隧道超前地质预报

向黄隧道超前地质预报项目

技 术 方 案

项目委托单位：重庆市南岸区交通局 项目承担单位：重庆交通大学

2011年4月6日

目 录

一、工程概括 ............................................................................................ 2 二、目的及意义 ........................................................................................ 3 三、方案编制依据 .................................................................................... 3 四、主要内容 ............................................................................................ 3 五、工作流程 ............................................................................................ 4 六、方法及技术要求 ................................................................................ 5

(1) 主要仪器及工作原理 ....................................................... 5 (2) 实施步骤 ........................................................................... 9 (3) 预报频率 ........................................................................... 9 (4) 提交成果及应用 ............................................................. 11

七、向黄隧道超前地质预报数据的处理与应用 .................................. 11 八、向黄隧道超前地质预报作业组织实施和质量、安全管理 .......... 12 九、向黄隧道超前地质预报费用及成果提交 ...................................... 13

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一、工程概括

向家坡-黄桷垭隧道平面按上下行小净距式隧道布置，双向四车道，S线起止里程为SK1+100～SK1+995.625，长5.625m，X线起止里程为XK0+260～XK1+150，长0m，双洞总长度1795.625 m。

隧道区属于脊状低山地貌区，山脊走向与构造迹线基本一致。隧道穿越一小山脊，山脊走向近南北向。区内地形中间高，进出口低，隧道轴线处最高高程555.80m左右，总体高差390m左右，进口段地形相对较陡，总体仰坡角约450，出口段地形坡度相对较缓，坡角约200，植被发育。

隧道向家坡端洞口岩性以少量粘性土及强风化砂岩为主，现状稳定。粘性土及强风化砂岩力学性质差，开挖后容易产生滑塌、掉块等现象。洞口外侧成分以砂岩块石及建筑弃渣为主，堆填厚度大于10m，结构中密，稍湿，堆积年限约10年。仰坡主要由砂岩组成，形成高度约60m，植被发育，天然状态稳定。经人工开挖后，上部为残坡积粘性土覆盖，厚度约2m左右，下伏砂岩强风化厚2-3m，岩体破碎，自稳能力较差，易产生滑塌；其下中风化砂岩，岩体较完整，由岩层产状、裂隙产状等情况，仰坡总体稳定性较好。

隧道黄桷垭端洞口位于T1j2地层中，地表为第四系粘性土覆盖，土层厚度为1-5m，下伏为较完整的灰岩。出洞口段为斜坡下部，呈陡坎状地形，地形坡度为5-10o；洞口轴线与岩层走向大角度相交，交线夹角70-80o，洞口附近地形较平缓，现状稳定。

隧道所在的真武山地区区域地表水系由长江及其支流花溪河构成。隧道位于已建真武山1#隧道右侧，其隧道展布方向与其基本一致，且属于同一水文地质单元。区域上主要由岩性控制该地段的地下水，地下水运移方向与构造线方向一致，由北向南运移，向南边的花溪河排泄，局部地下水常沿裂隙向低处以泉的形式排泄，汇入冲沟，最终排入长江。长江及花溪河将隧道区切割成一个的水文单元。

隧址区由须家河组、雷口坡组及嘉陵江组地层组成。其中须家河组为碎屑岩空隙裂隙层间水，该类型地下水以砂岩裂隙水为主，其长期动态与降水量的动态一致，但短期动态却与降水量变化不完全一致，受短期降水量的影响较小。同时，根据真武山隧道施工竣工资料，隧道在施工过程中对砂岩中的裂隙进行了充填注浆，封堵了裂隙，使该层地下水对隧道的影响较小。

隧道进出口均无滑坡、崩塌、泥石流不良地质现象。但在须家河煤系地层中因地方

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小煤窑无序采煤局部形成采空区。据真武山隧道施工资料及真武山隧道勘察资料表明在T3Xj1中存在采空区，线路K0+960附近有煤层采空区，隧道施工开挖时采空区坍塌高度超过50m，煤层厚度0.5m。经分析推断在拟建隧道T3Xj1同样存在采空区分布，分布在SK1+495~SK1+584 (XK0+683~XK0+776)之间。该带煤窑采煤近20年，于90年代后期关闭，施工中应注意防止废弃煤窑瓦斯积聚而引起瓦斯突出及采空区积水。

二、目的及意义

隧道开挖前对地质情况的了解，对于隧道建设有着十分重要的作用。通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧道涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。所以隧道地质超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等意义重大，具有重大的社会效益和经济效益。

三、方案编制依据

1. 《公路隧道设计规范》JTGD70-2004 2. 《隧道施工规范》JTG F60—2009

3. 《铁路隧道喷锚构筑技术规范》TB10108－2002 4. 《爆破安全规程》（GB 6722-86）

5. 《公路工程质量评定标准》（JTG F80/1-2004） 6. 《铁路瓦斯隧道技术规范》 7. 向黄隧道施工设计图

四、主要内容

隧道超前地质预报工作包括：隧道围岩描述、围岩监测、水文地质监测、施工地质测绘、围岩类别判别等常规地质预报和超前地质勘探、超前仪器现场量测、不良地质体长距离预报等超前地质预报，以及相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作。

⑴ 常规地质预报是指：对已开挖洞段及时进行地质编录、测绘、取样及试验，依据已知围岩的风化、裂隙发育状况及开挖石渣的粒径、形状、质量状况和较大渗水点的渗

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水量、水温、PH值、导电性等条件，预报掌子面前方未开挖地段的地质情况、可能出现的不良地质体及围岩类别。

⑵ 超前地质预报是指：为防止隧道掘进时遭遇未知的不良地质体而进行的超前地质勘察、超前勘探钻孔、超前仪器测试等，对隧洞掌子面前方长距离范围内的不良地质体进行预报。采用的主要手段为：地面地质预测、超前钻孔、地质雷达测试、地震波超前测试等，然后将采集的数据进行整理，从而对不良地质体可能被揭示的位置进行预报。

根据设计要求，采用地震仪TSP、地质雷达及红外线探测仪探测出掌子面前方的不良地质体的属性、位置与空间分布规模。

五、工作流程

向黄隧道超前地质预报工作流程如图1所示。

研究隧道地质资料、熟悉设计图纸 现场踏勘 针对隧道特点确定该隧道施工超前地质预报、监控量测重点并制定出初步大纲 按计划采集各项目数据 按计划要求布置设备和埋设传感器 仪器及传感器的校准和标定 将采集的数据输入《隧道信息化施工与计算机辅助决策软件》及其相应的软件进行分析处理 标准样本观测、采集与管理保存网络分析结果待测样本管理 BP神经网络训练等分析围岩类别及地质状况智能判别 NO是否满足 围岩类别及地质判别输出 相应初期支护、超前支护措施输出

图1 向黄隧道超前地质预报工作流程

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六、方法及技术要求

当开挖揭露的地质情况与前期工程地质勘察资料有较大的出入，预计开挖前方可能遇到软弱层带、含有害气体的地层、突泥、突水等。当出现围岩不断掉块，洞内灰尘突然增多，支撑变形或连续发出响声。出现片帮或严重鼓胀变形。出现以上情况时，应对其产生原因、性质和可能的危害做出科学的分析判断，并及时进行预报。提前了解岩石的均匀程度及其性质参数，保证隧道施工顺利进行，同时也将施工过程中可能遇到的危险降到最低限度。

有时在开挖的过程中会出现瓦斯含量严重超标，当围岩完整性较差时瓦斯上逸的可能就大，因此预报的关键还是预报岩层的地质构造。预测前方破碎程度范围、岩体裂隙及发育情况、岩体空洞范围及大小、瓦斯富存情况、瓦斯涌出、岩体瓦斯压力、瓦斯含量，突出性质喷出等，提前分析制定施工方案，指导施工。

(1) 主要仪器及工作原理 A、TSP系列隧洞地震探测仪

隧洞超前地质预报的主要仪器有：TSP系列隧洞地震探测仪、浅层地震仪等。一般多采用TSP系列隧洞地震探测仪，其工作原理如图2所示。

图2 TSP系列隧洞地震探测仪超前探测原理示意图

拟在本项目中使用TSP203隧洞地震探测仪进行超前地质预报。该仪器最大探测距离可达掌子面前方500m，有效探测距离150m，最高分辨率1m。其基本的技术参数如下：

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接收器端口：4 记录通道：12 采样间隔：62.5, 125us 记录带宽：8000，4000Hz 模数转换：24位 记录长度：14468采样数 最大输入信号：10Vpp 动态响应范围：120dB

B、地质雷达探测原理

地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布，它的基本原理(见图3)是：发射机通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0.1 ns的脉冲电磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速,可以大致计算出探测目标的距离。

发射电磁波 输出显示 分析计算处理后 反射、散射脉冲 时域接收机 发射电磁波 接收反射回波 Er1 介质1

Er2 目的体 介质2 图3 地质雷达探测原理图

本工程采用意大利IDS公司生产的地质雷达（图4），其有效探测深度为30米。

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图4 地质雷达探测仪

其主要技术参数如表1：

表1 地质雷达技术性能参数表

时间窗宽度 发射机脉冲重复率 最大扫描频率 每一扫迹的样点数 增益范围 可调增益控制范围 动态范围 主 机 滤波器 探测摸式 数字传输 电 源 天线供电 电池容量 电流消耗 尺 寸(不包括电脑) 重 量(不包括电脑) 分辨率&探测深度 100HZ天 线 重量 发射器输出 接收器灵敏度 接受器增益 1-2000纳秒 115 kHz 每秒56次扫描 512 由用户选择的线性或指数时间变量增益功能 0 - 80dB 128dB 用户可选择三个高通滤波器 连续距离触发、时间触发或点测 以太网 12V DC充电电池包,工作电压范围：10.5-13V 12V （控制单元到天线的电缆电压） 7 AH 0.7A 35x30x5.5cm 3.0Kg 1-4 x 7-30 m 2 kg to 7 kg 200V 120 mcV 10d10dB

C、红外探水

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地质体每时每刻都在由向外部发射红外能量，并形成红外辐射场。地质体由内向外发射红外辐射时，必然会把地质体内部的地质信息，以红外电磁场的形式传递出来。

当隧道前方和外围介质相对比较均匀，且不存在隐蔽灾害源时，沿隧道走向分别对顶板、左边墙、右边墙向外进行探测，所获得的红外探测曲线，具有正常场特征。当隧道断面前方或隧道外围任一空间部位存在隐蔽灾害源时，隐蔽灾害源产生的灾害场就一定会迭加到正常场上，使正常场中的某一段曲线发生畸变，畸变段称作红外异常。红外探测就是根据红外异常来确定隐蔽灾害源的存在。隐蔽灾害源是指含水断层、含水溶洞、地下暗河。

红外探测技术虽然能判断掌子面前方是否存在含水地质体，但不能判断水量的大小与确切距离。掌子面的安全值虽能成为判断含水构造是否存在的一个重要因素，但却不能成为是否发生大涌水和突水的限值，因此红外探测技术应与其他地质预报探测技术（TSP探测、地质雷达探测、超前探孔）相结合，作为对其他地质预报探测技术的一种验证。

HW－304型红外探测仪，是在303型的基础上向前迈进了一步，它可将探测场强数据储存在仪器内，用通讯电缆与计算机连接后，可将探测数据直接传输至计算机，实现快速准确成图。

瞄准方式：红色激光 电 源：镍氢可充电电池 电源电压：1.2V×5

电流参数： 正常工作电流为 18mA 背景光电流为：28mA 激光器电流为：20mA

辐射场场强分辨率：H档为：0.05 mw/cm2 M档为：0.07 mw/cm2

液晶显示：LCD，带背景光照明 仪器尺寸：180×88×34（mm） 重 量：350 g

D、JCB - CJ19A型便携式甲烷检测报警仪

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便携式甲烷检测报警仪是一种可连续自动测定(或点测 )环境中瓦斯浓度的全电子仪器 ,具有操作方便、 读数直观、 工作可靠、 体积小、 重量轻、 维修方便等特点。当甲烷进入载体催化原件气室时 ,在黑白原件表面进行无烟燃烧 ,黑原件阻值发生变化 ,电桥失去平衡 ,输出电压信号 ,甲烷浓度的大小与电桥输出的电压信号成正比。

该仪器使用时必须在有新鲜空气处调零 ,并按照洞内要求调好报警极限;仪器充电必须充足;必须等显示板上数据稳定后方可读取数据 ,否则 ,会造成数据

不准。每台仪器必须由专人使用、 保管 ,并建立相应的台帐 ,将仪器的使用情况、 调校情况、 故障情况、 维修保养情况等逐一记录备案 ,以备查阅。

信息传输系统电缆选用及布置要求

① 监测系统传输电缆要专用 ,以提高可靠性。 ② 监测系统所用电缆要具有阻燃性。

③ 监测系统中各设备之间的连接电缆需加长或作分支连接时 ,被连接电缆的芯线应采用接线盒或具有接线盒功能的装置 ,用螺钉压接或插头、 插座插接 ,不得采用电缆芯线导体的直接搭接或绕接的方式。

④ 具有屏蔽层的电缆 ,其屏蔽层不宜用作信号的有效通路。在用电缆加长或分支连接时 ,相应电缆之间的屏蔽层应具有良好的连接 ,而且在电气上连接在一起的屏蔽层一般只允许一个点与大地相连。

⑤ 所有传输系统直流电源和信号电缆尽量与电力电缆沿隧道两侧分开敷设 ,若必须在同一侧平行敷设时 ,它们与电力电缆的距离不宜小于 0 . 5m。

(2) 实施步骤

隧道超前地质预报分实施步骤见图5。

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图5 隧道超前地质预报的步骤框图

（1）首先在隧道内人工制造一系列有规则排列的轻微震源，震源发出的地震波逼到地层界面、特别是断层破碎带等不良地质体时产生的反射波，其传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关地质体的性质密切相关，并通过不同的数据表现出来；

（2）通过震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪）进行数据采集，将数据输入带有处理软件的电脑，并经过计算机数学计算进行数据处理；

（3）将采集的数据资料转换为反应相关地质体反射能量的影视图像或隧道平面、剖面图；

（4）进行室内数据资料处理、分析，由工程技术人员进行解译，对隧道掌子面前方不良地质体的性质、位置和规模等予以超前地质预报。

(3) 预报频率

隧道超前地质预报的频率一般根据隧道长度、水文地质、掌子面观察、初期支护观察、监控量测以及业主的要求等确定。一般来说每150m应该用TSP203隧洞地震探测仪预报1次。对于SK1+495~SK1+584 (XK0+683~XK0+776)之间，在施工过程中必须不停地对瓦斯浓度进行监控。

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(4) 提交成果及应用

通过对TSP203隧洞地震探测仪输出的反射界面的二维图像以及发射界面三维透视图的分析，可以提供隧道掌子面前方围岩的断层、弱岩带、岩溶、含水层等地质体性质、空间位置、岩石力学特性等成果。为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧道涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。

七、向黄隧道超前地质预报数据的处理与应用

1. 确保所有原始量测数据的完整可靠，建立完善的量测管理制度和相应的管理基准进行日常量测作业。所有原始记录表格应反映量测数据的属性、位置、时间、单位及其当时的地质和施工情况。同时所有原始记录表格应有记录者、复核者和小组负责人的签名审核。

2. 对于隧道超前地质预报的数据经过专门的软件处理后，输出隧道前方150m范围内的围岩性质、工程地质、水文地质环境以及特殊地质分布与图像，并提供相应的施工方法和支护措施。

3. 对隧道监控量测资料应认真检查、审核和计算，每次量测结束后，应在二小时内及时输入《公路隧道信息化施工与计算机辅助决策软件》进行数据处理，并整理输出为相应图表，如：

(1) 收敛位移与时间关系图、收敛速度与时间关系图； (2) 拱顶下沉量与时间关系图、拱顶下速度与时间关系图； (3) 锚杆轴力随深度变化关系图；

(4) 应在所提供的图表上，明显地标出相应图表的预警线、临界破坏线； 以便于直观地判断隧道支护体系地受力状态和变形状态，及时制定有效对策保证施工顺利进行。

4. 对重要施工地段，通过有限元位移反分析判断围岩的变形状态和支护体系的稳定性并预报围岩和支护变形破坏险情、判断施工方法和施工步骤的合理性、提供二次衬砌施作的时机、检验预设计的合理性。

5. 及时将隧道超前地质预报和量测分析结果整理成周报、月报，及时反馈给业主、

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设计、施工单位和监理，以便制定相应的工程措施，修正设计，保证在预定工期内安全、优质、高效地建成本项目隧道工程。

八、向黄隧道超前地质预报作业组织实施及管理

1．为使本项目超前地质预报和监控量测计划能为隧道施工建设起到：确保安全、指导施工、修正设计和积累资料的目的。将选派专业知识扎实，经验丰富、技术熟练的专业人员组成本项目的超前地质预报小组和监控量测小组。

2．采用项目负责人负责制，项目负责人负责对项目全管理和对外组织协调工作，项目技术总负责人负责项目全面技术工作和质量管理，审核和签署隧道质检报告。解决项目执行过程中的技术问题。超前地质预报技术负责人专职负责隧道超前地质预报各类技术问题，进行质量把关，超前地质预报技术负责人兼任组长，主持日常工作。

3．现场超前地质预报、量测人员要求全部为隧道专业本科以上学历。 4．所有参加项目人员在进入现场前应进行质量和安全教育培训。

5．采用的机械式仪表和电子仪器，必须确保仪表具有良好的使用状态。仪器在使用前应认真进行检测和标定，确保仪器精度和完好率和各测设点的埋设质量，使之获得可信赖和满足精度要求的量测数据。同时，对于量测数据认真记录、整理和分析；

6．及时向施工负责人汇报洞内围岩稳定状态，并定期提出围岩稳定性和支护可靠性的书面报告；当结果出现危险信息时，应立即向施工负责人报告，并协助施工负责人进行紧急处理。 7．人员组成

项目的人员如下表2所示。

表2 项目的人员组成

姓 名 吴国雄 高峰 张学富 梁 波 徐林生

职称学历 教授，博士 教授，博士 教授，博士 教授，博士 教授，博士 专 业 土木工程 隧道工程 隧道工程 隧道工程 岩土工程 项目角色和工作 项目全面管理 项目技术管理 工作单位 重庆交通大学 重庆交通大学 全时率 100% 100% 100% 100% 100% 主研（项目技术） 重庆交通大学 主研（项目技术） 重庆交通大学 主研（项目技术） 重庆交通大学 12

黄明奎 薛佃立 朱碧辉 王林台 副教授，博士 硕士生 硕士生 硕士生 岩土工程 隧道工程 隧道工程 隧道工程 主研（项目技术） 重庆交通大学 仪器布置及分析 重庆交通大学 仪器布置及分析 重庆交通大学 仪器布置及分析 重庆交通大学 100% 100% 100% 100% 九、向黄隧道超前地质预报费用及成果提交

1. 隧道超前地质预报计划书；

2. 整理分析采集的数据，按规范要求形成相关图表，定时提交相应的分析报告给业主

和施工设计单位以及施工监理；

3. 按要求将资料整理归档，作为竣工资料的一部分；

表3 隧道施工超前地质预报费用

监测项目 超前地质预报 序号 1 2 3 监测内容 地质雷达超前地质预报 TSP超前地质预报 红外线探水预报 总计（元） （协议费用）（元） 单位 米 米 米 预计 数量 900 900 900 单价（元） 200 200 200 预计合价（元） 180000 180000 180000 540000 （496000）

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