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1、新建铁路武汉至广州客运专线乌龙泉至花都段第标段地质超前预报作业指导书编 制 人： 审 核 人：技术负责人：单位负责人：中铁五局武广客运专线XXTJIV标项目经理部工程部二00六年十月 湖南郴州目 录1 目的22 适用条件及范围23 隧道超前地质预报24 超前地质预报分级管理135地质预测预报设备、仪器146人员及组织机构设置157、安全措施15地质超前预报作业指导书1 目的指导隧道地质超前预报的实施。2 适用条件及范围本作业指导书适用于中铁五局武广铁路客运专线XXTJ标管段内的隧道地质超前预报的实施。 3 隧道超前地质预报3.1地质预报内容隧道超前地质预测、预报应包括对地层岩性、地质构造、不良
2、地质和地下水等的预测预报。针对本标段隧道工程的地质情况（岩溶分部广泛），着重进行如下几方面的探测：断层及断层影响带的位置、规模及其性质；软弱夹层的位置、规模及其性质；岩溶的位置、规模及其性质；不同岩性、围岩级别变化界面的位置；工程地质灾害可能发生的位置和规模；含水构造体的位置、规模及其性质；隧道底部溶洞、暗河等对地基稳定性有影响的不良地质体探测；煤系地层采空区与隧道的位置关系等。3.2地质预报选用方法隧道超前地质预测、预报应坚持常规地质法、物理勘探法、钻探法等多种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证的原则。并结合本段工程特点，以及局项目部安排，隧道超前地质预测预报的方法如表1：表1序号探
3、测手段备注1地质素描地质素描或数码成像形成隧道地质基础资料2物探手段TSP或HSP远距离探测断层破碎带、岩层分界面，用于地质条件复杂的隧道3地质雷达近距离探测隧底、掌子面岩溶4地质钻探水平钻探（2040m）断层、岩溶、瓦斯、重大物探异常段等5隧底钻探（510m）隧底岩溶、暗河、重大物探异常段等6加长炮孔钻探（36m）掌子面短距离岩溶、地下水等揭露7瓦斯检测仪瓦斯浓度检测根据各种方法的特点，并结合本标段隧道工程的地质情况确定以常规地质法为基础、TSP203或HSP地质超前预报系统作长距离宏观控制、地质雷达作近距离判断、加长炮孔钻探作连续岩溶、地下水等超前探测、地质钻探为辅助验证（重大物探异常段，
4、全程水平地质钻探），形成综合的地质超前预报系统。隧道地质预报框架图如下表2：3.3隧道地质预报实施方法3.3.1常规地质法隧道开挖爆破后通过地质素描手段，及时查看掌子面地质情况，修正设计阶段的地质信息，经工程地质类比预测隧道前方小于10m的地质状况并为其它超前地质预报方法提供基础资料。进行地质素描前，先搜集隧道前期的勘察设计地质资料，初步了解区域地质和附近大地构造单元及其特征，以及工程范围内的地层岩性、围岩类别、地下水发育特征等。地质素描，应在隧道作业每一开挖循环后立即进行，观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表地质素
5、描的具体内容主要包括以下几个方面：岩性应说明围岩岩石的名称、颜色、矿物成分、坚硬程度等，各类岩脉也应对其岩性、出露位置、宽度、接触关系、破碎、风化程度进行描述。构造开挖围岩受地质构造影响程度、延伸性、表面粗糙度、张开性、风化、破碎程度等进行描述，特别是岩体范围内出现的断层、节理、裂隙、软弱夹层等重点进行地质描述。断层应对其位置、产状、性质、破碎特性、宽度等一一观测和描述；节理裂隙，特别是贯通性节理的产状密度、延伸情况、节理面现状等也要仔细量测和统计。地下水围岩的含水状态、涌水部位、水量、水压、水温、水质等描述并长期跟踪调查是否受季节性影响，特别是大、暴雨后观察涌水部位涌水量有无增减以及该段地表
6、一定范围内是否有水源补给情况并作好记录。围岩变形破坏情况开挖段围岩发生坍方、掉块、岩爆等现象的位置、性质、形态、规模作详细记录，必要时附上工程处理措施。有条件时使用数码相机、摄影等工程地质数据采集和编录系统，做到图文并茂。不良地质体在被揭露之前往往表现一些明显或不明显前兆标志，预示着隧洞即将临近不良地质体，因此，仔细观察、描述开挖石渣、洞壁结构面及岩层形态、量测结构面及岩层特征参数，是正确进行超前地质预报的关键。一些不良地质体的前兆标志：断层破碎带：节理裂隙组数及密度剧增、岩石强度降低、出现压裂岩、破碎岩、岩石风化相对强烈、泥质含量增多等。突水、突泥：节理裂隙渗水量和组数增加、且常常含有泥质物
7、或浑浊（常规钻爆法的炮孔中的涌水量剧增、且夹有泥砂或碎石）等。岩爆：“饼”状开挖石渣的数量增加、洞壁在短时间内出现“饼”状脱落体或出现“片邦”现象，以及轻微的岩石崩裂声等，严重时洞壁出现飞石。3.3.2 TSP203超前地质预报系统TSP203系统在围岩较好的地段可测出前方100200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层破碎带、洞穴、隐伏含水体等；围岩完整性较差时，预测范围在50100m之间，需连续预报时前后两次应重叠10m以上。根据局项目部安排，此项物探方法委外，由合作方中南大学人员现场具体操作，各作业队积极配合。原理：通过小药量爆破所产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不
8、同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面处被反射，并被高精度的接收器接受。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，最终显示屏上显示各种围岩结构面与隧道轴线相交所呈现的角度及距掌子面的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。但仪器在作业过程中对环境的要求较高，若噪声过大则会影响采集数据的准确性。如下图1：探测方法：钻孔：在距离掌子面50m处钻深度为1.5m的孔，布置传感器；自掌子面起，每隔1.5m钻孔一个，钻孔深度为1.5m，最后一个孔与传感器的距离大于20m。所有钻孔的高度尽可能的在同一标高线上。钻孔完毕后，逐个测量孔的深度和倾斜度，并作好记录
9、。埋设传感器杆：埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚碴，放入环氧树脂药卷，插入传感器套杆，用钻带动其钻动，保证环氧树脂药卷充分搅拌。待传感器杆固定后，插入传感器，注意传感器方向朝向掌子面。连线检查：把传感器、检波器（电脑）、起爆器、同步器连接起来，并检查其是否正常工作，注意此时起爆器不得与雷管相连。测量时间：测量时间选在施工交接班时间，要求工作面800m范围内不得有机械作业和作业人员作业，作业前与现场施工员联系，以确定停工时间，此时准备好爆破药卷、电雷管等。装药爆破：由最里边炮孔开始，逐个依次装药联线，起爆器起爆，装药量根据围岩情况，一般控制在5080g左右，围岩较差时，可加大，但不能超过100g
10、。恢复施工：爆破一结束，马上可以恢复施工，一般停工时间在45min左右。成果分析：采用TSP203自带的软件分析系统，剔除一些明显的干扰波，软件自动分析，自动生成图表，反映前方围岩的物理特性，岩层分界线、软弱带、断层的位置等信息。3.3.3地质雷达当TSP203系统预报前方有溶洞、暗河水体、岩层层面等不良地质时，其规模、形态需要具体了解，就需用地质雷达进行探测。加拿大EKKO 100型地质雷达在前方岩石完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离小于10m。雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。根据局
11、项目部安排，此项物探方法委外，由合作方中南大学人员现场具体操作，各作业队积极配合。探测原理：发射机通过发射天线向隧道掌子面前方地层定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性（介电常数和电导率）差异的界面时即发生反射。从不同深度返回来的各个不同时间的反射波由设置在发射天线旁的接受天线接受，另外还最先接受到从发射天线经两天线所在介质的表面传播到接受天线的直达波，取其时间之半，乘以该介质的电磁波传播速度即代表反射目标的深度，再根据反射信息特征（反射强度、反射波组合特点以及横向、纵向变化等）判别反射目标的性质。探测方法：在开挖掌子面上，以上、中、下水平和左、中、右为骨架布置若干水平测线和竖线测线
12、向前方探测，每条测线可构成一条剖面，各条剖面上的综合地质信息即构成了前方一定范围内的空间地质构造形态。测线的密度可视所探测地段的围岩地质构造复杂程度和所要求的探测控制精度选定，围岩越复杂，要求的控制精度越高，则测线密度就越大，反之越小。根据探测资料，首先对各方面剖面进行综合分析，定性判定前方地质情况并定量确定有关异常体、条、带等位置、深度及其空间分布情况，再结合具体的地质条件（如断层、节理、裂隙与隧道走向的夹角和倾角及其对隧道围岩稳定性的影响程度）、地压因素（静压、动压和二次平衡压），详细划分和界定围岩类别，以便主动采取超前支护措施。地质雷达预测的有效长度在完整灰岩地段按25m，在岩溶发育地段
13、根据雷达波形判定，连续预报时前后两次重叠长度不小于5m。3.3.4地质钻探由于物理探测判释成果的多解性，需对重点怀疑地段，采用多种方法探测，进行综合判释，就需用一定数量的地质钻孔验证。钻探法是最直观、可靠的超前预报手段，通过对钻孔取样的分析，判断地层变化、岩性差异、地层含水量、隧底岩溶等不良地质情况。根据需预报距离（深度）的远近可采用不同型号的钻机，一般可探测前方（深度）3075m范围内的地质情况，连续预报时前后两循环钻孔应重叠58m。煤层超前探测钻孔按铁路瓦斯隧道技术规范(TB10120-2002)执行。另在施工中采用加深炮孔超前钻探，在每次开挖钻孔过程中，指定在拱顶、两侧拱腰、两侧边墙脚及
14、仰拱底部的12个辅助眼加深36m，依靠对钻进速度的变化以及钻孔地下水涌水状况、水压、水量、颜色、水质等预测前方围岩、地下水的变化。它具有设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短的特点，因此将加深炮孔在岩溶地段的钻探作为日常的预测、预报手段；充分利用隧道超前支护、初期支护体系中长管棚、超前小导管、超前锚杆、径向锚杆的钻孔作为探测隧道前方、环向四周围岩状况的辅助手段，依靠对钻孔速度变化的直觉以及钻孔地下水涌水状况、水压、水量、颜色、水质等预测前方围岩、地下水的变化。在综合地质超前预报中的各种方法中，TSP203作业快，测距长，干扰相对少，可以与多种预测法结合应用，但精度不高，解释难度大，适于
15、作长距离预测；地质雷达可以准确测定短距离内隧道四周和底部的空洞、水体情况，可补充TSP203系统的不足；地质钻探基本可以揭示地下水及围岩物理力学性能，但干扰大，用时长，费用高。而加长炮孔钻探设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，在岩溶地段效果较好。因此施工中应采取多种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证，确保地质预测、预报的准确性。3.3.5瓦斯隧道瓦斯监测和预报隧道瓦斯工区的探测作业可参考下图2形式，瓦斯探测孔可兼作超前探水孔，孔径一般采用108mm、孔深约2040m。当实测瓦斯压力大于1Mpa或单孔瓦斯涌出量大于5L/min时，在涌出孔附近增设钻孔数量，以释放瓦斯、天然气等
16、有害气体。瓦斯工区每班应用便携式瓦检仪或高浓度瓦检仪检查23次，每个断面检查5个点，即拱顶、两侧拱脚和两侧墙角个距坑道周边20cm处。在该5点处对坑道风流中瓦斯、二氧化碳及其它有害气体均应检查。隧道内瓦斯浓度限制值及超限处理措施如表4：表4序号地点限值超限处理措施1低瓦斯工区任意处0.5超限处20m范围内立即停工，查明原因，加强通风监测2局部瓦斯积聚（体积大于0.5m3）2.0附近20m停工，撤人，断电，进行处理，加强通风3开挖工作面风流中1.0停止电钻钻孔4煤层爆破后工作面风流1.0超限时应继续通风不得进入5局部通风机及电气开关20m范围内0.5超限时应停机并不得启动6钻孔排放瓦斯时回风流中
17、1.5超限时撤人，停电，调整风量7竣工后洞内任何处0.5超限时查明渗漏电，并向设计单位反映，增加运营通风设备检测地点及范围应符合下列要求：挖工作面风流、回风流中，爆破地点附近20m内的风流中及局部坍方冒顶处。坑道总回风的风流中局扇前后10m的风流中各种作业台车和机械附近20m内的风流中电动机及其开关附近20m内的风流中隧道洞室中，如变电所、水泵站、水仓等处煤线或接近地质破碎带处每个检测地点应设置明显的瓦斯记录牌。每次检查结果，应及时填写瓦斯及气体有害气体记录表（见附表）和记录牌上，并逐级上报。瓦斯检测人员必须执行瓦斯巡回检查制度。注意事项及其它：临时停工的地点不得停风。否则，必须切断电源，设置
18、栅栏和警标，恢复通风后，需瓦斯检测人员进行检测，达到允许浓度后，方可复工，否则施工人员不得进入。停工区内瓦斯或二氧化碳浓度达到3，必须在24h内封闭完毕。瓦斯探测孔各循环搭接长度不得小于5m。各种有害气体容许浓度按相关卫生标准办理。瓦斯工区作业框图见图号：武广隧参04含煤层瓦斯及其它有害气体辅助施工措施。其它说明未详尽处，按照铁路瓦斯隧道技术规范、煤矿安全规程和防治煤和瓦斯突出细则等规范、规定办理。4 超前地质预报分级管理4.1施工中把超前地质预报纳入施工工序，建立以地质工作为先导的信息化施工管理体系。根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，超前地质预报分为以下四级：A级：存在重大地质灾害隐患的
19、地段，如大型暗河系统，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带；可能诱发重大环境地质灾害的地段以及瓦斯、高地应力、人为坑洞、放射性、天然气等问题严重的地段；可能产生大型、特大型突水突泥地段，特殊地质地段，重大物探异常地段等。B级：中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂带等。C级：水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性较小。D级：非可溶岩地段，发生突水突泥的可能性极小。4.2各预报等级的预报方法和程序A级预报：采用地质分析法、TSP隧道地震波反射法、地质雷达、超前水平钻探等手段进行综合预报。首先以地质分析法进行长距离预
20、报，然后采用TSP、地质雷达等物探方法相结合进行预报，同时进行深孔水平钻探和加深爆破钻孔超前钻探探察。B级预报：采用地质分析法、TSP，辅以地质雷达，必要时进行超前水平钻探。当发现局部地段工程地质条件较复杂时，按A级要求实施。C级预报：以地质分析法为主。对重要的地质（层）界面、断层或物探异常地段可采用TSP进行探测，必要时采用超前水平钻探。D 级预报：采用地质分析法。4.3 本标段A、B、C级的地质预报以中南大学及各总队超前地质预报小组为核心，作业队地质预报人员参加； D级预报以作业队技术人员为主，成果报告报总队地质预报小组存档。5地质预测预报设备、仪器序号探测设备、数量、方法备注1地质罗盘仪
21、四台地质素描形成隧道地质基础资料2TSP203一台（委托中南大学）远距离探测断层破碎带、岩层分界面，3地质雷达一台（委托中南大学）近距离探测隧底、掌子面岩溶5地质钻机一台水平钻探断层、岩溶、瓦斯、重大物探异常段等6一台隧底钻探隧底岩溶、暗河、重大物探异常段等7瓦斯检测仪二台瓦斯浓度检测6人员及组织机构设置在局项目部的领导下，总队成立超前地质预测预报小组。组长：1人，组员：34人。各作业队设相应的超前地质预测预报人员，并在总队的领导下，按照职责分工、责任协调、归口管理各自负责管段内的隧道超前地质预测预报工作。7、安全措施TSP203现场采集数据使用灵敏度很高的高爆速炸药，危险性较大，应由专业爆破工操作；钻机使用高压风、高压水，管路应连接安设牢固，并应经常检查，防止管接头脱落、管路爆裂高压风水伤人；高压电路接线应由专业电工操作，一般人员不得操作；进洞应带好安全帽、穿防高压电的雨靴，注意操作空间上方、周围有无安全隐患，特别是掌子面附近是否有危石存在。若岩体中含有煤层瓦斯、天然气等易燃易爆物，应采用水循环钻，电机、照明设备、开关及其他机械设备应采用防爆型，且不得携带火源进洞。为便于控制超前钻孔揭露岩溶水时的水流及采取措施，孔口应安设孔口管和闸阀，防止水压将孔口管冲出伤人。钻孔时，钻机前方安设挡板，防止泥沙冲出伤人。