超前地质预报方案

新建晋豫鲁铁路通道ZNTJ-10标

范家山隧道超前地质预报

实 施 方 案

编 制： 熊 伟

审 核： 潘能武

审 批： 林三国

中铁五局晋豫鲁铁路通道ZNTJ-10标项目经理部隧道三队

2010年4月

目 录

1 编制依据 .................................................................................................................................................. 1 2 本隧道工程地质及水文地质条件 .......................................................................................................... 1 3 地质复杂程度分级 .................................................................................................................................. 2 4 实施超前地质预报的目的 ...................................................................................................................... 3 5 超前地质预报方法与技术 ...................................................................................................................... 3 5.1 不同地质复杂程度的预报方法及工艺流程 ...................................................................................... 3 5.2 TSP203PLUS超前预报 ......................................................................................................................... 5 5.2.1基本原理 ............................................................................................................................................. 5 5.2.2 观测系统布置 .................................................................................................................................... 6 5.2.3 现场测试要求 .................................................................................................................................... 8 5.2.4 数据采集控制 .................................................................................................................................... 8 5.2.5 资料整理要求 .................................................................................................................................... 9 5.2.6 成果的解释 ........................................................................................................................................ 9 5.3 地质雷达预报 ...................................................................................................................................... 10 5.3.1基本原理 ........................................................................................................................................... 10 5.3.2表面雷达测线布置 ............................................................................................................................ 11 5.3.3现场测试要求 .................................................................................................................................... 11 5.3.4资料整理要求 .................................................................................................................................... 11 5.4 红外线探测技术 .................................................................................................................................. 12 5.4.1基本原理 ........................................................................................................................................... 12 5.4.2现场测试要求 ................................................................................................................................... 12 5.4.3资料整理要求 ................................................................................................................................... 13 5.5 地质编录 .............................................................................................................................................. 13 5.6 超前钻探 .............................................................................................................................................. 13 5.6.1 技术要求 .......................................................................................................................................... 13 5.6.2 现场工作要求 .................................................................................................................................. 14 6 超前地质预报对隧道施工的影响估计 ................................................................................................ 14 7 超前地质预报工作量及工作时间安排 ................................................................................................ 15 8 超前地质预报组织机构设置及投入的人力、设备资源 .................................................................... 16 9 质量控制 ................................................................................................................................................ 16 10 安全措施 .............................................................................................................................................. 17 11 预报成果提交 ...................................................................................................................................... 18 12 其他需要说明的问题 .......................................................................................................................... 20

1 编制依据

1)《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设[2008]105号。 2）《晋豫鲁铁路通道建设“六位一体”管理文件（试行）》。 3)《铁路工程地质勘察规程》(GB50287-99)。 4)《铁路工程地质钻探规程》(TB10014-98)。 5)《爆破安全规程》(GB6722-2003)。 6)《工程测量规范》（GB 50026-2007）。 7)《铁路工程物理勘探规程》(TB10013-2004)。

8）现场踏勘地质调查所获得的工程地质、水文地质等调查资料。 9）指导性施组及相关文件。 10）范家山隧道施工图纸。

2 本隧道工程地质及水文地质条件

该隧道全长10190m，起止桩号为DK419+820～DK430+010，该隧道区地层岩性：表层为第四系上更新统砂质黄土，下伏基岩为三叠系下统和尚沟组砂岩夹泥层、刘家沟组砂岩夹泥层。隧道洞身发育有一F正断层，该断层为三叠系刘家沟组内发育的一正断层，断层与隧道洞身大角度相交于DK424+312m处，断层宽度约50m，断层走向为N26°E/80°S，断层上下盘岩性为砂岩夹泥层，上盘产状：N30°W/3°N，下盘产状：N50°W/4°S，由于受断层影响，该面砂岩、泥岩岩体较破碎，对隧道工程有一定的影响。隧道进口附近有沁河、出口附近有泗水河、洞身的半沟均有常年流水；河水水质较好，对钢筋混凝土结构和混凝土结构无侵蚀性。洞身地下水主要为基岩裂隙水。本地段没明显不良地质发育，特殊岩土主要为湿陷性黄土，隧道出口段发育有薄层第四系上更新统砂质黄土，具自重湿陷性，场地内省属于II级中等湿陷性场地。 表2-1 新建晋豫鲁铁路ZNTJ-10标范家山隧道超前地质预报地质调查分析表

桩号段 地层 岩性 地质情况说明 中低山区，通过地层主要为三叠系下统刘家沟组砂岩夹泥岩。砂岩：青灰色、灰白色为主，中粗结构，中厚层构造，IV级软岩，紫红色泥岩，薄层状构造，风化层厚约4~8m，岩层垂直节理发育，改组垂直节理的切割可能产生坍顶或掉块，估算正常涌水量868m3/d，最大涌水量1736m3/d； 风化 程度 围岩级别 隧洞埋深(m) DK419+820砂岩、~ DK421+450泥岩互层 （1630m） 强风化 IV~Ⅴ 0~160 - 1 -

DK421+450~ DK423+600（2150） 砂岩、泥岩 DK423+600~ DK426+000（2400） 砂岩、泥岩 DK426+000~ DK428+300（2300） 砂岩、泥岩 DK428+300~ DK430+010（1710） 砂岩、泥岩 中低山区，通过地层主要为三叠系下统刘家沟组砂岩夹泥岩。砂岩：青灰色、灰白色为主，中粗结构，中厚层构造，IV级软岩，紫红色泥岩，薄层状构造，风化层厚约4~8m，岩层垂直节理发育，改组垂直节理的切割可能产生坍顶或掉块，估算正常涌水量1225m3/d，最大涌水量4900m3/d； 中低山区，通过地层主要为三叠系下统刘家沟组砂岩夹泥岩。砂岩：青灰色、灰白色为主，中粗结构，中厚层构造，IV级软岩，紫红色泥岩，薄层状构造，风化层厚约4~8m，岩层垂直节理发育，改组垂直节理的切割可能产生坍顶或掉块，估算正常涌水量918m3/d，最大涌水量1836m3/d； 中低山区，通过地层主要为三叠系下统刘家沟组砂岩夹泥岩。砂岩：青灰色、灰白色为主，中粗结构，中厚层构造，IV级软岩，紫红色泥岩，薄层状构造，风化层厚约4~8m，岩层垂直节理发育，改组垂直节理的切割可能产生坍顶或掉块，估算正常涌水量918m3/d，最大涌水量1836m3/d； 中低山区，通过地层主要为三叠系下统刘家沟组砂岩夹泥岩。砂岩：青灰色、灰白色为主，中粗结构，中厚层构造，IV级软岩，紫红色泥岩，薄层状构造，风化层厚约4~8m，岩层垂直节理发育，改组垂直节理的切割可能产生坍顶或掉块，估算正常涌水量918m3/d，最大涌水量1836m3/d； 弱风化 III级为主 160~300 弱风化 III级为主 300~120 弱风化 III级为主 120~80 强风化 IV、V级 80~0 3 地质复杂程度分级

根据本隧道水文及工程地质条件及可能存在的风险因素，按《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设[2008]105号本，对应表2-1，将该隧道复杂程度分为“复杂”、 “中等”、“简单”三级，详见表3-1。

表3-1 地质复杂程度分级

桩号段 DK419+820 ~ DK419+875 DK419+875 ~ DK419+920 DK419+920 ~ DK424+200 DK424+200 ~ DK424+500 DK424+500 ~ DK429+900 DK429+900 ~ DK429+950 55m 25 m 4280m 300 m 5400m 50 m 复杂程度分级 复杂 中等 简单 复杂 简单 中等 - 2 -

预报重视程度 重点预报 加强预报 常规预报 常规预报 常规预报 加强预报 备注 DK429+950 ~ DK430+010 60 m 复杂 重点预报 4 实施超前地质预报的目的

通过超前地质预报工作，进一步查清本隧道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，及时掌握和反馈隧道地质条件信息，调整和优化隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案、控制工程变更设计提供依据。

根据本隧道工程及水文地质条件，在认真分析前期勘察资料的基础上，结合地表调查情况分析，该隧道地质情况复杂，断层、向斜等异常地质构造多，施工中可能遇含水断层，不同程度的渗、流水及涌水、垮塌等地质灾害，对该隧洞工程施工超前地质预报必须采取多种方法综合预报，查明隧洞掌子面前方存在的较大不良地质缺陷的规模、空间分布情况等，以便为施工、设计及时做出正确的处理预案，确保工程施工顺利完成，避免安全事故发生或造成人员伤亡事故。

5 超前地质预报方法与技术

本隧道属高风险隧道，超前预报工作要高度重视，必须开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿于施工全过程，必要时还要进行不良地质体详查，对该隧道工程施工超前预报主要即以地质分析为基础、物探方法为手段，宏观预报（地表调查）、中长距离预报（地震波反射法）、短期预报（表面地质雷达及红外线预报）相结合的综合预报体系。

（1）宏观预报。通过对该隧道的已有勘察资料以及地表调查情况分析，将预报等级划分为“常规预报”、“加强预报”、“重点预报”三个预报级别。确定预报难点、重点，编写预报方案，指导中期、短期超前预报顺利进行及物探手段的优化组合。

（2）中长距离预报。采用地震波反射法对掌子面前方100～150m处较大的构造及岩体质量进行初步预报。进一步提出预报的重点，为短距离预报提供指导。

（3）短距离预报。采用表面地质雷达及红外线探测技术对掌子面前方30m范围内的地质情况进行准确预报，指导施工。

5.1 不同地质复杂程度的预报方法及工艺流程

（1）常规预报

常规预报主要采取以地质分析为基础、物探方法为手段，宏观预报（地表调查、洞内地质素描及加深炮孔资料整理）、中长距离预报（地震波反射探测预报）相结合的

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预报体系。其预报流程图见下页图5.1-1‘常规预报工艺流程图’。

有异议决策部门无异议确定施工方案，进行施工信息反馈验证预报成果提出修正意见地震波反射探测预报宏观预报(研究既有资料，进行地表地质调查)洞内地质素描，加深炮孔资料整理提交预报成果 （2）加强预报

图5.1-1 常规预报工艺流程

加强预报主要采取以地质分析为基础、物探方法为手段，宏观预报（地表调查、洞内地质素描及加深炮孔资料整理地表调查）、中长距离预报（地震波反射探测预报）、短期预报（表面地质雷达及红外线预报）相结合的预报体系。其预报流程图见图5.1-2‘加强预报工艺流程图’。

信息反馈有异议提交预报成果决策部门无异议确定施工方案，进行施工验证预报成果提出修正意见表面雷达、红外线短距离预报（20～30m)地震反射波中长距离预报(0～150m）宏观预报(研究既有资料，进行地表地质调查，洞内地址素描、加深炮孔资料整理）5.1-2 加强预报工艺流程图 - 4 -

（3）重点预报

重点预报主要采取以地质分析为基础、物探方法为手段，宏观预报（地表调查、洞内地质素描及加深炮孔资料整理）、中长距离预报（地震波反射探测预报）、短期预报（表面地质雷达及红外线预报）、超前钻孔及辅以特殊方法预报相结合的综合预报体系。其预报流程图见图5.1-3‘重点预报工艺流程图’。

提交预报成果综合判析，确定异常形态、规模、性质，提出施工建议无异常异常至少增加两个超前钻孔，进行特殊方法预报表面雷达、红外线短距离预报（20～30m)一个超前钻孔，特殊方法预报（40～50m）中长距离预报(0～150m）宏观预报(研究既有资料，进行地表地质调查，洞内地址素描、加深炮孔资料整理）

有异议决策部门无异议确定施工方案，进行施工信息反馈验证预报成果提出修正意见图5.1-3 重点预报工艺流程图

5.2 TSP203plus超前预报

TSP作为一种地震波反射法中长期的预报，其预报范围一般界定为100～150m，其目的除了为短期预报提供指导意义外，还同时能够为施工单位制定一个相对长期的施工计划提供科学的依据。 5.2.1基本原理

由微爆破引发的地震信号分别沿不同的途径，以直达波和反射波的形式到达传感器，与直达波相比，反射波需要的传播时间较长，TSP系统由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算成地震波传播速度

VpX1T1 （5.2-1）

式中：X1——爆破孔到传感器的距离,T1——直达波的传播时间.

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在已知地震波的传播速度下，就可以通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接受传感器的距离，以及在隧道断面的距离，其理式为：

T2X2X3 （5.2-2） 2X2X1VPVP式中，T2——反射波传播时间；X2 ——爆破孔与反射界面的距离；X3——传感器与反射界面的距离。

地震反射波的振幅与反射界面的反射系数有关，在简单的情况下，当平面简谐波垂直入射到平面上时（如图5.2-1所示），其上的反射波振幅和透射波振幅分别为：

Ar2V21V1R （5.2-3） Ai2V21V1Al21V11R （5.2-4） Ai2V21V1其中，Ai—入射波振幅；Ar，Al—反射波和透射波振幅；V1，V2—反射界面两侧介质的速度；1，2—反射界面两侧介质的密度；R—界面的反射系数。

由图5.2-1可知，当入射波振幅Ai一定时，反射波振幅Ar与反射系数R成正比；而反射系数与反射界面两侧介质的波阻抗1有关，其主要由界面两侧介质的波阻抗差决定，波阻抗差的绝对值越大，则反射波振幅Ar就越大，当介质Ⅱ的波阻抗大于介质Ⅰ的波阻抗，即地震波从较为疏松的介质传播到较致密的介质时，反射系数R>0，此时，反射振幅和入射振幅的符号相同，反射波和入射波具有相同的极性；反之，如果地震波从较为致密的介质传播到较疏松的介质时，此时，反射系数R<0，则反射振幅和入射振幅的符号相反，因此反射波和入射波的极性相反，从而可清楚的判断地质体的变化。

ρ1ν1 ρ2ν2 Al

Ai

Ar Ⅰ Ⅱ 图5.2-1 地震波的垂直入射

5.2.2 观测系统布置

通过在掘进面后方一定距离内的钻孔中进行微型爆破来发射地震波信号，爆破的地震波在岩体中以球面波的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，当波在隧道前方遇到一界面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反

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射回来的信号也越强。TSP测量系统中使用了两对三分量高灵敏度传感器，高灵敏度传感器按放在特制金属管内放入钻孔中，分别以平行、垂直和径向隧道轴线的方向，能保证接收由各种不同角度反射回来的反射信号；使用两对水平和垂直布置的传感器还能有效地减小干扰信号的影响。对炮孔的数量、深度、间距、倾角、高度及传感器的安装都有严格的要求（图5.2-2）。

图5.2-2 TSP 测量工作断面图

隧洞TSP观测系统布置见图5.2-3。

隧洞每掘进100m预报一次，预报有效距离为100～150m，重复20～50m。每次预报时，在隧洞左、右壁各布置1个接收孔，在洞壁一侧布置21～24个爆破孔。接收孔距掌子面40～50m左右，距第一个爆破孔15～20m。爆破孔间距为1.5m呈直线分布。

20m隧道轴线TA55m1.5m炮孔S1S2S3S23S24接收孔2掌子面

接收孔上倾5～10°接收孔1接收孔上倾5～10°下倾10～20°下倾10～20°1m1m炮孔炮孔横截面（接收孔）- 7 -

横截面（炮孔）5.2-3 TSP203观测、接收系统平面示意图

5.2.3 现场测试要求

(1) TSP地质超前预报设备使用TSP203PLUS系统。 (2) 钻孔

在隧洞左、右壁各布置1个接收孔，在左或右壁布置21~24个爆破孔，采用风钻钻孔。接收孔：距掌子面40~50m，距第一个爆破孔15~20m，接收孔直径为φ38~50mm，孔深为1.9~2.0 m，向上倾斜约5~10°，孔口距洞底面约1.0m。爆破孔：第一个爆破孔距接收孔15~20m，其余爆破孔间距为1.5m呈直线分布，孔直径为φ38~45mm，孔深为1.5m，垂直于隧洞轴向，向下倾斜约10~20°，孔口距洞底面约1.0m。

当接收孔和爆破孔造孔完成后，立即插入孔径略小、长度稍长的PVC管，以保护钻孔防止堵孔，在埋设接收器或炸药时，再将PVC管取出。 (3) 接收器埋设

在现场测试至少12小时前，将特制的接收器套管插入孔内，并采用不收缩水泥或锚固剂进行孔内灌注使其与周围岩体粘合在一起，保持接收器套管与周围岩体良好耦合。在现场测试时，将接收传感器安装在特制套管内，连接电缆至TSP主机。 (4) 炸药埋设

将瞬发电雷管与炸药连接牢固，塞入爆破孔孔底，然后灌水封闭炮眼。电雷管的两根引线接出孔外与起爆线相连。每个炮眼根据围岩软硬、完整程度及距接收传感器位置的远近装入不同份量的一级岩石乳化炸药(10~200g)。 (5) 试验数据的采集

在放炮采集信号时，应停止周围300m范围内一切施工干扰，自第一炮眼(近接收传感器)激发地震波，记录仪将同时启动并记录地震波信号，分别记录左、右壁传感器的3个分量信号。自动存盘记录后，依此在其它炮眼激发地震波，直到最后一炮记录结束，完成野外试验数据的采集。有效激发孔数不少于20孔。 5.2.4 数据采集控制

数据控制一般在检查地震道显示的特征时进行。将光标（白色箭头）移至任何信号处，在上面的标题栏都会显示对应的直达波（纵波）传播时间。从接收器往掌子面方向依次放炮，距离（偏移距）递增，在测量记录过程中数据控制功能将对检查正确的炮点顺序十分有效。

为防止信号放大器输入的非线性或过载，第一炮的信号电平应该不超过5000mV，如果出现信号电平大于5000mV，炮孔炸药量应减少50%，如果没有过载，就可以继续进行测量记录。在后面的处理阶段，可以删除第一次记录的炮。由于TSP探测的效果很

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大程度上依赖于原始数据的质量，所以数据质量控制尤为重要，检查应在起爆及记录第一炮后执行，进行现场数据检查控制后，便可得到高质量的数据。

现场爆破作业必须严格遵照爆破作业有关规程，应由拥有爆破作业资格的专业炮工负责药包包扎与引爆作业，现场配备必要的爆破安全员以确保爆破安全。 5.2.5 资料整理要求

TSPwin地震数据处理程序主要有12个步骤（a、数据设置；b、带通滤波；c、初至拾取；d拾取处理；e、炮能量均衡；f、Q值估计；g、反射波提取；h、Q滤波；i、P波和S波分离；j、速度分析；k、深度偏移；l、反射层提取），执行这些子程序有的还需要输入相应参数，有些参数TSPwin可以自动提供。缺省参数分两类：第一类参数是根据采集的数据和相关的测定的几何参数自动计算出来的，此类参数根据系统自动分类并依据相应规则计算而得；第二类参数是建立在地震波基础理论之上并总结世界各地实际测量经验而来的，但由于在测量中不同岩层中波的相互作用，此类通用参数也不并一定合适。总之，在多数情况下，要得出最准确的TSP预报结果就必须对这些参数进行修改。 5.2.6 成果的解释

反射层提取后，反射层中主要反映探测范围内几何空间上的构造物理信息（包括反射强度和反射极性），TSP处理成果的解释应遵循下述准则：

(1) 反射振幅越强，说明反射系数越大，则弹性阻抗差越大。弹性阻抗是岩石密度与波

速的乘积；正的反射振幅表明正的反射系数，也就是坚硬岩石；负的反射振幅则表明是软弱岩石。对于同一个构造，进行纵波和横波反射振幅的比较是非常必要的； (2) 如果横波(S)反射比纵波(P)反射强，则表明在反射岩石中富含有盐水或饱和水； (3) Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常是由流体的存在而引起；

(4) 若纵波波速(Vp)下降，则表明裂隙度或孔隙度增加。岩体的动态特性不等同于静态

条件下测得的特性，一般来说岩体的静态特性小于岩体的动态特性，并且遵从下面的规律：岩体中包含的裂隙越多、岩石越软，则静态参数相对于动态参数就越低。 (5) 根据TSP预报结果，结合前期TSP预报成果及工程地质资料进行综合分析，判断

掌子面前方的地质状况，推测不良地质体性状及位置，分析地下水赋存情况和围岩完整程度，预测掌子面前方围岩类别。

(6) 每预报一次提交一期预报成果报告，报告内容主要包括：观测系统、岩石物理力学

参数、二维平面图、TSP深度偏移剖面图、反射层展示图、地质解释成果图以及预报结论与施工建议等。

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5.3 地质雷达预报

地质雷达预报距离一般在20～30m，它是预报技术体系中的攻坚力量。如果说地震波反射超前预报具有战略意义，而地质雷达超前预报则具有战术的特点。做好地质雷达超前预报对确保超前地质预报的准确率具有决定性的作用。 5.3.1基本原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar）是由雷达信号发生器产生频率相对稳定的电磁波，通过雷达主控制器对信号脉冲宽度、相位、衰减度、指数增益等一系列技术参数进行调谐调频，并进行信号样点数字化、信号叠加处理，然后由主控器通过信号高保真电缆和屏蔽天线将信号以一定的方向角向探测方向发射，电磁波遇到有电性差异的目的体后会发生反射，反射回来的电磁波被天线再次接收，并返回到雷达的信号接收处理器内，经处理后的雷达信号分两路传送：一路直接传送给雷达显示器，通过“四色原理”将雷达信号以彩色形式直接显示在视频显示器上，其显示速度与天线运行速度保持同步；另一路进入数据存储器中，内存将所有技术参数连同雷达信号资料进行保存，以便进行回放和更深入一步的处理。所有雷达的专业处理、反演解释软件均可安装在通用计算机上来完成，雷达主控器、内存可直接与通用计算机进行数据通讯，将雷达数据传到计算机机中进行更高级的处理和解释。如图5.3-1所示。

基岩目的体掌子面T1R1T4R4T7R70双程时间1234567点位(m) 电磁波遇到地下物体后的反射示意图探地雷达纪录的回波曲线

图5.3-1 地质雷达反射探测原理图

电磁波遇到不同电性反射界面后振幅和相位发生变化，介质电性差异大小决定了电磁波反射的振幅强弱程度和其相位的正负。岩石破碎程度及其含水量情况是影响其电性常数的主要因素，根据测量结果判定掌子面前方的围岩变化情况。

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5.3.2表面雷达测线布置

隧道每掘进20m探测一次，有效探测距离为20~30m，每次重复5~10m。采用100MHz天线，根据隧洞地质条件的复杂程度，剖面采用“一”字型、“十”字型或“井”字型布置（图5.3-2），同时还需对左右侧壁进行探测，测线长度应大于20m，且与前次表面雷达测线至少重合2m以上。若有必要，应在掌子面或侧壁不同高程增加布置雷达测线。

左壁壁雷达测线掌子面DK59+430DK59+450右

图5.3-2 雷达边墙上的“井”字形观测系统图

5.3.3现场测试要求

(1) 表面雷达预报宜使用先进的地质雷达，选用100MHz雷达天线，若有必要可使用其

他频率天线作为辅助探测手段。

(2) 仪器设备的信号增益控制具有指数增益功能，模数转换大于16bit，具有8次以上

信号叠加功能，连续测量时，扫描速率大于每秒128次。

(3) 通过试验选择合适的仪器参数，采样率宜选用天线中心频率的6倍～10倍。 (4) 支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作人员不应佩带金属物件。

(5) 测试过程中，天线应紧贴岩壁，水平测线高度基本一致，垂直测线应保持铅直。 (6) 现场采用连测时，应匀速缓慢移动天线，保证点距不大于20cm；采用点测时，点

距宜为20cm，采样时保持天线静止。 (7) 采用测量轮标注时，宜每5m校对一次。

(8) 现场测试时，应移走或尽量避开测线附近的机械设备与金属物体、导线等。 (9) 每次现场测试同时必须对隧洞掌子面及侧壁进行简要地质素描，了解隧洞掘进情

况，以有助于雷达图像的地质解释与前期雷达成果报告的比对分析与复核。 5.3.4资料整理要求

(1) 由于高频雷达信号衰减且容易受到干扰，现场采集的雷达数据必须使用专用雷达处

理软件，经频谱分析、滤波、增益恢复等一系列处理，提高雷达信号的信噪比，突

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出目标地质体信息，形成高质量的雷达图像。

(2) 根据雷达图像、同相轴及波形、能量、相位等特征，识别目标地质体，并选取合适

的岩体介电常数，计算目标地质体的位置、规模及大致产状。

(3) 结合地质资料、地震波反射探测成果及前期表面雷达追踪结果，判断目标地质体的

性质及地下水赋存情况。

(4) 若布置多条测线探测同一目标地质体，则应提取各雷达同相轴计算地质体的真实产

状。

(5) 根据隧洞掘进揭露的地质情况，与前期预报成果报告进行对比分析，评价预报质量。 (6) 每预报一次提交一期预报成果报告，报告内容主要包括：掌子面地质素描图、测线

布置图、雷达成果图、地质推断解释图、预报结论等。

5.4 红外线探测技术

5.4.1基本原理

地下岩体或水体由于分子振动，每时每刻都由内向外发射红外波段的电磁波，从而形成红外辐射场。地质体内的地质信息以场变化的形式传播出来。当隧道外围介质正常时，所探测的场为正常场，其物理意义在于隧道外围没有灾害源；当掘进断面前方或隧道外围任一空间存在含水构造时，含水构造自身产生的红外场就要产生叠加，使正常场产生畸变，探测曲线上的畸变段称作异常场，其物理意义在于隧道外围存在灾害源。灾害源是指隐蔽的含水体或含水构造，灾害场是指灾害实体所形成的红外辐射异常场。灾害源与灾害场是同时存在的，有灾害源必有灾害场，有灾害场也必有灾害源。对地下工程而言，灾害源即灾害实体是隐蔽的，肉眼无法触及，而与之对应的灾害场虽然也是隐蔽的，但可通过红外探测仪把它探测出来。由于灾害场在介质中传播的范围远远大于灾害实体，即“场”远远大于“源”，因而在安全距离之外，利用红外探测仪可提前发现灾害场，继而发现灾害源的存在，在施工中可提前采取防范措施，避免地质灾害的发生。 5.4.2现场测试要求

(1)由掘进断面向后方以5m点距，沿一侧边墙布置12个探测顺序号，以5m点距用粉笔或油漆标好探测顺序号；

(2)在掘进断面处，首先对断面前方探测，在返回的路径上，每遇到一个顺序号，对左、右边墙中线位置、拱顶中线位置、隧底中线位置进行一次探测，每有位置点的探测数据不应少于3个，并分别做好记录。然后转入下一序号点，直至全部探测完； (3)当遇到拱顶淋水、滴水或者边墙渗水、淌水时，不管是不是在点位上，只要是途中经过的，都要分别对上方的出水部位、下方的积水部位进探测。记录者应在相应备注

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栏内记清仪器读数值。对因施工造成的积水也要用仪器进行探测，并记在备注栏内； (4)对于同一测线，仪器至测点的距离必须要一致；

(5)当遇到软弱围岩或地层破碎时，初期支护或衬砌往往紧跟掘进断面，此时就不能直接探拱顶、隧底和边墙，而只能探掌子面。在掌子面上布置4条测线，每条测线设5个探点。分别进行探测并做好记录。 在正常掘进段，当探测了十几个断面后，根据探测数值可以总结出每1行2个读数的最大差值范围，以便掌握正常地段差值的变化范围。 5.4.3资料整理要求

(1)把探测数据输入计算机，绘制场强-里程曲线图。该曲线图是以直角坐标系给出的，其纵轴表示红外辐射场场强值，横轴表示隧道里程（桩号）；

(2)根据各条测线曲线的变化情况，结合地震波反射预报成果、地质雷达预报成果判断隧道开挖前方围岩情况；

(3)根据隧洞掘进揭露的地质情况，与前期预报成果报告进行对比分析，评价预报质量；

(4)每预报一次提交一期预报成果报告，报告内容主要包括：掌子面地质素描图、测线布置图、红外线探测曲线图、预报结论等；

5.5 地质素描

一般情况隧洞每掘进5~10m进行一次掌子面地质素描。

现场地质编录是针对新开挖掌子面及洞壁揭露的主要地质现象进行简要的素描与编录，包括地层岩性、断层、较大节理面、破碎带、地下水流量及位置、规模与产状等，以及掘进过程中遇到的主要地质现象与状况。

5.6 超前钻探

超前地质钻探是最直观、可靠的超前预报手段，是利用钻机在隧道掌子面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。

超前地质钻探主要采用冲击钻和回转取芯钻。一般地段采用冲击钻。冲击钻不能取芯，但可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地层含水量等。复杂地质地段采用回转取芯钻。 5.6.1 技术要求

1 孔数

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1）断层、节理密集带或其他破碎富水地层每循环可只钻一孔； 2）煤层瓦斯预报超前钻探孔数3～5孔。 2 孔深

钻探过程中应进行动态控制和管理，根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，以达到预报目的为原则，一般每循环可钻30～50m。

3 孔径

钻孔直径应满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求，并应符合铁道部现行《铁路工程地质钻探规程》（TB 10014）的规定。

4、超前钻探法应编制探测报告，内容包括工作概括、钻孔探测结果、钻孔柱状图必要时应附以钻孔布置图、代表性岩芯照片等。 5.6.2 现场工作要求

1、超前钻探过程中应在现场做好记录，包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、空深、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化、涌砂、空洞、振动、卡钻位置、突进里程、冲击器声音的变化等。

2、超前钻探过程中应及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石名称，对于断层带、溶洞填充物、煤层、代表性岩土等应拍摄照片备查，并选择代表性岩芯整理保存，重要工程钻探过程监理应进行旁站。

3、在富水地段进行超前钻探时必须采取防突措施；测站孔内水压时，需安装孔口管，接上高压球阀、连接件和压力表，压力表读数稳定一段时间后即可测得水压。

6 超前地质预报对隧道施工的影响估计

TSP预报：TSP预报不占用掌子面，测试前需进行测试孔造孔、传感器安装等准备工作，测试时选在掌子面清碴完成后进行，测试周期为隧洞每掘进100～120m进行一次。各工序所花费时间如表6-1。

表6-1 TSP超前预报各工序占用施工时间(参考)

项目 造孔 装药 传感器安装 测试 时间 5～8小时 30～45分钟 10～20分钟 30～45分钟 备注 可与隧道开挖同时进行 可与隧道开挖同时进行 可与隧道开挖同时进行 掌子面需要停工 - 14 -

其他 30分钟 视情况定 表面雷达测试：测试时一般都选在掌子面装炸药前或出碴后。（1）当测线为 “一”字型时，测试时间为10～15分钟，当剖面为“十”字型或“井”字型时，现场需要施工台架或施工台车配合，测试时间为30～45分钟。

红外线预报：工作时间较短，每次测试时间为10-15分钟，对施工影响较小。测试周期为隧洞每掘进15～20m进行一次。

超前钻孔：超前钻孔一般是在常规预报发现前方存在不良地质缺陷且常规预报不能探明不良地质缺陷的规模时进行，该方法占用时间较长，各工序占用时间如6-3。

表6-3 超前钻孔各工序占用施工时间(参考)

项目 准备工作 仪器安装 钻孔 收工 时间 2～3小时 30～60分钟 2～4m/h 30分钟 备注 部分可与隧道开挖同时进行 掌子面需要停工 掌子面需要停工 掌子面需要停工 各种方法现场工作时间见表6-4。

表6-4 不同测试方法所用时间对比(参考)

序号 1 2 3 5 方法 地震波反射探测 表面雷达 红外线 超前钻孔 停工时间 30～60分钟 10～15分钟 30～45分钟 10～20分钟 15～25小时 备注 “一”型测试时 “十”型或“井”型测试时 孔深40m 7 超前地质预报工作量及工作时间安排

表7-1 范家山隧道超前地质预报工作量及时间按排表

工作内容 收集、熟悉前期勘察资料 3个工作日 地表地质调查 掌子面地质编录 地震波反射法预报 14.5km2 工作量 完成时间 2009年9月15日前 2009年9月25日前 按施工进度跟进 按施工进度跟进 备注 每5m进行一次(2910次) 每掘进100m做一次(约146次) - 15 -

红外线预报 超前探孔 地质雷达预报 2075m，每20m一次，共计104次 根据施工情况调整 视情况定 视情况定 根据施工情况调整 根据施工情况调整 8 超前地质预报组织机构设置及投入的人力、设备资源

为确保预报工作的顺利完成，结合工程的实际情况，在考虑预报人员组合时注重多专业结合，设备投入时更注重多种方法的综合应用，预报人员、设备投入详见表8-1、表8-2。

表8-1 预报人员组织结构（外委）

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 岗位 项目经理 总工程师 项目副经理 预报工程师 资料分析工程师 资料分析工程师 现场测试辅助 现场辅助工作 专业 工程物探 工程物探 工程地质 工程物探 工程地质 工程物探 物探技术 汽车驾驶 职称 高级 高级 中级 中级 高级 中级 中级工 B照 人数 1 1 2 2 1 1 2 1 职责 项目管理 技术管理 现场项目管理、资料分析 超前预报 资料处理解释 资料处理解释 现场辅助工作 交通运输 表8-2 超前预报仪器设备

分类 常规 预报 特殊方法预报 设备名称 地震波反射法预报系统 红外线探测仪 雷达主机 井中雷达探头 交通车 通用仪器设备 计算机 打印机 单位 套 套 套 支 台 台 台 数量 1 2 1 1 1 3 3 型号 TSP203 ThermoProTM TP8 SIR-20 井中300、100MHz 9 质量控制

为确保预报成果的精度达到合同要求，为施工提供具有参考价值的预报资料，工作中严格按照《铁路工程物理勘探规程》(TB10013-2004)及本单位的质量保证体系开展工作（图9-1），加强仪器的维护和保养，在外业工作中，保证仪器设备运行正常、重复观测精度合格，及时组织人员依次对野外方法、仪器日检记录、原始资料等进行检查，并

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确定合格后，进入下道工序。为进一步准确分析和解释物探测试资料，地质工作人员要勤到洞内，及时收集第一手资料，根据所揭露的地质现象，结合前期勘察资料，并通过已挖洞段预报结果与开挖实际情况对比分析，最后对掌子面前方预报资料进行合理的解释，确保预报成果的真实性和准确性。

技术保证质量保证体系

思想教育保证组织保证制度保证施工保证建立质量监测流程加强思想文化教育提高质量意识坚持质量第一仪器日检经理负责总体质量总工负责总体技术预报组负责现场测试、数据处理、资料解释、成果报告编写贵阳院质量保证体系《贵广铁路超前地质预报技术工作大纲》的有关规定贵广铁路指挥部的相关质量管理办法钻孔资料现场校对仪器现场检测数据现场检测 仪器校检现场数据检测 数据转储检测成果图件及报告校审图9-1 质量保证体系

每期预报成果资料按编写、校核、审查把关，最终竣工报告按编写、校核、审查、核定、批准顺序层层严格控制。

10 安全措施

牢固树立“质量第一、安全第一”思想，在注重质量、安全意识教育的同时，制定了较为完善的现场安全防范措施和事故应急预案，测试人员进出施工作业区时，随时注意各工作面的施工情况，加强安全监视，作业时，严格按相关工种规程规范对安全方面的要求进行作业，注意文明施工。安全流程图见10-1

1、超前地质预报人员应认真学习、执行隧道施工安全规程，超前水平钻探人员还应认真学习、执行钻探安全技术操作规程。新技术人员和工人（含临时工）上岗前，必须经过安全生产教育，具有安全生产的基本知识，并应在班长或技术熟练人员的指导下工作。

2、进入隧道工作必须穿戴合体的工作服（油气、瓦斯隧道必须穿戴纯棉工作服）、

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防高压电的雨靴、安全帽和防尘口罩等防护用品。

3 、地质预报工作必须在现场进行完凿顶作业后进行，开始工作前应观察操作空间上方、周围有无安全隐患，特别是钻探掌子面附近是否还有危石存在，确保预报人员的安全。

4、严禁上班前和工作中饮酒。

5、高空作业要求平台架一定要牢固，平台周围设置防护栏，人员在钻架上作业时应系安全带。凡患有高血压、心脏病等不适应登高作业不得上架作业。

6、若岩体中含有煤层瓦斯、石油天然气等易燃易爆物，应采用水循环钻，且勿干钻，电机、照明设备、开关及其他机械设备也应采用防爆型，且不得携带烟火进洞，严格按照《铁路瓦斯隧道技术规范》、《煤矿安全规程》执行。

7、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，但孔口管必须安设牢固，防止水压将孔口管冲出伤人。

8、地震波反射法现场采集数据使用灵敏度很高的高爆速炸药，危险性较大，炸药和雷管必须由持有爆破证的专人领用，应由专业爆破工操作，非专业人员严禁从事爆破作。

思想教育保证组织保证制度保证施工保证安全保证体系提高全员安全意识严格执行安全规则树立安全为了生产、生产必须安全意识经理负责总体安全测试组负责现场安全分包安全责任制度建立奖惩制度严格执行法规严格执行安全生产标准严格 执行院及指挥部的相关安全管理办法图10-1 安全质量保证体系

11 预报成果提交

成果资料可分为期报、阶段性总结报告及竣工成果报告等形式。及时提交成果资料

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是指导隧洞开挖的有力保证，对预报成果及时进行分析总结有利于不断提高预报水平，使预报资料更加真实可靠，防止预外事故发生。

1、预报成果提交方式与进度

（1）地震波反射法探测、红外探水或表面雷达预报一次提交一期预报报告，预报报告一式5份(暂定)，并同时提交与文字内容一致的电子文档。

（2）地震波反射预报：在现场测试完成后48小时内提交。

（3）表面雷达、红外探水：属于正常预报，应在24小内提交预报成果；属于警报应在12小时内提交预报成果；属于紧急警报应在6小内提交预报成果，后两种情况应同步电话通知中铁五局（集团）有限公司晋豫鲁铁路工程指挥部工程部及其现场相关项目部。

（4）孔内雷达：属于正常预报，应在36小内提交预报成果；属于警报应在12小时内提交预报成果；属于紧急警报应在6小内提交预报成果，后两种情况应同步电话通知中铁五局（集团）有限公司晋豫鲁铁路工程指挥部工程部及其现场相关项目部。

（5）其它预报成果必须是外业工作结束后在最短时间内完成。 2、预报报告提交方式与进度

阶段性汇总报告提交方式与进度：每季度进行一次总结，提交时间在下一季度初。当每完成一个阶段的地质预报，特别是取得重大预报成果时，及时分析与总结，并提交阶段性成果报告。

每年度1月20日前(暂定)，或隧洞地质超前预报完成后20天内，提交8份(暂定)阶段汇总报告，并同时提交与文字内容一致的电子文档。

3、竣工验收报告提交方式与进度

本合同项目全部预报工作完成后30天内，提交18份(暂定)竣工地质超前预报报告，本标段工作全部完成后，竣工报告做到能反映预报资料系统整理的全过程，内容全面，条理清楚，文字简洁，论据充分，结论明确。并同时提交与上述内容一致的电子文档。

成果报告主要送中铁五局（集团）有限公司晋豫鲁铁路工程指挥部工程部收，然后由其转送晋豫鲁公司、监理或其它有关部门。信息传递方式主要采用电话、网络、晋豫鲁公司信息平台和直接送达。

对资料及文件的收发有专人负责，建立收发文制度，作好来往文件分类归档管理，并建立电子目录清单。

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12 其他需要说明的问题

本超前地预报方案主要是根据对前期勘察资料分析，结合地表地质调查情况分析的基础上而编制，所采用的方法、手段和预报时间按排等，视隧洞实际开挖情况会及时进行调整，该方案按有关程序进行报批后实施，并作为正式工程文件资料归档。

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