隧道监控量测与超前地质预报技术建议.doc

隧道监控量测与超前地质预报技术建议1编制依据（1）隧道工程地质勘察报告；（2）公路隧道施工设计图；（3）交通部公路隧道设计规范（JTG D702004）；（4）交通部公路隧道施工技术规范（JTJ04294）；（5）锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB500862001）；（6）建筑变形测量规范（JGJ 82007）；（7）工程测量规范（GB500262007）。2隧道基本情况沔渡隧道情况复杂，围岩以花岗岩为主，花岗岩在侵入过程局部地段存在石英砂岩捕虏体，洞身全、强风化带厚度大且差异风化强烈。该隧道掌子面（左洞xK13+093、右洞yK12+964）出露为中风化为主的花岗岩，岩质较硬，岩体节理发育，且发育一组贯通掌子面的水平节理，综合分析应为级围岩。3监控量测与超前地质预报的目的和意义监控量测的目的和意义（1）通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性。（2）保证在隧道开挖过程中依据量测断面的信息，确定不同围岩级别与支护型式的合理配置，以达到确保安全的经济的合理。（3）用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计、指导施工，为修改施工方法、调整围岩类别、变更支护设计参数提供依据。（4）通过施工现场的监控量测，确定二次衬砌合理施作时间。（5）通过监控量测对工程施工可能产生的环境影响进行全面的监控。（6）通过监控量测进行隧道日常的施工管理，确保施工安全和施工质量。（7）通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。超前地质预报的目的和意义通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。4隧道监控量测与超前地质预报的内容与方法监控量测的内容（1）工作面工程地质和水文地质情况观察和描述：包括围岩类别名称，风化变质情况，断层、层理、节理等结构面的分布、走向、产状及频率，有无偏压或膨胀地压，工作面及毛洞自稳情况，地下水情况及影响等内容，并以表格和素描形式记录。（2）工作面附近初期支护状态观察和已成洞的支护效果观察：包括锚杆锚固效果，喷层开裂部位、宽度、长度及深度，模筑混凝土衬砌的整体性，防水效果等，也以表格和素描形式记录下来。根据各隧道穿越地层地质、隧道埋深以及隧道施工方法等具体情况，为及时提供施工所需的围岩稳定程度和支护结构的状态，以保证施工安全，提高施工效率，拟将施工监测分为必测项目和选测项目。监控量测项目及方法见表1。表1 监控量测项目及方法序号项目名称方法及工具布置量测间隔时间115天16天1个月13个月大于3个月必测项目1地质和支护状况观察岩层、岩性，结构面产状及支护裂缝观察或描述,数码相机、地质罗盘及规尺等开挖后及初期支护后进行每次爆破后进行观察2周边位移量测各种类型的收敛计每550m一个断面，每断面26对测点12次/天1次/2天12次/周13次/月3拱顶下沉量测水准仪、水准尺、钢尺或测杆每550m一个断面，每断面26对测点12次/天1次/2天12次/周13次/月4地表下沉量测水准仪、塔尺当每550m一个断面，每断面至少7个测点。中线每520m一个测点开挖面距量测断面前后2B,12次/天开挖面距量测断面前后5B,1次/周选测项目5锚杆内力量测锚杆测力计每一环检测1根锚杆6围岩内部位移量测(洞内设点)洞内钻孔安设单点、多点杆式或钢丝位移计每一级围岩段选一断面，每断面311个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月7围岩内部位移量测(地表设点)地表钻孔安设各类位移计每一级围岩段选一断面，每断面311个测点同地表下沉要求8围岩压力及支护间压力量测各种类型压力盒每一级围岩段选一组，每组35个测点12次/天 1次/2天12次/周13次/月9支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测各类混凝土内应变计、应力计、测缝计及表面应力解除法每一级围岩段选一组，每组25个断面，每断面711个测点12次/天1次/2天12次/周13次/月10钢支撑内力量测各种类型压力盒采用钢支撑地段每10榀钢拱支撑一对测力计12次/天1次/2天12次/周13次/月监控量测的频率除按照表1中常规量测频率外，为更好的反映隧道施工实时动态，还应按照位移速度确定量测频率。量测频率原则上采用两种方法确定的较高值。按照位移速度确定量测频率的标准见表2。表2 按照位移速度确定量测频率位移速度(mm/d)监控量测频率52次/d151次/d0.511次/23d0.20.51次/3d1.50.61.50.20.60.060.20.06延伸性较差差中等好极好较完整粗糙度明显台阶状粗糙波纹状平整光滑平整光滑有擦痕较碎张开性（mm）密闭1.0黏土充填破碎风化程度未风化微风化弱风化中等风化强风化松散简要说明施工情况地下水渗水量L/(min.10m)干燥25偶有渗水25125经常渗水干燥或湿润偶有渗水经常渗水埋深 H围岩级别备注掌子面素描观测人日期编录人日期隧道之间间距较小，可能存在相互影响时，量测范围应适当加宽。测点应埋水泥桩，测量放线定位，用精密水准仪量测。隧道开挖距测点前30m处开始量测，隧道开挖超过测点20m、并待沉降稳定以后停止量测。地表下沉测点布置见图2、3和4。图2 隧道地表下沉量测断面布置图图3 隧道小净距段地表下沉量测断面布置图图4 连拱隧道地表下沉量测断面布置图4.2选测项目选测项目包括围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、围岩与喷射混凝土间接触压力量测、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测、喷射混凝土内应力量测、二次衬砌内应力量测、钢支撑内力量测、衬砌裂缝及表面应力量测。这类量测是必测项目的拓展和补充，是对特殊地段、或有代表性的地段进行量测，以便更深入地掌握围岩稳定状态与支护效果。对未开挖地段提供参考信息，指导未来设计和施工。选择项目安装埋设比较麻烦，量测项目较多、时间长、费用较大，但工程竣工后还可以进行长期观测。这类项目量测主要选择隧道地质和结构复杂、特殊的地段进行。断面及测点的布置应优先考虑围岩具有代表性、施工方法和支护参数发生变化地段。选测项目的量测手段和方法如下：(1) 围岩内部位移量测沿隧道围岩周边分别在拱顶、拱腰和边墙位置共打7个深孔，孔深3.7m5m、孔径50，采用5点杆式多点位移计量测，一个断面共35个测点。量测断面尽可能靠近掌子面，及时安装，测取读数。图5 隧道围岩内部位移量测布置图(2) 喷射混凝土应力量测沿隧道的拱顶、拱腰、边墙顶及边墙底喷射混凝土内布置7个测点，每测点测试环向和切向应力，共埋设14个应变计。围岩初喷以后，在初喷面上将应力计固定，再复喷，将应力计全部覆盖并使应力计居于喷层的中央，方向为环向和切向。喷射混凝土达到初凝时开始测取读数。图6 隧道喷射混凝土应力量测布置图(3) 二次衬砌应力量测二次衬砌应力量测沿隧道的拱顶、拱腰、边墙顶及边墙底混凝土内埋设7组应变计，应变计传感器埋设在二衬混凝土内、外两侧，在混凝土浇筑前，将应变计固定在待测位置，为隧道切线方向，每个断面14个应变计。图7 隧道二次衬砌应力量测布置图(4) 复合式衬砌围岩压力量测沿隧道周边拱顶、拱腰、边墙顶、边墙底及仰拱底埋设压力传感器，将双膜钢弦式压力盒分别埋设在围岩与喷射混凝土之间和喷射混凝土与二次衬砌之间。围岩与喷射混凝土之间的压力盒是在喷混凝土施工以前埋设；喷射混凝土与二次衬砌之间的压力盒是在挂防水板之前进行安装，分别测取围岩对喷射混凝土压力和喷射混凝土对二次模注混凝土衬砌的压力。混凝土达到初凝强度以后开始测取读数。埋设时，压力盒承压面(压力盒比较光的一面)紧贴围岩面(测围岩压力时)和喷射混凝土面(测层间接触压力时)，压力盒与围岩或喷射混凝土接触面要平整，可用水泥砂浆或石膏将岩面或喷混凝土面抹平，再将压力盒贴上去。每个断面围岩与喷射砼间压力盒共7个，喷射砼与二次衬砌间压力盒共7个。图8 隧道复合式衬砌围岩压力量测布置图(5) 钢支撑内力量测钢支撑内力量测采用钢筋计量测，把钢筋计焊接在钢支撑内缘和外缘上，量测钢支撑内力。钢支撑安装完以后即可测取读数。量测断面的测点布置位置与喷射混凝土轴向应力测点布置位置相同，每个断面共20只钢筋计。图9 隧道钢支撑内力量测布置图(6) 锚杆拉拔试验锚杆抗拔试验是为了掌握锚杆能承受的最大拉力，是锚杆材料、加工与施工安装质量优劣的综合反映。锚杆抗拔力量测方法较多，有直接量测法、电阻量测法以及快速量测法等。一般采用快速量测法，即采用锚杆拉力计进行量测，此设备简单主要有千斤顶和手压泵两部分组成。具体量测时，先把锚杆测力计接头固定到锚杆上，然后用钢丝编织胶管接上手压泵，再上下均匀摇动手压泵，当压力表上的读数达到要求时，停止摇动手柄，回油、卸下设备即可。监控量测方法地表沉降监测；建筑物的沉降监测；建筑物的开裂监测；隧道拱顶变形监测；隧道收敛变形监测。超前地质预报的内容（1）不良地质预报及灾害地质预报：预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议；（2）水文地质预报：预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响；（3）断层及其破碎带的预报：预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策；（4）围岩类别及其稳定性预报：预报掌子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等；（5）预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化； 超前预报的方法1.直接预报法1.1 水平钻孔在隧洞内安放水平钻机进行水平钻进，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来预报。此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。水平钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可在主洞工作面上进行钻探，用以获得准确可靠的地质资料，确保施工组织。该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况。该法是施工预报最有效方法之一，但也存在不足之处：对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差；需占用较长的施工作业时间，费用较高。1.2 超前导坑按导坑与正洞的相互位置分为平行导坑和正洞导坑。其中，平行导坑与正洞平行，断面小且和正洞之间有一定距离，通过对导坑开挖中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质记录与分析，进而对正洞地质条件进行预报。该法的优点是：预报成果比较直观、精度高、预报的距离长、便于施工人员安排施工计划和调整施工方案，还可以起到减压放水、改善通风条件和探明地质构造条件的作用，同时，还可用作排除地下水、断层注浆处理、扩建成第二条隧洞之用。正洞导坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用与平行导坑相比，效果更好。超前导坑的缺陷为：一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是施工工期较长。2 地质分析法2.1 断层参数预测法利用断层影响带的特殊节理或集中带的分布规律，通过对断层影响带的系统编录所得经验公式，来预报隧洞断层破碎带的位置和规模。由于大多数不良地质现象与断层破碎带有密切的关系，故依据断层破碎带推断其它不良地质体的位置和规模。2.2 地质体投射法在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测定不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体透射公式进行预报。2.3 正洞地质编录与预报隧洞施工中，及时对其开挖面(掌子面、边墙面和拱顶面)上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。它分为岩层岩性和层位预测法：在开挖面揭露岩层与地表某段岩层为同层和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预测掌子面前方将要出现的岩层；地质体延伸预测法：在长期预报得出不良地质体厚度的基础上，依据开挖面不良地质体的产状和单壁始见位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方消失的距离。该法是对开挖面地质情况如实而准确的反映。其主要内容包括地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护采用方法等。其优点是占用施工时间很短，设备简单，不干扰施工，成果快速，预报效果较好，而且为整个隧洞提供了完整的地质资料；缺点是与隧洞夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。3 物探法3.1 弹性波法3.1.1 TSP超前预报技术TSP(Tunnel Seismic Prediction)超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。它可以在钻爆法或TBM开挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。数据采集时在隧洞一边侧墙等间隔钻制20余个炮孔，而在两侧壁钻取2个检波器孔，使检波器置入套管中，依次激发各炮，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，该过程所需时间约1小时。然后利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律，其分析过程为：数据调整带通滤波首波拾取拾取处理炮能量平衡直达波损耗系数Q估算反射波提取P波、S波分离速度分析纵向深度位置搜索反射界面提取等，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。实践表明该法有效预报距离100200m。通过分析反射波速度，即可进行时深转换，由隧洞轴的交角及洞面的距离来确定反射层所对应界面的空间位置和规模，再结合P波和S波的动力学特征，遵循以下原则来推断地质体的性质：正反射振幅表明进入硬岩层，负反射振幅表明进入软岩层；若S波反射较P波强，则表明岩层饱水；Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起；若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。TSP超前预报技术作为一种比较先进的探测手段已在我国水利、水电、铁路、公路、煤炭等系统的各类隧洞或地下洞室工程中得到应用，如正在建设中的宜万铁路野三关隧洞、辽宁大伙房水库引水隧洞、云南元磨高速公路的大风垭口和布垅箐隧洞等工程。它具有预报距离相对较长、精度较高、提交资料及时、经济等优点，尤其与隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（含溶洞）以及地层的分界面等效果较好。而对不规则形态的地质缺陷或与隧洞轴线平行的不良地质体，如几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞、暗河及含水情况探测有一定的局限性。3.1.2 地震负视速度法它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情况。在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。该法具有明显的方向特征，可有效区分掌子面前方反射信号与周围干扰信息，提高了识别物性界面的精确度，能对其进行较为准确的定位，预报距离可达100以上。观测时在已开挖洞段的侧壁或底部布设，距掌子面一定距离布设一激震点和一系列接收点，采用多炮共道或多道共炮。当偏重于运动学特征参数的应用时共炮与共道两种记录方式可任意选用；当要求测试设备简化与强调接收条件一致性时，宜采用多炮共道式；当强调动力学参数的对比利用时，则宜选用多道共炮方式。为获取“负视速度”，震源应在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收。根据需要与设备条件，可采用单分量、三分量或组合检波器。负视速度法的原理与TSP法基本相同，只是数据处理软件的开发尚难赶上TSP法。此法在实施预报时不占用开挖工作面，对施工干扰相对较小，在铁路隧洞工程中是常用的预报方法之一，如在渝怀铁路圆梁山隧道正洞、平导和迂回导坑以及朔黄铁路长梁山隧洞施工中，均采用了负视速度法，取得了较好的预报效果。3.1.3 TST超前预报技术TST(Tunnel Seismic Tomography)超前预报系统是通过可视化地震反射成像技术预报隧洞掌子面前方150m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。该法数据采集用多道数字地震仪，处理软件为三维地震分析成像系统。它充分运用地震反射波的运动学和动力学特征，具有岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。洞内观测时检波器埋入岩体11.5m，以避免声波和面波干扰。可采用爆炸或锤击激发地震波。TST软件包括地震数据预处理和偏移成像等功能。预处理功能包括：噪声和干扰切除；滤波和面波清除；小波分析与信号加强；地震波能量吸收谱分析；地震波走时拾取。偏移成像功能包括：速度扫描分析与岩体工程类别判别；方向扫描与构造产状分析；地质界面速度偏移成像；岩体完整性吸收偏移成像；地震波走时地质界面反演成像；断裂与破碎带智能识别；该技术在云南明珠隧洞应用取得了良好的效果，所得成果为：地质界面波速偏移成像；岩体吸收特性偏移成像；地震波走时反演成像；3.1.4 水平声波剖面法(HSP)它利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号(接收频率为声波频段的地震波)，求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。观测时在隧洞的两个侧壁分别布设震源和检波器，按其相对位置设计成两种观测方式即固定激发点(或接收点)和激发与接收点相错斜交方式。震源在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收，构成“水平声波剖面”。利用时差和频差与地质相结合的方法确定反射面的空间方位并“投影”到该剖面上，从而确定反射面的空间位置及性质。其特点是各检测点所接收的反射波路径相等，反射波组合形态与反射界面形态相同，图像直观，同时观测时也不影响掌子面的掘进。该法已在工程中得到应用，如渝怀铁路的圆梁山隧洞、千溪沟隧洞等，均取得了较好效果。目前，该法数据采集单元和现场实测过程进行了较大的改进，可以在开敞式TBM法施工的隧洞中掘进机不停的情况下进行测试，因而具有较大的优越性，但尚处于研制和初步应用阶段，例如在辽宁大伙房引水工程TBM2隧洞中进行试验。3.1.5 TRT真地震反射成像技术TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测，它是美国NSA工程公司近年开发的新方法，国外已实际应用。该法在观测方式和资料处理方法上与TSP法及负视速度法均有很大不同，它采用空间多点激发和接收的观测方式，其检波点和激发点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使前方不良地质现象的定位精度大大提高；它的数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像，不需要走时，因此，对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度，而且还具有较大的探测距离，应该说较TSP法有较大的改进。由实际应用知，TRT法在结晶岩体中的探测距离可达100150m，在软弱的土层和破碎的岩体中尚可预报60100m。该法成功应用的例子很多，较典型的是奥地利的通过阿尔卑斯山的铁路双线隧洞施工中进行了全程的超前预报。由于多种因素，目前国内尚未引进该技术。3.1.6 陆地声纳法它是“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”的简称，可在狭小的场地和基岩裸露的条件下，探查岩溶等有限物体。也称为高密度地震反射或地震映像法。施测时采用极小偏移距地震波激发接收系统，进行单点测量或在激震点两侧对称位置上各设一检波器，一次激发两道接收。源检距的大小根据最小探查深度而定，以目的体反射波不受先到的干扰波影响为准。为提高分辨率，需激发和采集高频信号。采用电声转换声学发射装置来激发频率为几千赫至几十千赫的弹性波。由于可采集很宽频率的反射信号，故可以用分窗口带通滤波的方法处理资料，分别提取不同频谱的信息，以突出不同规模的探查对象的反射图像。该法具有分辨率高、可避开许多干扰波、反射波能量高、探查岩溶和洞穴效果好、图像简单易辨等优点，但需占用开挖面工作时间且实测剖面较短。已在云台山铁路隧洞、南昆线铝厂隧洞等工程中应用，预报距离50100m。3.1.7 面波法分为稳态法和瞬态法。稳态法在掌子面上放置一个激振器，用计算机控制激振器使其产生各种不同波长的波面，用两个拾振器同时接到不同方向的振动波，由计算机算出每一种波长的面波传播速度，根据面波的勘测深度等于波长的二分之一的原理，即可得到一组不同深度的面波平均速度的分布规律，不同介质面波的传播速度不同。从不同面波速度分布图，就可以反应出地质构造的不同介面，如断层、地下水等特性变化。瞬态法由于排列长度的关系未见实际应用的报道。此法需要的场地较小，适合在地下洞室开挖面上工作，探测深度也能满足施工预报的要求，对资料的分析判断可在现场进行，操作简便。已在南岭隧洞中应用，很清楚地发现距工作面几米处的断层破碎带。但该法在开挖面上能探测多远的距离，尚需进一步实验研究。3.2 地质雷达技术利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。当前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m。雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。应用地质雷达进行超前预报，在钻爆法施工的隧洞中使用相对较多，如太平驿水电站引水隧洞、海南高速公路东线大茅隧洞等工程中应用，均取得了较好的应用效果。由于探测时需要占用掌子面的工作时间，故在掌子面上测试时需要停机进行，因而TBM法施工的隧洞中应用时需作特殊研究解决。3.3 红外探水法由于所有物体都发射出不可见的红外线能量，该能量大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是在已挖洞段按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。掌子面上9个数据的最大差值大于10w/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。红外探测的特点是可以实现对隧洞全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧洞外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、赋水形态、具体位置没有定量解释。3.4 BEAM法BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)，这是当前国际上唯一的一种电法超前预报方法，是由德国GEOHYDRAULIC DATA公司推出的产品。它是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外围的环状电极发射一个屏障电流和在内部发射一个测量电流，以便电流聚焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE(Percentage frequency effect)的变化，预报前方岩体的完整性和含水性；它的另一个特点是所有的装置都安装在盾构挖掘机的刀头(测量电极)和外侧钢环(屏蔽电流)上，也可装在钻爆法施工钻头的前方(测量电极)及两侧钢架(屏蔽电流)上，随着隧洞掘进，连续不断获得成果，并适时处理得出掌子面前方的PFE曲线。由此预报前方岩体的性状及含水情况。这种仪器在欧洲许多国家都已得到应用，但在我国尚未引进。4 地质物探综合分析法要推动隧洞超前预报水平，提高预报准确度，就必须将地质调查方法与多种物探方法有机结合起来，对地质物探资料进行系统处理和综合分析。其工作方法和主要内容为： 收集、熟悉地质资料：了解工程区内宏观的地质环境、大型构造形迹的发育分布规律以及工程围岩所处的具体构造部位、岩体的结构特征、节理裂隙发育程度、岩体完整性、岩石(体)强度、地下水状态等；掌握全隧洞的地质背景，指出存在的不良地质问题和地段，还要知道各段围岩的稳定程度、可能发生地质灾害的位置、规模、性质和防治措施，目的在于保证隧洞施工设计、施工方法和措施能顺应地质情况的变化适时做出调整和修改。 施工地质编录：对已开挖洞段地质状态作详细真实的描述，可作为超前预报的依据，该内容包括岩性、岩石坚硬程度及完整情况、断层及破碎带、节理裂隙、地下水状态、不良地质现象等作编录。 围岩特性测试：根据工程需要，对岩石物理力学特性进行补充测试，如岩石点荷载强度、岩石回弹值、岩体弹性模量、软弱面剪切强度等，有时还应进行初始地应力和二次应力场的测试等。上述数据是预报围岩稳定性的重要参数。 地球物理探测：根据岩体不同物理性质量测一定距离以内的物理力学参数的变化，据此判断出隧洞工作面前方的地质情况。采用多种物探仪器进行超前探测，常用的物探方法有地震反射、声波反射、地质雷达、TSP203隧道超前地质预报系统等技术。 地质物探综合分析：组成以地质工程师为主物探及相关工程技术人员的施工地质组，对上述地质和物理探测资料进行整理和综合分析，最后做出施工面前方不良地质问题的预测预报。5.监控量测断面布置5.1 必测项目断面布置1隧道内目测观察隧道内目测观察在新奥法量测项目中占有很重要的地位，在每次爆破后应对掌子面和喷层支护进行目测观察及地质素描，对此项目尽量做到每天一次，具体桩号随着施工进度确定。2隧道周边收敛与拱顶沉降量测隧道洞内周边收敛和拱顶下沉量测的测点布置桩号里程和量测频度均相同。在级围岩地段每10m布置一个断面，级围岩地段每20m布置一个断面，级围岩地段每30m布置一个断面。3隧道进出口地表沉降量测隧道进出口地表沉降量测应布置在浅埋地段。在级围岩地段每10m布置一个断面，级围岩埋深较浅地段每20m布置一个断面。为与洞内周边收敛和地表下沉测点数据相互对应，在断面布置时安排在相同桩号位置。4锚杆拉拔试验锚杆抗拔力试验是为测试锚杆能承受的最大拉力，是一种破坏性的试验，因此根据要求可在不同的围岩地段选择性的进行。5锚杆内力量测为了更好的进行测试数据的对比分析，锚杆内力量测布置在与选测项目里程相同的断面或附近。由于选测项目断面较少，在隧道洞内锚杆内力量测断面布置在与锚杆抗拔力试验相同断面处。5.2 选测项目断面布置根据隧道地质条件及施工方法综合考虑，选取隧道进口及出口段隧道埋深较浅、围岩条件较差地段的典型断面进行选测项目的测试。监控量测具有很强的实践性,由于隧道内地质环境复杂多变,量测的具体布置需根据现场施工情况调整。6 隧道监测数据分析及处理为了真实、及时、准确的反映施工现场信息，监测数据需历经以下过程：测点埋设数据采集数据收集数据输入绘制曲线输入计算机生成图表信息反馈。监控量测的信息反馈可按照图12规定的程序进行。施工过程中应进行监测数据的实时分析和阶段分析。实时分析即每天根据监测书籍及时分析，阶段分析应按周、月进行，总结监测数据变化的规律，对施工情况进行评价，提交阶段分析报告，指导后续施工。监测数据的分析及处理的要求如下：(1) 应及时对现场量测数据绘制时态曲线(或散点图)和空间关系曲线。(2) 当位移时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。根据现场量测的位移时间曲线进行如下判断：图12 位移时间曲线图当时，说明变形速率不断下降，位移趋于稳定；当时，说明变形速率保持不变，应发出警告，及时加强支护系统；当时，则表示已进入危险状态，须立即停工，采取有效的工程措施进行加固。(3) 当位移时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。(4) 隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于表5所列数值。当位移速率无明显下降，而此时实测位移值已接近表列数值，或者喷层表面出现明显裂缝时，应立即采取补强措施，并调整原支护设计参数或开挖方法。(5) 埋设量测元件情况和量测资料，均应整理清楚报监理工程师核查，并作为竣工交验资料的一部分。(6) 根据量测结果进行综合判断及位移控制基准，确定变形管理等级。变形管理等级见表6、7。(7) 根据监测资料及数据分析结果，进行隧道工程安全性评价，程序如图13。图13 监控量测信息反馈程序框图图14 隧道工程安全性评价流程表5 隧道初期支护极限相对位移值(%)围岩级别埋 深(m)5050300拱脚水平相对净空变化值0.010.030.030.100.080.400.100.300.200.800.200.500.402.00拱顶相对下沉0.030.060.030.060.040.150.060.100.080.400.080.160.141.10注: (1) 硬岩取下限，软岩取上限；(2) 拱脚水平相对净空变化值指两测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比；(3) 墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.21.3后采用。表6 位移控制基准类别距离开挖面1B(U1B)距离开挖面2B(U2B)距离开挖面较远允许值65%U090%U0100%U0 注: B为隧道开挖宽度；U0极限相对位移值表7 位移管理等级管理等级距离开挖面1B距离开挖面2B施工状态UU1B/3U(2U1B/3)U(2U2B/3)暂停施工，采取相应工程措施 注: U实测变形值7组织与管理(1)施工单位必须组建隧道超前地质预报和监控量测实施专门工作小组。小组成员由地质专业工程师、隧道专业工程师、测量工程师和技工组成。工作小组人员名单、人员履历、相关资格证书须报经总监办审查批准。 (2)监理单位必须有专人负责对隧道超前地质预报和监控量测进行监理。监理内容包括审查方案、预报和量测旁站监理、检查审核资料成果等。 (3)施工单位可以将隧道超前地质预报和监控量测工作的部分或全部内容委托其它单位承担。被委托单位必须具有相应资质和类似工作业绩，被委托单位及其人员、委托方案必须报经总监办审查批准。 (4)施工单位不因委托其它单位承担隧道超前地质预报和监控量测工作而免除其自身应该为此担负的责任。 班级：岩土0702班 姓名：郑金栋 学号：200725030207