地质超前预报指导书概要

地质超前预报指导书

一、适用条件及目的

超前地质预测、预报是隧道信息化施工的重要组成部分，也是隧道施工中一道重要的施工工序。超前地质预测、预报的目的是采用各种地质分析、物探、超前钻探等手段在隧道施工当中探明前方围岩地质情况，并根据前方地质、水文条件的变化及时调整施工方法和采取相应的技术措施，降低地质灾害发生的机率，从而指导工程施工的顺利进行，同时也为设计变更提拱地质依据，为编制竣工文件提供地质资料。

二、超前地质预报的内容

针对本段隧道工程的特点和施工技术要求，隧道施工期地质预测、预报应包括以下内容：

1）断层及断层影响带的位置、规模及其性质。

2）软弱夹层的位置、规模及其性质。

3）岩溶的位置、规模及其性质。

4）不同岩性、围岩级别变化界面的位置。

5）工程地质灾害可能发生的位置和规模。

6）含水构造的位置、规模及其性质。

7）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。

8）煤系地层采空区与隧道的位置关系。

重点是隧道突水涌泥可能性的探测和分析判释，隧底基础溶洞的探测等。

三、地质预测预报工作的原则和要求

1、超前地质预测、预报是隧道信息化施工的重要组成部分，施工阶段应将超前地质预测、预报纳入施工工序进行组织管理。

2、质预测预报坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探相结合、地质方法与物探方法相结合、多种物探方法相结合、（辅助导坑与主洞探测相结合），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。

3、超前地质预报的结果应体现出及时性，有异常情况时应及时通知决策部门和施工单位，及时采取措施，使不良地质体始终处于可控状态；在预报前方地质情况正常的情况下，亦应将预报结果及时通知决策部门和施工单位，使其安排正常施工工序，组织正常施工生产。

4、地质预报结论应有书面报告，并及时交由决策部门和施工单位，对所有预报资料应存档备查。

5、施工过程中应将实际开挖的地质情况与预报结果进行对比分析，及时总结经验教训，以指导和改进地质预报工作。超前地质预报技术是一门正在发展中的技术，随着科学技术的进步，将逐步得到提高和完善。超前地质预报管理工作也需要在实践中不断提高。

6、隧道超前地质预测预报应根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，分级进行，并按不同级别确定相应的方法和手段。

1）根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，分为以下四级：

A级：存在重大地质灾害隐患的地段，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，特殊地质地段，重大物探异常地段，可能产生大型、特大型突水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯、天然气问题严重的地段以及人为坑洞等。

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。

2）不同地质灾害地段的预报方式为：

A级预报：采用地质分析法、TSP隧道地震波反射法、HSP声波反射法、地质雷达、红外探测、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测预报，然后采用中长距离TSP或HSP和一种或几种短距离物探方法相结合进行预报，同时进行多孔超前钻探探查。

B级预报：采用地质分析法、TSP或HSP，辅以红外探测、地质雷达，进行必要的超前水平钻孔。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，必要时采用红外探测和超前水平钻孔。

D 级预报：采用地质分析法。

7、地质复杂隧道的超前地质预报应编制实施细则，内容包括超前地质预报实施方案、分段预报内容、方法及技术要点，并编制气象、重要泉点、暗河流量等观测计划和观测技术要求。

四、地质预报工作流程

地质预报工作流程见下“超前地质预报工作流程图”。

五、地质预报的方法和手段

1、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下表：

2、适用范围

1）长距离预报主要采用地质分析法，根据地面测绘和其它基础资料对隧道通过区的地质界线、地层岩性、地质构造、围岩级别、储水构造、富水规模、岩溶发育规律及特征、其它不良地质及特殊地质发育情况进行长距离、宏观预测预报，预报距离一般在掌子面前方200m以上，并根据揭示的情况进行不断的修正。

2）中长距离预报是在长距离预报的基础上采用TSP、HSP、地质雷达、深孔水平钻探等对掌子面前方30～200m范围内的地质情况作进一步的预报，如对不良地质体的位置、规模、性质作较为详细的预报，粗略的预报围岩级别和地下水情况等。

3）短距离预报是在中长距离预报的基础上采用掌子面素描、红外探测、地质雷达和超前钻孔等方法进行预报，比如掌子面前方30m范围内有无水、在哪个方位有水、掌子面处地层岩性、地质构造及不良地质发育情况等，对以上判断可能有突泥、突水和其它有害地质情况的地段进行钻孔验证。

3、隧道地质超前预报实施方法

1）地质分析法，包括地质素描法、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析法、地质作图法等。地质素描包括正洞、平导和辅助导坑洞壁及掌子面素描，具体内容主要包括以下几个方面：

（1）工程地质

○1地层岩性，包括地层时代、岩性、岩体产状等；

○2断层，包括断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分，并进行断层带岩体的稳定性评价；

○3节理，包括节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特征、力学性质，分析组合特征、判断岩体完整程度；

○4地应力，包括高地应力显示性标志及其发生部位，如岩爆、软弱夹层挤出、探孔饼状岩心等现象；

○5特殊地层，煤层、沥青层、含膏盐层和含黄铁矿层应单独描述；

○6塌方，应记录塌方部位、方式与规模及其随时间的变化特征，并分析产生塌方的地质原因。

（2）水文地质

○1出水点位置、出水状态、水量、水压、水温、颜色、泥砂含量测定，必要时进行长期观测；

○2水质分析，判定水对建筑材料的腐蚀性；

○3出水点和地层岩性、构造、岩溶、暗河等的关系分析；

○4必要时进行地表相关气象、水文观测，判断洞内涌水与地表径流、降雨的关系；

○5必要时应建立涌突水点地质档案。

（3）岩溶

包括岩溶规模、形态、位置、所属地层和构造部位，充填物成分、状态，以及岩溶展布的空间关系。

（4）摄像和影像

隧道内重要的和具代表性的地质现象应进行摄像或录像。

2）物探方法，包括TSP隧道地震波反射法、HSP声波反射法、地质雷达法、红外探测等。

（1）TSP203超前地质预报系统

TSP(Tunnel Seismic Prediction)是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，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方法探测距离远，对大多数岩层，从隧道掘进面起算，其探测范围可以达到前方100米，硬岩层甚至可达200米，最适合长期（长距离）超前地质预报。

TSP203现场数据采集包括打接收器孔和爆破孔、埋置接收器管、连接接收信号仪器及爆破接收信号过程等工作。

TSP203系统在围岩较好的地段可测出前方100～200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层破碎带、洞穴、隐伏含水体等；围岩完整性较差时，预测范围在50～100m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。

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，获得反映隧道工作面前方的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二维或三维空间分布。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

探测方法：

①爆破孔布置：TSP203超前地质预报系统洞内布置的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上，一般情况下，它是由两个接收器孔和24个爆坡孔组成。接收器距掌子面约55m,在隧道两侧对称布置，最后一个爆破孔距掌子面约0.5m。爆破孔间距1.5m，孔深1.5m，孔径35~38mm，孔口距隧底约1.0m，向下倾斜10°~20°，接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.0m，孔径43~45mm，孔口距隧底1.0m，向下倾斜5°~10°。

②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。

③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。

④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。

⑤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10～40g左右。

⑥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。

因此，通过TSP超前地质预报，能够及时地了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时合理地调整支护参数提供依据，有效地控制了地质灾害的发生，确保支撑隧道的岩石牢固可靠和施工质量，改善工地的安全，赢得了施工时间，降低成本，提高隧道掘进的进度，将风险降低到最小。

（2）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pulseEkkO100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。根据局项目部安排，此项物探方法委外。

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、右为骨架布置若干水平测线和竖线测线向前方探测，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。

水平测

线

垂直测

线

图4.4.6-1地质雷达测线布

置图

（3）HSP水平声波剖面法

该方法是将声波发射源（电火花源）和接收换能器分别置入两边墙底部1.5m浅孔中，水耦合，按相错斜交对射的方式进行声波反射探测，

这种方法在开挖面后一定距离的隧倒两边墙底部分别打若干孔，孔深（1.0-3.0m）,孔间距视探测大小按1.0-3.0m布置,探测时采用电火花源为发射源,主机采用工程声波探测仪。

（4）红外线探水法

采用 HY－303防爆红外线探测仪进行超前防水预测预报，红外探水见图4.4.6-2所示。

R1 R2

图6.4-5 隧道HSP反射探测示意图

图4.4.6-2 红外探水仪示意图

HY－303防爆红外线探测仪的主要应用范围：

了解掘进前方10－30米范围内是否存在含水断层和溶洞、是否存在含水破碎带。每作一次防水超前探测预报需15分钟。向隧道上方探测掘进时未见到的含水构造。

向隧道下方探测了解底板下方是否存在空洞、是否存在含水岩溶构造、承压水是否以潜在形势向上运移。

向两壁外侧探测了解两壁外侧是否存在隐伏水体、是否存在与隧道走向成小角度斜交的断层、是否存在溶洞。

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。

隧道施工进程中应用HY-303型防爆型红外线探侧仪对前方30m 范围内进行含水层的定性探测。探测方式为:

○1掌子面上3X3网格上九个点温度或热辐射数据。

○2掘进后面掌子面方向靠近掌子面50m内左边墙、拱部、右边墙红外辐射场数据曲线，也称为背景趋势曲线。

判别标准：根据经验，一般是利用掌子面上探测数据两点间最大读数差值，参考背景趋势曲线，来判断前方含水可能性。考虑到由于标准方差是刻划随机变量在其中心位置散布程度的数字特征，其反映了偏离均值的偏离量。结合温度场模拟计算和资料分析，根据实地多次探测数据，分别计算其两点间最大读数差值和以下标准方差，在详细分析和统计实际观测出水资料的基础上，选取红外线探测含水安全值判别标准3）钻探方法

钻探法是最直观、可靠的超前预报手段，对来自物探或其他方法认为重点怀疑地段，采用钻孔探测，通过对钻孔取岩芯，并利用岩芯作式样进行试验的分析，钻空钻速测试根据钻机在岩石中的钻进速度和岩石特性之间的关系来判断，判断地层变化、岩性差异、地层含水量等信息，根据需要预报的距离远近可采用不同型号的钻机（或取芯、或配合钻孔窥视仪、或根据钻进的速度变化和出水量进行地质分析）。

（1）钻孔布置:一般在施工面布置2~3个超前钻孔，位置位于断面上半部中间。

（2）钻孔方法:水平超前钻孔平行于隧洞轴线。当隧洞某一侧地质条件十分恶劣或有预灌浆要求时，钻孔方位可以有适当偏角。按物探方法预报提供的不良地质里

程位置，在距不良地质10~30m处，停止开挖，在开挖面进行钻孔，钻孔直径φ75mm，钻孔长度为穿过不良地质，必要时并取蕊。钻孔终孔点须在隧道开挖轮廓线外不大于5~7m。其钻孔方向，其钻孔的水平角、倾角以及钻孔在开挖面上的位置须按平面、剖面坐标进行计算，并按设计推算可能见不良地质点位置。

钻探应符合下列规定：

○1钻探口径和钻具规格应符合现行国家标准的规定。

○2成孔口径应满足取样、测试和钻进工艺的要求。

○3应严格控制非连续取芯钻进的回次进尺，使围岩分界精度符合要求。

○4岩芯钻探的岩芯采取率，对完整和较完整岩体不应低于80％，较破碎和破碎岩体不应低于65％；对需重点查明的部位（滑动带、软弱夹层等）应采用双层岩芯管连续取芯。

○5当需确定岩石质量指标RQD时，应采用75mm口径（N型）双层岩芯管和金刚石钻头。

○6对富水隧道应及时探明地下水的储量及分布，探水的方法主要采用钻探法，另辅以电法、红外线法等。

（3）钻孔长度:根据现有机具和钻孔经验，钻孔深度取30-75m。

（4）对水平钻探的要求是：（1）钻速快；（2）钻探深度大，以减少钻机的装卸和搬运时间；但同时在施工中要控制实际钻孔深度，避免如重力、弯曲和破碎岩层中的卡钻等；（3）钻孔弯曲小，尽量不要超出隧洞的开挖范围；（4）钻孔时应选择技术熟练，责任心强的司机、司钻工操作。

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。

六、预报工作技术要求

1、地质素描，随开挖进行，一般地段10～20m 素描一次，复杂地段每循环进行一次，包括掌子面、左右边墙、拱顶及隧底。

2、超前水平钻孔，需要时施做，一般每循环10～30m ；断层、节理密集带或其它破碎富水地层每循环可只钻一孔；岩溶发育区每循环3～5个孔，当钻到溶洞时可适当增加，以满足溶洞处理所需资料为原则，钻孔应终孔于隧道开挖轮廓线以外5～10m ，孔口按计算应安设一定长度的孔口管；连续预报时前后两循环钻孔应重叠5～8m ；煤层超前探测钻孔按《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120—2002）执行。

探孔布置示意图

3、TSP 每次预报有效长度A 级地段100m 左右，B 、C 级地段150m 左右，需连续预报时前后两次应重叠10m 以上。

4、地质雷达在完整灰岩地段有效探测长度应在25m 以上，在岩溶发育地段根据雷达波形判定，连续预报时前后两次重叠长度在5m 左右。

5、HSP 每次预报有效长度应在50m 左右，连续预报时前后两次重叠长度应大于10m 。

6、红外探测每次预报有效探测距离约为30m ，连续预报时前后两次重叠长度应大于5m 。

七、 预报资料编制

1、地质分析法，应编制资料：

每个断面设五个超前探水孔，进行超前地质预报和探测， 现场施做时可根据围岩情况进行增减和调整位置。探孔隧道中线

探孔探孔探孔探孔

1）掌子面素描图

2）隧道与导坑地质展示图

3）导坑预报正洞平面图

4）地层分界线及构造线隧道内和地表相关性分析预报图

5）特殊地段纵、横断面图

6）各种监测和测试资料

7）有关摄影和影像资料

8）隧道竣工工程地质纵断面图

2、 TSP隧道地震波反射法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、分析处理波形图、频谱图、深度偏移剖面图、二维成果显示图及岩体物理力学参数表。

3、HSP声波反射法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、原始记录波形图、经过处理用于解释的波形曲线。

4、地质雷达法预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、测线布置图（表）、探测剖面图、采集及解释参数。

5、红外探测预报应编制探测报告，内容包括探测工作概况、地质解译结果、掌子面探测数据图、左右边墙及拱顶三条测线的探测曲线图。

6、超前水平钻探预报应编制探测报告，内容包括工作概况、钻孔探测结果、钻孔综合柱状图。

7、综合分析探测报告及灾害警报，内容包括工作概况、采用的各种预报手段及预报结果、相互印证情况、综合分析预报结论、灾害警报、施工方法和施工技术建议。

8、超前地质预报工作应编制周报、月报、年报。

八、地质预测预报设备、仪器

九、人员及组织机构设置

在局项目部的领导下，我总队成立以总工程师为组长，相关部门负责人、各作业队技术负责人为组员的超前地质预测预报小组

组长：陈文龙

副组长：胡平、欧阳峰

组员：曾仲清、付怀全、谢光明、董登峰、廖昌林、袁招兵

各隧道施工队成立相应的超前地质预测预报小组，并在经理部的领导下，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。

十、安全措施

1、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；

2、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；

3、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。

4、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。

5、钻孔时，钻机前方安设挡板，防止泥沙冲出伤人。