隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)

隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)發(fā)表人：馬空軍B20標隧道施工QC小組二○一○1目錄1、QC小組簡介2、課題研發(fā)背景3、課題選擇理由4、確定目標5、提出各種方案并確定最佳方案6、制定對策7、對策實施8、效果確認9、標準化10、總結(jié)與展望2一、QC小組簡介3二、課題研發(fā)背景----國際國內(nèi)形勢目前，全世界地下工程與隧道施工水平的發(fā)展仍然受工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的巨大影響。由于圍巖地質(zhì)及水文條件復(fù)雜，圍巖狀況異常、突變現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，一直以來是地下工程與隧道施工安全、質(zhì)量、進度、效益的巨大隱患，受到社會各界的高度關(guān)注和深入研究。根據(jù)國內(nèi)外實踐經(jīng)驗和理論研究證明，超前地質(zhì)預(yù)報可以為施工安全質(zhì)量、地質(zhì)分析判別、支護變更設(shè)計、工程進度效益提供必要依據(jù)和保障。近年來，我國在超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的引進、消化、吸收、總結(jié)和創(chuàng)新過程中取得了不小成績，但仍然有以下問題亟待改善：（1）超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用還不夠廣泛，方法不夠有效、操作不夠規(guī)范、水平不夠?qū)I(yè)；（2）超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)有待進一步研發(fā)。工程實踐中遇到比較復(fù)雜的地質(zhì)問題時預(yù)報效果及準確度不佳。特別是涉及巖溶、裂隙水、巖性變化分界問題時,預(yù)報準確性很低，甚至有時會出現(xiàn)誤判，耽誤了施工進度和降低工程效益。4二、課題研發(fā)背景----工程項目概況我標段臥牛山隧道為雙線四車道分離式公路隧道，左線隧道長750米，最大埋深87米，起止里程為：LK299+010～LK299+760；右線隧道長766米，最大埋深89米，起止里程為：RK298+973～RK299+739。隧道洞身穿越Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，基巖以全風化～弱風化花崗巖為主，地下水位均在洞頂以上，巖體基本質(zhì)量影響因素主要為地下水。其中Ⅳ、Ⅴ級圍巖段節(jié)理發(fā)育～較發(fā)育，呈碎塊狀，裂隙豐富，巖體強度很低，穩(wěn)定性差，成洞困難，且有囊狀強風化巖體區(qū)域，易發(fā)生塌方；Ⅱ、Ⅲ級圍巖段節(jié)理不甚發(fā)育～發(fā)育，基本穩(wěn)定，局部易發(fā)生塌方或可能有掉塊和小塌方。

因此，塌方的預(yù)防與處理是臥牛山隧道施工技術(shù)和管理的重點和難點。

5三、課題選擇理由（一）施工安全、進度、效益要求

1、吉林省大部分地區(qū)地勢平緩，已建和在建公路、鐵路工程中隧道工程的比例相對很少，地方政府及業(yè)主、監(jiān)理單位缺乏足夠的隧道施工經(jīng)驗和常識，只對隧道施工安全事故、安全隱患提心吊膽。

2、業(yè)主在施工承包合同文本和多次正式會議中明確：隧道發(fā)生塌方盡管是很平常的事，但不是正常的事；因塌方導致的損失和處理塌方的所有費用均由施工單位自行承擔，施工中必須按有關(guān)規(guī)范嚴格做好超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測工作。

3、在公司和經(jīng)理部高度重視和大力支持下，吉草高速公路臥牛山隧道在整個施工過程中，一直按有關(guān)規(guī)范、連續(xù)進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報，具有課題開發(fā)的可行性。6三、課題選擇理由（二）問題的提出1、在臥牛山隧道施工過程中，如何預(yù)防和避免出現(xiàn)塌方事故，既是施工安全管理、進度控制、效益保證的關(guān)鍵，也是展示企業(yè)品牌和技術(shù)水平的機會。2、我QC小組成員原擬采用超前地質(zhì)鉆探、掌子面地質(zhì)素描、超前炮孔等常規(guī)方法進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報，但是以上方法通過以往實踐經(jīng)驗證明：其預(yù)測準確性、預(yù)測長度和避免工序干擾方面遠遠不夠。3、值得一提的是：經(jīng)過多渠道統(tǒng)計，以上超前地質(zhì)預(yù)報常規(guī)方法的準確性僅為30%--50%。因此，這些常規(guī)方法在隧道施工安全保障性、可操作性方面遠遠不夠。7三、課題選擇理由（三）確定課題

1、本著“安全第一、信譽至上”施工管理理念，為滿足業(yè)主關(guān)于隧道施工安全、質(zhì)量、工期和信譽的要求，經(jīng)理部決定在臥牛山隧道施工中必須高效、準確、及時、連續(xù)進行超前地質(zhì)預(yù)報。

2、我們QC小組成員積極接受挑戰(zhàn)，在選用我國現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)和方法的前提下，希望研發(fā)出一套“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”，將超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)測準確度提高到70%及以上。我們選定課題為：隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)研發(fā)8

并制定了研發(fā)進度計劃圖：

9四、確定目標（一）課題目標：

1、在不影響工期的合同前提下，及時準確地查清臥牛山隧道開挖工作面前方工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，有效降低隧道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機率，預(yù)防和避免掌子面出現(xiàn)塌方事故造成不必要的損失。

2、研發(fā)“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”，將隧道超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)測準確度提高到70%及以上。（二）目標值：

1、實現(xiàn)臥牛山隧道掌子面出現(xiàn)塌方小于3次，人員0傷亡，機械0損壞。

2、“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”預(yù)測準確度≧70%。10五、提出各種方案并確定最佳方案（一）方案的提出

2009年4月25日至30日，我QC小組成員通過各種渠道，查詢并整理出包括多種超前地質(zhì)預(yù)報方法的系統(tǒng)圖（詳見下頁），為“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”研發(fā)方案的提出奠定了理論基礎(chǔ)和方法論。

由于受各種條件的限制，本系統(tǒng)圖中每種預(yù)報方法都有各自的優(yōu)缺點，我們只能有選擇性地將它們中的兩種或多種方法組合在一起，構(gòu)成“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”，使它們各自揚長避短、各顯神通。11超前地質(zhì)預(yù)報方法的系統(tǒng)圖

12五、提出各種方案并確定最佳方案（一）方案的提出

由于受各種條件的限制，系統(tǒng)圖中每種預(yù)報方法都有各自的優(yōu)缺點，我們只能有選擇性地將它們中的兩種或多種方法組合在一起，構(gòu)成“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”，使它們各自揚長避短、各顯神通。通過采用“排除法”，我們QC小組成員初步選擇了以下幾種相對適合的方法作為“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”的組合因子：地質(zhì)分析法、超前水平鉆孔法、地質(zhì)雷達探測法、隧道地震波預(yù)報法（簡稱：TSP）。13同時，我們QC小組成員運用“頭腦風暴法”提出以下幾種組合方案：A．地質(zhì)分析法+超前水平鉆孔法；B．地質(zhì)分析法+超前水平鉆孔法+地質(zhì)雷達探測法；C．地質(zhì)分析法+超前水平鉆孔法+隧道地震波預(yù)報法（TSP法）；D．地質(zhì)分析法+地質(zhì)雷達探測法+隧道地震波預(yù)報法（TSP法）。14五、提出各種方案并確定最佳方案（二）方案的比選--115五、提出各種方案并確定最佳方案（二）方案的比選--2注：本表程度從大到小分級：高（大）、較高（大）、較低（小）、低（小或無）。最佳方案16（三）確定最佳方案

經(jīng)過對各種組合方案進行認真對比分析后，我們QC小組確定選擇：

適用范圍最廣、預(yù)報距離最長、安全性最高、對施工干擾性最低、最具有經(jīng)濟性、準確性和高效性的最佳組合方案——“地質(zhì)分析法+地質(zhì)雷達探測法+隧道地震波預(yù)報法（TSP）”。

從而，構(gòu)成“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)”。17六、制定對策選定最佳方案后，我們QC小組成員根據(jù)實際情況，討論確定了“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)實施流程圖”。隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)實施專業(yè)化小組設(shè)置專業(yè)儀器配備地質(zhì)理論知識和儀器操作方法學習隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)現(xiàn)場探測綜合預(yù)報系統(tǒng)實施成果、方法總結(jié)是否成功？不成功成功18六、制定對策同時，我們QC小組成員根據(jù)流程圖，認真制定了相應(yīng)的研發(fā)對策。詳見以下《隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)研發(fā)對策表》。19七、對策實施針對《隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)研發(fā)對策表》所制定的對策，相應(yīng)措施的實施如下：實施一：專業(yè)化小組設(shè)置、專業(yè)儀器配備A.積極爭取公司及經(jīng)理部領(lǐng)導的支持本課題受到公司領(lǐng)導的高度關(guān)注，設(shè)立QC研發(fā)小組，安排公司地質(zhì)專業(yè)工程師進行跟蹤指導，并同意根據(jù)研發(fā)課題的需要，隨時向公司申請調(diào)配新購的意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2型探地雷達，同時可以根據(jù)需要及時向集團公司申請調(diào)配瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP-200型隧道地震波預(yù)報儀器。經(jīng)理部領(lǐng)導也撥付資金購買了地質(zhì)羅盤、鋼卷尺等工具。20★專業(yè)儀器配備

RIS-K2型探地雷達

TSP-200型儀器21B.合理設(shè)置研發(fā)活動基金和獎勵條例為激發(fā)和保持經(jīng)理部技術(shù)人員、現(xiàn)場施工人員加入QC小組活動中來，促進QC科研課題的正常開展，經(jīng)理部專門設(shè)置了QC小組活動基金；為帶動QC小組成員的科研積極性，確?？蒲姓n題能夠盡快取得成果，QC小組專門制定了QC科研課題獎勵條例，將獎勵條例已寫入《經(jīng)理部施工技術(shù)管理辦法》，并已紅頭文件的形式下發(fā)給經(jīng)理部全體員工。實施效果：1、經(jīng)理部QC小組兩天內(nèi)迅速成立，核心成員共8人，現(xiàn)場配合人員10人。

2、經(jīng)理部QC小組從無到有，每月?lián)碛?000元的活動資金，經(jīng)常與公司和集團公司超前地質(zhì)預(yù)報負責人保持聯(lián)系、溝通和交流。

3、經(jīng)理部QC小組活動正常開展，得到現(xiàn)場施工隊伍的擁護和歡迎，“隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報”研發(fā)過程基本不影響施工工序和進度。22實施二：理論知識培訓和儀器操作練習A.組長、副組長加強自身學習，鼓勵組員參與培訓討論

1、QC小組組長、副組長帶領(lǐng)組員查閱地質(zhì)理論知識、學習超前地質(zhì)預(yù)報儀器使用說明書、熟悉隧道設(shè)計圖紙、掌握超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)的實施辦法。

2、激發(fā)和鼓勵小組成員參與知識培訓、操作方法學習和實施步驟討論等。B.嚴格執(zhí)行考核和獎罰制度

1、當QC小組成員參加培訓和學習后，經(jīng)理部將不定期對小組成員進行內(nèi)業(yè)、外業(yè)考核，并根據(jù)考核成績進行適當?shù)莫劻P。

2、在QC小組研發(fā)活動期間，小組成員不得出現(xiàn)無故遲到、早退、缺席等違反活動紀律的行為，否則，經(jīng)理部將對其進行相應(yīng)的處罰。實施效果：

QC小組全體成員都掌握了地質(zhì)理論知識和隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)的原理，對課題的研發(fā)打下了堅實的理論基礎(chǔ)和智力基礎(chǔ)。23實施三：超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)現(xiàn)場探測A.制定臥牛山隧道超前地質(zhì)預(yù)報計劃

根據(jù)隧道原設(shè)計縱斷面圖和地質(zhì)勘查報告，綜合分析隧道圍巖地質(zhì)狀況和分布規(guī)律,制定臥牛山隧道超前地質(zhì)預(yù)報計劃。

1、臥牛山隧道左洞超前地質(zhì)預(yù)報計劃表24實施三：超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)現(xiàn)場探測A.制定臥牛山隧道超前地質(zhì)預(yù)報計劃

2、臥牛山隧道右洞超前地質(zhì)預(yù)報計劃表25B.根據(jù)人員水平、設(shè)備性能、系統(tǒng)特征進行合理調(diào)整1、根據(jù)QC小組討論研究決定：

劉功大負責超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)的總體實施組織安排；

馬空軍并負責TSP探測方法的具體實施；

吳袁華負責地質(zhì)雷達超前預(yù)報的具體實施；

李鐵義負責地質(zhì)分析法預(yù)報具體實施。2、鑒于TSP200每次探測距離為200～300m、RIS-K2型地質(zhì)雷達每次探測距離為20～30m、地質(zhì)分析法每次探測距離為2～5m，必須綜合安排超前地質(zhì)預(yù)報的方式、時間。具體安排如下：

a.在隧道左、右洞口起點里程必須采用地質(zhì)雷達提前探測30m；

b.在隧道暗洞起點里程必須采用TSP200和地質(zhì)雷達各自進行探測，并進行探測結(jié)果綜合對比分析；

c.進入洞身后，隧道每隔290米進行一次TSP200探測，搭接10米；每隔25米進行一次地質(zhì)雷達探測，搭接5米；

d.隧道地質(zhì)分析在每循環(huán)開挖前進行。26C.操作過程必須準確、規(guī)范、有序，避免負面因素影響1、預(yù)報操作人員要熟記儀器操作規(guī)程、重要環(huán)節(jié)，要搞清每一步操作的意義和作用，能夠創(chuàng)新式總結(jié)操作經(jīng)驗、方法，及時糾正或完善操作步驟。2、預(yù)報操作人員要熟練操作儀器，有效提高預(yù)報準確性，縮短預(yù)報工序時間，為施工工序節(jié)約時間和成本。3、預(yù)報操作人員要熟悉綜合預(yù)報系統(tǒng)中每種方法的局限性和干擾因素，能夠在探測開始前、探測過程中、探測結(jié)束后分別對其弊端和干擾因素進行減弱或消除，確保探測過程順利有效、探測數(shù)據(jù)真實準確，杜絕出現(xiàn)預(yù)報返工現(xiàn)象。如：在地質(zhì)雷達探測前，盡量使探測區(qū)域及其附近不存放大功率、大噸位的機械設(shè)備；在TSP探測前，信號接收孔、發(fā)射孔的管壁與孔壁要充分接觸，盡量避免該處出現(xiàn)較大量的信號衰減和干擾。

27D.對超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進行詳細記錄和認真對比分析

1、在每次地質(zhì)分析預(yù)報探測前，技術(shù)人員要準確測量并劃定探測起點里程，做好探測里程、日期、時間和掌子面圍巖狀況記錄，通過地質(zhì)羅盤、鋼卷尺等工具測定巖層、節(jié)理、斷層的產(chǎn)狀，確定裂隙水流量大小，拍攝掌子面紅外照片；每次開挖前都要進行現(xiàn)場實際地質(zhì)分析預(yù)測。2、在首次進行TSP長距離探測時，同時采用地質(zhì)雷達首次同里程開始探測。在測量過程規(guī)范、數(shù)據(jù)真實可靠、精度符合要求且無較大干擾因素的前提下，通過儀器采集數(shù)據(jù)和軟件分析處理數(shù)據(jù)，對掌子面前方探測范圍內(nèi)的圍巖狀況進行分段詳細描述，預(yù)測巖層、節(jié)理、斷層的產(chǎn)狀、裂隙大小、發(fā)育程度、有無裂隙水及水量大小，判斷某位置是否有斷層或者囊狀強風化、全風化巖體出現(xiàn)，是否存在瓦斯和突水、突泥等自然災(zāi)害，預(yù)測最小長度單位為0.5～1m；3、在TSP某次探測距離范圍內(nèi)，采用地質(zhì)雷達分段探測，每次以25m～30m為探測長度，每次探測搭接5m；每次用地質(zhì)雷達探測數(shù)據(jù)分析預(yù)測出的結(jié)果要立即與TSP及地質(zhì)分析法的預(yù)測結(jié)果同里程對照，找出存在相同或不同預(yù)測結(jié)果的原因，以確定巖層發(fā)展規(guī)律，總結(jié)地質(zhì)探測的相關(guān)經(jīng)驗。4、隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)實施過程中預(yù)測準確率的對比分析表如下：平均準確率71.83%28E.超前地質(zhì)預(yù)報工序納入正式施工工序

1、超前地質(zhì)預(yù)報小組長與施工班長必須保持密切聯(lián)系，小組長和施工班長都必須高度重視超前地質(zhì)預(yù)報工作的必要性、連續(xù)性、準確性。2、當每次將施工至計劃探測里程時，施工班長及時通知小組長安排技術(shù)人員進行探測預(yù)報，做好探測記錄，在下道工序開始前半個小時必須出具探測報告給施工班長，以便班組進行必要的施工準備和調(diào)整。3、施工班長要在每次地質(zhì)預(yù)報前調(diào)整工序和人員機械安排，為地質(zhì)預(yù)報工序提高足夠且合理的時間，將超前地質(zhì)預(yù)報作為隧道施工過程的重要工序。實施效果：1、目前，臥牛山隧道已貫通，通過以上幾項實施措施整個施工期間掌子面僅出現(xiàn)2次塌方，且實現(xiàn)了人員0傷亡、機械0損壞。

2、臥牛山隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報過程中實現(xiàn)