厦门东通道翔安隧道超前地质预报方法适用性研究大纲

厦门东通道翔安隧道超前地质预报方法适用性研究大纲

一、项目概况

厦门东通道翔安隧道为我国大陆第一座钻爆法施工的海底隧道，隧道穿越海边陆地区、海边潮间带、海水区，地质情况复杂，施工难度和工程风险较大。设计阶段采用地质调查，陆上和海上钻孔探测后综合分析推断隧道穿越段的地质情况，但该方法对局部断层破碎带、不均匀风化、岩体节理、裂隙、渗水等不可能准确无误的探测。翔安隧道顶板仅15～40m，且潮间带和海域段有10～30m的海水，隧道承压水头到60～20m，如果施工中不能准确预测前方地质，给施工安全、工期、成本将带来极大的风险。在施工陆域段时进行多种方法的超前地质预报，建立信息化分析系统，将各种方法预报结果怀隧道开挖揭示结果对比，从而选择有效方法，在全隧中采用，指导施工。

二、项目前期研究、开发的背景、必要性

目前超前地质预报的方法有：地质素描、TSP、地质雷达、红外线、长、中、短距离水平超前地质钻孔，各种方法探测的技术、设备已经很成熟，并在广泛使用中，但各种方法都有优缺点和适应性。该课题将通过各种方法单项或多种方法结合的方式预测前方地质，并将预报结果与实际开挖地质情况对比，选择适用、切实有效的方法进行全隧道地质预报。地质预报准确性是该隧道成败的关键。

三、主要研究内容

㈠ 通过综合手段（地面调查、洞内水平钻孔、深孔内全景数码摄像、TSP超前预报、红外探水、地质雷达、地质素描推断等）进行超前地质预报。并与地质调绘与物探、钻探行出的地质情况进行对比分析，预测前方的地质情况（断层破碎带、风化槽、富水带）。

㈡ 开挖后进行地质编录。将实际地质情况与预测的结果进行对比分析，修正或完善预测方法和结果。分析断层破碎带、风化槽、富水带等发展规律。

㈢ 结合设计与预测情况提出应采取的施工技术方案。

⒈ 断层破碎带、风化槽通过方案； ⒉ 风化槽、富水带堵水加固方案。

㈣ 根据施工技术方案确定相应的施工方法和工艺。 ⒈ 海水量的计算和设备配置； ⒉ 帷幕注浆的施工工艺； ⒊ 施工过程中的监测； ⒋ 其它。 四、主要研究方法

采用理论分析、现场测试相结合的方法进行该课题的研究。主要内容包括：

㈠ 资料收集、调研及方案确定

收集、调研和借鉴国内外长大隧道断层破碎带、风化槽、涌水量和突泥的施工顺利预测与施工技术，根据翔安隧道实际地质情况，研究通过综合手段进行超前地质预报，并与地质调绘与物探、钻探得出的地质情况进行对比分析，预测前方的地质情况。将实际地质情况与预测的结果进行对比分析，修正或完善预测方法和结果。分析断层破碎不带、风化槽、富水带等发展规律。科学合理地确定通过方案。

㈡ 现场探测和勘探试验

根据设计地质资料，加强超前地质预测预报工作。采用TSP203超前地质预测预报系统进行120～250m长距离地质探测。在TSP203超前地质预测预报中出现异常的地段，采用地质雷达进一步探明前方5～12m范围内的岩 、地质情况。在物探资料同时出现异常的部位，采用超前钻探进一步明确该异常体的具体情况。在钻孔出现喷水时采用相似比拟法对涌水量、水压、富水规模、补给情况等进行分析预测。为确保掌子面作业安全，对掌子面向后方10m范围内采用φ42钻杆对开挖轮廓外5.0m进行钻探，以查明洞室周边围岩情况。

超前地质预报资料及时提交业主、设计单位进行动态设计。同时对地质条件复杂的重点地段，设置质量控制点，进行重点测试预报。

隧道开挖后及进行地质测绘与编录，将实际地质情况与预测的结果进行对比分析，进一步修正或完善预测方法和结果，分析研究断层、风化槽形态、发育特征等，制定相应的施工技术措施，采取堵水加固方案。

⒈ 超前地质预报程序见图1。

正洞 红外探水 20～40m深孔探测 物 探 5m浅孔探测 地质素描 TSP预报 服务隧道 50～100m深孔探测 物 探 是否富水带 是 是否断层、风化槽 是 CT探测 地质雷达探测 注浆加固堵水 注浆效果检查 合格 开挖、支护 否 否 不合格 图1 超前地质预报程序

⒉ 现场超前地质探测方法

根据本隧道工程地质条件，拟采用TSP203地质预报系统、HY-303防爆红外探测仪、TIS-Ⅱ探地雷达和XY-2超前水平钻机等综合地质预报技术，预测开挖工作面前方一定范围内围岩的工程地质和水文地质条件。

将预测预报结果及时上报业主、设计单位，以便及时修改设计。确定合理的结构支护参数，实行动态管理，动态设计和信息化施工，以保证施工顺利进行。

⑴ 服务隧道超前地质预报及掌子面地质素描

服务隧道超前正洞施工300～500m探明地质。安排专职地质工程师对正洞和服务隧道进行全程地质素描工作，做好地质展示图，依此预测服务隧道掌子面前方短距离范围内和对应里程正洞洞身工程地质情况，及时采取正确的施工措施，同时采用计算机对现场的数据、素材和裂隙的各种统计量（裂隙间距、裂隙密度、单位面积和裂隙总长度等）、断层、节理的走向倾角和围岩的岩性、风化程度等地质变量用图像解析进行量化评价，根据这些解析结果，预测掌子面前方的地质构造、断层、节理和开挖面的交差状态，评价围岩稳定状况，预报围岩级别。

现场技术人员，采用计算机把服务隧道施工过程中的掌子面里程、施工时间、围岩的自稳能力、地质、涌水情况按固定的格式进行记录，编制工程地质观察日报，结合隧道的开挖形状，进行处理并保存在数据库中，便于日后快速、便捷的检索，达到对正洞地质超前预报的目的。

⑵ TSP203地质预报系统

TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质中产生和反射波特性来预报隧道掘进前方及周围临近区域的地质状况。现场测试见图2。

掌子面爆破孔电雷管炸 药50m接受器附件箱触发箱爆破箱主机装置接受器图2 TSP203地质预报系统现场测试示意图 ① TSP203地质预报系统探测设计见图3。

图3 TSP203地质预报系统探测设计 ② TSP203地质预报系统工艺流程见图4。

隧道掘进不少于150m，接近前次预报结束里程 测量放样，确定爆破孔位和接受器孔位 施钻爆破孔位和接受器孔位 清孔装药、安装传感器 掌子面200m范围不得有噪音，停止一切活动 连接主机、传感器、起爆器和爆破孔 确认安全、实施爆破和数据采集 原始数据处理 预测成果报告 与施工过程揭示的工程地质核对，总结提高 图4 TSP203地质预报系统工艺流程

⑶ 超前钻孔探测

采用较短距离的浅孔钻探，详细了解掘进施工前方30～50米范围内

地质情况，验证设计资料中地质资料和TSP203地质预报结果与实际情况是否有不相符的地方，并根据浅孔超前钻探所得的详细地质资料来最终确定掘进施工方案和工期安排。

① 超前钻探施工设备：采用日本产RPT-150C地质钻机进行钻孔作业。RPT-150C地质钻机是专用岩芯钻探钻机，该钻机钻孔速度快，效率高，24小时可完成150m深孔钻探任务，孔径98mm。

② 超前钻探施工步骤及施工工艺

孔点布置：按设计要求，在TSP203地质超前预报结果和地质雷达探测有异常部位，常规情况下：服务隧道每个断面布置4个钻孔，正洞6个钻孔，按设计要求确定钻孔的方向和仰角。当遇到特殊地质情况下，按照超前预测预报设计资料提供单的要求进行布孔钻探。每次钻孔深50m。每月安排三个工作日进行超前钻孔探测。

钻探施工及施工记录：钻机就位并进行调试，安接好施工所需的水、电；开钻前必须量测立轴钻杆的方向是否条例设计要求；开孔孔径宜在110～130mm之间，且以低压力，慢转速钻进为原则。当钻探达到一定深度并确定未偏离方向时，可以适当提高钻进速度；每钻进10米左右量测钻孔方向是否偏离方向如有偏离及时进行纠正；钻进过程中认真做好钻探记录；采取的岩芯须整齐地摆放在标准岩芯箱中，并贴上岩芯标签。现场技术员详细做好地质编录工作；根据钻探过程中钻进发问（是否卡钻、漏水、涌水等）及岩芯的完整性（RQD值）和岩芯采取率，初步分析确定该钻探进尺范围内岩性状态、结构及破碎程度和含水量等。

③ 超前钻探质量保证及技术措施。

配备1名具有实践工作经验的地质专业工程师进行现场值班，在掌握隧道地质构造、工程地质、水文地质条件的基础上，掌握和参加钻探现场编录和地质预报工作，保证地质钻探和预报的准确性和及时性。

根据地质勘探资料和洞内岩层钻探及时编制和调整岩层产状、断层、风化槽预报工作。

⑷ 红外探测

①验HY-303红外探测仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据红外辐射场的变化，分析判断开挖面前方30m范围内是否存在含水体，红外探测仪探测与预报在掌子面测量放样和监控量测时平行安排，每25m～27m一循环。每次需要占用掌子面15分钟。

② 施工工序：暴露出全部工作面→沿轮廓线每5m进行工作面标识→现场探测，采集数据→内业数据处理

利用探测曲线判断掘进断面前方有无含水构造。利用掘进断面上的探测数据判断。

③ 数据信息处理

数据信息化处理系统程序图见图5

信息采集系统 否 超前预报 信息处理系统 信息处理系统 信息处理系统 信息处理系统 是否与设计吻合 信息处理系统 地质素描水文岩石力学特性节理裂隙洞壁应力测试 图5 信息化处理系统程序图

将现场采集的数据利用专用软件进行处理，并绘出数据曲线图。根据曲线图中突变点预测前方的水体位置、规模等相关参数。当数据曲线表现为一条近似直线时表明探测范围没有水体。

⒊勘探试验

物探：采用多种物探跨孔CL（弹性波、电磁波）、孔内数字全景摄像等方法，探测断层破碎带、风化槽位置、规模以及断裂带位置、宽度、产状、富水性。

测试试验：采用抽水试验，取得各地层的渗透系数、涌水量、影响半径等参数。根据洞内排水数据反演分析入渗系数和径流系数。

根据设计的地质资料、地面地质补充勘察结果、综合物探预测预报、超前钻孔探测和径向探测结果，提出加强和完善洞内排水设施方案，并有针对性的采取特殊材料填充、超前帷幕注浆固结、施工通道绕行等不同的施工方案。

⑴ 超前帷幕注浆固结

针对断层破碎带、风化槽、富水带，采用开挖轮廓外3～8m范围内进行超前帷幕注浆，固结开挖轮廓外围岩破碎体。

⑵ 施工通道绕行

在对前方断层、风化槽基本探明的基础上，当断层、风化槽处理方案实施较长，对工期影响较大，并对隧道洞室周边围岩地层进行综合探测，基本明确断层、风化槽发育的轮廓线之后，经过综合方案比较后，谨慎采用施工横通道绕行通过前方不良地质段，进入正洞或左侧绕行增设工作面，保证工期要求。

⒋ 监测方法 ⑴ 洞内外观察

在开挖及支护后专人到掌子面进行观察记录。地质观察由测量队采用地质罗盘仪在爆破后初喷前进行，绘制地质素描图，填写开挖工作面地质状态记录表；由现场隧道工程师每天检查喷射混凝土有无开裂及发展，锚杆有无松动，钢架支护状态等，洞外查看边仰坡有无开裂、起壳，地表有无裂纹。做好相应记录和台帐并及时进行汇报。

⑵ 地表沉降监测

隧道陆域段由测量队每天采用精密水准仪在洞口地表沉降量测，沿隧道中心及两侧间距2m～5m处设地表下沉测点，监测范围在隧道开挖影

响范围以外。地表下没量测在开挖工作面前方，隧道埋深与隧道开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止，做好相应记录和台帐，及时汇报。

⑶ 水量收敛量测

由测量队每天采用收敛计，在隧道路面以上2.5m，左右两侧对称布置量测点，量测断面间距根据围岩级别确定，开挖后按要求迅速安装测点并编号，初读数在开挖8h内且在下一循环开挖前读取最迟不超过12h，测点应牢固可靠，易于识别并妥为保护，做好相应记录和台帐，并及时汇报。

⑷ 拱顶下沉量测

由测量队每天利用水准仪和收敛计、铟瓦尺与水平收敛断面对应拱顶设置量测点，喷射混凝土后迅速在拱顶设点，采用精密水准仪和收敛计、铟瓦尺进行量测，各项监控量测作业均要求持续到变形基本稳定后2～3周，做好相应记录和台帐，并及时汇报。

五、预期达到的目标、技术经济指标和成果形式 ㈠ 目标

预测前方地质情况，将实际地质情况与预测的结果进行对比分析，修正或完善预测方法和结果，断层破碎带等发展规律。结合设计与预测情况提出应采取的施工技术方案，确定相应的施工方法和工艺，达到在断层破碎带、风化槽、涌水、突泥等不良地质情况下安全、快速施工的目的。

㈡ 成果形式

⒈ 以形容报告形式提供研究成果 ⒉ 发表科研论文3～5篇 ㈢ 主要技术指标

本课题针对厦门东通道翔安隧道断层带、风化槽、富水带对隧道的影响程度进行专题研究，力争在查断层带、风化槽、富水带的水文动态，涌水量的预测，突水突泥规模等方面有所突破和提高。提出在上述情况下的具体施工方法和工艺。尽量避免隧道修建过程中因涌水、突泥等而造成的

经济损失，对海底隧道通过不良地质段提出建议性意见，防止灾害发生，确保隧道施工安全进行。

㈣ 关键技术

⒈ 对断层破碎带、风化槽涌水量的综合预计； ⒉ 不良地质段涌水、突泥段的施工技术方案。 六、进度安排

2005年8月，收集国内外相关资料进行调研分析，提出解决问题的技术路线。编制试验大纲，确定协作单位分工。

2005年9月～12月，通过综合手段进行超前地质预报，查明不良地质的范围等特性，提出相应的施工方案。

2006年1月～2月，现场实施、监控量测，资料收集，完成阶段研究报告，初步评审后用于指导施工。

2006年3月～2007年12月，现场实施、修改完善研究成果。 2008年1月，编制研究总报告，评审鉴定。 七、参加单位、人员、设备见商务标。

超前地质预报科研所需设备 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 设备名称 TSP203地质预报仪 PR水平钻机 水平钻机 TY-28凿岩机 HY-303红外线探测仪 RIS-Ⅱ地质雷达 数码摄像仪 声波CT 电脑（含打印机）

数量 1台 1台 1台 4台 1台 1台 1台 1台 2台