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1、第1节 超前地质预报1、隧道超前地质预测预报的主要内容隧道超前地质预测预报包括隧道所在地区地质分析与宏观地质预报、隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报和重大施工地质灾害临警预报。(1)、地区地质分析与宏观地质预报主要预报开挖面前方的围岩级别的稳定性，及时修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小的变化规律以及对环境地质与工程的影响。(2)、不良地质及灾害地质超前预报主要预报开挖面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。(3)、重大施
2、工地质灾害监警预报针对开挖面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。总的来讲，隧道超前地质预测预报主要针对以下方面开展：(1)、断层及其影响带和节理密集带的位置、规模和性质；(2)、软弱夹层（含煤层）的位置、规模极其性质；(3)、岩溶发育位置、性质及其规模；(4)、不同岩类间接触面位置；(5)、采空区、废弃巷道分布及其与隧道的空间关系；(6)、工程地质灾害可能发生的位置和规模判断；(7)、隧道围岩级别变化及分界位置确定；
3、(8)、不同风化程度岩体的分界；(9)、不良地质体的地质灾害发生可能性及程度(10)、隧道涌水位置、水压及水量判断。2、隧道施工期超前地质预测预报隧道施工期超前地质预测预报是一项系统性工作，应纳入施工工序。隧道施工期超前地质预测预报的主要方法有：地质分析法、超前平行导坑（隧道）预报法、超前水平钻孔法、波反射法（包括TSP法、地质雷达法、HSP法、地振反射法、陆地声纳法）、红外线探水。隧道施工期进行超前地质预测预报主要目的为：(1)、保证隧道施工安全，减少由于揭露发育不规律管道岩溶产生的大量突泥、涌水而带来的损失；(2)、为动态设计、施工提供必要的地质参数，如：地下水压力、水量、管道岩溶的大小、
4、方位及含煤地层的瓦斯参数、断层及泥化夹层的分布、岩体性状等；做好地质超前预报可以节省大量资金。通过超前预报，掌握前方地质、地下水状况，有针对性地采取施工防范措施，可以有效减少事故的发生，节约投资。(1)、地质分析法地质调查与推断是隧道地质超前预报最基本的方法，可以随时进行，不干扰施工。其他预报方法的解释应用，都是在地质资料分析判断基础上进行的。通过收集和分析地质资料、地表详细调查、隧道内地质编录、地质素描、数码照相、超前钻孔、涌水量预测等方法，了解隧道所处地段的地质条件，通过对比、论证、推断，预报隧道施工前方的工程地质、水文地质情况。地质分析法的应用离不开施工前的地表调查，施工前地表调查主要针
5、对以下几个方面开展：、调查地表水文地质状况，主要是地表水系（水库、泉井、溪流）的位置标高、补给来源、流向等内容；、调查断层的位置所在、产状与富水性；、调查岩层褶皱的基本形态类型和轴面产状；、调查溶洞和暗河的出入口位置，并分析其流径和隧道中心线的空间关系。根据设计资料和地表勘查报告，采用地面地质体投影法和断层参数预测法进行不良地质宏观预报。 施工期间，通过对洞内开挖面进行地质素描、涌水量动态变化的长期观测记录，掌握地下水初期涌水量、衰减涌水量和稳定涌水量的变化规律，综合分析地层、断层等构造以及基岩裂隙水的运动特点，查明地下水的补给、径流及排泄途径，预报未开挖段水文地质情况。对隧道开挖前涌水量的定
6、量预测，往往与隧道开挖实际涌水量有一定的差距，应进行对比分析，总结经验，提高预报水平。地质分析法隧道施工期超前地质预报是最早开展的，也是任何其它隧道施工期超前地质预报方法的基础。洞内涌水观测掌子面素描地表调查洞内地质调查趋势分析构造相关性分析水文地质预测预报地质分析法超前地质预测预报程序框图(2)、超前平行导坑预报法在隧道内或隧道附近开挖一平行的小断面导坑，对导坑施工揭露的地质情况进行地质编录、素描、作图，综合分析其地层岩性、地质构造、水文地质情况，根据地质理论预测相应段隧道的工程地质和水文地质条件，以及可能发生地质灾害的位置、性质、规模，并提出防治措施意见。超前平行导坑法最为直观，精确度很高
7、，属于直接揭示法。通过直观的地质情况，施工单位可提前了解主隧道开挖断面的地质情况，以便采取相应的工程防护措施。其缺点是成本高，对施工影响大。 横断面 纵断面TBM导坑超前隧道施工技术TBM导坑超前施工方法可以看作是超前导坑预报法的特例。TBM导坑超前隧道施工除起到超前地质预测预报作用外，还可起到其它的辅助施工作用，主要可归纳为以下几点：、围岩调查，地质预报；、排水通道，改善围岩条件；、对不稳定地段进行事前加固；、爆破扩大时，起到掏槽作用；、可作为施工中的风道。采用超前平行导坑进行隧道地质超前预测预报，应做好以下工作。、超前平行导坑施工所遇地质情况记录：包括边墙地质调查和掌子面地质素描；、必要的
8、测试试验（岩石、岩体声速测试和岩石强度试验等）；、地质作图。主要是平面展示隧道穿越地层分布及产状、岩性、构造分布及产状、不良地质体（带）分布、特殊地层分布及产状、洞内涌水及塌方点分布等；、按超前平行导坑与施工隧道的平面关系，根据超前平行导坑所遇到的水文、地质情况，通过计算、相关性分析，推测隧道将遇到的地质情况。当隧道所处地区受构造运动变动较小时，这种方法预测的准确性主要取决于平行导坑与主隧道的间距。(3)、超前水平钻孔法超前水平钻孔法是用钻探设备向开挖面前方钻探，直接揭示隧道开挖面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石
9、强度等定量指标，是超前地质预报中最直接的方法。适用于已经基本认定的主要不良地质区段，特别是在岩溶隧道的超前地质预报中应用较多。采用此方法不仅可以确定掌子面前方地质情况，而且可以起到探水的作用。在钻探工艺方面，超前水平钻孔的方向控制有一定的技术难度，且施工速度慢、费用较高、对施工干扰较大，通常只在隧道部分重点区段、作为其它超前地质预测预报方法的验证手段使用。根据钻孔长度的不同，又可分为长距离（80m）、中距离（4080m）、短距离（40m）三种；根据在钻孔过程中是否钻取岩芯，又分为取芯和不取芯两种形式。超前钻探的布孔数量，视不良地质的性质和可能发生施工地质灾害的严重程度来决定。对于较大的断层破碎
10、带，布置1孔至多23孔即可达到预报的目的；对于溶洞、暗河或岩溶淤泥带等可能突水区域，则以布置5孔为宜。布孔的位置主要依据其它超前地质预报（通常为TSP法、地质雷达法）的结论来确定。(4)、波反射法波反射法主要利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面（断层、软弱夹层等）距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期超前地质预报。也是物理探测法进行隧道超前地质预报的主要组成部分，应用较为广泛的几种波反射法主要包括TSP法、电磁波反射法（地质雷达法）、声波反射法（HSP）、地震反射法、陆地声纳法等。 、TSP（隧道地震勘探）法目前国内采用的地震
11、波探测仪主要是引进的TSP203超前地质预报系统，它利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性，来预测隧道掌子面前方及周围临近区域地质状况。采用TSP法进行超前地质预报，通常在隧道一侧的边墙部位，将一定数量（一般为24个）炮点按一定间距布置成一条直线，用少量炸药爆炸激发，爆炸产生的地震波信号沿隧道方向以球面波形式传播，地震波在不同岩层中传播速度不同，当遇到地质界面时，诸如：断层破碎带、溶洞、大的节理面等，一部分地震波将会反射回来，反射波经一段时间后到达传感器时被仪器接收，通过计算软件分析前方围岩软硬状况、界面位置、界面与隧道轴线相交角度及距掌子面的距离，初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参
12、数。通过专用分析软件得到反射波图像，经过对反射波特征的分析，结合区域地质资料、观测地质资料可以确定隧道前方及周边区域地质构造的位置和特征。TSP法隧道超前地质预报原理图实施TSP法超前地质预报应严格按规定布置震源和接收传感器钻孔，并保证质量，特别时孔距。TSP法的主要技术指标为：1)、探测距离一般为掌子面前方300500m；但有效预报距离一般为掌子面前方100m左右，操作人员水平较高时可预测150200m；2)、最高分辨率可达到1m地质体；3)、解译技术是TSP实现超前地质预报的最关键技术，也是难度最大的技术。预报精度、准确度与操作人员解译水平有关，对水平较高人员而言，对不良地质体位置预报精度
13、可达90、规模的预报精度可达85。TSP法超前地质预报能预报以下内容：1)、预报隧道掌子面前方断层破碎带、软岩、岩溶陷落柱等不良地质体的性质、位置和规模；2)、预报涌水量较大的富水地质体和废弃老窑、采空区等的存在、位置和规模；3)、预报煤系地层的边界和其中的煤层、富水砂岩；4)、粗略的预报围岩级别；5)、定性地预报发生塌方、突泥突水等施工灾害的危险性。、地质雷达法（电磁波反射法）地质雷达法是通过天线向前方发出电磁波，利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态和位置的电磁技术。电磁波通过天线发射，遇到不同阻抗界面（如断层、溶洞等）时，将产生反射，经天线接
14、收。接收机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的形式显示。它对断层、岩脉、含水带、岩溶洞穴等均有较好反映，探测距离一般为20米左右，且易受隧道洞内机械、管线的干扰。地质雷达法被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，在超前地质预报中主要是配合地震反射法（TSP法）使用。试验表明，采用地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好，在超前平行导坑中应用可对正洞起到超前地质预报的作用，、HSP（水平声波反射）法HSP(水平声波法反射)法是向岩体中辐射一定频率的声波，当声波传播路径中存在两种不同介质界面时，
15、声波将发生折射、反射，频谱特征发生变化，通过探测反射波信号，求得传播特征后，便可了解前方的岩体特征。HSP法是在隧道掌子面后两侧边墙脚按一定间距（13m）各布置一排浅孔（612个），孔深13m，下倾2040。一侧浅孔采用电火花源进行声波发射；另一侧浅孔中安设接收换能器，接收声波发射源发射经隧道底围岩传到的直达波和经隧道掌子面前方界面（断层、岩性分界面等）反射回来的声波信号。利用直达波速度和反射波走时计算确定隧道掌子面前方界面距掌子面的距离。HSP法主要对断层、岩层面、岩脉反映较好，可预报100m远。HSP法还有其他变通布置方式，视具体探测的难易程度而有所变化。探测工作在开挖工作面装炸药的同时进行，因而不占用开挖工作面的工作时间。上述布置方式由于其脱离了开挖工作面，对施工干扰小，而且将发射源及接收换能器置于浅孔中，因而有以下明显的优点：1)、便于使发射波位于直达波、面波延续相位之外，因而反射波不易受直达波、面波干扰，记录面貌清晰，提高了信噪比，同时反射波时域同相轴、频域频差“同相轴”明显；2)、记录的直达波、面波、侧面波皆呈双曲线形态，反射波形
