隧道超前地质预报实施细则讲解
渭源至武都建设项目WWSY1 标
隧道测超前地质预报实施细则
1、编制依据
1）铁道部《铁路工程物理勘探规程》TB10013 —98；2）交通部《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）；3）交通部《公路隧道设计规范》（JTG
D70—2004）；4）交通部《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）；5）《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）；
6）《公路工程地质勘察规范》（JTJ064—98）；
7）水利部《水利水电工程物探规程》（SL326—2005）；
8）十天高速公路隧道工程施工图设计资料；
9）十天高速公路隧道工程地质勘察报告；
10）其它国家颁布、国家部门颁布、地方颁布的有关规范和规章。
2、工程概况
2.1 隧道概况烟坡里隧道位于甘肃省定西市漳县的油单沟与漳县三岔镇烟坡里村之间的厥头山西侧，隧道采用分离式，洞高7.5m；起
止桩号为ZK173+070~ZK176+910 YK173+073~YK176+905 ，左线隧道长3840m，洞顶最大埋深250m，右线隧道长3832m，洞顶最大埋深248m；隧道进口平面线型为直线，出口段为圆曲线，
左右线半径均为R-1400 ;左线纵面线型为1.38% （坡长637m）和-2.20% （坡长3195m）的人字坡。隧道进出口均采用削竹式洞门，设置10 处行人横洞、4 处行车横洞，左右线各设四处紧急停车带。隧道围岩以IV 、V 级为主，两端洞口段均为V 级围岩。2.2 隧道地质
2.2.1 地形地貌
本隧道段位于甘肃省的东南部，处于西北黄土高原边缘与西秦岭山地交汇过渡地带，总体地形北低南高，隧道所经地段地面高程：2084.5?2273.2m,相对最大高差188.7m，隧道进口段，自然坡度38~40°，坡面呈阶梯状的田地，以构造剥蚀低中山地貌为主，山地海拔较高，主峰顶呈棱状，山坡高峻，河谷狭窄，多呈V 字形。自白垩系以来，境内地层一直处于间歇性抬升之中，因此形成了多级不同时期、不同高程的剥夷面。
2.2.2 地层岩性
根据区域地质资料及本阶段地勘资料，本勘察区隶属于华北区的陕甘宁盆地分区东南部。隧址区主要出露第四系全新统① -1 耕植土（Q4pd）、第四系全新统冲洪积②-1粉质粘土（Q4al+pl）、第四系全新统崩滑堆积②-2碎石层（Q4del+c），下伏古近系④-3 层强风化砾岩（E）、白垩系上统民和组⑤ -1强风化泥质砂岩
（K2m ）及三叠系上统⑥-1强风化砂岩（T3）、⑥-2中风化砂岩
（T3）、⑥-4中风化灰岩（T3）、⑥-4中风化泥质灰岩（T3）和⑥-2中风化钙质砂（T3）。第四系中上更新统黄土（Q2-3）:黄褐色，中密-密实，土质较均，垂直节理少量发育，多分布于洞身段所在地的半山坡，覆盖厚度不大。
2.2.3 地质构造与地震
根据区域地质资料，勘察区内断层均属于干断裂之派生断层。隧址区有3 条断层，属于临潭-山阳区域断裂的次级断裂，受其影响隧址区岩体裂隙教发育，造成岩体教破碎。本区域现代构造运动呈现间歇性缓慢升降运动为主导特征，区内主要断裂第四纪时期的活动性都比较微弱，区域板块仍属于一个相对稳定地带。
3、隧道超前地质预报的目的为防止隧道掘进时未知不良地质体对施工人员、设备造成损失，保证施工进度和施工质量，要对施工掌子面前方进行的超前地质勘察、
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。所采用的主要手段为：地面地质预测、超前钻孔、地质雷达测试、地震波超前测试等。
1）预报可能出现突水的溶洞、暗河的位置和规模；
2）预报断层、破碎带的位置（包括裂隙发育地段）；
3）预报可能出现突泥、岩溶陷落柱的位置；
4）预报可能发生中型以上的塌方地段；
5）预报地下水富集的区域和地段；
6）预报可能发生岩爆、瓦斯或其他有害气体的地段和程度
4、隧道超前地质预报原理及所采用的工艺、工作方法4.1 隧道开挖面超前探测的主要内容
在隧道施工过程中，特别是在复杂地质条件下，为了防止在正常施工下避免工作面开挖出现不测事故（如出现断层、破碎带、采空区、溶洞、含水集水区、高应力地带以及其他不良地质现象等），可以采用地质雷达超前探测，以便了解隧道工作面前方的地质状况与水文地质条件，预测工作面前方的工程地质，做到有针对性的施工。使用地质雷达超前探测可以预测工作面前方以下一些内容：断层构造及断层破碎带。煤层、瓦斯、天然气、硫化氢气赋存条件及采空区状况。岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况。地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小。软弱围岩及不同类别围岩的界面。
其他不良地质情况。根据地质雷达超前探测可分析判断隧道工作面前方有无以上情况或现象存在，从而结合探测的结果，采取相应的技术措施，做到有针对性的施工。
4.2 探测原理地质雷达是采用甚高频—超高频电磁波检测地下介质的地质特征，
不同岩性分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁波技术。其探测原理是高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性差异及集合形态而变化。从各个不同深度返回的反射波与直达波被接收天线所接收，经过接收机放大、滤波等处理并经采样器数字化后输入微机进行处理，取反射波往返路程时间之半再乘以相应介质的电磁波传播速度便得出目标距离，再通过综合分析判断目标性质。因此，应用地质雷达可以探测隧道开挖工作面前方的地质和水文地质状况。
4.3 隧道地质超前预报的工作原理及方法
4.3.1 准备工作
应用地质雷达超前探测隧道开挖工作面前方的工程地质、水文地质以及煤层与瓦斯等情况的具体探测方法可根据以下原则设计。
1．探测方案设计
探测点位的布置原则
公路隧道掘进高度有8 一12m掘进宽度也在10 一15m左右，掘进断面积多在100 〃左右，施工时一般要求探测隧道开挖面前方及其周边（隧道顶部、底板及左右两端）10m范围内的地
质状况，含水情况以及煤层与瓦斯的赋存条件，因此，探测点位的设置应遵循以下布置原则：
（1）. 由于隧道开挖断面高度较大，因此探测时应在隧道断面内分设上、中、下三层探测线，每层测量多少以及测点位置与分布，应根据隧道宽度及地质构造的复杂程度确定。
（2）. 每一探测层间距和层内测点的距离，应根据开挖面岩性而定，一般
约在2 -4m 之间。
（3）.为了探测隧道周边10m范围内的地质情况，为此在靠
近隧道边缘的测点，除了探测正前方的岩性外，还应向外偏斜，而测点除了水平探测处还应上仰、下俯、向左偏斜和向右偏斜，
以便准确测定隧道前方及周边10m范围内的地质情况。
（4）. 在满足超前探测的前提下，为了节省探测时间、简化探测施工程序，应根据地质条件的复杂程度，调整探测点数和点位，在地质情况不太复杂的一般地段，可简化为7一9 个测点，
即上层测线段1 一3 个测点，中、下层各设3 个测点。地质情况简单时，上层只做中间的测点，两边的测点可省去；在地质情况较为复杂时，须加密布点探测。
根据以上原则，结合隧道工作面前方的具体情况以及探测目的与要求作出具体的探测设计，以便实施。
2.地质雷达超前探测的布置方式地质雷达的探测布置比较灵活，根据隧道工作面前方的地质条件，岩层的赋存状况以及施工现场的具体情况布置一些测点、测线或网格，在测线、网格上的点距可根据工程所要求的精度选定一般为2 一4m还可以根据具体情况和需要灵活改变。应用地质雷达可在隧道开挖工作面内的任意方向探测。对同一目标可以改变方位角、仰角、底角进行探测，总之以能达到隧道周围左右、上下10m范围内的探测为准。
3．操作方式在隧道内紧跟掘进工作面借助高空作业台车，搭设作业平台，根据现场实际情况，可分层布点，安置设备，为不使探测设备上下移动频繁，应先后依次进行上、中、下三个水平的探测工作。地质雷达探测操作可分为变参数探测和固定参数探测两种操作方式。在隧道工作面向前方探测时可以采用变参数探测或固定参数探测，为了便于应用波形法解释和使用横向衰减对比法解释，也可同时采用这两种
方式探测。
每次地质雷达现场探测完成后，为了及时反馈有关探测信息，为工程技术决策提供依据以便指导施工。探测资料经处理解释后于24h 内提交探测报告。报告中应主要包括有关探测隧道地质雷达超前探测成果表，隧道纵横剖面图各一张。成果表中的主要内容应有探测点位编号、里程、探测日期、探测点布置方位、方向及其描述，工程地质特征（围岩类别、有无溶洞、地下水、瓦斯、断层破碎带等及其危害程度），以及对探测中发现的问题提出处理措施与建议。\至于图件在一般情况下只提供隧道纵横剖面图各一张即可，但在地质构造复杂地段应适当增｝加，以便进一步精确控制地质构造的空间形态。
探测资料的地质解释须在认真分析现有地质资料和实际地质调查的基础与结合施工地质实际情况进行，探测报告要求结论明确、定性准确，同时也应有定量评估。
4.3.2 地质分析法介绍
目前隧道地质超前预报采用的地质分析法中，主要有断层参数预测法、地质体投射法、掌子面编录预测法等。
断层参数预测法，利用断层影响带内的特殊节理和其集中带有规律分布的特点，采用经过大量断层影响带系统编录得出的经验公式，预报隧道断层破碎的位置和规模。由于大多数不良地质
（溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等）与断层破碎有密切的关系，按地质学原理，依据断层破碎带推断不良地质体的位置和规模。
地质体投射法，在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测量不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体透射公式进行地质超前预报。
掌子面编录预测法，即地质素描法，包括岩层岩性和层位预测法、地质体延伸预测法。岩层岩性和层位预测法：在掌子面和隧洞两臂出路的岩层与地表某段岩层为同一和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预报掌子面前方出现的岩层。地质体延伸预测法：在长期超前预报得出的不良地质体厚度的基础上，依据掌子面已揭露的不良地质体的产状和单臂始见的位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方消失的位置。
433地震反射波法（TSP超前地质预报系统）
TSP（Tunnel Seismic Prediction ）是一种快速、有效、无损的反射地震探测技术，它是专为隧道超前地质预报设计的。其目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。
TSP和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理。地震波在指定震源点用小药量激发产生，震源点通常布置在隧道的左边墙或右边墙，一般24 个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面。地震波以球面波的形式在岩石中传播，当遇到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触
面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时，一部分地震信号将反射回来，一部分折射进入前方介质。反射地震信号将为高灵敏度的检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比，因此可确定界面的位置。
TSP系统的方法原理与观测系统布设图
TSP系统超前探测现场测试图
TSP方法特点：
①预报范围大，可从100m到200m；
②施工时间短，完成全部外业施工仅需2小时左右，可现场
处理资料提交成果，也仅需3-6小时；
③对施工基本无影响，可对全隧道开展；
④无须面对掌子面，对掌子面状况无要求；
⑤可提供岩石动力学参数，划分围岩级别；
⑥可确定地质体空间位置。
TSP超前地质预报系统的预测距离可达到200m,为提高预
测精度，本方案采用每100m?150m左右预测一次。
TSP系统超前探测空间示意图
434电磁波法(GPR--地质雷达)介绍
GPR (Ground Penetraing Radar )方法是一种用于确定地下
介质分布的电磁波法，类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率探测方法。该方法是通过天线向地下发射高频电磁波，电磁波在
地下传播，对于不同介质，由于电磁性质不同，传播特点不一样，当遇到存在电性差异介质的界面时，便发生反射，并返回为接收
天线接收。电磁波在介质中的传播时间与距离成正比，因此可计
算出界面位置，并可根据反射波的振幅、频率特征推测地质体的性质。溶洞、断层破碎带、含水带、结构面等都于周围岩石存在较大的电性差异，用GPF方法进行超前地质探测正是基于这一前提。
冷析钦件
地质雷达方法原理图
现场探测时，可在掌子面布设“井”字型测网。当区域构造走向与隧道轴线大致平行时，应在隧道侧壁布置一些测线。采用连续观测方式，用RADANHI专用软件对采集的数据进行处理。在资料处理的基础上，分析地质雷达图象，识别反射信号，确定电磁波在岩石介质中的传播速度、反射波的到达时间，计算反射界而的位置，通过分析反射波的振幅、频率，结合前期勘察资料推断地质体性质。
地质超前预报测线示意图
GPR^法是基于介质电磁性差异的咼频电磁波法，具有以下特点：
1.频率高，衰减快，探测距离短，10?50m为宜；
2.分辨率咼，可探测围岩内的软弱结构面；
3.对岩溶、富水带探测效果好；
4.施工方便、成本更低廉，对隧道施工无影响。
地质雷达的预测距离可达到50m,为提高预测精度，本方案采用每10m?35m 左右预测一次。
4.3.5 隧道地质超前预报其它方法和本项目隧道地质超前预报拟采用的方法
（1 ）. 隧道地质超前预报其它方法纵观国内外隧道地质超前预报采用的方法，除上面提到三种常用方法外，还有超前（平行）导坑（隧道）法、超前水平钻孔法、超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法等。
（2）. 本项目隧道地质超前预报拟采用的方法
为提高测试结果的可信程度，本项目拟采用地质分析法、地震反射波法和电磁波法相结合的综合预报方法。即首先在掌子面附近采用地震波法
（TSP203plus 增强型预报仪）预测掌子面前方100?150m 范围地层情况；再根据所探异常地质情况解读分析结果，确定采用电磁波法（SIR-3000 型地质雷达探测仪）详细探测掌子面前方20?50m 范围地层细部异常情况；在利用地质雷达详细探测掌子面前方20?50m 范围内的地层状况时，应采用线测和点测相结合的方式，测点的布设为测线的交点位置，并要求有丰富经验的地质工程
师应坚持观察开挖的掌子面，注意地表
结构、地层岩性、支护状况的变化，结合物探资料，做出高质量
的预报。几种测试方法对比见下表 1.1 O
种测试方法的测试内容表
436隧道地质预报工作流程
地质预报工作需要施工单位给予大力配合。TSP203plus在隧道后方侧墙上布孔进行，对施工无影响，时间需要约180分钟；
地质雷达预报在掌子面进行，需要时间约25分钟，可在出渣完
成后进行，对施工略有影响。预报工作流程见下图。
437隧道地质超前预报数据处理与成果应用
1.数据处理分析
(1). TSP203plusTSP超前地质探测的数据处理分析
TSP203plus超前地质探测结果通过TSPwin软件处理，可以获得P波、SH 波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的空间分布。利用TSPwin软件，按数据设置-
带通滤波-初至拾取―拾取处理-炮能量均衡f Q-估计-反射
波提取f P-S波分离-速度分析-深度偏移-提取反射层的步骤
进行数据处理。
TSP203plus系统处理成果的动力学特征解释遵循下述原则：
①. 正反射振幅表明岩层，负反射振幅表明软岩层；
②.若S波反射较P波强，则表明岩层含水；
③. 若P 波速度与S 波速度之比增加或泊松比突然增大，表明有流体存在；
④.若P波速度下降，则表明裂隙或者孔隙度增加。
(2).GPR (地质雷达)超前地质探测的数据处理分析
现场探测时，可在掌子面布设“井”字型测网，为了得到较好的观测效果，掌子面最好平整、直立。当区域构造走向与隧道轴线大致平行时，应在隧道侧壁布置一些测线。为了获得丰富的信息，应采用连续观测方式。用RADANIII 专用软件对采集的数据进行增益、滤波、反褶积、希尔伯特变换等处理，突出异常。在资料处理的基础上，分析地质雷达图象，识别反射信号，确定电磁波在岩石介质中的传播速度、反射波的到达时间，计算反射界面的位置，通过分析反射波的振幅、频率，结合前期勘察资料推断地质体的性质。
2. 成果应用
( 1) . 对照原勘察设计文件，复核隧道围岩设计级别。现今大多数隧道的支护参数设计任然是以工程经验类比为主，仅对处于软弱围岩地段的初期支护钢拱架、二次衬砌辅以必要的强度验算。围岩级别是工程类比设计施工的基础。原勘察设计文件的围岩级别仅是根据地表的物探工作及少量的钻探工作量的结果来划分，受勘探工作量、场地条件及工作方法的限制，设计阶段所划分的围岩级别往往与实际存在一定的差别，据此施工经济与安全难以保证。
通过在全隧道开展超前预报地质勘探工作，根据量测的P 波、S波速度，按照相关规范确定的围岩级别划分标准重新核定围岩级别，反馈设计。
（2）. 预报不稳定岩层、断层破碎带分布里程，避免盲目施
工
通过超前地质探测，预报不稳定岩层、断层破碎带分布里程，以便设计、施工及时变更施工方法，准备应急措施，避免盲目施工。
（3）. 预报富水带的分布里程，及时采取处理措施对溶洞、暗河的分
布、规模进行预报，避免因突泥、涌水危
及人员、设备安全的事故发生。
（4）.TSP203plus 系统超前地质探测成果根据数据处理输出的资料结合前期勘察资料、现场地质调绘
综合分析提交以下成果：
①. 软硬岩层分界面里程；
②. 是否存在断层，断层破碎带分布里程；
③. 富水带的分布里程；
④. 溶洞、暗河等不良地质体规模、分布里程；
⑤. 不同地质体的介质动力学参数。
绘制沿隧道轴线方向的工程地质、水文地质综合剖面图，并利用探测资料，按照《公路隧道设计规范》重新划分围岩级别。
（5）.GPR超前地质探测成果
根据数据处理输出的资料结合前期勘察资料、现场地质调绘综合分析提交以下成果：
①. 岩性分界面里程；
②. 是否存在断层，断层破碎带分布里程；
③. 富水带的分布里程；
④. 溶洞、暗河等不良地质体规模、分布里程；
⑤. 软弱结构面的分布绘制沿隧道轴线方向的工程地质、水文地质综合剖
面图。
（6）. 报告提交
为了确保预报工作的及时性、有效性，地质超前预报数据及地质预报快报在现场测绘完成后24 小时内上报招标人及监理，检测报告和分析意见在36 小时内上报招标人及监理，在每次预报结束后7 天内，提交完整的报告并对报告内容负责。
4.3.8 隧道地质超前预报拟投入的主要设备介绍
（1）.TSP203plus 超前地质探测设备
TSP203plus 增强型超前地质预报系统一套，TSP203plus 增强型超前地质预报设备由瑞士安伯格测量技术公司在TSP202和TSP203 成功经验基础上进一步研制的，具有卓越的特色。比较TSP202 和
TSP203，TSP203plus 增强型预报系统在硬件方面增加了操作安全性，突出的特点表现在软件方面：软件语言使用中/ 英文双语言；加强各处理模块的功能，提高了处理结果的可靠性和准确性。
我单位引进一台全新的TSP203plus 增强型超前地质预报系
TSP203plus超前地质探测设备表
仪器名称类型单位数量备注12道咼性能数据米集系统套 1 便携式笔记本电脑IBM 台 1 一体化免维护的pb电池（约6小时操作）副 1
坚固耐用的聚合物防水箱IP64保护（关箱时，IP67 ）只 1 极灵敏的三轴地震接收单元
（X, Y,Z三分量），总长2m （分
三部份，每部份长670mm
根 2 接受器套管清洁杆（配套）根 1 喷射润滑剂（进口）瓶 1
坚固耐用的聚合物防水箱IP64保护（关箱时，IP67 ）只 1
高精度钢管（插入三轴地震接受器单兀），长
2m
根 2
环氧树脂胶反应时间5分钟，每箱包装4个只 4 地震记录单兀的充电器输入电压230/110V AC（欧洲插口）只 1 Toughbook CF-28 PC 充电器输入电压230/110V AC（欧洲插口）只 1 爆炸机起爆器盒(标准1-3KV, 40-80 u F) 个 1 虚拟电阻器（用于测试爆炸起爆器）个 1
电缆线（连接三轴地震接收单兀和记录单
元），圈卷20m 卷 1
统，用于本项目的隧道超前预报工作，仪器新旧程度为100%
TSP203plus超前地质探测设备
（2）.GPR超前地质探测设备
地质雷达为美国GSSI公司生产的SIR-3000型彩显地质雷达
（100MHz天线），RADAIN处理软件，可及时进行数据处理。有效探测距离10?35m对探测结构面、软夹层、岩溶、含水性效果好。施工方便，对隧道施工没影响。
我单位目前拥有SIR-3000型彩显地质雷达3套，如果我单位中标能够保证2套地质雷达专用于本项目，确保超前预报工作的及时性。
GPR超前地质探测设备表
5、超前地质预报实施细则
现场地质超前预报与隧道施工作业易发生干扰，因此两者必
须紧密配合，相互支持，创造条件，提供方便，按预报计划认真组织实施。施工单位不应以任何理由中断地质超前预报，并防止
因抢工程进度忽视地质超前预报工作而危及施工安全。
5.1地震波法
（1）.准备工作
TSP203plus超前地质探测系统的预测距离可达到200m为提高预测精度，本方案采用每100?150 m左右预测一次。当采用TSP203plus进行超前地质预报时，首先做好以下准备工作：
①. 爆破钻孔
预报断层构造时，爆破钻孔应根据断层走向布置在与断层夹角较小一侧的隧道边墙上，预报岩溶则隧道两侧边墙都应布置爆破钻孔进行重复测量。
每一次预报的炮数应为24 个（特殊情况下至少18 个），炮间距
1.5m。炮眼高度为距隧底Im,所有炮眼与接收器的高度应相同。
炮眼孔深1.2?1.5m （孔深应尽量一致），向下倾斜10°?
20°，垂直于隧道轴向，或向前与掌子面成10°夹角。
钻孔完成后应注意保护，防止塌孔。
②. 装药及起爆准备装药及起爆准备应遵守《爆破安全规程》的规定，使用毫秒级无延迟电雷管；
炸药量应大于200m探测距离要求，一般50g左右，最多不大于75g。应保证炸药与炮孔严密耦合。
③. 接收器钻孔的布置
要求距掌子面约50m距第一个爆破孔16?18m
必须在隧道两壁各安置四个接收器，接收器安置高度与炮孔一致；
孔径42?45mm孔深2m,应根据采用的耦合材料确定接收孔上倾还是下倾（当采用环氧树脂进行耦合时，接受器孔应向上倾5°?10°；当采用水泥砂浆进行耦合时，接受器孔应向下倾5°?10°）。
④. 在传感器孔和爆破孔全部钻好后，由测量班提供每个孔的三维坐
标，同时用水平角度尺和钢尺测量每个孔的角度和深度，并记录下来。
⑤. 接收器套管的埋置与爆破孔装药接收器套管的埋置关系到接收器所收集的地震波信息的准确性。在传感器孔钻好后把环氧树脂药卷塞人孔中，然后用风枪将套管埋入孔中，环氧树脂凝固很快，5min 后即可凝结牢固。当所有的爆破孔钻好后，为防止塌孔，应立即在每个孔内装炸药，每孔装药量为