1、渝 利 鐵 路隧道超前地質預報方案中國中鐵二院工程集團有限責任公司二 00 九年三月渝 利 鐵 路隧道超前地質預報方案中國中鐵二院工程集團有限責任公司二 00 九年三月一、前言在公路、鐵路的隧道施工中，由于隧道地質情況復雜，常常阻礙隧道施工進程，甚至造成人員傷亡。大多數工程項目任務重、工期緊，特長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行，在隧道施工中開展超前地質預報工作十分必要。傳統的超前地質預報一般采用超前鉆探， 但是，超前鉆探的費用很高，而且還會延誤工期。 目前，無損地球物理探測技術廣泛應用在隧道施工的超前地質預報過程中。該方法預報時間短、精度高、效果好，并且，對隧道施工
2、不會有干擾（或者僅有輕微干擾） 。因此，我們承諾將在施工隧道超前地質預報工作中， 采用先進的儀器設備（即： TSP203 超前地質預報系統）和選派具有隧道超前地質預報豐富經驗的技術人員投入該項工作中， 以嚴謹認真的態度開展工作， 對資料分析做到物探成果與地質資料相符合， 提交的成果資料具有客觀性、 準確性和科學性， 及時指出隧道掌子面前方存在的不良地質狀況， 正確指導隧道的安全施工。二、隧道施工超前地質預報的目的 進一步查清因前期地質勘察工作的局限而難以探查的、 隱伏的重大地質問題， 預報施工隧道掌子面前方的不良地質災害， 進而正確指導隧道工程的安全施工。 通過動力學參數（動態彈性摸量、剪切摸
3、量、泊松比、密度、彈性縱波速度、彈性橫波速度等）進行綜合評估，有利于及時預報隧道掌子面前方 100150米及周圍 10 米范圍內以下影響隧道施工質量和安全的不良（或特殊）地質問題，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）節理裂隙發育帶； 4）含水情況； 5）巖溶洞穴； 6）圍巖類別（僅供施工參考） ；三、隧道地質超前預報實施方案1、TSP203超前地質預報方法為主控方法，地質雷達方法和水平鉆探為輔助預報方法。2、通過 TSP203超前地質預報后， 發現掌子面前方存在重大地質災害隱患的地段（如大型暗河、軟弱、破碎、富水、導水性良好的地層和大型突水突泥地段）時，
4、經施工單位、監理、TSP203 超前地質預報三方確認需要采用地質雷達方法或水平鉆探對TSP203超前地質預報進行驗證或詳查時， 則開展地質雷達方法或水平鉆探對掌子面前方 530 米內進行驗證或詳查。3、隧道進洞 55 米后便開始進行TSP203超前地質預報工作。4、為保證超前地質預報的準確性， 按隧道掌子面每掘進100150米（由圍巖的完整性確定）作一次超前地質預報。5、采用 TSP203超前地質預報系統作預報時， 現場工作布置如下：（1）接收器鉆孔布置方法：接收器鉆孔數量： 2 個，隧道左、右壁各一個。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
5、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）爆破鉆孔布置方法：爆破鉆孔數量：在隧道左或右壁面布置24 個（根據巖層走向確定在左或右），根據實際情況可以選擇18-24 個。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：第一個鉆孔離接收器約20 米，其余炮眼間距 1.5 米（最遠 2 米）。四、預報方法及原理 TSP203超前地質預報方法 TSP203系統TSP 是 Tunnel Seismic
6、 Predication ahead的英文縮寫。TSP203系統是由瑞士 Amberg測量技術有限公司專門為隧道施工期間探測掌子面前方不良地質體而研發的一套設備。由于該方法具有探測距離遠，不占用隧道施工掌子面，探測效果好等優點，現已被廣泛應用于隧道開挖的全過程。TSP203系統由以下三部分組成：1、接收單元2、記錄單元3、附件箱TSP203系統組成 TSP203系統預報原理TSP-203 超前地質預報系統采用的地震負視速度反射波法的基本原理（見下圖）。隧道接收點L1激法點面界射反0163248TM(m)直達波10VPt1(x)20A(XA,TA)30t11(x)-VPD40TB(ms)反射波面
7、R子掌TM（ m）: 接收點位置；TB(ms): 縱波傳播時間；XA：反射界面正交點的位置；TA：直達波與反射波交點的傳播時間。負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行微型爆破激發彈性波，在隧道壁左右兩側上同時安裝一對接收器接收從掌子面前方反射回來的彈性波信息，通過對這些彈性波信息進行處理、計算和綜合分析，獲得掌子面前方的詳細地質情況。爆破剖面的位置選擇主要取決于巖層結構的主導方位，由于巖層結構的準確產狀有時是未知的，但在隧道壁左右兩側上安裝一對接收器可以提供多方位信息，因此，使用一個爆破剖面和兩個接收器也是出于經濟目的考
8、慮。但對地質狀況非常復雜的情況，建議使用兩壁爆破剖面測量。這樣布置的好處是可將所獲得的多方位信息進行綜合分析，并可加以對比和相互校證。TSP203系統的現場采集方式如下圖。TSP203 系統現場采集布置圖 信息處理和解釋TSP系統采用彈性波（地震波）回聲測量原理來對掌子面前方的不良地質體進行探測（見下圖） 。TSP203系統的彈性波傳播示意圖地震波的激發采用人工震源， 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行爆破產生地震波， 所產生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播。 一部分波會直接傳到地震波接收器 （直達波），另一部分波會向前傳播進入掌子面前方的圍巖中，當前方圍巖中存在波阻抗
9、有差異的地方，則一部分波會被反射回來（反射波） ，另一部分繼續向前傳播， 波將依次傳遞下去。 人工所激發的地震波被接收器所接收到并被記錄下來， 形成地震波記錄。 隨著傳播距離的增加和球面半徑的擴大，直到能量足夠小不能被儀器所接收到為止。通過對地震波記錄進行一系列的運算后， 可以得到掌子面前方圍巖的速度掃描圖、深度偏移圖和二維、三維成果圖。根據這些資料綜合分析，便可對掌子面前方的圍巖進行地質預報。 應用該方法可以探測隧道掌子面前方約 120 米及隧道洞身周圍 10 米范圍內的地質情況，可以探測斷層及影響帶、節理裂隙密集帶、巖溶等不良地質體。 地質雷達方法 SIR3000 系統SIR3000 系統
10、由采集單元和天線單元組成（見下圖）采集單元天線單元 SIR3000 系統預報原理地質雷達法勘探是一種高分辨率探測技術，八十年代以來由于電子技術與數字處理技術飛速發展，在公路路面、路基與路基缺陷、隧道襯砌質量的無損檢測、 隧道超前地質預報等多個領域得到了廣泛應用。地質雷達檢測原理示意圖地質雷達（ GPR）依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖在介質中的傳播路徑波形隨所通過的介質的介電性質、幾何形態而變化，根據接收到反射波的旅行時間、幅值、頻率、波形變化資料，可推斷地質目的體的內部結構和幾何形態。 由于地質雷達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
11、、準確率。當電磁波到達兩種不同介質性質的分界面時， 由于上下介質的電磁特性不同會發生反射與折射。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） 。電磁波在介質分界面的折射和反射 信息處理和解釋電磁波在介質界面的折射和反射特征由折射系數T 和反射系數 R表示，對于非磁性介質，當電磁波垂直入射（=0）時，可以用下式表示：式中： 1 、2 分別為上下介質的介電常數。由上式可知， 對于非磁性介質， 電磁波的反射特性僅與介質的介電常數有關。在隧道掌子面前方的不良地質體與正常圍巖之間的介電常數有明顯的差異，它們之間能形成良好的電磁波反射界面。因此，電磁波碰到目標物或不同介質之間的界面而被反射回來， 根據電磁波的雙程走時的長短差別和波形畸變， 確定隧道掌子面前方的不良地質體的形態、屬性及位置， 結合工程地質理論分析達到對隧道掌子面前方的不良地質體的探測與判定。
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