【導(dǎo)讀】新建鐵路云桂線（云南段）站前工程。隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估

　　

【正文】 。 關(guān)鍵技術(shù) （ 1）主要探測(cè)壁（布設(shè)炮眼壁）的選擇，至關(guān)重要； （ 2）應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)理論和物探理論進(jìn)行成果解譯，難度較大。 短期（短距離）超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 預(yù)報(bào)距離為掌子面前方 15～ 30 米。主要采用地質(zhì)素描法（掌子面編錄預(yù)測(cè)法）、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、紅外線和瞬變電磁等儀器和方法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。 地質(zhì)素描預(yù)測(cè)法 （ 1）地質(zhì)素描的原理 在隧道開(kāi)挖過(guò)程中暴露出的地質(zhì)狀態(tài)才是客觀的、真實(shí)地了解圍巖實(shí)際狀況，然后再對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)描述和地質(zhì)評(píng)價(jià)，采取最符合實(shí)際的支護(hù)設(shè)新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 253 計(jì)和施工方法。地質(zhì)素描法是利用地質(zhì)理論和作圖法，將隧道所揭露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點(diǎn)位置及出水狀態(tài)、出水量等準(zhǔn)確記錄下來(lái)并繪制成圖表，結(jié)合已有勘測(cè)資料，進(jìn)行隧道開(kāi)挖面前方地質(zhì) 條件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。這項(xiàng)工作屬于隧道施工短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種常用的方法和技術(shù)手段。 （ 2）地質(zhì)素描特點(diǎn) 1) 地質(zhì)素描法理論基礎(chǔ)牢固，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，不占用或很少占用隧道施工時(shí)間，提交資料及時(shí)，成本低。 2) 對(duì)操作人員地質(zhì)知識(shí)水平要求較高，一般要求地質(zhì)專業(yè)人員來(lái)完成。 3) 靠有限之“見(jiàn)”預(yù)報(bào)范圍有限，特別是在地層巖性變化極為復(fù)雜的隧道中預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率更是如此。 （ 3）地質(zhì)素描的內(nèi)容 地質(zhì)素描主要包括：基礎(chǔ)地質(zhì)資料、地表地質(zhì)調(diào)查資料、掌子面地質(zhì)素描。 1) 基礎(chǔ)地質(zhì)資料：主要是區(qū)域性地質(zhì)資料、隧道勘測(cè)資 料、隧道設(shè)計(jì)資料。所有這些資料，在預(yù)設(shè)計(jì)階段，勘測(cè)設(shè)計(jì)單位都會(huì)有成套、系統(tǒng)資料，無(wú)需再費(fèi)力氣收集。 2) 地表地質(zhì)調(diào)查資料：是在隧野外勘測(cè)時(shí)，調(diào)查到的地面水系分布、露頭巖石的巖性、地層產(chǎn)狀，巖石的風(fēng)化程度等地質(zhì)資料，可依此地質(zhì)資料推斷隧道處的地質(zhì)狀況，地表地質(zhì)調(diào)查資料是施工作業(yè)時(shí)重要參考資料。 3) 掌子面地質(zhì)素描：是在隧道開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中，對(duì)己開(kāi)挖的洞段和掌子面實(shí)際地質(zhì)情況，不間斷地記錄其圍巖巖性、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀、斷層、節(jié)理、溶洞、巖石風(fēng)化、水文實(shí)況，并附以草圖，是判斷圍巖級(jí)別的最直接資料，也是用以推斷掌子面進(jìn) 深方向圍巖狀況的主要參照物，也是推斷深向的地新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 254 質(zhì)狀況的邊界條件。 基礎(chǔ)地質(zhì)資料與地表地質(zhì)調(diào)查資料在隧道預(yù)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)完成，在隧道超前預(yù)報(bào)時(shí)只需要收集一下就行，而掌子面地質(zhì)素描是隨道隧道開(kāi)挖要不斷完成的。 掌子面地質(zhì)素描中應(yīng)當(dāng)具體地記錄以下各項(xiàng)內(nèi)容，并描繪出掌子面素描圖。 ① 巖性：是最基本的地質(zhì)資料。主要描述巖石名稱、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分、風(fēng)化程度等。 ② 斷層：是地殼上主要的構(gòu)造痕跡，它的形成、特性及規(guī)模決定地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度，對(duì)隧道施工影響極大，是開(kāi)挖時(shí)發(fā)生塌方的主要地質(zhì)原因之一。主要描述斷層 位置、產(chǎn)狀、斷層破碎帶寬度及構(gòu)造類型、斷層性質(zhì)及其與其它斷層的關(guān)系、派生節(jié)理產(chǎn)狀、密度及充填物等。 ③ 貫穿性節(jié)理：是造成塊體塌方的主要原因之一。主要描述節(jié)理產(chǎn)狀、密度、寬度、延伸情況、節(jié)理面特征 (光滑、粗糙、起伏不平 )，出露位置等。 ④ 巖脈及軟弱巖層：巖脈侵入的位置往往是地殼的薄弱點(diǎn)。我們主要描述巖脈的巖性，出露位置、寬度、接觸關(guān)系、破碎情況、風(fēng)化程度等。 ⑤ 地下水：地下水增加了隧道施工難度。地層滲水影響噴射混凝土的質(zhì)量，如在斷層帶內(nèi)巖體破碎，或節(jié)理被次生粘土充填地段有水，則會(huì)大大降低圍巖的自穩(wěn)能 力，增加坍塌甚至突水的可能。主要描述出水點(diǎn)位置、出水狀態(tài) (滴、流、涌 )、水量、出水點(diǎn)附近有無(wú)沉淀物等。同時(shí)了解水對(duì)混凝土的侵蝕性。 地質(zhì)素描記錄如下表“隧道開(kāi)挖工作面地質(zhì)記錄表”： 新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 255 隧道開(kāi)挖工作面地質(zhì)記錄表 隧道： 日期： 記錄人： 里程 隧道中線方向 埋深 地下水狀態(tài) 地下水類型 無(wú)水 滲水或滴水 線流 股流 工程地質(zhì) 巖性 產(chǎn)狀 強(qiáng) 度 極硬巖 Rb?60MPa 硬質(zhì)巖 Rb=30?60MPa 軟質(zhì)巖 Rb=5?30MPa 極軟巖 Rb5MPa 涌水量 主要結(jié)構(gòu)面 組數(shù) 產(chǎn)狀 間 距（ m） 力學(xué)性質(zhì) 長(zhǎng)度 （ m） 節(jié)理張開(kāi)程度 (mm) 充填物 含泥沙情況 無(wú) ?1 1?3 ?3 1 節(jié)理 無(wú) 開(kāi)挖工作面素描圖 2 主要事項(xiàng) （ 4）掌子面地質(zhì)素描的方法 1) 巖層層位預(yù)測(cè)法 ①基本原理： 在掌子面和隧道兩壁出露的巖層與地表某段巖層為同一和確認(rèn)標(biāo)志層的前提 下，用地表巖層的層序預(yù)報(bào)掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層。 ②關(guān)鍵技術(shù)： 同一標(biāo)準(zhǔn)層及層系的確認(rèn)。 2) 地質(zhì)體延伸預(yù)測(cè)法 ①基本原理： 在長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)得出的不良地質(zhì)體厚度的基礎(chǔ)上，依據(jù)掌子面已揭露的不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀和單壁始見(jiàn)的位置，經(jīng)過(guò)一系列的三角函數(shù)運(yùn)算，求得條帶狀不良地質(zhì)體在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置。 ②關(guān)鍵技術(shù)： 新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 256 隧道展開(kāi)圖的三角函數(shù)運(yùn)算。 3）不良地質(zhì)前兆預(yù)測(cè)法 這是側(cè)重預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體性質(zhì)的一種短期超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)。 ①基本原理 在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，在出現(xiàn)斷層破碎帶、溶洞、暗 河、巖溶陷落柱和洞穴淤泥帶之前，一般都會(huì)出現(xiàn)各自的明顯或不明顯的前兆標(biāo)志；這些標(biāo)志的出現(xiàn)，常常預(yù)示前述不良地質(zhì)體已經(jīng)臨近了。因此，不良地質(zhì)前兆預(yù)測(cè)法，一方面有助于掌子面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)的鑒別，也有助于對(duì)不良地質(zhì)體臨近的判斷。 ② 主要技術(shù)指標(biāo) 在地質(zhì)分析和宏觀預(yù)報(bào)、 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，不良地質(zhì)前兆預(yù)測(cè)法預(yù)報(bào)不良地質(zhì)性質(zhì)的精度： ，一般可達(dá)到 90%，經(jīng)驗(yàn)豐富者，可達(dá)到 95%以上。 、暗河和巖溶淤泥帶、巖溶陷落柱，以及老窯、老崆的判斷，一 般只能達(dá)到 50～ 80%；經(jīng)驗(yàn)豐富者，可達(dá) 80～ 90%以上。對(duì)于這類不良地質(zhì)性質(zhì)的判斷，主要還是靠超前水平鉆探。 ③預(yù)報(bào)流程 超前預(yù)報(bào)； TSP 預(yù)報(bào)的主要不良地質(zhì)時(shí)，加強(qiáng)洞內(nèi)地質(zhì)觀測(cè)和編錄； ，編寫(xiě)短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告。 ④關(guān)鍵技術(shù) 主要是隧道不良地質(zhì)體的明顯和不明顯的前兆標(biāo)志的確認(rèn)。 對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)：地質(zhì)素描法，無(wú)論單純用于保存地質(zhì)資料的地質(zhì)新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 257 編錄，還是作為一種短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，它都應(yīng)用于隧道施工的、從開(kāi)挖到貫通的全過(guò)程。 地質(zhì)雷達(dá)探 測(cè)與解譯 （ 1） 基本原理 探地雷達(dá)是一種有源電磁波裝備，其基本原理是向地下發(fā)送高頻電磁波（ 10MHz～ 1000MHz），然后接收從地下介質(zhì)中反射回來(lái)的電磁波回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的分析、研究來(lái)識(shí)別地下目標(biāo)及其特性。因此，探地雷達(dá)主要研究超高頻電磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律。由于雷達(dá)采用的是高頻電磁波，因此其具有更高的探測(cè)分辨率，同時(shí)也帶來(lái)更高的吸收和衰減作用，造成探測(cè)深度不大，一般在 200MHz 天線作用下，圍巖電阻率在幾百歐姆米時(shí)，有效超前探測(cè)深度在 30 米以內(nèi)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理見(jiàn)：《地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意 圖》。 （ 2）儀器設(shè)備 本次投標(biāo)擬采用 瑞典 MALA 公司生產(chǎn)的 RAMAC/GPR 探地雷達(dá)系統(tǒng)，投入 2 臺(tái)套。 RAMAC/GPR 探地雷達(dá)系統(tǒng) 的主要技術(shù)指標(biāo)為： 探測(cè)深度：系統(tǒng)性能為 100db，用 50MHZ 天線，電導(dǎo)率為 ，探測(cè)距離可達(dá)到 40m 以遠(yuǎn)。探測(cè)深度是衰減系數(shù)、天線頻率和介電常數(shù)的函數(shù)。即便是同一巖性，新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 258 由于空隙度或裂隙大小不同，含水量不同，從而使衰減系數(shù)變寬，相應(yīng)探測(cè)深度也會(huì)明顯不同。 天線耦合：天線耦合問(wèn)題也是影響預(yù)報(bào)效果的一個(gè)關(guān)鍵因素，匹配好壞影響天線發(fā)射功率的變化。 RAMAC/GPR 型雷達(dá)系統(tǒng)的天線在開(kāi)挖工作面上工作時(shí)，由于凹凸不平，測(cè)量時(shí)天線要移動(dòng)，不能保證與開(kāi)挖工作面的距離不變，因而必須研究彌補(bǔ)這種耦合問(wèn)題造成影響的有效途徑。對(duì)探測(cè)不遠(yuǎn)的目標(biāo)，天線與開(kāi)挖面最近接觸距離＞ 1/2 波長(zhǎng)，而對(duì)于較遠(yuǎn)目標(biāo)的探測(cè)可采用點(diǎn)測(cè)法、定點(diǎn)轉(zhuǎn)角探測(cè)法及復(fù)測(cè)法。另外，掌子面巖層保持平整，以克服耦合不良造成的信息忽大忽小以及形成假信號(hào)的問(wèn)題。 探測(cè)干擾：雷達(dá)探測(cè)時(shí)，為解決干擾問(wèn)題，采用專用支架移動(dòng)天線，避免人的感應(yīng)和天線晃動(dòng)所帶來(lái)的干擾。 分辨率：相對(duì)介質(zhì)常數(shù)如為 9m 時(shí)，橫向分辨率：用 80MHZ 天線時(shí)，在深度為 20m 時(shí)為 左右，用 100MHZ 天線時(shí)為 左右。 在開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)以前，必須依據(jù)以下條款檢查探測(cè)適應(yīng)性，其技術(shù)要求如下： 1) 探測(cè)對(duì)象與周圍介質(zhì)之間應(yīng)存在明顯電性差異且電性穩(wěn)定； 2) 探測(cè)對(duì)象與探測(cè)距離相比應(yīng)具有一定規(guī)模，探測(cè)距離不宜過(guò)大（ 30m以內(nèi)）。探測(cè)目的體在探測(cè)天線偶極子軸線方向上的厚度應(yīng)大于所用電磁波在圍巖中有效波長(zhǎng)的 1/4，在探測(cè)天線偶極子排列方向的長(zhǎng)度應(yīng)大于所用電磁波在圍巖中第一菲涅爾帶直徑的 1/4；當(dāng)要區(qū)分兩個(gè)水平相鄰的探測(cè)對(duì)象時(shí)，其探測(cè)對(duì)象間的最小水平距離 要大于第一菲涅爾帶直徑； 3) 掌子面不能被極高電導(dǎo)屏蔽層如金屬板等覆蓋； 4) 探測(cè)工作區(qū)內(nèi)不能有大范圍的金屬構(gòu)件或無(wú)線電發(fā)射頻源等較強(qiáng)的人工電磁波干擾。 新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 259 （ 3）主要技術(shù)要求 1）測(cè)網(wǎng)布置應(yīng)符合下列規(guī)定： ①要根據(jù)設(shè)計(jì)、監(jiān)理等相關(guān)單位的技術(shù)文件或合同規(guī)定布置測(cè)線，應(yīng)使檢測(cè)成果具有代表性，并能真實(shí)地探測(cè)區(qū)域的工程地質(zhì)情況； ②測(cè)網(wǎng)布置應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求，探測(cè)對(duì)象的大小與探測(cè)距離等因素綜合考慮。測(cè)網(wǎng)和工作比例尺的選擇應(yīng)以能發(fā)現(xiàn)有意義的最小異常，在平面圖上能清楚地反映出探測(cè)對(duì)象的位置和形態(tài)為原則，一般要求至少有 2～ 3 條測(cè)線通過(guò)主要探測(cè)對(duì)象。當(dāng)點(diǎn)測(cè)時(shí)，點(diǎn)距宜為 ～ ，在異常區(qū)域至少有 3～ 5 個(gè)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出異常。 2）儀器參數(shù)的選取應(yīng)符合下列規(guī)定： ① 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定天線和儀器參數(shù)，應(yīng)得出試驗(yàn)結(jié)論。天線工作頻率的選取應(yīng)根據(jù)探測(cè)目的層的埋深、分辨率、介質(zhì)特性以及天線尺寸是否符合場(chǎng)地需要等因素綜合考慮。一般宜選取中心頻率較低的天線；根據(jù)本次任務(wù)的地層條件以及探測(cè)任務(wù)，選定 100MHz 天線； ② 記錄時(shí)窗的選擇由最大探測(cè)距離、上覆地層的平均電磁波速以及雷達(dá)反射信號(hào)的質(zhì)量來(lái)確定，要保證所有可用信號(hào)全部采集。每掃描記錄時(shí)窗 一般為 200ns； ③ 采樣率宜選擇天線中心頻率的 6～ 10倍；每掃描采樣點(diǎn)數(shù)可為 1024； ④ 應(yīng)根據(jù)掌子面平整情況確定采樣方式。進(jìn)行點(diǎn)測(cè)時(shí)，應(yīng)遵循 Nyquist定律，當(dāng)探測(cè)對(duì)象變化不大時(shí)，點(diǎn)距可適當(dāng)放寬；進(jìn)行連測(cè)時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行點(diǎn)測(cè)與連測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，確定連測(cè)效果與點(diǎn)測(cè)效果相近的最大天線移動(dòng)速率為連測(cè)工作天線移動(dòng)速率。 3）現(xiàn)場(chǎng)工作應(yīng)符合下列規(guī)定： ① 當(dāng)剖面布置隧洞、陡壁、邊墻等處時(shí)，應(yīng)按工程圖的要求，同時(shí)繪新建鐵路云桂線（云南段）隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)評(píng)估投標(biāo) 文件技術(shù)部分 260 制測(cè)線分布的截面圖； ② 應(yīng)詳細(xì)查驗(yàn)測(cè)區(qū)內(nèi)及附近電磁干擾情況和干擾源位置、特性，并記錄班報(bào)； ③ 現(xiàn)場(chǎng)測(cè) 量時(shí)，應(yīng)清除天線和天線電纜附近的金屬物，支撐天線的器材應(yīng)用絕緣材料，并與承載的車架和天線操作員保持一定距離，天線操作員應(yīng)將沿線的情況進(jìn)行記錄或報(bào)主機(jī)操作員。同時(shí)，操作員應(yīng)保持對(duì)雷達(dá)顯示器的不間斷監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即報(bào)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)并進(jìn)行班報(bào)記錄； ④ 檢查工作應(yīng)均勻分布在不同測(cè)線段，重點(diǎn)選擇在主要異常地段或質(zhì)量可疑地段。檢查工作量不得少于總工作量的 5%～ 20%。 （ 4） 主要技術(shù)指標(biāo) 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)多是 TSP 等長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的（也有單獨(dú)進(jìn)行的），所以預(yù)報(bào)的精度大多超過(guò)長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 1） 有效預(yù)報(bào)距離一般為掌子面前方 20 米，經(jīng)驗(yàn)豐富者可達(dá)掌子面前方 30～ 40 米。 2） 在 TSP 長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的基礎(chǔ)上，能較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道隧洞不良地質(zhì)體的