浅谈地下工程施工超前地质预测预报

施工超前地质预测预报超前地质预测预报的目的超前地质预测预报的内容地质预测预报工作的原则和要求地质预报的方法和手段地质预测预报的工作流程预测预报工作的技术要求预测预报报资料的编制超前地质预测预报的内容一般包括：地层岩性，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报；地质构造，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报；不良地质，特别是溶洞、暗河、人为坑洞、放射性、有害气体、高地应力等发育情况的预测预报；地下水，特别是对岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴及富水地层等的预测预报。地质预测预报工作的原则超前地质预测、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。地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。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。地质预测预报工作的要求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。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。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。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等。根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，一般分为以下四级：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。地质预报的方法和手段地质分析法，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。超前导坑预报法，包括平行导坑法、正洞导坑法；超前钻探预报法，包括深孔水平钻探、5～8m加长风钻探测及孔内摄影；物探方法，包括TSP隧道地震波反射法、HSP声波反射法、负视速度法、地质雷达法、红外探测、单孔和跨孔CT等。目前常用的预报方法主要有：地质素描法、超前钻探预报法，物探方法中的TSP隧道地震波反射法、HSP声波反射法、地质雷达法、红外探测、CT法等。地质素描地质素描包括正洞、平导和辅助导坑洞壁及掌子面素描，其主要内容包括：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，如煤层等应单独描述；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。超前钻探预报法钻探法是最直观、可靠的超前预报手段，但因成本较高并严重占用掌子面作业时间，因此一般用于物探或其他方法认为重点怀疑的地段。钻孔探测法，主要是通过对钻孔取岩芯，并利用岩芯作式样进行试验的分析，或根据钻机在岩石中的钻进速度和岩石特性之间的关系来分析，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）。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。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。钻孔终孔点须不大于隧道开挖轮廓线外5~7m。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。TSP203超前地质预报系统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200TSP203现场测试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超前地质预报系统是目前最成熟、直接专用于隧道施工的超前预测预报系统，预报的准确性较高，预报距离长，很多有实力的施工单位，都已经配备该系统。但该系统测试一次的费用较高，尤其是其每次测试都要消耗两根专用的接收管，每根价格数千元人民币,预报成本较高。地质雷达法探地雷达是采用电磁波反射原理探测浅层地质构造和空洞等。用于准确探测10m左右地层介质分布、目标详查、缺陷检测等。探测的准确性较高，但探测距离短、探测操作难度较大，一般用于对重点怀疑地段的较准确测判。预测预报工作的技术要求地质素描，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。超前水平钻孔，需要时施做，一般每循环30～40m；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《瓦斯隧道技术规范》（TB10120—2002）执行。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。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。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。隧道施工监控量测监控量测的目的和任务监控量测工作的原则和要求监控量测的内容和方法监控量测的技术要求监控量测数据处理监控量测管理基准监控量测的目的和任务1监测围岩的变形情况，掌握围岩和支护的稳定状态，根据监测数据和分析结果进行日常施工安全管理；2通过监测数据的历史变化，分析了解支护结构的作用及效果，了解隧道变形发生的规律及变化情况；3将监控量测结果及时反馈于隧道设计、施工、建设管理中，确定施工管理等级，为工程施工变更、索赔提供原始基础资料；4为施工管理及时提供二次衬砌合理的施作时间；5积累资料，供以后工程设计、施工参考。监控量测工作的原则和要求监控测量工作必须紧接开挖、支护作业，应按设计要求进行布点和监测，并根据现场施工情况及时调整量测项目和内容。量测数据应及时分析处理，并将结果反馈到施工过程中。监控量测应作为施工组织设计一个重要组成部分，应纳入施工工序，并贯穿施工的全过程，为施工管理及时提供信息。开工前应根据隧道规模、地形、地质条件、施工方法、支护类型和参数、工期安排以及所确定的量测目的等编制量测计划。编制内容应包括：量测项目、量测仪器选择、测点布置、量测频率、数据处理、反馈方法及组织机构、管理体系等。现场应成立专门监控量测小组，负责测点埋设、日常监测、数据处理和仪器维修保养工作，并及时将量测信息反馈于设计和施工。监控量测的内容和方法隧道监控量测的项目应根据工程特点、规模大小和设计要求综合选定。量测项目可分为必测项目和选测项目两大类。隧道施工过程中应进行洞内、外观察，洞内观察可分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。1、洞内观察：开挖工作面观察应在每次开挖后进行。观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定卡。对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察围岩、喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态。2、洞外观察重点应在洞口段、岩溶发育区段地表和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容应包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况地表植被变化等。监控量测必测项目序号监测施工测试方法和仪器测试精度备注1洞内、外观察人工观察、地质罗盘2净空变化收敛计0.1mm一般进行水平收敛量测全站仪1mm一般进行三维多点量测3拱顶下沉水准测量，水准仪、钢尺0.1mm4地表下沉水准测量，水准仪、塔尺0.5mm浅埋隧道必测（H0≤2B）注：H0为隧道埋深B为隧道开挖宽度。必测项目量测断面间距和每断面测点数量围岩级别断面间距（m）每断面测点数量净空变化拱顶下沉Ⅴ~Ⅵ5~101~2条基线1~3点Ⅳ10~301~2条基线1点Ⅲ30~501条基线1点注：洞口及浅埋地段断面间距取小值。监控量测选测项目序号监测施工测试方法和仪器测试精度备注1地表下沉水准测量、水准仪、塔尺0.5mmH0＞2B时2隧底隆起水准测量、水准仪、铟钢尺0.5mm3渗水压力渗压计频率接收仪0.01MPa4围岩内部位移多点位移计频率接收仪0.1mm5围岩压力压力盒频率接收仪0.01MPa6二次衬砌接触应力压力盒频率接收仪0.01MPa7钢筋受力钢筋计频率接收仪0.01MPa8喷射混凝土受力混凝土应变计频率接收仪9锚杆杆体应力钢筋计频率接收仪0.01MPa10二次衬砌内应力混凝土应变计频率接收仪11爆破振动观测爆破振动记录仪振动器临近建筑物12围岩弹性波速度弹性波测试仪注：1、H0——隧道埋深；B——隧道最大开挖宽度。监控量测的技术要求净空变化、拱顶下沉和地表下沉（浅埋地段）等必测项目应尽量设置在同一断面，其量测断面间距及测点数量应根据隧道埋深、围岩级别、隧道断面大小、开挖方法、支护形式等确定。必测项目，各测点应距开挖面2m的范围内尽快安设，并应保证在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成。拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内或洞外水准基点建立联系，每15～20d应校核一次。各项量测作业均应持续到变形基本稳定后15~20d才能结束。量测频率（按位移速度）位移速度（mm/d）量测频率≥52～3次/d1~51次/d0.5~11次/2~3d0.2~0.51次/3d＜0.21次/3d～7d量测频率（按距开挖面距离）量测断面距开挖面距离（m）量测频率（0~1）B2次/d（1~2）B1次/d（2~5）B1次/2~3d＞5B1次/3d～7d监控量测数据处理监控量测数据处理要求1每次量测后应及时进行数据整理和数据分析，并绘制测值变化量和变化速率时态曲线和距开挖面关系图；对于地表下沉值还应绘制测值沿隧道纵向和横向的变化量和变化速率曲线。2对初期的时态曲线应进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度；3数据异常时，应分析原因，制订对策。监控量测管理基准围岩稳定性应根据量测结果按下列指标进行综合判别：1最大位移；2位移变化速率；3位移速率变化趋势（加速度）；4初期支护所受的应力、应变、压力。根据最大位移判断实测最大位移值不应大于隧道的极限位移，并按下表位移管理等级进行施工。为了确保围岩和初期支护变形不侵入二次衬砌空间，一般情况下，宜将隧道的设计预留变形量作为极限位移，进行控制。同时设计预留变形量应根据监测结果不断修正。变形管理等级管理等级管理位移（mm）施工状态ⅢU＜U0/3可正常施工ⅡU0/3≤U≤2U0/3应加强支护ⅠU＞(2U0/3)应采取特殊措施注：U——实测位移值；U0