XCZQ2标隧道超前地质预报实施方案.docx
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XCZQ2标隧道超前地质预报实施方案
1编制依据
1)《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设[2008]105号;
2)《铁路隧道工程施工安全技术规程》(TB10304-2009J947-2009)
3)《铁路工程地质勘察规程》(GB50287-99);
4)《铁路工程地质钻探规程》(TB10014-98);
5)《爆破安全规程》(GB6722-2003);
6)《铁路工程物理勘探规程》(TB10013-2004);
7)《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120-2002);
8)《煤矿安全规程》(000014348/2008-03985);
9)现场踏勘地质调查所获得的工程地质、水文地质等调查资料;
10)指导性施组及相关文件;
11)隧道工点施工图纸;
2工程概况
本标段隧道共9座,其中联络线单线隧道3座,正线双线隧道6座,总长6996m,其中单线隧道总长为984m,双线隧道总长为6012m。
隧道位于广元~剑门关区间。
双线隧道线间距为4.6m,设计时速为250km/h,设计最大坡度为9.5‰,最小曲线半径为R=5500m;单线隧道设计时速120km/h,设计最大坡度为20‰,最小曲线半径R=800m。
轨道采用采用Ⅰ型双块式无砟轨道,轨道结构高51.5cm。
隧道基本设计参数
序号
名称
类型
开始里程
结束里程
长度(m)
坡度
最小曲线半径
1
横坡梁隧道
双线
DK388+388
DK389+573
1185
6‰
5500
2
杏树坡1#隧道
单线
LXDK2+346
LXDK2+812
431.96
3‰
800
3
孙家湾隧道
单线
LXDK3+254
LXDK3+378
124
13.14‰
直线
4
杏树坡2#隧道
单线
LSDK2+314
LSDK2+735
428.20
20‰
800
5
柏树梁隧道
双线
DK393+554
DK393+982
428
3‰
7000
6
李家梁隧道
双线
DK394+237
DK395+277
1040
9.5‰
7000
7
范家湾隧道
双线
DK395+400
DK395+685
285
9.5‰
7000
8
华家梁隧道
双线
DK395+841
DK397+410
1569
9.5‰
7000
9
张家沟隧道
双线
DK397+620
DK399+125
1505.43
9.5‰
直线
3地质概况
3.1地形地貌
隧区属低山剥蚀地貌,丘槽相间,地形波状起伏。
隧区地表上主要为粉质黏土,下伏基岩为泥岩夹砂岩,沿线均有便道通行,交通便利。
3.2地层岩性
隧道范围内覆第四系全新统坡残积Q4dl+el粉质黏土,坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土;下伏基岩为泥岩夹砂岩。
1、粉质黏土:
褐黄及灰黄色,硬塑状,局部软塑,土质较纯。
2、泥岩夹砂岩:
泥岩为紫红色,泥质结构,泥质胶结,岩质较软,易风化剥落;砂岩多为石英砂岩,浅灰,紫红色,中细粒结构,泥质胶结,中厚-厚层状,质稍硬。
3.3水文地质
隧区地表水主要为雨季坡面及沟槽暂时性水流。
地下水主要为基岩裂隙水。
基岩为泥岩夹砂岩,产状平缓,节理发育,但连通性较差,地下水含量微弱。
由于隧道穿越山体周围切割较深,地下水位埋深较深。
3.3不良地质
本标段隧道不良地质包含瓦斯、顺层、偏压、危岩落石等,无特殊岩土,具体情况见下表。
各隧道不良地质表
序号
名称
类型
开始里程
结束里程
长度
(m)
瓦斯
顺层
偏压
危岩落石
地表水塘
1
横坡梁隧道
双线
DK388+388
DK389+573
1185
√
2
杏树坡1#隧道
单线
LXDK2+346
LXDK2+812
431.96
√
√
3
孙家湾隧道
单线
LXDK3+254
LXDK3+378
124
√
√
4
杏树坡2#隧道
单线
LSDK2+314
LSDK2+735
428.20
√
√
5
柏树梁隧道
双线
DK393+554
DK393+982
428
√
6
李家梁隧道
双线
DK394+237
DK395+277
1040
√
√
7
范家湾隧道
双线
DK395+400
DK395+685
285
√
8
华家梁隧道
双线
DK395+841
DK397+410
1569
√
√
√
9
张家沟隧道
双线
DK397+620
DK399+125
1505.43
√
4.地质复杂程度分级
根据本标段隧道水文及工程地质条件及可能存在的风险因素,按《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设[2008]105号本,将该标段隧道复杂程度分为“复杂”、“中等”、“简单”三级,详见下表4-1。
地质复杂程度分级表4-1
隧道名称
桩号
复杂程度分级
预报重视程度
长度(m)
横坡梁隧道
DK388+418~685
复杂
重点预报
267
DK388+720~DK389+060
复杂
重点预报
340
DK389+060~300
中度
加强预报
240
DK389+300~558
复杂
重点预报
258
杏树坡1号隧道
LXDK2+346~500
复杂
重点预报
154
LXDK2+500~650
中度
加强预报
150
LXDK2+650~812
复杂
重点预报
162
孙家湾隧道
LXDK3+254~304
复杂
重点预报
50
LXDK3+304~344
复杂
重点预报
40
LXDK3+344~378
复杂
重点预报
30
杏树坡2号隧道
LSDK2+314~735
复杂
重点预报
421
柏树梁隧道
DK393+569~678
复杂
重点预报
109
DK393+678~959
复杂
重点预报
281
李家梁隧道
DK394+252~440
复杂
重点预报
188
DK394+440~700
中度
加强预报
260
DK394+700~DK395+000
复杂
重点预报
300
DK395+000~160
中度
加强预报
160
DK395+160~277
复杂
重点预报
117
范家湾隧道
DK395+422~470
复杂
重点预报
48
DK395+470~610
中度
加强预报
140
DK395+610~670
复杂
重点预报
60
华家梁隧道
DK395+861~940
复杂
重点预报
79
DK395+940~DK397+300
中度
加强预报
1360
DK397+300~371
复杂
重点预报
71
张家沟隧道
DK397+644~740
复杂
重点预报
96
DK397+740~DK398+700
中度
加强预报
960
DK398+700~DK399+092
复杂
重点预报
392
5.实施超前地质预报目的
通过超前地质预报工作,进一步查清本隧道因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题,及时掌握和反馈隧道地质条件信息,调整和优化隧道设计参数、防护措施,为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案、控制工程变更设计提供依据。
根据本标段隧道工程及水文地质条件,在认真分析前期勘察资料的基础上,结合地表调查情况分析,对该标段隧道工程施工超前地质预报必须采取多种方法综合预报,查明隧道掌子面前方存在的较大不良地质缺陷的规模、空间分布情况等,以便为施工、设计及时做出正确的处理预案,确保工程施工顺利完成,避免安全事故发生或造成人员伤亡事故。
6.超前地质预报应包括的主要内容
本标段隧道围岩较差,且埋深较浅,超前预报工作要高度重视,必须开展多层次、多手段的综合超前地质预报,并贯穿于施工全过程,必要时还要进行不良地质体详查.超前地质预报应包括:
地层岩性、地质构造、不良地质及地下水。
该标段隧道工程超前地质预报主要以地质调查法为基础、并采用综合物探手段及钻孔为主进行综合超前地质预报,宏观预报(地质调查)、中长距离预报(地震波反射法及超前钻探法)、短期预报(红外探测法)相结合的综合预报体系。
(1)宏观预报:
包括隧道地表补充地质调查、洞内地质调查等,通过对该标段隧道的已有勘察资料以及地表调查情况分析,将预报等级划分为“常规预报”、“加强预报”、“重点预报”三个预报级别。
确定预报难点、重点,编写预报方案,指导中期、短期超前预报顺利进行及物探手段的优化组合。
(2)中长距离预报:
采用地震波反射法对掌子面前方100~150m处较大的构造及岩体质量进行初步预报。
进一步提出预报的重点,为短距离预报提供指导。
连续预报时,前后两次应重叠10m以上。
(3)短期预报:
采用超前钻探法(加深炮眼、超前钻孔)及红外线探测技术对掌子面前方30m范围内的地质情况进行准确预报,指导施工,连续预报时前后两次应重叠长度不小于5m。
7.超前地质预报方案
7.1总体预报方案
本标段隧道施工区域未发现大的活动性断裂及新构造运动迹象,不良地质主要为瓦斯及顺层,无特殊岩体,总体预报方案如下:
(1)施工中进行全隧道地质素描。
包括洞内开挖工作面地质素描和洞身地质素描、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析等,内容应真实可靠,应有文字和数码影像
(2)在塌方风险等级为高度,变形风险为中度的深埋隧道地段采用加深炮孔探测,加深炮眼个数为5个,炮眼加深3m以上;
(3)在塌方风险等级为高度,变形风险为中度的浅埋隧道地段采用超前钻探法+加深炮眼法进行预报,超前钻探每循环钻探长度一般为30~50m,连续预报时前后两次应重叠5~8m。
每循环钻孔2个,每35m一循环每孔长度为40m,成孔的倾角和方位角偏差应不大于1°,深度偏差应不大于0.5m,钻孔取芯数为1个;加深炮眼5个,炮眼加深3m以上。
(4)在塌方风险及变形风险为中地段采用TSP法进行预报,每次预报100m,在完整的硬质岩地段每次预报150m。
(5)在塌方风险高度,地表失水风险高度的地段采用TSP法+红外线探测法进行预报;TSP法每次预报100m,在完整的硬质岩地段每次预报150m,红外探测每次预报的距离宜为20~30m一次,连续预报时前后两次重叠应不小于5m。
7.2分段预报方法
本标段超前地质预报方法有物探类型,包括WT-1:
地震反射波法(TSP)、WT-2:
地震反射波法(TSP)+红外探测法,钻探类型包括ZT-1:
加深炮眼(5孔)、ZT-2:
超前钻孔(2孔)+加深炮眼(5孔),1孔取芯。
预报方法应附地质资料,具体的预报方法应在具体的施工中根据实际情况进行动态调整。
各隧道具体预报方法见表7-1.
分段预报内容及预报方法一览表表7-1
隧道名称
里程范围
预报方法
长度
(m)
地质调查
ZT-1
ZT-2
WT-1
WT-2
横坡梁隧道
DK388+418~685
√
√
267
DK388+720~DK389+060
√
√
340
DK389+060~300
√
√
240
DK389+300~558
√
√
258
杏树坡1号隧道
LXDK2+346~812
√
√
144
LXDK2+500~650
√
√
150
LXDK2+650~812
√
√
162
孙家湾隧道
LXDK3+254~304
√
√
50
LXDK3+304~344
√
√
40
LXDK3+344~378
√
√
30
杏树坡2号隧道
LSDK2+314~735
√
√
421
柏树梁隧道
DK393+569~678
√
√
109
DK393+678~959
√
√
281
李家梁隧道
DK394+252~440
√
√
√
188
DK394+440~700
√
√
√
260
DK394+700~DK395+000
√
√
√
300
DK395+000~160
√
√
√
160
DK395+160~277
√
√
√
117
范家湾隧道
DK395+422~470
√
√
48
DK395+470~610
√
√
140
DK395+610~670
√
√
60
华家梁隧道
DK395+861~DK396+000
√
√
√
139
DK396+000~DK397+300
√
√
√
1300
DK396+300~371
√
√
√
71
张家沟隧道
DK397+644~740
√
√
96
DK397+740~DK398+700
√
√
960
DK398+700~DK399+092
√
√
392
7.3超前地质预报技术要求
7.3.1地质素描
(1)开挖工作面地质素描,主要描述工作面围岩状况,并统一编号。
(2)洞身地质素描是对隧道拱顶、左右边墙进行的地质素描,直观反映隧道周边地层岩性及不良地质体的发育规模、在空间上对隧道的影响程度等,通过隧道地质展视图形式表示。
(3)地质素描找专业人士做,随隧道开挖及时进行,对地层岩性变化点、构造发育部位、岩溶发育带附近等复杂、重点地段应每开挖循环进行一次素描,其他一般地段不应超过10m进行一次素描,且应做一个5~10m的超前预报。
7.3.2加深炮孔探测
加深炮孔探测是利用风钻在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种方法。
加深炮孔探测应符合下列要求:
(1)孔深应比爆破孔(或循环进尺)深3m以上;
(2)孔径应与爆破孔相同;
(3)孔数、孔位应根据开挖断面大小和地质复杂程度确定;
(4)在富水地段每循环必须按设计认真实施,发现异常情况应及时反馈信息,严禁盲目装药放炮;
(5)钻到岩溶和岩溶水时,应视情况采用超前地质钻探和其他探测手段,查明情况,确保施工安全,为变更设计提供依据;
(6)加深炮孔探测严禁在爆破残眼中实施;
(7)揭示异常情况的钻孔资料应视为技术资料保存。
7.3.3超前钻探
超前地质钻探是最直观、可靠的超前预报手段,是利用钻机在隧道掌子面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。
适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报,在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。
超前地质钻探主要采用冲击钻和回转取芯钻。
一般地段采用冲击钻。
冲击钻不能取芯,但可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地层含水量等。
复杂地质地段采用回转取芯钻。
(1)技术要求
孔数
A加深炮眼为5孔;
B超前钻孔2孔。
孔深
钻探过程中应进行动态控制和管理,根据钻孔情况可适时调整钻孔深度,以达到预报目的为原则,一般每循环可钻30~50m。
孔径
钻孔直径为Φ89。
超前钻探法应编制探测报告,内容包括工作概括、钻孔探测结果、钻孔柱状图必要时应附以钻孔布置图、代表性岩芯照片等。
(2)现场工作要求
超前钻探过程中应在现场做好记录,包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化、涌砂、空洞、振动、卡钻位置、突进里程、冲击器声音的变化等。
超前钻探过程中应及时鉴定岩芯、岩粉,判定岩石名称,对于断层带、溶洞填充物、煤层、代表性岩土等应拍摄照片备查,并选择代表性岩芯整理保存,重要工程钻探过程监理应进行旁站。
在富水地段进行超前钻探时必须采取防突措施;测站孔内水压时,需安装孔口管,接上高压球阀、连接件和压力表,压力表读数稳定一段时间后即可测得水压。
④在富水地段时钻杆应适当偏向上方,以利于水流排出;在瓦斯地段钻杆应应适当偏向下方,以利于有害气体的排出
7.3.4TSP203plus超前预报
TSP作为一种地震波反射法中长期的预报,其预报范围一般界定为100~150m,其目的除了为短期预报提供指导意义外,还同时能够为施工单位制定一个相对长期的施工计划提供科学的依据。
(1)基本原理
由微爆破引发的地震信号分别沿不同的途径,以直达波和反射波的形式到达传感器,与直达波相比,反射波需要的传播时间较长,TSP系统由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算成地震波传播速度
(1)
式中:
——爆破孔到传感器的距离,
——直达波的传播时间.
在已知地震波的传播速度下,就可以通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接受传感器的距离,以及在隧道断面的距离,其理论公式为:
(2)
式中,
——反射波传播时间;
——爆破孔与反射界面的距离;
——传感器与反射界面的距离。
地震反射波的振幅与反射界面的反射系数有关,在简单的情况下,当平面简谐波垂直入射到平面上时(如1所示),其上的反射波振幅和透射波振幅分别为:
(3)
(4)
其中,
—入射波振幅;
,
—反射波和透射波振幅;
,
—反射界面两侧介质的速度;
,
—反射界面两侧介质的密度;
—界面的反射系数。
由图7-2可知,当入射波振幅
一定时,反射波振幅
与反射系数
成正比;而反射系数与反射界面两侧介质的波阻抗
有关,其主要由界面两侧介质的波阻抗差决定,波阻抗差的绝对值越大,则反射波振幅
就越大,当介质Ⅱ的波阻抗大于介质Ⅰ的波阻抗,即地震波从较为疏松的介质传播到较致密的介质时,反射系数
>0,此时,反射振幅和入射振幅的符号相同,反射波和入射波具有相同的极性;反之,如果地震波从较为致密的介质传播到较疏松的介质时,此时,反射系数
<0,则反射振幅和入射振幅的符号相反,因此反射波和入射波的极性相反,从而可清楚的判断地质体的变化。
图7-2地震波的垂直入射
(2)观测系统布置
通过在掘进面后方一定距离内的钻孔中进行微型爆破来发射地震波信号,爆破的地震波在岩体中以球面波的形式向四周传播,其中一部分向隧道前方传播,当波在隧道前方遇到一界面时,将有一部分波从界面处反射回来,界面两侧岩石的强度差别越大,反射回来的信号也越强。
TSP测量系统中使用了两对三分量高灵敏度传感器,高灵敏度传感器按放在特制金属管内放入钻孔中,分别以平行、垂直和径向隧道轴线的方向,能保证接收由各种不同角度反射回来的反射信号;使用两对水平和垂直布置的传感器还能有效地减小干扰信号的影响。
对炮孔的数量、深度、间距、倾角、高度及传感器的安装都有严格的要求(图7-3)。
隧洞TSP观测系统布置见图5.2-3。
隧洞每掘进100m预报一次,预报有效距离为100~150m,重复20~50m。
每次预报时,在隧洞左、右壁各布置1个接收孔,在洞壁一侧布置21~24个爆破孔。
接收孔距掌子面40~50m左右,距第一个爆破孔15~20m。
爆破孔间距为1.5m呈直线分布。
(3)现场测试要求
A.TSP地质超前预报设备使用TSP203PLUS系统。
B.钻孔
在隧洞左、右壁各布置1个接收孔,在左或右壁布置21~24个爆破孔,采用风钻钻孔。
接收孔:
距掌子面40~50m,距第一个爆破孔15~20m,接收孔直径为φ38~50mm,孔深为1.9~2.0m,向上倾斜约5~10°,孔口距洞底面约1.0m。
爆破孔:
第一个爆破孔距接收孔15~20m,其余爆破孔间距为1.5m呈直线分布,孔直径为φ38~45mm,孔深为1.5m,垂直于隧洞轴向,向下倾斜约10~20°,孔口距洞底面约1.0m。
当接收孔和爆破孔造孔完成后,立即插入孔径略小、长度稍长的PVC管,以保护钻孔防止堵孔,在埋设接收器或炸药时,再将PVC管取出。
C.接收器埋设
在现场测试至少12小时前,将特制的接收器套管插入孔内,并采用不收缩水泥或锚固剂进行孔内灌注使其与周围岩体粘合在一起,保持接收器套管与周围岩体良好耦合。
在现场测试时,将接收传感器安装在特制套管内,连接电缆至TSP主机。
D.炸药埋设
将瞬发电雷管与炸药连接牢固,塞入爆破孔孔底,然后灌水封闭炮眼。
电雷管的两根引线接出孔外与起爆线相连。
每个炮眼根据围岩软硬、完整程度及距接收传感器位置的远近装入不同份量的一级岩石乳化炸药(10~200g)。
E.试验数据的采集
在放炮采集信号时,应停止周围300m范围内一切施工干扰,自第一炮眼(近接收传感器)激发地震波,记录仪将同时启动并记录地震波信号,分别记录左、右壁传感器的3个分量信号。
自动存盘记录后,依此在其它炮眼激发地震波,直到最后一炮记录结束,完成野外试验数据的采集。
有效激发孔数不少于20孔。
(4)数据采集控制
数据控制一般在检查地震道显示的特征时进行。
将光标(白色箭头)移至任何信号处,在上面的标题栏都会显示对应的直达波(纵波)传播时间。
从接收器往掌子面方向依次放炮,距离(偏移距)递增,在测量记录过程中数据控制功能将对检查正确的炮点顺序十分有效。
为防止信号放大器输入的非线性或过载,第一炮的信号电平应该不超过5000mV,如果出现信号电平大于5000mV,炮孔炸药量应减少50%,如果没有过载,就可以继续进行测量记录。
在后面的处理阶段,可以删除第一次记录的炮。
由于TSP探测的效果很大程度上依赖于原始数据的质量,所以数据质量控制尤为重要,检查应在起爆及记录第一炮后执行,进行现场数据检查控制后,便可得到高质量的数据。
现场爆破作业必须严格遵照爆破作业有关规程,应由拥有爆破作业资格的专业炮工负责药包包扎与引爆作业,现场配备必要的爆破安全员以确
保爆破安全。
(5)资料整理要求
TSP地震数据处理程序主要有12个步骤(a、数据设置;b、带通滤波;c、初至拾取;d拾取处理;e、炮能量均衡;f、Q值估计;g、反射波提取;h、Q滤波;i、P波和S波分离;j、速度分析;k、深度偏移;l、反射层提取),执行这些子程序有的还需要输入相应参数,有些参数TSPwin可以自动提供。
缺省参数分两类:
第一类参数是根据采集的数据和相关的测定的几何参数自动计算出来的,此类参数根据系统自动分类并依据相应规则计算而得;第二类参数是建立在地震波基础理论之上并总结世界各地实际测量经验而来的,但由于在测量中不同岩层中波的相互作用,此类通用参数也不并一定合适。
总之,在多数情况下,要得出最准确的TSP预报结果就必须对这些参数进行修改。
(6)成果的解释
反射层提取后,反射层中主要反映探测范围内几何空间上的构造物理信息(包括反射强度和反射极性),TSP处理成果的解释应遵循下述准则:
A.反射振幅越强,说明反射系数越大,则弹性阻抗差越大。
弹性阻抗是岩石密度与波速的乘积;正的反射振幅表明正的反射系数,也就是坚硬岩石;负的反射振幅则表明是软弱岩石。
对于同一个构造,进行纵波和横波反
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