阳泉至五台山高速公路阳泉至盂县段A1-1合同段维社隧道超前地质预报施工方案中国建筑股份有限公司阳五高速公路A1-1合同段2008年11月阳泉至五台山高速公路阳泉至盂县段A1-1合同段维社隧道超前地质预报施工方案编制：审核：审批：中国建筑股份有限公司阳五高速公路A1-1合同段目录1．工程概况 (1)2．编制依据 (3)3．主要预报内容 (3)4．主要技术措施 (3)5．超前地质预报的主要方法 (4)5.1 TSP法 (4)5.2 其它方法 (7)6．TSP探测方法实施方案 (9)6.1 TSP探测程序 (9)6.2 TSP探测具体方法 (9)7．安全措施 (10)7．TSP探测组织机构 (12)附件：TSP 观测系统设计及准备工作要求 (12)1．工程概况阳五高速公路阳泉至盂县段A1-1合同段维社隧道，位于平定县维社-里社一线东侧500m左右，为分离式隧道。

左线阳泉端里程ZK0+500，洞底设计标高684.79m，盂县端里程ZK4+075，洞底设计标高710.86m，总体走向为325°～355°，全长3575m，属于特长隧道，隧道顶板最大埋深约82.57m，位于ZK1+000处；右线阳泉端里程YK0+535，洞底设计标高685.215m，盂县端里程YK3+985，洞底设计标高714.07m，总体走向为325°～355°，全长3450m，属特长隧道，隧道顶板最大埋深约82.51m，位于YK1+020处。

左线与右线基本平行，相距约50m。

隧道设计净空(宽×高)为：10.25m×5.0m，设计行车速度80km/h。

隧道围岩级别及地质状况情况表见表1-1。

隧址区位于山西省中东部，太行山西麓。

由于受地质构造和长期的侵蚀、剥蚀作用，地形起伏较大，沟谷纵横，地形条件复杂，总体趋势西北高东南低，呈阶梯状，倾斜坡度15°左右。

最高点为分水岭处，海拔1339.5m，最低点位于桃河谷底，海拔522.5m，相对高差817m。

根据地表形态特征及其成因类型，将项目区划分为黄土覆盖低山区、河谷阶地区、构造剥蚀基岩低山区、黄土丘陵区、山前倾斜平原，同一地貌单元呈不连续分布。

隧址区地层结构较为复杂，经工程地质调绘和勘探揭示，勘察区地层由第四系全新统人工堆积层及冲洪积层（Q42ml、Q4al+pl）、第四系上更新统风积层及冲洪积层（Q3eol、Q3al+pl）、第四系中更新统冲洪积层（Q2al+pl）、上第三系上新统冲洪积层（N2al+pl）、石炭系上统（C3）、中统（C2）及奥陶系（O2）中统沉积岩构成。

隧道地貌属黄土覆盖低山区。

隧道围岩主要由第四系上更新统马兰组（Q3m）黄土及中更新统离石组（Q2l）粉质粘土，石炭系上统太原组（C3t）砂岩、泥岩，石炭系中统本溪组（C2b）砂岩、泥岩、灰岩、铝土页岩，奥陶系中统峰峰组（Q2f）石灰岩组成。

隧道进口围岩岩性为奥陶系中统峰峰组（Q2f）中～薄层石灰岩，强～弱风化，层间结合较差，节理发育，受F4断层影响，岩体较破碎，呈裂隙块状结构，自然开挖围岩无自稳能力，岩层产状320∠5°，围岩级别划分为左线Ⅴ级，右线IV级。

隧道出口围岩岩性为石炭系上统太原组（C3t）砂岩及石炭系中统本溪组（C2b）灰岩、泥岩等组成。

强～弱风化，层间结合一般，节理发育，岩体破碎，呈破裂结构，无地下水，自然开挖围岩无自稳能力，围岩级别划分为Ⅴ级。

隧址区实测有两条断层（F4、F6）, 为正断层，推测有一条断层（F5）,为逆断层。

勘察期间地表水主要为隧址附近的十二局水库，钻孔未揭露地下水。

隧道进出口工程地质条件较差，进出口围岩级别为Ⅴ级；洞身围岩为Ⅲ～Ⅴ级，工程地质条件一般。

隧址区无不良地质。

表1-1隧道围岩级别及地质状况情况表2．编制依据（1）有关的工程地质勘察报告（2）有关设计文件、图纸，山西省交通规划勘察设计院（3）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）（4）《公路工程地质勘察规范》（JTJ064-98）（5）《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）（6）《铁路工程物理勘探规程》(TB10013-2004)（7）《大地电磁测深法技术规程》(DZ/T0173-1997)（8）《铁路隧道新奥法指南》，铁道部基本建设总局，19883．主要预报内容根据维社隧道施工中可能遇到的主要工程地质问题，并结合当前隧道施工技术，确定该隧道超前地质预测预报的主要内容有：（1）隧道施工影响范围内的断层及隧道岩相变化带；（2）隧道设计围岩分级的准确性，为围岩变更提供依据；（3）其他可能存在不良地质条件的位置段。

4．主要技术措施目前，隧道地质超前预报有很多方法，受各种条件的限制，不同的预报方法有各自的优缺点。

本工程由于地质条件并不复杂，地质勘察未发现不良地质。

因此，采用TSP超前地质振探仪进行洞内探测的超前地质预报手段，对各级围岩，尤其是Ⅳ、Ⅴ级围岩及断层段进行超前预报，以此指导整个施工过程。

按设计文件要求，根据实际情况，合理选用工程地质调查分析推断法、TSP法、超前地质钻探等方法，预测和探查可能引发灾害的不良地质现象，如断层破碎带、软弱夹层等，及时反馈指导信息化设计与施工，对前方软弱围岩或其它不良地质体提前主动采取相应加固处理措施，有效控制地质灾害，确保隧道施工安全。

同时也应对围岩类别变化的地段，提出或建议优化的支护方案。

本项目采用TSP进行“常规超前地质预报”；对TSP发现的不良地质段（如岩溶、突水、突泥等不良地质条件段），必要时用地质雷达辅助进行“重点预报”以加强预报的准确性；同时，对于已经探明的特殊地质灾害突发地段，应利用超前地质钻探与超前预报相配合，进行“跟踪排查预报”，最终形成采用工程地质调查分析推断法、地质雷达、TSP法、超前地质钻探等进行综合预报的手段，以提高预报的准确性。

5．超前地质预报的主要方法本项目隧道施工地质超前预报工作内容和需要达到的目的：(1) 资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸。

(2) 补充地质调查。

(3) 洞内地质调查和掌子面地质素描。

(4) 物探方法的选择和现场实施掌子面探测。

(5) 探测成果分析。

(6) 隧道工程岩体分级。

(7) 预报报告的内容及报告的提交。

通过资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸和补充地质调查，确定隧道施工地质超前预报重点段，减少预报的盲目性和预报经费使用的有效性。

洞内地质调查和掌子面地质素描是隧道施工过程中的地质工作，是开展隧道施工地质超前预报的基础工作，也是对隧道设计地质资料的补充和完善，更为隧道运营阶段隧道病害整治提供完整的隧道地质资料。

5.1 TSP法TSP200超前地质预报系统，是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的，是目前在该领域的最先进设备，它能方便快捷预报掌子面前方100－200m范围内的地质情况，包括隧道前方岩性的变化、破碎带和软弱层的位置宽度、是否含水、是否存在不良地质体等，通过探测为隧道工程以及变更施工工艺提供依据。

这将大大减少隧道施工带来的危险性，减少人员和机械损伤，同时也带来了巨大的经济利益和社会效益。

TSP法是本项目采用的主要方法。

（1）测试仪器采用瑞士Amberg测量技术公司最新生产的TSP200型(Tunnel Seismic Prediction)超前地质预报系统设备。

与TSP202相比，TSP200在硬件设计和软件设计等方面都作了较大改进，其软件编程除了考虑与WINDOWS视窗的兼容之外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的灵活性。

图1为TSP200系统组件简图。

图 1 TSP200系统组件简图（2）探测原理像所有振动测量方法一样,TSP测量方法也需要振动发射源和接受装置。

TSP测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，当波在隧道前方遇到异面时，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。

放射信号经过一段时间后到达接受传感器，被转换成电信号并进行放大。

从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的，通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来；同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

图 2 为TSP超前预报测量原理，图3为TSP200系统组件标准测量图示。

图 2 TSP超前预报测量原理图 3 TSP200系统组件标准测量图示为达到探测隧道前方和周围地质情况的目的，在TSP测量系统中使用了三对高敏加速度传感器，三对加速度传感器通过一根金属杆连接在一起，分别以平行和垂直隧道轴线的方向定位在专门的传感器钻孔内，传感器的这种布置方式能保证接收有各种不同角度反射回来的反射信号，使用三对水平和垂直布置的传感器还能有效地减少干扰信号的影响。

由传感器采集到的振动信号经过模数转换器转换后存储在一台小型计算机上，整个测量过程也是通过这台计算机来完成的。

测量工作结束后将存储在小型计算机上的地震信号作进一步的分析处理之用。

TSP测量系统配备有专门的分析软件，分析软件的主要任务之一是对测量信号进行各种数值滤波、选择放大等，以获得清晰的反射图象。

分析软件的另一功能是将反射波图象所提供的信息与隧道的空间坐标结合起来，通过一系列的数学运算求出反射事件本身的空间位置以及与隧道的相对位置。

这些数学运算的结果和解释正是TSP地质超前预报的最终结果。

5.2 其它方法在TSP法探测到掌子面前方有不良地质情况而又不是很明确时，采用其它方法进一步探明确认。

（1）地质雷达，原理和TSP203一样，不同的是地质雷达采用的是电子雷达波。

因探测结果受读图人员的限制较大，不易搬运，一般用于遂底空洞监测。

其主要措施如下：1）现场数据采集主要是在掌子面上进行，采集前应对掌子面进行平整处理，使雷达天线与掌子面能有较好的藕合。

2）在掌子面附近应没有其它的金属物体。

3）雷达测线在掌子面上呈“＃”字形布置，测线长度根据天线长度决定，在有限的掌子面上尽可能的长。

4）一般应采取连续观测方式。

（2）水平超前探孔，探测结果直观，隧道前方有水、泥、空洞以及围岩强度情况等极易掌握，设备成本相对较低，操作简单。

目前被普遍采用，学术界和施工人员也都普遍认为这是地质预报最有效的方法。

（3）超长炮孔，在钻爆时，采用拱顶一个边墙各两个（数量视现场情况适当调整）4～5m的超长炮眼，也可探查前方围岩情况。

在施工地质预报工作中，坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探的结合、地质方法与物探方法的结合、长距预报和短距预报方法相结合、物探方法与超前水平钻探的结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿整个施工过程。