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1、隧道施工地质超前预报技术,中铁西南科学研究院有限公司 何发亮 教授级高级工程师 王石春 研 究 员,目录,一、概述 二、预报分类及工作方法简介 三、隧道施工地质超前预报主要技术方法 四、隧道地质灾害预报 五、涌水预测预报 六、若干问题讨论 七、典型实例,一、概述,定义 严格意义而言，广义的隧道地质超前预报指采用隧道洞内外地质调查、掌子面素描，根据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，或采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面进行探测，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，对隧道工程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
2、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。 因此，隧道地质超前预报包括隧道工程可行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的预报。 隧道工程预可行性研究及可行性研究阶段的地质超前预报根据所收集资料对隧道施工可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的地质灾害的预判断。,隧道工程勘察设计阶段的的地质超前预报根据勘察资料及研究成果，对隧道施工可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的判断，并反映在隧道工程设计文件中。 隧道工程施工阶段的地质超前预报根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌
3、子面前方地质情况的探测结果，结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道施工掌子面前方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。 应该指出的是，涌水量及涌水水压预测预报是隧道地质超前预报的重要内容之一。 狭义的隧道地质超前预报指隧道施工期地质超前预报。,2. 目的和意义 隧道工程设计的基本依据是地质勘察资料，而隧道施工的依据主要是设计文件。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，由此而来的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌沙、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，给隧道施工造成极大
4、的危害。因此，在隧道施工期间，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件（情况）进行及时准确的预测，是提前采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失、保证隧道施工的安全的需要，同时也是当今环境生态保护给隧道工程建设提出的重要研究课题1。 一般而言，隧道在勘测设计各阶段，对隧道地质背景（条件）进行的地质调查、勘探，是对隧道地质条件的预估和预评价。对地质条件单一的短隧道而言，这一工作已足以提供设计与施工所需，无须在施工期实施超前预报工作，或只需在施工阶段采用地质法进行常规地质预报工作，完成施工地质资料的收集，建立隧道工程完整地质资料。,随着近年来我国国民经济的飞速发展和隧
5、道工程技术的进步和铁路隧道工程建设在从前所谓的地质禁区的修建，隧道修建长度越来越长，在复杂地质条件下修建的隧道越来越多，遇到的隧道工程地质问题越来越复杂。 因此，对于： （1）深埋长大隧道； （2）地质复杂的隧道； （3）水下隧道； （4）可能存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、岩爆、废弃矿巷、瓦斯突出等严重工程地质灾害的隧道； （5）可能因开挖造成环境生态破坏的隧道； （6）覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道等等。 则应进行地质超前预报特别是施工期地质超前预报。 这主要是由于： (1)勘测设计阶段的地质工作量投入所限； (2)勘测设计阶段的地质预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把
6、握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握； (3)复杂长隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响；,(4)人为作用（施工开挖）引起地质的变化只有在施工期才能显现出来； (5)施工期需要对地质的掌握不能只是停留在定性评价上，要有定量的评价； (6)作为地质工作的全过程的组成部分，是隧道施工根据实际地质、水文条件变化及时调整施工方法和采取相应技术措施的需要，是完善设计地质资料、优化施工方案、指导施工决策和保证施工人员和设备的安全的需要，也是隧道运营阶段地质灾害治理的依据。 在我国，由于可行性研究阶段和勘察阶段投入的限制，依据既有地质资料和有限的钻孔地质资料、水文地质资料、物探资料及钻孔岩芯岩石物
7、理力学试验资料所做出的施工设计与实际不符的情况不在少数，特别是在火成岩地区的隧道工程更是如此。 即便在国外，尽管可行性研究和勘察工作深度远较国内深，且勘察阶段进行了大量的地球物理勘探，但设计与实际不符的情况仍在所难免。,3. 隧道施工地质超前预报技术的现状 隧道地质超前预报由来已久，国外如英、法、日、德等均将此列为隧道工程建设的重要研究内容，在隧道可行性研究和勘察设计阶段主要采用钻探和大量的地球物理勘探方法（主要是地震反射法）开展地质预报工作，在隧道施工期主要采用水平超前钻探、TSP（地震反射）地质超前预报仪、TRT（地震反射层析成像）地质超前预报仪、高精度地震折射法等来实施地质超前预报工作。
8、 对施工掌子面前方含水体位置预报方面，国外曾提出过岩体温度预测法，但未见有成功预报报道。目前中铁西南科学研究院有限公司和山东大学联合正利用国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金资助项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”（50539080）开展岩体温度法隧道施工掌子面前方含水体位置预测。 在我国，隧道施工期地质超前预报研究始于五十年代，时任铁二院川黔铁路凉风垭隧道施工设计配合组地质工程师的陈成宗先生根据隧道施工掌子面地质情况，开展了对掌子面前方地质情况的预测预报，预报,距离亦可达到近30m；70年代，以我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷
9、施工进度和掌子面地质性状作出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，真正开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。目前我国隧道施工期地质超前预报主要采用超前平行导坑法、地质法、地球物理探测方法（TSP、HSP、地震反射负视速度法、地质雷达、陆地声纳法等，有的还利用PIT桩完整无损检测仪等）和以地质法为基础结合物探的综合方法，在重点铁路隧道和大型水工隧洞采用超前水平钻探结合物探的方法。 现代科学技术的发展，极大地推动了行业技术的进步。隧道地质超前预报的发展，一样离不开现代科学技术发展的支持，仪器设备的发展、计算机处理软件的成功开发，为隧道地质超前预报提供了强大的技术支撑。 应该说，在
10、地质法、导坑法和超前水平钻孔（导坑）法隧道施工期地质超前预报中，基本沿用了地质工作中地质素描（描述）、地面地质调查及相关分析方法，前二者仅仅采用了地质工作中最简单的工具：罗盘、铁锤和放大镜等；后者则采用了地质勘察工作中最常用的工具：钻机和钻速测定仪等。当然在超前平行导坑（隧道）和超前导坑的施工中不可避免的使用了隧道施工机具。,在超前钻孔声波测井及跨孔声波透射法隧道施工期地质超前预报中，钻孔施工主要利用了钻孔凿岩台车，声测孔也可利用超前水平钻孔；预报实施采用了孔中发射和接收换能器、声波信号采集系统-声波探测仪及声波信号储存系统-便携式计算机。 波反射法隧道施工期地质超前预报广泛应用了现代化测试仪
11、器：信号采集系统-声波探测仪、地震仪、面波仪、地质雷达探测仪、TSP-202、TSP-203和高分辩地质探测仪（GDS）及信号储存系统-便携式计算机。 在超前钻孔声波测井及跨孔声波透射法和波反射法隧道施工期地质超前预报中，实现了信号采集系统的计算机控制和信号储存计算机化，改变了早期探测原始波形、波谱照相储存、数据现场判读、记录的状况。 计算机成图软件的迅速发展，实现了隧道掌子面地质素描图、探测原始波形及波谱图、计算分析图件的计算机化。,计算机成图软件的迅速发展，实现了隧道掌子面地质素描图、探测原始波形及波谱图、计算分析图件的计算机化。 专用软件的开发，更大大加快了探测数据分析处理的速度和精确度
12、。国外进口的地震仪、面波仪、地质雷达探测仪、TSP-202、TSP-203均带有专用软件；铁道部第一勘测设计院也研制了高分辩地质探测仪专用软件；中铁西南科学研究院有限公司（原铁道部科学研究院西南分院）结合智能工程声波仪研制成功开发了时域反射子波分析软件、频域反射谱分析软件和跨孔声波CT软件，极大的提高了系统的分辨率和数据分析处理的速度，使跨孔声波法隧道施工期地质预报实现了由探测结果的平面展示到立体展示的转变。波反射成像软件的成功开发，更使探测结果显示更加形象化。 即便如此，目前所有隧道施工期地质超前预报的方法亦仅是对施工掌子面前方地质界面（不良地质体带）位置的预报，对不良地质体带成灾的预报仍然
13、是预报人员根据对施工掌子面前方地质界面性质即不良地质体带的分析研究作出的判断；对隧道内涌水水压的预测几乎未予开展，涌水水量则开展了隧道总涌水量和分段隧道涌水量的计算预测预报。,4. 预报的主要内容(1) 断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；(2) 软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质；(3) 岩溶发育位置、规模及其性质；(4) 不同岩类间接触界面位置；(5) 在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；(6) 工程地质灾害可能发生的位置和规模；(7) 隧道围岩级别变化及其分界位置；(8) 不同风化程度的分界位置；(9) 不良地质体（带）的成灾可能性；(10) 隧道涌水位置、水压及水量；(
14、11) 隧道围岩级别变化及其分布。,二、预报分类及工作方法简介,1. 分类简述 严格地说，隧道施工期超前地质预报可分为不良地质体（带）的位置、规模及其性质及其成灾可能性预报和隧道洞内总涌水量、分段涌水量及涌水水压预报。 对不良地质体（带）的位置、规模及其性质及其成灾可能性的预报，分类方法多种多样，归纳起来主要有以下几种： （1）作用分类：根据预报工作的作用或预报所要开展的工作来进行划分。 （2）距离分类 ：根据隧道施工地质预报的距离来进行划分。 （3）精度分类：根据对预报工作结果的精度要求来进行划分。 （4）手段分类 ：根据预报工作所采用的手段来进行划分。 （5）方法分类 ：主要根据预报采用的
15、方法进行划分。 （6）内容分类：主要根据预报工作内容来进行划分。 （7）学科分类：按预报采用的学科来进行划分，主要用于隧道洞内总涌水量、分段涌水量及涌水水压预报。,2. 工作方法 需要引起重视的是，尽管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已经得到了广泛的重视并作为施工工序的一个重要组成部分在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施，但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的现象仍普遍存在，由于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报的情况亦不罕见。长此下去，要提高隧道施工
16、地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能。因此有必要就隧道地质超前预报工作方法作一阐述。 开展隧道地质预报，应包括预可研和可行性研究阶段的资料收集，设计阶段整理分析和研究勘察阶段钻探、物探及试验等成果，施工阶段熟悉设计文件、资料和图纸；地表补充地质调查；洞内地质调查和掌子面地质素描，选择合理的地球物理探测方法开展施工掌子面超前探测；探测成果分析。,施工地质超前预报工作方法(1)资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸 (2)补充地质调查 (3)洞内地质调查和掌子面地质素描 (4)物探方法的选择和现场实施掌子面探测 (5)探测成果分析 (6)隧道工程岩体分级 (7)预报报告的内容及报告的提交 通过资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸和补充地质调查，确定隧道施工地质超前预报重点段，减少预报的盲目性和预报经费使用的有效性。 洞内地质调查和掌子面地质素描是隧道施工过程中的地质工作，是隧道工程全过程地质工作的重要一环，其不仅是开展隧道施工地质超前预报的需要，
