隧道地质超前预报施工作业指导书

隧道地质超前预报施工作业指导书

1、适用范围

本指导书适用于隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩、岩溶地段及隧道断层破碎带洞身段开挖施工。

2、作业准备

2.1  技术准备

隧道地质分级：根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度一般分为四级。

A   级：存在重大地质灾害的地段，如大型暗河系统：可溶岩与非可溶岩接触 带，大 ~ 特大型突水突泥地段：瓦斯灾害严重的地段以及人为坑道等。 B   级： 主要针对中 ~ 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，发生突水突泥的可能性较小。 D   级：非可溶岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性极小。

2.2  技术内业准备：

组建地质超前预报专业小组，认真学习实施性施工组织设计，阅读、审核施工图纸，掌握隧道工程地质情况，编制超前地质预报计划，采用先进科技手段进行超前地质探测预报。预报手段主要包括以下几种：地质超前探测 预报系统、地质雷达、红外线探测仪、超前地质钻孔、 TSP203 探测、风钻超长钻孔、地质素描等。

2.3  技术外业准备：根据隧道地质情况，采用不同的超前地质预报方法， 现场收集隧道地质情况的各种技术数据，进行分析、解译、对比后得出结论， 指导隧道施工。明确综合地质超前预报中各种方法的特点： 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，适于做长距离预测；地质雷达可以准确测定短距离内隧道四周和低部的 空洞、水体情况，可补充 TSP203 的不足；红外线探水仪适于判断地下水情况， 作业快，干扰少，较准确，但水量水压无法测定；超前水平钻孔基本可以 100% 的揭示地下水及围岩物理力学性能，但干扰大，用时长，费用高。在施工中， 根据各种方法的特点确定地质超前预报的原则是：以常规地质综合分析法为 基础， TSP 地质超前预报系统做长距离宏观控制，地质雷达做近距离判断， 红外线探水仪做连续地下水探测，水平钻孔为必做项目，形成综合地质超前预报系统。并组成专业预报小组，建立健全隧道地质超前预报工作制度，配 备先进的仪器设备，开展地质超前预报工作。

3、综合地质超前预报中各种方法的特点

综合地质超前预报中各种方法的特点：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，适于做长距 离预测；地质雷达可以准确测定短距离内隧道四周和低部的空洞、水体情况， 可补充 TSP203 的不足；红外线探水仪适于判断地下水情况，作业快，干扰少，较准确，但水量水压无法测定；超前水平钻孔基本可以 100% 的揭示地下水及围岩物理力学性能，但干扰大，用时长，费用高。在施工中，根据各种方法 的特点确定地质超前预报的原则是：以常规地质综合分析法为基础，TSP 地质超前预报系统做长距离宏观控制，地质雷达做近距离判断，红外线探水仪做连续地下水探测，水平钻孔为必做项目，形成综合地质超前预报系统。并组成专业预报小组，建立健全隧道地质超前预报工作制度，配备先进的仪器 设备，开展地质超前预报工作。工作程序见“综合超前预报系统程序图” ，

“超前地质预报方式工作范围及作业方式表”。

3.1  工程地质预测法

工程地质预测法是工程地质技术人员根据设计地质图纸、现场地质记录， 运用工程经验和地质知识进行分析、预报地质的一种方法。此法的关键在于 工程地质工程师的经验丰富和现场详细的地质纪录和物探资料。

施工前预报：根据设计给出的隧道地质条件说明资料，认真分析隧道的地质断面图、平面图，掌握隧道的地质特点和水文特点。进行长距离，宏观预报各段隧道可能出现的不良地质情况。

施工常规地质法预报：主要完成开挖面的地质素描，地质展开图，并利 用 TSP203 预报资料、雷达检测资料、红外线探水资料、超前钻孔资料进行地 质分析预报，是综合地质预报的中枢。

施工阶段地质资料记录：首先对开挖地段进行地质调查，调查的主要依据为：隧道开挖面地质素描、岩石结构面调查和涌水观测记录。

综合超前地质预报系统程序图

超前地质预报方式工作范围及作业方式表

开挖面地质素描内容有：

岩性、岩层产状、软弱夹层、岩脉穿插情况；断层及破碎带的形态、产状、宽度、填充物特征；主要节理裂隙的形态、产状、规模及相互切割关系。

岩石结构面调查内容有：围岩的岩石结构产状、节理的延伸性、粗糙起伏情况、张开程度。

地下水出露情况、水量大小等；岩溶的形态、大小、位置走向等；围岩节理内含水情况。

地质素描采用图表形式形象纪录。

施工阶段地质预测：根据开挖面地质素描、岩石结构面调查记录采用前推法预测前方地质情况，首先按 1:100 的比例做出开挖面前方一定长度的展 开图，逐一将开挖面地质素描和岩石结构面的记录资料，按其产状、节理轨 迹线绘制到展示图上，最后按其节理走向和轨迹延伸并结合 TSP203   的预报成果、地质雷达预报成果和超前钻孔的钻芯地质资料画出前方地质情况。

地下水地质预测：现场技术人员根据以往施工经验对地下水作如下经验性预报：

当隧道由弱可溶岩进入强可溶岩的边界部位时，可能发生涌水；

根据大突水点的涌水特征：一般有渗、滴水段→线状渗水段→集中涌水段高压喷水段，当隧道由渗、滴水段进入线状渗水段时，应作好出现集中涌水的准备；进行超前预报的施工防治能取得较好的效果；

钻孔内出现浑水，前方可能有涌水；若浑水能喷射 5m 以上，则前方可 能有大于 30～50L/s 的涌水存在；当超前钻孔能喷射 3.5m 以上，或涌水速 度大于7m/s，或风钻孔内有涌水速度大于 14m/s 的出水，则前方可能出现大 于 20L/s 的涌水存在；当地温测值出现比前一点低时，可能有涌水。

3.2  TSP203   超前地质预报系统

TSP203 系统在围岩较好地段可测出前方 100～200m 范围内的岩层分界 面、岩层的物理性质、断层等，围岩完整性较差时，预测范围在 100～150m 之 间。 TSP203 作业程序见下图。

钻孔：在距离工作面 50 米处钻深度为 1.5m 的孔，布置传感器；自工作面起，每隔 1.5m 钻孔一个，钻孔深度为1.5m ，共 24 个孔，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，并作好纪录。

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 800 米范围内不 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 50～80g 左右，围岩较差时，可加大，但不能超过 100g。

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。

在隧道施工中，TSP203 系统在断层破碎带、低阻区、岩石界面、不良地质地段范围内按每 100m 段进行预测。

3.3  红外线探水

HY-303 型红外线探水仪可预测掌子面前方 20～30 米范围内的地下水情况。

操作方法：进入探测地段时，首先沿隧道一个壁，以 5 米点距用粉笔或油漆标好探测顺序号，一直标到终点，或者标到掘进面处。在掘进面处，首 先对断面前方探测，在返回的路径上，每遇到一个顺序号，就站在隧道中央，分别用仪器的激光器打出红色光斑，使之落在左壁中线位置、顶部中线位置、右壁中线位置、底板中线位置，并扣动仪器扳机分别读取探测值，并作好纪 录。然后转入下一序号点，直至全部探完。

把探测数据输入计算机后，由专用软件绘成顶板探测曲线、底板探测曲线、两壁探测曲线。根据探测曲线可以很明了的预报出前方地下水的情况。红外线探水仪从探测到得出分析结果非常快，且探测仪器轻便，方法简单， 在断层地段，隧道全长每 20 米采用红外线探水仪探测一次，适当加密探测频次。

3.4  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，就需要用地质雷达进行探测。

本标段所有隧道在遇到溶洞时，使用地质雷达，在溶岩发育地段，对隧 道周壁均应采用地质雷达探测，预报隧道周围的岩溶形态。

3.5  超前钻孔预测

当 TSP203 系统预报前方有断层、空洞、岩层层理明显时，采用 MGY-80 和 MGY-100A 锚固钻机进行超前探孔、 XY-2 岩芯钻机取芯。

本标段隧道大都存在断层破碎带、岩溶分布，地质条件十分复杂。采用钻孔预测时采取以下方法：钻孔深度以 30m 为限，30m 以内出现异常情况时，按预定方案实施，钻孔出水，安装压力表及水表，测定地下水的压力和流量。

MGY-80 、 MGY-100A 钻机预测：30m 以内无异常情况时，继续钻孔，深 度为 50～100m ，无异常情况，按正常程序施工，出现异常按预案实施并测定水压和水量。 100m 以后的预测则由下一循环钻孔探测完成。 MGY 钻机参数为：最大钻孔深度： 100m ，开孔直径 110mm ；终孔直径为 65mm ；不取芯， 带冲击器钻 100 米约 24 小时。取芯 8 天。

地质钻机钻孔：在断层破碎带和地质预报前方复杂地段进行。

日常的钻孔预测：在每次钻孔过程中，指定在拱顶、两侧拱腰、两侧边 墙脚及仰拱底部附近的 1～2   个辅助眼加深 1～5m，依靠对钻孔速度变化的 直觉，判断前方围岩的变化。采用 YT-28 风钻。

4、施工方法及工艺要求

4.1  施工方法

根据隧道地质复杂的特点，本着以“早预报、早预防”的原则组织施工， 采用地质调查、 TSP-203 超前地质预报、钻孔超前探测、开挖面及其附近的地质观测素描和地质作用等综合手段，预测不良地质的位置、性质、规模和对

施工的影响程度。

针对部分隧道有断层破碎带、岩溶等不良地质和设计阶段地质勘测异常区，采用超前地质预测方法主要有：

地质素描法进行预报； TSP203 超前地质预报仪进行距离 100m～200m 的超前预报；采用地质雷达、红外探水仪、HSP 水平声波反射法和超前地质钻 孔进行距离在 30m～50m 的预报。

超前地质预报工作内容及方法分别见图“主要地质预报工作范围图”各不良地质段采取的地质预报方法

主要地质预报工作范围图

由于地质条件复杂，超前地质预报方法多样，为完成大量地质预报工作， 成立专职的地质组，由经验丰富的人员组成，配备先进的设备。

地质工作内容与方法

隧道的地质条件，超前地质工作按照长短结合、上下对照、定性与定量相结合的办法来保证预报的准确性。根据各种探测方法的特点，可分为长距离控制预报、中距离预报、短距离预报。

长距离宏观控制预报：在隧道穿过的岩溶地段、浅埋地段在洞身水平方

向上采用TSP203 超前地质预测预报系统进行距离 100～200m 的预报。

中距离预报：采用仪器（地质雷达、红外探测仪、水平声波反射法）和超前地质钻孔进行的距离在 30m～50m 的验证预报。

短距离预报：地质素描法和采用加长炮眼孔进行的距离小于30m 的预报。

4.2  工艺要求

4.2.1  TSP203   超前地质预报系统超前探测

隧道掘进过程中，每开挖 150m 通过TSP203 对开挖前进方向进行中长距离（100～200 米）预报，对一定规模的断层破碎带和岩溶带进行预报。

4.2.2  工作面超前地质钻孔探测预报

在隧道施工通过岩溶、断层破碎带段每开挖 30m，利用超前水平地质钻孔对开挖前进方向进行 30～50m 的钻探。

正洞除严格按照在可溶岩地段和断层破碎带以及可溶岩与非可溶岩过度接触带施做超前钻孔外，还应结合超前探测结果的异常段，按地质人员要求增设钻孔。

钻机钻孔时要固定牢固，并安设孔口管及高压闸阀，确保超前钻孔涌出高压地下水时，能够有效地控制。

在断层破碎带施工中运用开挖用的钻具进行长 5 米的超前钻孔，对洞身前方进行全方位空间探测，探孔成放射形布设。

4.2.3  利用工作面地质素描预报

地质素描在隧道施工全段进行。地质素描内容为：

根据对超前地质预报结果，综合分析开挖面围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，判断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并依此提出工程措施建议和进一步预报的方案。

根据开挖段围岩的工程地质、水文地质特征进行预报结果的验证，提出是否修改预报方法及参数的意见。

根据开挖段及开挖面水文地质情况，提出注浆止水方案的建议。

4.2.4  红外线探水探测

在隧道施工通过岩溶、岩溶水、断层破碎带可能发生涌水地段每开挖15～

30m，对开挖面前方施作一红外线探测技术，对地下水进行预报。

4.2.5  开挖后的周边探测

地质雷达除进行开挖面前方探测以外，在隧道已开挖过的可溶岩地带隧 底、断层破碎带洞壁 8～15m 范围进行连续探测，以发现可能的不良地质体，以便及时上报设计单位及时处理，免除后患。

4.2.6  其它预报内容和方法

在隧道采用 HSP 水平声波剖面法作为 TSP203 与红外线探测的异常地质体进行确认的必要补充。预报安排视围岩变化情况进行。地质雷达作为 TSP203 超前地质预报的补充，在不良地质地段对 TSP203 预报的异常点，用其他预报手段确定异常体的规模、性质、危害性有困难时采用地质雷达。

4.3  其它地质工作内容及方法

4.3.1  岩溶和断层破碎带形态调查

调查岩溶的形态、规模及其分布位置、高程、延伸方向、涌水量大小、充填物情况。

4.3.2  地表监测

依据提供的工程地质、水文地质图，暂定隧道中线两侧各 1.5 公里与居民生活、生产关系密切的泉水、井水等进行监测。监测内容主要为水量、水温、水压、水质的变化以及当地的气象与降水。

监测手段主要为测量、摄影、笔记等。

4.3.3  洞内监测

用数码摄像机将开挖后、没有支护以前的隧道侧壁进行摄像,通过编辑 , 制成具有里程标志的连续的影视资料，从而分析地层节理、裂隙的变化情况。

随着隧道施工进展，通过测试窗量测裂隙，即在洞壁画定一定面积，对节理进行统计，计算隧道围岩的渗透张量；尝试通过裂隙的统计预测岩溶通道出现的概率。

进行涌水动态的实时监测，包括涌水点的空间分布、单点涌水量、涌出 压力、涌出机制和涌水的化学与同位素化学特征等。以 10 天为单位进行长期 观测，根据地下水的动态变化，间接地判断工作面前方的地质情况是否变化， 尤其重点观察大涌水点和集中的出水点。

随隧道的施工进度，对隧道工作面气温及水温进行监测，编制进度气温、 水温变化曲线，预测前方地温变化。

通过岩石的物理力学特性试验数据，对隧道所揭露的地层，隧道围岩级别进行分析、判断。

当开挖面前方的自重应力，接近或等于岩爆临界应力值时，对前方围岩进行原位应力测试，做出岩爆评估。

4.4  地质信息收集与处理

超前地质预报建立一个地质信息系统，通过各种方法收集地质信息，进行综合分析、判断，并将处理结果反馈给施工。通过地质信息系统的及时、准确预报，为施工提供决策依据，及时调整施工方法和支护参数。

采用新的施工方法和支护参数后，有从施工过程中获取新的地质信息， 更新地质信息系统，经处理后，再一次反馈给施工，如此往复，形成地质信息系统化。

5、质量控制及检验

5.1  收集数据时，要排除外界干扰源对信号的干扰；

5.2  要将解译结果与开挖后实际地质情况比较，不断总结经验，提高解译 水平。

6、劳动组织

超前地质预报人员配备表

7、机械设备配置

超前地质预报主要设备配备表

8、材料要求

1）  预报仪器设备处于良好状态，无故障，无安全隐患。

2）  火工品在有效期内，材料规格、储存、运输和使用符合火工品相关 规定。

3）  钻孔设备性能良好，满足钻孔要求。

9、安全要求

9.1  隧道内做超前地质预报时，要清除掌子面危石，必要时可封闭掌子面；

9.2  地质预报作业区设立警戒标志，防止交通事故；

9.3  水平钻机钻孔探水时，要对是否探到地下水做出判断，如探到地下水不可轻易拔出钻杆，只有在明确水量不大时才可拔杆，且人员不可正对钻杆；

确保按规程操作设备，杜绝因操作失误发生设备安全事故。