发育。谷地表层为2米厚细砂层，下伏花岗岩全风化层也较厚，山体表层2.4米为粉质粘土夹碎块石，基岩为中～细粒二长花岗岩，中细粒花岗结构，块状构造，全～强风化厚4～9米，质地较软，风化呈砂土状。洞口表层为松散细砂曾，花岗岩全风化层厚，完整性差，围岩分级为V级。成洞条件差，围岩易坍塌，需加强支护，且洞口位于山间坳谷，地表水对隧道施工有较大影响。隧道出口边坡、仰坡坡率为1：1.5，限高6米。
洞身：洞身岩石种类较多，除断层带、浅埋部位划为IV、V围岩外，其余为弱风化侵入岩、变粒岩，属坚硬完整～较坚硬完整岩石，围岩级别为II～III级。
II级围岩段：晚侏罗侵入的弱风化花岗岩和太古界变粒岩，岩石坚硬，裂隙不发育，完整～不完整，洞身稳定性好。
III级围岩段：弱风化的变粒岩。岩石较硬，层间裂隙较发育，洞身稳定性一般～较好。拱部无支护时易掉块、坍塌。
IV级围岩段：重要是断层带及受其影响范围内的裂隙发育、岩石较破碎的洞身围岩，稳定性较差，易产生掉块、坍塌、渗水。
V级围岩段：隧道进出口及断层破碎带。洞顶不稳定，极易坍塌，需加强支护。
3.3.2．下村斜井工程地质条件
下村斜井与隧道中心线交于DK221+360处，斜井综合坡度为7.78%，与隧道中线垂直，长1368.36米，岩性分别为上太古界天井坪组上段变粒岩和朱地单元浅肉红色多斑粗中粒二长花岗岩，并与F4断层交于X2DK0+960处。斜井洞口重要是花岗岩全风化层，洞口边坡、仰坡坡率为1:1.25，限高8米。
四、武夷山隧道超前地质预报位置及使用仪器
武夷山隧道超前地质预报范围
序号
起始里程
终止里程
段落长度(m)
设计围岩类别
预报重要内容
重要方法/仪器
重点预报地质
1
DK220+224
DK220+244
20
Ⅳb
岩性特性，节理，裂隙发育特性，岩体结构特性，破碎限度，水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特性
TSP，超前水平钻孔及地质素描法
节理裂隙发育、断层破碎带、强富水
2
DK220+244
DK220+304
60
Ⅴb
3
DK220+304
DK220+324
20
Ⅳb
4
DK220+685
DK220+705
20
Ⅳb
岩性特性，节理，裂隙发育特性，岩体结构特性，破碎限度，水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特性
TSP，超前水平钻孔及地质素描法
节理裂隙发育、断层破碎带、强富水
5
DK220+705
DK220+735
30
Ⅴb
6
DK220+735
DK220+755
20
Ⅳb
7
DK221+805
DK221+865
60
Ⅳb
岩性特性，节理，裂隙发育特性，岩体结构特性，破碎限度，水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特性
TSP，超前水平钻孔及地质素描法
节理裂隙发育、断层破碎带、强富水
8
DK222+135
DK222+155
20
Ⅳb
岩性特性，节理，裂隙发育特性，岩体结构特性，破碎限度，水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特性
TSP，超前水平钻孔及地质素描法
节理裂隙发育、断层破碎带、强富水
9
DK222+155
DK222+185
30
Ⅴb
10
DK222+185
DK222+205
20
Ⅳb
11
DK222+265
DK222+285
20
Ⅳb
岩性特性，节理，裂隙发育特性，岩体结构特性，破碎限度，水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特性
TSP，超前水平钻孔及地质素描法
节理裂隙发育、断层破碎带、强富水
12
DK222+285
DK222+325
40
Ⅴb
13
DK222+325
DK222+345
20
Ⅳb
14
DK222+345
DK222+415
70
Ⅲa
15
DK223+192
DK223+222
30
Ⅳa
位置，规模，破碎限度，充填情况，含水情况等
TSP，超前水平钻孔及地质素描法
节理裂隙发育、岩石破碎、中档富水
16
DK224+385
DK224+426
41
Ⅳa
17
DK224+426
DK224+469
43
Ⅳb
18
DK224+469
DK224+479
10
Ⅳb
19
DK224+479
DK224+500
21
Ⅳb
20
DK224+500
DK224+531
31
Ⅳa
21
DK224+795
DK224+836
41
Ⅳa
22
DK224+836
DK224+877
41
Ⅳb
23
DK224+877
DK224+935
58
Ⅳa
24
DK225+470
DK225+500
30
Ⅳa
岩性特性，节理，裂隙发育特性和岩体结构特性
地质素描法，TSP
软弱围岩地段
25
DK225+500
DK225+526
26
Ⅴb
26
DK225+526
DK225+566
40
Ⅴb
五、武夷山隧道超前地质预报的内容和方法
5.1、隧道施工超前地质预报涉及以下九项内容
5.1.1地势条件变化对施工影响限度预报；
5.1.2也许出现塌方、滑动影响预报；
5.1.3隧道穿越不稳定岩层较大断层预报；
5.1.4出现涌水地段预报；
5.1.5软岩出现内鼓、片劈掉块地段预报；
5.1.6岩体忽然开裂或原裂隙逐渐增宽等危害性预报；
5.1.7位移变形加快影响围岩稳定预报；
5.1.8浅埋段下沉裂缝对隧道稳定预报；
5.1.9洞口滑坡、坠石及时预报。
5.2、隧道施工超前地质预报采用方法
5.2.1.TSP预报系统：运用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周边临近区域的地质情况。该系统是目前最先进的方式，准确率高，合用范围广，合用于极软岩至极硬岩的任何地质情况，它的预报原理同负视速度法，只是接受频率为10～8 000Hz，预报长度为100～200m，不占用工作面，对隧道施工干扰小，TSP超前地质预报系统野外观测见下图。

TSP超前地质预报示意图
5.2.2超前水平钻孔：是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据隧道中线水平方向上钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中碰到的其他情况来判断。这种方法可以反映岩体的大约情况，比较直观，施工人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工组织。但该方法也存在局限性之处：①在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别是与隧道轴线平行的结构面，其预报无反映；②钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。
5.2.3地质素描：对开挖面的地质情况如实而准确的反映。素描的重要内容涉及地层岩性、构造发育情况（含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉）、地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描是运用所见到正洞已开挖段的地质情况预报前方也许出现的不良地质条件（断层等）。针对断层而言，又分断层露头作图法和断层前兆特性法。断层露头作图法对结构面向开挖后方倾斜的断层预报效果较好，由于断层先在隧道底出露，对岩体稳定性影响不大时就可以发现；对于向掌子面前方倾斜的结构面由于先在顶部出现，预报时效果相对较差。正洞地质素描的优点是不占用施工时间，设备简朴，不干扰施工，出结果快，预报的效果好，可以作为其他方式的补充和验证，并且为整个隧道提供了完整的地质资料；缺陷是对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。
5.3 TSP超前地质预报施工程序
5.3.1超前地质预报测试人员进入测试现场前，应充足查阅施工地区的工程地质资料，拟定本次检测的重要不良地质构造现象，明确超前地质预报的目的。
5.3.2工程地质师进入施工现场，仔细研究观测隧道的岩石，构造，岩体的工程地质特性，根椐现场实际情况，拟定TSP超前预报探测系统进行现场测试的位置（隧道的左壁和右壁）。
5.3.3布置超前地质预报探测钻孔：一般情况下，在测试的时候，在由2所拟定的隧道的侧壁上，布置之度外24个爆破探测孔，如图所示，爆破测试孔垂直于隧道壁，深1.5m直径40mm～42mm，向下倾斜5°～10°，间隔1.5m，距离隧道底部1m，从掌子面与隧道壁的交点处开始布置1#孔,依次后推,直到第24#孔。用直径40mm～42mm钻制。
5.3.4布置接受器钻孔：在与爆破探测孔同测隧道壁，同高的延长线上，距离最外一个爆破探测孔（第24#孔）15m～20m处，布置接受器钻孔，接受器钻孔垂直于隧道壁，深2.0，直径42mm～45mm，向上倾斜5°～10°，用直径45mm钻制，（如下图所示）。
5.3.5超前地质预报测试炸药与雷管的选择：炸药选用乳化防水炸药，150g或者250g一管。雷管选用毫秒瞬发电雷管。每次测试消耗炸药3000g～4000g，雷管30发。
5.3.6现场测试过程：
A、 将TSP超前预报探测系统按照说明书，进行连接调试，保证设备运营工作状况良好。
B、 隧道内暂停施工，减少噪音对TSP超前预报探测系统的影响。
C、 爆破手将适当药量的炸药及一枚电雷管装入1#爆破测试孔，并注水封闭爆破孔，撤离到安全区内。
D、 测试人员引爆炸药，采集现场测试数据。
E、 在2#测试孔，反复C、D两环节，直到达24个孔结束。假如碰到哑炮、弱炮，则该测试孔重新测试。
F、 测试完毕后，整理设备，撤离现场，回复隧道内施工。
G、 进行TSP超前预报探测系统图形资料的初步计算。
H、 由专业工程地质人员分析解译TSP超前预报探测系统的现场测试数据，提交超前地质预报报告。
I、 及时将超前地质预报情况给甲方、监理、业主。
六、武夷山隧道超前地质预报重点和信息收集、整理
6.1武夷山隧道超前地质预报重点
武夷山隧道也许碰到的重要不良地质有：浅埋段、断层破碎带、涌水。武夷山隧道需要超前地质预报的重点地段为：
重点超前地质预报地段表
里程
隧道通过含水体的长度B
渗透系数K
隧道宽度D
隧道涌水量Q
隧道单位长度涌水量q
富水限度
m
m/d
m
m3/d
m3/d·m

F2
100
0.16
12.5
1589
15.89
强
F2-1
60
0.16
12.5
708
11.8
强
F3
120
0.16
12.5
1503
12.53
强
F4
100
0.112
12.5
781
7.81
强
节理密集带
DK223+197～+217
20
0.03
12.5
49
2.47
中档
节理密集带
DK224+442～+475
33
0.03
12.5
81
2.45
中档
断层F5
100
0.115
12.5
1212
12.12
强
6.2信息收集与整理
①地质预报由专门的地质专业工程师负责，项目部设专职地质组，其它施工、质检人员予以配合，进行资料收集、记录、分析和编制信息预报成果，由主管技术人员予以复核，并报设计、监理联合体，为变更设计、修改施工方法提供依据。
②不断总结经验，对已披露的实际地质情况与前期地质预报内容相比较，评估预报的准确性，为以后的超前地质预报工作积累经验。
③经分析、整理的地质资料作为施工技术资料存档。
七、根据超前地质预报资料判断围岩类型变化
7.1围岩类别预报的依据
预报围岩类别重要根据以下资料进行综合分析：
（1）开挖地段的工程地质特性，毛洞稳定状态和围岩类别；
（2）掌子面地质素描和超前水平钻孔得出的资料；
（3）根据水平钻探和TSP预报资料，掌子面前方是否有水及地下水的情况；
（4）毛洞成形情况；
（5）根据TSP预报系统资料，得出岩体中裂隙 间距的变化。
7.2预报围岩类型变化情况
（1）Ⅲ类围岩凡有以下情况我们则将前方预报为Ⅳ类；
　a、连续几茬炮爆破成型差，有贯穿性裂隙切割成的大的不稳定块体；
  b、前方有断层出露；
  c、裂隙规律较差，出现无序状裂隙或有两组以上的贯穿性大节理；
  d、超前钻孔测试和钻进有异常；
  e、地下水水量增长。
（2）在Ⅳ、Ⅴ类围岩地段有以下情况者，围岩类别也降级预报；
　a、相邻的已施工段初期支护变形严重或收敛量测值异常；
  b、超前钻孔涌水量增长，涌水浑浊；
c、已有的断层在前方延伸到严重影响围岩稳定的位置（例如断层变 宽、出露部位由边墙上升到起拱线以上）；
d、前方有新的断层出露；
e、前方有两组断层；
f、超前水平钻孔钻进时有异常。
（3）将塌方前后各5 m定为Ⅴ类围岩；
（4）若围岩类别介于两类之间则定为低的一类；
（5）若已开挖段的围岩实际类别高于原预报的围岩类别，长度在5 m以上，且已探明前方地质条件不会向坏的方向变化，则可提高围岩类别。
　　最后，将所获得的各种施工信息进行集中整理，综合分析，互相印证，得出结论。当预测到掌子面前方围岩类别有变化时，我们则填写超前地质预报告知书，立即送交驻地监理站和监理部；若掌子面前方围岩类别无变化，但当预报前方将有不利地质条件或将产生地质灾害的也许时，我们也及时告知现场监理和监理站，并建议立即采用加强支护及早形成闭合环等措施，防患于未然。
八、超前地质预报的目的和目的
超前探测地层岩性、断层、软弱层的位置、岩体完整限度、断裂带位置、宽度、破碎限度、富水性，为围岩变更提供依据；提供必要的地质参数，如：地下水压力、水量、水的侵蚀性等；提供施工掌子面前方地质信息，进一步拟定保证围岩稳定性的工程措施及合理的施工方法；为优化施工方案提供依据，指导施工顺利进行，保证施工安全。准确预报掌子面前方围岩地质情况及富水情况，重点预报涌水地段的具体位置、规模及影响限度，控制掌子面前方30m范围内不良地质体预报误差控制在1m以内。加强超前地质探测与预报，实行动态管理、信息化施工。施工中运用超前地质探测与预报手段，针对隧道掘进过程中也许出现的断层、涌突水、放射性元素富集等不良地质地段预先制订应急措施，并将该项工作纳入施工工序管理，做到信息准、决策快。根据预报资料及时调整施工方案和措施，调配合理先进的施工机械设备，保证快速安全施工。