隧道地质超前预报(天)

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1、隧道地质超前预报 何发亮 中铁西南科学研究院有限公司副总工程师 享受国务院政府特殊津贴专家、教授级高工、硕导 成都，610031，028-86649807 目录 n概述 n隧道地质预报现状 n隧道地质预报方法 n隧道施工地质灾害及其预报 n隧道地质超前预报若干问题探讨 n隧道施工地质预报设计及应注意的问题 n隧道施工地质超前预报工作方法 1 概述 n严格意义而言，隧道地质超前预报指根据隧道所处区域 工程地质、水文地质条件、构造地质条件（可研阶段） ，隧道勘察、设计成果（勘察设计阶段），隧道开挖揭 示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结 果、隧道施工掌子面及其后方实施的地球物理探测结果

2、 、超前钻孔揭示的隧道施工掌子面前方的地质情况、超 前导坑、平行超前导坑、平行超前施工隧道揭示的地质 情况（施工阶段），运用地质学、数学、物理学、逻辑 学、概率学、计算机科学等各学科知识，结合预报人员 经验，对隧道施工掌子面前方可能遇到的各种不良地质 体及因此可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、 规模的判断和预报，根据判断和预报结果提出应采取的 地质灾害预防和处理措施建议。 n隧道地质超前预报方法包括地质法（洞内外地质调查、 洞内施工掌子面素描、隧道洞身地质展示图测绘）、地 球物理探测法（洞内地震波反射法、声波反射法、电磁 波反射法、单孔测井法、跨孔透射成像法、波反射成像 法、反射电法、瞬

3、变电磁法，地面高密度电法、浅层地 震反射法、大地阴频电磁法等）、超前钻孔法（掌子面 超前钻孔法、耳室超前钻孔法、加长炮孔法）、超前导 坑法（正洞超前导坑法、超前平行导坑法、超前施工平 行隧道法）。 n隧道地质预报成果，直接为隧道施工开挖方案制定、支 护参数优化和隧道洞内地质灾害的预防和治理措施决策 提供依据。 2 隧道地质超前预报现状 n当今的隧道工程地质工作，进入了以隧道施工期地质超 前预报和隧道施工掌子面前方地质灾害的预防和治理为 标志的阶段。 n经历了众多隧道地质超前预报成功与失败和大量隧道工 程实践之后，在各级领导的重视和众多专家的呼吁下， 隧道地质超前预报工作作为施工工序的一个重要组

4、成部 分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中 实施。 n大量的隧道工程建设实践表明，由于地质勘察精度、经 费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与 实际不符的情况屡有发生，隧道洞内外地质灾害仍时有 发生。 n以地质法为基础，以地球物理探测方法为主要手段，以 超前钻孔法探察致灾不良地质体的隧道施工地质预报体 系基本形成，但对隧道施工掌子面前方含水体位置预测 预报尚缺乏有效的方法。 n片面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质 超前预报、忽视隧道施工期地质工作、由于认识问题或 缺乏地质工程师仅仅靠几个毫无地质基础知识的经过仪 器操作和分析软件使用培训人员便开展隧道施工地质预

5、 报、片面理解隧道地质超前预报准确率等现象仍普遍存 在。 n重视洞内探测、忽视隧道所处地质环境条件、构造地质 条件、水文地质条件的隧道施工地质预报仍然存在。 3 隧道施工地质预报方法 3.1地质调查法 地质调查法主要根据隧道勘察设计资料、隧道地表补充 地质调查结果、洞内地质调查结果、地表地下构造相关 分析（作图）结果、隧道洞身围岩条件变化趋势分析结 果，对隧道施工掌子面前方施工可能遇到的不良地质体 及因此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的 预测。 3.2 超前钻探法 在隧道施工掌子面或掌子面一侧耳室进行超前水平钻探 ，通过钻进速度测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯鉴定 和必要的岩芯试件强度

6、试验来确定隧道施工掌子面前方 地(岩)层的展布、地层岩石的软硬程度、岩体完整性及 可能存在的断层、空洞（岩溶溶洞、在采矿巷和废弃矿 巷等）的分布位置，进行隧道施工掌子面前方地质预报 。 一般而言，在坚硬岩石中，钻进速度低；在软质岩石中 ，钻进速度高。在岩体节理裂隙发育岩体和断层两侧破 碎带岩体中施钻，易发生卡钻现象，钻进速度相对较低 。遇空洞时，钻速突然急剧加快。 岩芯采取率在相当程度上反映岩体的完整性系数，也即 反 映岩体节理裂隙的发育状况。岩芯采取率低，表明 岩体中节理裂隙发育，岩体完整性系数低，反之表明岩 体节理裂隙不发育，岩体完整性好。 通过钻孔岩芯鉴定，可以确定不同岩性地层在施钻掌子

7、 面前方的分布位置、不同岩性地层在隧道轴线上的长度 。 必要的钻孔岩芯强度测试，是确定不同岩性地层岩石强 度的重要手段。一般来说，多采用现场简易方法进行， 如点荷载强度试验。 采用此方法不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况，而 且可以起到探水的作用，但遇高压大容量涌水时具有极 大的风险性。 该方法的不足之处是速度慢，占用掌子面施工时间长， 遇到水体和瓦斯突出等灾害地层时甚至会造成意想不到 的灾难，费时又费钱，且其探测结果只是一孔之见，难 以形成“面”的概念，且遇软弱岩层取芯困难。对岩溶隧 道地质预报，布孔位置带有偶然性。同时，在钻进工程 中，因钻头偏移亦可导致探测结果发生误差。 3.3超前导坑法

8、 以超前导坑、超前平行导坑、超前施工平行隧道中揭示 的地质情况，通过地质作图，预报正洞施工可能遇到的 地质情况。 超前导坑预报法可分为平行超前导坑法、正洞超前导坑 法和超前施工平行隧道法。 在地层受构造变动影响较小的沉积岩地区，平行超前导 坑和平行超前施工隧道法预报准确率较高；在火成岩地 区、地层受构造变动影响较大的地区，预报准确率较低 。 由于岩发育分布的复杂性，平导未揭露岩溶的地段并不 代表正洞相应地段不发育岩溶。 3.4波反射法 利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反 射，通过信号采集系统接收反射信号，根据波在介质中 的传播速度，计算判断隧道掌子面前方反射界面（断层 、软弱夹层

9、等）距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期 地质超前预报。 3.4.1 TSP法 nTSP法隧道施工地质预报 采用深度偏移方法，且在 成像前进行二维Radon变 换，通过对反射波特征的 分析，如发射与反射之间 的时间差、相位差、反射 信号强弱、纵波与横波的 比率等,并结合区域地质 资料、跟踪观测地质资料 确定隧洞前方及周围区域 地质构造的位置和特性。 TSP探测布置 3.4.2 HSP水平声波剖面法 采用极小偏移距在隧道施工掌 子面上单点声波反射，探测掌 子面前方存在的界面；采用十 字剖面的布置方法进行反射界 面的空间定位；根据所测波速 及界面反射走时，计算反射界 面距探测掌子面的最短距离； 根据

10、界面产状与探测掌子面关 系进行产状校正计算界面在隧 道轴线上距探测掌子面的距离 ；根据反射波相与首波波相关 系及地质调查结果判断界面间 介质性质。 3.4.3陆地声纳法 n陆地声纳法采用极小偏移距在隧道施工掌子面上单点地 震波反射，探测掌子面前方存在的界面；采用十字剖面 的布置方法进行反射体的空间定位；根据所测波速及从 陆地声纳时间剖面上得到各反射体的反射时间，计算反 射体的空间位置；根据频谱和节理、小断裂的密集程度 ，判定破碎带及岩体破碎情况。 3.4.4电磁波反射法（地质雷达） n电磁波反射法采用连续扫描电磁波反射曲线的排列，利 用电磁波在地层（介质）中的传播、反射，通过信号采 集系统接收

11、反射信号，根据电磁波在岩体（介质）中的 传播速度和反射信号走时计算判断隧道开挖工作面前方 反射界面距隧道开挖工作面的距离，根据反射波相与接 收首波相之间的关系、介质介电系数变化、反射界面阻 抗判释界面前方介质性质，进行隧道施工期地质超前预 报。 3.5隧道地表地球物理探测预报法 n隧道地表地球物理探测预报法目前采用的手段主 要包括浅层地震法和高密度电法，主要用于浅埋 、地表地形起伏较小隧道的探测预报。 3.6地震波反射成析成像(TRT) TRT采用在掌子面背后一定 距离隧道周边安设成组的三 维接收传感器，按预定型式 在岩石表面安设10个以上带 前置放大功能的加速度传感 器，由地震源发射的信号及

12、 隧道掌子面前方界面反射回 来的信号采用用标准24道地 震仪采集，直达波及隧道掌 子面前方异常体边界反射回 来的反射波由接收传感器接 收。根据隧道掌子面前方地 质情况的三维反射层析成像 进行隧道施工掌子面前方地 质预报。 3.7声波CT成像 声波层析成像法简称CT成 像或)。该方法借助医 学射线断层扫描的基本 手段，结合岩土体物理力 学性质的相关分析，采用 射线走时和振幅来重构岩 土体内部声速值及衰减系 数的场分布，通过像素、 色谱、立体网络的综合展 示，以期达到直观反映岩 土体内部结构图像之目的 。 3.8岩体温度法隧道施工涌水预报 n利用隧道施工掌子面前方含水体及其在岩体中的循环流 动降低

13、或提高含水体周围岩体温度进行隧道施工掌子面 前方涌水预报。 某隧道岩体温度法施工涌水预报正演试验 某隧道岩体温度法施工涌水预报反演试验 隧道施工掌子面前方含水体 空间分布与岩体温度变化曲线的关系 (L-正前方,R-前上方) 隧道施工掌子面前方含水体 空间分布与岩体温度变化曲线的关系 (L-前下方,R-左前方) 隧道施工掌子面前方含水体 空间分布与岩体温度变化曲线的关系 (L-右前方) 3.9瞬变电磁法 n采用不接地回线向隧道开挖面前方发射脉冲磁场，当回 线电流突然断开时，岩体介质激励涡流场（二次场）维 持之前的磁场，二次场的大小及其衰减特性与介质的电 性相关，根据二次场随时间的变化特征了解隧道

14、开挖工 作面前方介质体的电性特征（电阻率）、产状，达到对 开挖工作面前方不良地质体的预报。 4 隧道施工地质灾害及其预报 4.1概述 在隧道施工地质超前预报方法中，地质法预报属于经验 方法，适应于所有隧道，其在相当程度上依赖于预报者 丰富的地质经验及其对隧道所处地质条件、构造地质条 件和水文地质条件的掌握，预报距离短；超前钻孔法和 超前导坑法属于直接揭示法，适应于所有隧道，但存在 遇重大地质问题时有发生重大地质灾害的风险；平行超 前导坑法和平行超前施工隧道法地质预报的准确率除与 隧道所处地区地层及其构造变动复杂程度有关外，还与 导坑或隧道与隧道间距离相关；地球物理探测预报方法 属于间接法，其预

15、报准确率除依赖于预报者的地质经验 、对物探方法的掌握外，还与所用地球物理探测方法与 所遇工程地质问题是否适应直接相关。 当前，除长大、重点隧道仍采用超前钻孔法、超前导坑 法、地质法与地球物理探测方法结合实施施工地质预报 外，多数隧道施工地质预报采用地球物理探测方法结合 地质法实施，遇重大地质问题采用超前钻孔法验证。因 此，从总结隧道施工地质灾害类型、不同类型隧道可能 存在的主要工程地质问题出发，结合不同地球物理探测 预报方法的特点，选择合理的针对性强的方法实施隧道 施工地质超前预报，无疑是确保隧道施工地质超前预报 成功的关键。 4.2隧道施工地质灾害与不良地质体 4.2.1隧道施工地质灾害 n

16、围岩变形失稳塌方 n涌水 n涌泥 n涌砂 n洞内泥砂石流 n瓦斯突出、爆炸 n岩爆 4.2.2隧道施工地质灾害与不良地质体 n围岩变形失稳塌方节理密集发育岩体、岩溶充填物（ 黏土、黏土质砂、黏土夹块石等）、断层及其破碎带、 全强风化岩脉 、极易风化软化的某些火成岩脉、矿巷 放顶填充物、顺层错动破碎带。 n涌水岩溶充填水体、节理密集发育岩体含水体、导水 断层破碎带含水体、雍水矿巷含水体、地下含水构造单 元含水体、与表水或地下含水构造单元相连的地下导水 构造含水体。 n涌泥富水黏土类岩溶充填物、极易风化软化的某些火 成岩脉。 n涌砂 充水岩溶底部沉积粉细砂、全强风化花岗岩脉 n洞内泥砂石流富水岩溶充填物（黏土、黏土质砂、黏 土夹块石等）、富水压性断层破碎带。 n瓦斯突出、爆炸煤层分布、岩体节理裂隙发育分布、 瓦斯运移积聚。 n岩爆深埋、无水、