向莆铁路青云山隧道超前地质预报实施方案1 工程概况1.1 自然地理概况青云山隧道位于福建省福州市永泰县和莆田市涵江区，起点位于永泰县岭路乡后坑垄村，穿越青云山国家4A级风景区和藤山及老鹰尖省级自然保护区。
隧道处于戴云山脉南段中低山山间地貌，山脉主要走向为北东～南西，山峰林立，沟谷深切，多悬崖峭壁。
总体地形：DK491+250～DK493+850地形标高65～590m，地形坡度相对较缓，一般20°～40°；DK493+850～DK504+700地形险峻，沟谷幽深，标高为230～1018m，中间最高山峰（对山）1031m。
地形坡度一般50°～80°，局部近90°，甚至倒悬。
DK504+700～DK513+430海拔标高为580～145m，地形坡度较缓。
1.2 不良地质概况1.2.1 岩爆地段青云山隧道最大埋深为900m，隧道埋深较大地段的硬质脆性岩主要为英安质晶屑、角砾凝灰岩、熔结凝灰岩、花岗斑岩、正长斑岩、流纹岩、次石英二长斑岩、凝灰质角砂砾岩等。
γ＝27KN/m3，硬质脆性岩单轴饱和抗压强度取Rc＝100MPa。
根据计算，青云山隧道埋深小于260m时，不会产生岩爆，埋深在260～390m范围有岩爆发生的可能或产生轻微岩爆。
埋深在390～730范围，会产生中等规模的的岩爆，埋深大于730m时，会产生较强岩爆。
以下几段硬质岩地段：DK492+250～DK493+850、DK494+500～DK495+400、DK495+700～DK498+000、DK499+100～DK500+300洞身埋深730≥H≥390m，属于中等规模岩爆区，DK500+300～DK500+600洞身埋深H≥730m，属于强岩爆区。
1.2.2 软岩大变形地段青云山隧道软质岩为K1sh2a凝灰质砂砾岩、凝灰质粉砂砾岩、细砂岩等，γ＝26.5KN/m3，软质岩单轴饱和抗压强度取Rc＝2.5MPa，经采用工程岩体分级标准判别法计算评定，DK500+600～DK505+000凝灰质砂岩隧道埋深H≥326m，位于极高应力区，DK505+000～DK505+250凝灰质砂岩隧道埋深326≥H≥174m，位于高应力区，可能存在软岩变形。
1.2.3 高地温地段正常情况下，地温随着埋深的增加而均匀上升，青云山隧道根据实测数据反算：DK492+500～DK493+250、DK494+550～DK497+900、DK499+200～DK505+300共三段，预测温度可能超过28℃，大于我国矿山劳动保护条例的保证工人身心健康和工作效率的上限温度，属于存在地温危害区域。
1.2.4弱透水层和破碎带（断层）地段青云山隧道工程区域内发现12条较大的断层破碎带，均属强富水段，最小的涌水量571.36m3/d,最大的571.36m3/d,隧道开挖将破坏原来的地下水水力平衡，在水压的作用下，沿裂隙发育及断层破碎带地段可能发生突泥、涌水现象。
由于隧道穿过的岩层存在弱透水层和破碎带（断层），隧道开挖后，形成地下水的人工排泄边界，隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙张开度增大，岩体强度减弱，变形加剧，并形成新的裂隙，这些新裂隙反过来又促进地下水向隧道的汇流，如此下去隧道施工过程中地下水会从裂隙、断层中涌入隧道，给隧道施工带来很大的难度，也会破坏青云山景区的瀑布流水。
2 地质超前预测预报2.1 地质超前预测预报的目的本标段隧道地质情况复杂，有断层、节理裂隙段，有高地温段，有软弱围岩，有岩爆地段等。
不良地质具有较强的隐蔽性。
通过地质超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面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，从而为优化施工方案提供依据，为预防隧道可能形成的灾害性事故及时提供信息，以便提前做好预防措施，避免造成损失。
通过预报，可以了解掌子面前方短距离内的工程地质条件、围岩类别，为正确选择开挖断面、支护设计参数和施工方法提供依据。
超前地质预报是保证正确选用合适的施工方案方法的重要依据，我单位拟采用的超前地质预报方法：、先采用TSP203超前地质预报仪预报前方围岩的结构特性，基本掌握断层或软岩大变形地段的大致位置，待开挖至预测的断层结构面15-20米时，再采用超前水平地质钻机进行超前钻孔，准确判断断层位置及断层内充填物的性质、富水情况及水压，判断涌水的可能性，制定相应的、可行的技术措施和施工方案并严格按方案进行施工，在超前处理措施实施后进行隧道施工，地质专业工程师进行详细的地质调查和断面地质素描，通过三者有机结合，准确判断前方未开挖地段的围岩情况及超前处理措施的效果。
2.2 超前地质预测预报组织机构施工中将超前地质预报工作作为一个工序来进行安排，成立专业超前地质预报小组，配备先进的预测与预报设备和仪器，建立地质预报管理组织机构，由总工程师任组长，工程部长任副组长，地质专业工程师、水文工程师、试验专业工程师、物探程师任成员的组织机构，配备TSP203地质超前预报仪、HSP水平声波反射仪、红外探水仪、超前水平地质钻机、数码摄像机等先进仪器以组成完善的超前地质预测预报体系，全面实施本隧道的超前地质预测预报工作。
组织机构见图1。
总工程师任组长：全面负责综合测试与超前地质预报工作，直接向项目经理负责；工程部长任副组长：组织工程地质、水文地质、物探及试验等专业人员进行超前地质预报日常工作；地质工程师：负责隧道工程的地质超前预报和调绘、监测以及测试、试验资料的分析、研究，提出施工工程措施建议；水文工程师：负责水文地质调绘、测试及隧道涌水量的预测与环境水文地质评价；物探专业工程师：负责物探测试工作；试验专业工程师：负责岩、土、水样的测试、试验工作。
2.3 超前地质预测预报的方法为保证隧道的顺利施工，避免地下水发育地段突水、突泥的发生，防止地表水、地下水流失，破坏青云山景区生态环境，确保隧道施工安全，需要采取有效措施对隧道掌子面地质情况进行较为准确的预测预报，根据隧道的具体情况，判定超前地质预报内容并纳入工序管理之中。
经过超前地质预报，在开挖后对地质条件再次认知，通过对比反馈信息和分析，逐步提高对围岩的预报判释的准确性。
超前地质预报的工作程图2 超前地质预报工作内容程序图2.3.1超前探测主要针对地下水发育地段的断层破碎带及其影响带、岩层接触带、构造及发育带2.3.1.1超前物探长距离超前物探：首选方法为TSP203地质探测仪（探测距离约200m），对比方法为水平钻孔超前探测。
TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域的地质状况。
它是在掌子面后方边墙一定范围内布置一排爆破点（间距1.5米），进行微弱爆破，产生的地震波在隧道前方体内传播，当岩石强度发生变化，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号、返回的时间和方向差别越大，通过专用数据处理软件处理得到岩体强度变化界面的信号也就越强。
返回信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大，通过专用数据处理软件处理，得到岩体强度变化界面的位置及方位。
见TSP203地质预报系统现场测试示意图3。
图3 TSP203地质预报系统现场测试示意图TSP203地质预报系统的操作方法：在距开挖掌子面5米处的边墙上（按示意图）布置探测爆破点，间距1.5米，用风枪在布点处垂直打眼，深度为150㎝，在靠近掌子面同侧边墙上打一排爆破点。
在距掌子面55米处同侧边墙上打一接地孔（深2米）。
将爆破孔内渣粉用高压风吹干净后装0.05KG炸药，用电雷管逐个起爆。
将TSP203探头放入接地孔并抵紧孔底，启动TSP203地质预报系统，待系统正常后，指挥人员发令起爆，待地震波信号在系统中传输完毕后保存图像，然后进行分析前方地质情况。
2.3.1.2水平钻孔超前探测采用钻孔超前探测，钻孔孔径≥50mm，钻孔长度≥60m，准确探测前方围岩的地质情况，并对TSP203地质预报系统的超前探测成果进行验证。
在TSP203地质预报系统的分析基础上，只能描绘前方围岩断层破碎带的准确位置、围岩完整程度及坚硬程度的大致情况，但不能准确判定含水情况。
因此，为了更准确判定断层内的充填物及含水情况，在距TSP203地质预报系统的分析的破碎带界面30米，用水平钻孔进行超前探测。
超前探孔每循环原则上设3个，钻孔深度不小于60m，两循环之间搭接长度不小于5m。
3个探孔中其中一个须采用地质钻机进行取芯，通过对芯样完整程度的分析及钻孔速度的快慢、钻孔出水的清浊及水压，来判断对掌子面前方地质情况，根据钻孔的出水量及水压可判定前方围岩的富水情况及涌水可能性的大小。
采用超前水平钻孔可以最直接的揭示掌子面前方的地质特征，准确率很高。
采用长短钻孔相结合，并结合其它探测成果，可取得良好效果。
超前水平钻孔采用MK50型地质钻机施工。
探孔布置如图4所示。
图4 探孔布置示意图根据预报及探测的结果，分析判定围岩的级别，决定是否采取预注浆或超前支护、加强支护等措施。
2.3.2常规地质法2.3.2.1 超前上导开挖揭示在Ⅳ级围岩段采用台阶法施工时，上道坑超前下导坑可达到50-100米、通过上导坑的开挖揭示隧道围岩的真实情况，做好掌子面与侧壁的量测和地质素描。
主要工作有：对应位置的里程桩号、底层岩性特征、结构面性质与产状及发育程度、岩体破碎程度与充填情况、洞壁变形破坏特征、突泥与坍方部位。
方式与规模及其随时间的变化特征。
为了确保上导坑的安全施工，必须辅以TSP203地质预报系统的超前地质探测及预报分析。
2.3.2.2洞内涌水的实时监测①上导坑各涌水点（掌子面炮眼涌水）的实时监测。
检测内容包括：各涌水点空间分布、水量、水压、水质与同位素化学，各涌水点位置（里程）、地层岩性、裂隙与岩溶发育等特征。
②上导坑洞身涌（突）水的动态监测。
包括：涌（突）水的地质档案、水量、涌（突）水的空间分布、单点涌（突）水及其动态、涌（突）出机制、涌（突）水的化学与同位素化学动态特征等。
③上导坑洞内气温与湿度的实时监测2.3.2.3 洞外实时监测岩溶水地表排泄点检测包括：天窗、泉点和暗河的水量及动态、水化学与同位素化学变化特征等。
地表河流排泄点检测包括：隧道通过地带上下游河水流量及动态、水化学与同位素化学变化特征等。
拟选3～5各控制断面，要求每5～10天检测一次。
大气降水与气温检测：隧道所处地段设3～5各监测控制点，要求每天监测。
根据勘测资料以及超前地质预报工作和实施的洞内外监测所获得的资料，进行综合分析，对隧道内可能发生大规模（高压）涌（突）水突泥的地段施工方案进行设计。
超前地质预报流程见图5.18。
2.3.3岩爆的预测预报岩爆是地质高应力状态下的应力突然释放。
在隧道埋深大于400米的地段进行岩爆预测和采取逐步释放应力等措施，确保隧道施工安全。