棋盘石 超前地质预报.docx
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棋盘石超前地质预报
第七章棋盘石超前地质预报方案
7.棋盘石超前地质预报方案
7.1隧道超前地质预报方案
本隧道长10822m,地质情况复杂,在隧道施工过程中必须展开超前地质预报工作,以获取开挖方面的地质信息,及时调整隧道施工方案,指导隧道安全施工,避免发生地质灾害。
超前地质预报纳入正常施工工序进行管理。
本隧道可能存在断层、涌水、突泥、软岩大变形、岩爆、等不良地质,施工难度特别大,为确保隧道施工安全和工期,需采取有效超前地质预报方法对隧道掌子面前方不良工程地质灾害体进行准确及时的超前预测预报,以降低工程造价,减少施工盲目性,确保施工安全,并消除工程安全隐患。
7.2地质预测预报的目的
通过利用各种已有的地质资料,综合采用各种的超前预报手段和超前预报仪器和技术,对隧道施工前方不良地质体的位置、产状、含水情况及围岩结构的完整性,包括断层,软弱破碎岩体、断层及地下水等进行预报预测,及时发现异常情况,从而为优化施工方案提供依据,为预防突泥、涌水等可能形成的灾害性事故及时提供信息,提前做好准备,及早做好预案,采取相应的技术和安全措施,保证施工的安全进行。
通过超前地质预测预报,可以了解掌握掌子面前方短距离内的工程地质条件、围岩级别,为正确选择开挖断面、支护参数和施工方法提供依据。
通过隧道超前地质预报,有效做到安全科学施工,提高施工效率,缩短施工周期,避免重大事故损失。
7.3预测预报的工作内容
由于隧道地质复杂,施工存在着可能突水突泥、断层带产生流变等灾害。
对地质进行超前探测,作出准确的预报是本项目施工的重点及关键。
超前地质预报的主要项目及内容见下表。
表7.3-1超前地质预报的主要项目内容综合表
项 目
预报主要内容
主要方法和仪器
一般地质
围岩级别
岩体特性、节理裂隙发育特征、岩体结构特征,是否与设计吻合
地质素描法、TSP203地质预报系统
水文地质
预报洞内涌水量大小、压力、变化规律水文地质特征及其变化规律,并评价施工开挖对环境水文的影响
钻探孔、测流计和压力计等
特殊地质
断层、破碎带、浅埋及软岩变形
位置、规模、产状、破碎程度、性质、填充物情况、含水情况及是否为充水断层
钻探孔、TSP203、地质雷达、地质素描法
突泥、突水、塌方
预报前方掌子面15-100m范围内有无突泥、突水、塌方等灾害地质,查明其范围、位置、规模、性质,提出施工措施
钻探孔、TSP203、地质素描法、红外探测、测流量等
塌方落石
进洞前对洞口塌方落石预报
地面地质调查、地质素描
高地温
预测隧道地层地温,提出施工措施
钻探孔、趋势线法、红外探测,温度计等
高地应力
预测隧道地层的应力分布
钻探孔、趋势线法、应力应变仪
7.4地质预测预报的程序
地质超前预报作为一个重要环节纳入施工工序。
地质预报及施工量测工作模式如下图。
图7.4-1地质预报及施工量测工作模式图
岩体结构划分、结构特征
提出变更围岩
类别建议
结构面关系分析
绘制各类横断面
洞体素描
结构面力学特征
和强度调查测定
绘制隧道纵断面
提出支护建议
绘制洞体展示图
施工量测
确定施工方法
不同岩层裂隙频率
综合研究
总结岩体
稳定评价
不同岩层含水条件
岩组划分
洞体岩体实测
施工期间
岩体节理发育情况
岩体质量划分
岩体结构调查
洞体埋深及岩体
岩体完整系数及稳定性
编制综合报告
点荷载试验
岩体力学测试
洞内量测
综合研究
声波测试
变形量测
内空变形量测
地震波测试
破碎带夹层现场力学测试
围岩松动圈量测
洞内涌水实测
水文地质调查
提供实际涌水资料
富水地段调查
提出防排水施工建议
涌水地段调查
总结涌水规律
地表洞内水监测
实体比例分析
断面图分析
岩体稳定预报
探洞地质类比法
图形分析法
地质素描法预测预报
地质预报
结果图表显示
钻孔经验分析法
施工经验法预测
超前钻孔预报
涌水量预报
突水、突泥预报
TSP203探测
物探法预测预报
声波探测
围岩变形量测
红外线探测
水文调查及涌水量监测
其它
其它
地质预测预报资料及时上报监理、设计单位和业主进行审定,以便及时采取相应技术措施避免不良地质灾害的发生。
7.5地质超前预测预报组织、人员、设备
为将本项目的工程地质超前预测预报落到实处,项目指挥部建立地质预测预报中心,其成员由专职地质和物探工程师及长期从事隧道施工地质预报工作的技术人员和员工组成。
超前地质预测预报组织机构见下图。
图7.5-1超前地质预报组织机构图
内业资料组
地质超前预报预测设备见下表。
表7.5-1地质超前预报预测设备表
序号
设备名称
型号
数量
备注
1
超前地质预报系统
TSP203
3
自有
2
地质雷达
SIR-2k
4
自有
3
超前水平地质钻机
PG-200/MK-5
10
自有
7.6预报方法
隧道施工过程的地质超前预报预测,主要是根据地表和已经开挖的隧道的地质调查和各种探测方法取得的资料,以及地质推断法预测开挖工作面前方一定长度范围内围岩的工程地质条件。
如:
地面地质调查法、洞身地质素描法、钻速测试法、综合物法、平导先行法、钻探孔法、涌水量观测、有害气体预测、岩体结构面量测和围岩变形观测。
物探测试主要有TSP法、地质雷达法。
预测时根据地质条件的不同,采用一种或几种方法组合综合预报,以工程地质法(包括图析法及地质素描法)进行超前宏观预报为前提,结合TSP203超前地质预报系统、地质雷达、红外线探测仪、超前探孔、平导超前、经验法等综合手段,分长期预报、中期预报、短期预报三个阶段对隧道岩体特征、断层、涌水等不良工程地质进行超前预测预报:
采用TSP系统与地质分析法相结合进行长期(长距离)(大于80m范围)地质预报;
采用仪器和钻孔进行30~80m距离的中期地质预报;
利用台车钻孔和地质雷达、红外探测仪相结合,进行距离小于30m的短期地质预报;
采用在钻爆循环中加深(4m)3~5个炮孔进行掌子面前方4m范围的下一循环的探测。
结合掌子面地质素描预测法进行掌子面作业影响区域内的当前地质预报。
对物探异常区采用钻孔进行验证,以便指导施工。
7.7超前地质预报的措施及手段说明
7.7.1经验类比法预测
根据我集团公司以往长大隧道施工经验,在施工揭露的断层带构造情况、洞内裂隙发育情况、渗水、涌水特性以及施工方法、工艺类比该标段的地质情况、施工方法及工艺。
并根据类比情况对相关问题提出预报。
7.7.2地质分析法预报
由项目总工程师组织工程地质工程师及相关技术人员对设计图纸进行详细分析,对现场地表裸露情况进行核对。
对隧道地表进行GPS测量,绘制地形图,计算汇水面积,判断不良地质,利用地面测绘和其它基础资料对隧道的地层界线、大型断层、围岩类别、涌水以及其他的特殊工程地质问题进行预测。
测点的选择:
测量点选在地面特征点上;点位尽量选在视野开阔的地方,无大树等障碍物阻挡接受信号;测量点最好不要选在山坡、盆地及大面积平静水面附近。
以免多路效应对接收数据的影响。
数据采集:
将两台GPS接收机架在已知平面坐标的点上,其余两台架在未知点上,通过接收机屏幕观测卫星个数(不少于4个)及卫星信号强度等信息,信息量采集够用后,基准点上的接收机不动,移动未知点上的接收机,用同样方法继续采集信息,所有数据信息存储在接收机中,野外作业完成后,通过GPS数据处理软件和红外线传输器将测量数据传入电脑。
建立一个新项目,通过两次坐标转换和两次平差求得个点在地方平面坐标系统中的坐标和高程,建立成果报表,并打印测量成果和测量点位分布图。
通过地表区域地质调查和对辅助洞掌子面已揭露地质体(岩层、不良地质等)进行观测与编录,以图文方式及表格形式来宏观判断可能以发生地质灾害及其程度。
通过掌子面所揭露的地层岩性、岩体结构面的发育程度、岩体的完整性、断层发育情况、岩溶化地层与非岩溶化地层分布、地下水渗流等进行地质素描,判断前方可能会出现的破碎岩体、出水构造情况以确定采用仪器探测和超前钻孔的布置形式。
预报以表格形式随时提出,并根据开挖情况来完善预测预报技术,为决策提供依据,以及时采取相应的防治手段,避免或减少地质灾害所带来的损失和负面影响。
7.7.3地质素描
棋盘石隧道采用全断面地质素描。
填写施工地质围岩级别判定卡,建立地质素描管理台帐。
一般地段,地层产状无明显变化的,每20~50m素描一次;岩性明显变化时每1~2循环素描一次。
与设计地质相符,且地层产状无明显变化的,一般每50~300m,对地质素描情况进行一次阶段性小结,并绘制地质展开图和地质纵剖面图;遇到不良地质段或岩性明显变弱、变软时,开始10m段小结一次,并绘制地质展开图和地质纵剖面图,不良地质通过后总结一次。
阶段性小结、总结应包含以下内容:
工程地点和范围、设计地质情况和围岩级别,围岩稳定性评价分析,提出围岩分级修正建议和下一步地质素描工作计划。
地质素描过程中发现地质出现异常情况,可能影响施工安全时,立即采用相应的施工技术措施。
7.7.4地质仪器法预报
①TSP203探测法
TSP超前地质预报系统是目前国内外在这一领域里应用较多的隧道及地下工程探测设备。
TSP203是最新一代智能型预报仪,传感器能采集不同方向的地震信号,能根据地震反射波判断发射截面的三维几何形态,经电脑分析,自动得出图像和结果。
可以比较准确的预报工作面前方100~200m范围内工程地质和水文地质情况,TSP超前地质预报系统可以解决的主要技术问题如下:
能探测工作面前方存在的断层、破碎带、富水岩层与其他地层的界线,还能探测岩体、岩脉等特殊地质体。
能查明前述不良地质体的位置和规模,能判别不同类别围岩的分界线,并提供相应岩层的地质力学参数(杨氏弹性模量、泊淞比等)
能探测和较准确的解释距离为:
断层带破碎围岩一般能探测150m(最大可达300m),硬岩一般能探测250m(最大可达400m),有效解释距离为150m。
对不良地质体的地质性质判断,一般较准确;对不良地质体的位置判断精度可达90%以上;对不良地质体的规模的判断精度可达85%~90%以上。
应用TSP203超前地质预报系统进行地质探测的频率为:
岩层完整、岩性一致地段1次/100m,断层破碎带、富水地段1次/50m,必要时再增加频率,以相互重叠、复核,提高预测精度。
操作方法是:
在开挖工作面排列布置地震激发和反射波接收的装置,为排除表面波的影响,传感器对称布置在隧洞两侧的侧帮,距洞表面2~3m的围岩内部,安装时使传感器与岩石结合紧密;激发地震波信号的爆破孔,第一排紧靠掌子面,最后一排距传感器15~20m,正常布置24孔,用YT-28风枪钻孔,孔径为φ32~φ42mm之间,钻孔间距1~3m,孔深2~3m,每孔装药量50~100g。
爆破后,测量系统数据记录部分实时显示所有的数据采集通道,并实时通过测量系统计算机显示监视爆破信号的质量和传感器与岩石之间的耦合状况,初步评价结果在测量完成后8h内即能读出,以图像和表格的直观形式显示隧道施工前方和四周测量范围内的不良地质带和不连续界面的位置。
②地质雷达法
采用地质雷达进行地质超前预报,该方法可以探查断层及破碎带、大节理、岩脉、陡倾角岩体分界线,以及岩溶、洞穴等。
其工作原理是高频电磁波以宽频带脉冲形式,通过发射天线被定向送入地下,经存在电性差异的地下地层或目标体反射返回地面,由接收天线接收。
高频电磁波在介质中传播时,其路径、电磁波强度与波形随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。
所以通过对时域波形的采集、处理和分析,可确定地下界面或地质体的空间位置和结构。
地质雷达超前预报具有分辨率高、无损伤、高效率和抗干扰能力强的特点。
地质雷达工作原理见下图:
图3.3.3-5地质雷达工作原理图
③红外探测仪
通过接受岩体的红外辐射强度,根据围岩红外辐射场的变化来分析判断开挖面附近30m内是否含有含水体。
可在洞内全空间、全方位定点探测,分别在拱顶、底板、两壁逐点施测,绘出温差探测曲线,找出异常点所在的定向含水部位。
④地质素描及数码相机分析法预报
利用地质素描判定工作面前方短距离范围内的地质情况。
掘进施工时,派有经验的地质工程师在每排炮后对工作面进行地质观察、记录,并用数码相机照相摄影,绘制地质素描图。
地质素描的主要内容包括:
地下水状态(出水点、出水量、水压力、突水情况等);地层岩性(产状、结构、地质构造影响程度等);岩石特性(岩石名称、风化状况、岩石结构、质地、强度);地质结构面(间距、延伸性、粗糙度、张开性等);软弱夹层,贯穿性强的大节理、断层(填充情况、风化程度、开度、渗漏)等。
根据掌子面地质情况,通过对地质素描图的分析,用工程类比法对开挖面前方短距离内的岩体稳定性进行分析,通过综合分析判断,提出地质预测报告。
⑤超前探孔取芯验证法预报
根据设计地质资料及TSP等长期预报提供的不良地质资料,在掌子面距不良地质地段约25m左右时,采用轻型地质钻机在掌子面进行钻孔探测,以便相互印证,根据TSP探测资料选择探孔位置,布置两个探孔,需要时对其中一个进行取芯,孔深60~80m。
在钻孔的同时,记录钻孔速度、岩碴岩粉特征、冲洗液颜色、含泥量、出水部位、钻杆是否突进等情况,探明水量和水压情况,按设计和开挖面的地质资料,判定工作面前方的工程、水文地质情况,以采取必要的预防措施。
钻孔前先用稍大直径的钻头钻孔,安设3m孔口管,孔口处设闸阀,在遇到高压水时紧急关闭,防止突水。
对于取芯钻孔,每次提钻后要对岩芯进行观察描述和记录,记录各岩层位置、岩性、厚度及其裂隙发育、充填胶结情况,做好岩芯的地质描述,同时记录好孔内出水情况。
取出的岩芯要按孔位编号,摆放整齐,供地质人员分析研究。
超前钻孔取芯能够较真实地反映掌子面前方的地质情况,在隧道施工超前地质预报中已得到广泛应用。
除对可能突水点地段进行深孔探测外,为防止意外,对非长探孔地段,用钻孔台车在开挖前断面地质较差或渗流水部位钻不少于2个长度为28m的φ50超前探孔,对掌子面前方地质进行超前探测和核实。
⑥介入法进行地质预报
超前探孔取芯完毕之后,将安装在带有尺度探测杆上,带有照明灯的防水摄像头送入取芯孔中,通过通信线缆将取芯孔中不同部位的岩石整体性、节理、裂隙和出水状况等信息,记录存储于电脑中,由专人在现场通过电脑观察取芯孔情况,对异常点要进行全断面记录。
一般情况下,送入和取出摄相头时,摄相头的角度相差90度。
要及时对所获得的记录数据进行处理,并与取芯分析结果进行对比分析。
⑦观察法进行实时地质预报
在进行隧道掘进钻眼时,钻工要按10%的比例收集炮眼钻屑,并对每个炮眼的出水状况进行观察,将实际情况及时向值班工程师汇报,由值班工程师对当前循环岩体的情况进行实时预报,若无异常变化,则可进行正常施工,否则立即采取相应措施。
7.8地质超前预测预报频率及数量
用TSP203超前地质预报系统进行长距离地质探测,洞身1次/100m进行探测,通过不良地质区域如断层破碎带区域、突泥涌水区域等探测频率为1次/50m,必要时在提高探测频率。
在通过断层及断层破碎带,运用地质雷达对掌子面岩溶、断层及断层破碎带进行探测,探测频率为1次/30m。
运用红外线探测仪探测开挖面附近30m内是否含有水体,探测频率为1次/30m,对可能突泥涌水区域可提高探测频率。
根据本标段隧道的地质特点,采用30m、50m两种超前探孔进行估算,30m探孔运用于一般地段,在不良地质区域,则采用50m探孔取芯。
如果施工过程中发现隧道有灰岩地段,基底可能有岩溶,采用在灰岩地段每28米进行一次勘探钻孔。
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