超前地质预报与工程现场安全监测系统设计

5.4.2.1　超前地质预报基本原理

（1）超前地质预报的目的和任务

超前地质预报是指在隧道施工过程中，运用仪器设备和地质综合分析方法，预测可能引发隧道地质灾害的不良质体位置、规模和性质，并根据地质预报成果，提出相应的控制措施与可行性建议，降低地质灾害发生概率，确保隧道工程施工人员和设备的安全，进而降低工程成木。主要口的和任务为：

①为制订施工方案和措施提供可靠的参数，如地下水压力、水量、不良地质的位置、大小及规模等。

②为隧道安全施工，避免或最大限度地降低施工过程中突泥、涌水、塌方等灾害，从而不受或少受损失奠定了基础。

③为隧道在安全条件下实现快速施工、减小风险创造了条件。

④准确的地质预报可以减少施工中的盲目性，减少事故发生率，减少很多不必要的安全措施，从而降低了工程投资。

⑤验证勘察设计中提供的地质资料，为设计变更提供依据，且为调整施工方案提供依据；同时做好超前地质预报工作，能够对施工区域的水环境提供良好的保护措施。

（2）基本原理

LTD探地雷达由一体化主机、天线及相关配件组成。相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言，通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移为主的低损耗介质。在这类介质中，反射系数和波速主要取决于介质的介电常数£，空气的相对介电常数为1，最小；水的相对介电常数为81，最大。雷达工作时，向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲（几十兆赫至上千兆赫），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面即产生反射或散射，探地雷达接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。

（3）超前地质预报的目的和任务

隧道内地质素描是将隧道所揭露的掌子面尺寸、掌子面状态、毛开挖面状态、岩石强度（Mpa）、风化程度、裂隙宽度、裂隙形态、涌水状态、围岩级别划分等准确记录下来并描述状态。隧道内地质素描包括下列内容：

①掌子面尺寸：包括掌子面开挖宽度、高度、开挖面积、开挖方式（台阶法）等。

②掌子面状态：围岩是否稳定，正面是否掉块，正面是否挤出等。

③毛开挖面状态：是否自稳，是否随时间松弛掉块，是否自稳困难要及时支护，是否需要超前支护等。

④岩石强度：5～60MPa之间或其他。

⑤风化程度：分微风化，弱风化，强风化，全风化等。

⑥裂隙宽度：0～5mm之间或其他。

⑦裂隙形态：分密集，部分张开，开口，夹有黏土等情况。

⑧涌水状态：无水，渗水，整体湿润，涌出或喷出，特别大等。

⑨围岩级别划分：记录不同工程地质、水文地质条件下隧道围岩稳定性、支护方式以及支护后的变形情况。发生围岩失稳或变形较大的地段，详细分析、描述围岩失稳或变形发生的原因、过程、结果等。

⑩进行隧道施工围岩分级

根据现场围岩情况及时判定分级，并根据判定情况与设计分级对比分析，有现场与设计不相符的情况，及时申请变更。

影像：

隧道内重要和具代表性的地质现象应进行摄影或录像。要求每循环进尺均需进行掌子面地质素描与地质体投射法为主进行短距离地质预报，不得缺少。

（4）预报结果分析处理

当施工过程中发现前方有异常地质现象出现的时候，及时跟设计图纸对比分析，有与设计不符之处及时做变更建议书上报；现场情况立即向监理、设计单位、业主汇报。组织人员对前方的地质情沉做进一步的勘查，经过四方确认后，按变更处理结果确定前方施工方案。

5.4.2.2　工程现场安全监测系统设计原则和监测目的

（1）设计原则

将前述公路隧道施工过程数值模拟、公路隧道施工安全内在关系分析、公路隧道施工风险评估以及公路隧道施工安全风险管理的相关结论应用到雷山隧道施工的实践中去。通过现场实测，较准确得到隧道施工过程中结构受力和变形情况，判断现有施工方法的合理性，从而为后续施工方法及施工参数的调整提供参考。(www.xing528.com)

监测系统是提供获取隧逆结构信息的工具，使决策者可以对特定口标做出正确的决策。其设计一原则如下：

①保证系统的可靠性：由于隧道结构安全监测系统是长期野外实时运行，需要保证系统的可靠性，否则先进的仪器，在系统损坏的前提下也发辉不出应有的作用及效果。

②保证系统的先进性：设备的选择、监测系统的功能与目前成熟监测技术发展水平、结构安全监测的相关理论相适应，具有先进性。

③可操作性和易维护性：系统正常运行后应易于操作，对操作维护人员的技术水平不应要求过高。

④最优成本控制：利用最优布控方式做到既节约项目成本、后期维护投入等，又能最大限度发挥监测效果。

（2）监测目的

①通过洞内地质和支护状况观察，系统地对掌子面进行地质素描，科学全面地记录隧道穿越地带的工程地质信息。依据超前地质预报成果，对隧道围岩变化、不良地质做出预测，预防塌方、突水、突泥的等潜在灾害性事故，减少施工的盲目性，优化施工方案，为隧道安全施工提供评定依据。

②通过监控量测成果来反馈、调整和补充设计，安排施工工序，修改支护参数，使工程在保证施工安全和质量的前提下，更加经济合理。

③通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌的合理施作时间。

④通过日常观测和分析，及时发现安全隐患并予以排除。

⑤通过监控量测工作，总结相关隧道监控实用技术成果，为更好开展类似工程项目积累宝贵资料。

5.4.2.3　监测项目与测量方法

（1）监测项目和测点布置

根据《公路隧道施工技术规范》《工程测量规范》以及施工图设计中关于监拄量测的设计，结合工程实际，确定雷山隧道施工监测内容。

①地质与洞内观察：开挖工作面地质描述包含围岩岩性、岩质、断层破碎带、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌、剥落掉块现象、有无渗漏水等；初期支护状态包括喷层是否有裂缝、剥离和剪切破坏、钢支撑是否压屈，进行观察分析。

方法：现场技术员在爆破后及时观察记录工作面的工程地质与水文地质情况作地质素描，结合探孔情况对地质进行预测。观察开挖面附近初期支护状况和喷混凝土表面裂纹状况，判断围岩、隧道的稳定性和初期支护的可靠性。

②地表沉降：地表沉降监测是浅埋隧道施工量测必测项目之一，主要目的是了解隧道上覆岩层的整体位移情况，判断隧道开挖对地层下沉的影响。

③周边收敛与拱顶下沉：周边收敛和拱顶下沉量测能够直观、明确地判断断面的收敛状态，了解围岩的动态变化。

④锚杆轴力量测：通过锚杆轴力量测，我们可以了解锚杆受力大小和受力状态，进而为确定锚杆参数提供实测数据。现场采用振弦式钢筋计焊接组成测量式锚杆来实现。

⑤围岩内部位移：围岩内部位移监测用于监测隧道围岩的径向位移分布和松弛区范围，通过监测及分析，用来验证隧道施工时设计锚杆长度是否能够确定施工及结构安全。现场采用三点式多点位移计进行直接测量。

⑥围岩与初支接触压力监测：围岩与初支接触压力监测的目的是了解初期支护的受力状况，判断初期支护的效果，优化施工参数，保证安全施工。现场采用频率计采集压力盒频率，根据压力盒的频率一压力标定曲线，将数据转换成相应的接触压力，来实现围岩与初支接触压力监测。

⑦钢支撑内力监测：钢支撑内力监测是为了了解钢支撑的内力状态，判断初期支护安全状态，优化施工参数，保证安全施工，现场采用钢筋计沿钢架内外缘对称布设。

（2）监测频率

实际量测频率根据前两次量测情况而定。当观测值相对稳定时，可适当降低观测频率；当达到报警指标或观测值变化速率加快时，加密观测频率。

（3）预警指标

根据《公路隧道施工技术规范》（JTJQ42-94）规定，隧道周边最大允许相对位移（指实测位移值于两侧点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比）或用回归分析推算的最终位移值。二衬施作则应在满足下列要求时进行：

①各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定。

②已产生的各项位移已达预计总位移量的80%～90%。

③周边位移速率小于0.1～0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d。