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1、隧道地质超前预报技术,隧道是修筑在岩体、土体或水底的，两端有出入口的，供车辆、行人、水流、及管线等通过的通道。包括交通运输方面的铁路、道路、水（海）底隧道和各种水工隧洞。,一、地质超前预报的提出,隧道设计与施工之前，要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察；但由于岩体的复杂性，使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入。,由于对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资；重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。,地质超前预报的提出
2、,如何解决这一难题？备受世界各国隧道工程界的关注！隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。,地质超前预报的提出,什么是隧道超前地质预报,隧道超前地质预报：就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。,？！,地质预测预报设备表,我国目前正在进行的大规模的基础设施建设中，包括有大量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）建设，其中有不少隧道处在复杂岩性、构造、高地应力地区，有些地区甚至被专家称为“地质博物馆”。在我国隧道施工中由于对施工前方地质条件的不了解造成的隧道坍塌、突水等事故时有发生。因此普
3、遍在隧道施工中采用地质超前预报技术，特别是采用国际先进的地质超前预报技术（TSP等）对提高我国隧道施工技术水平大有裨益。,地质超前预报的提出,二、隧洞施工中的主要地质灾害,隧洞内的突(涌) 水一般均发生在岩溶地区, 赋存有丰富的地下水, 由岩溶裂隙、溶洞、地下暗河构成地下水的运移网络。在隧洞开挖过程中将遇突水及突泥现象, 且具有水压力大、突发性的特点 。,2.1 突（涌）水、突泥,岩溶突水一直被认为是世界性的难题。我国境内岩溶分布广泛，约占国土面积的1/3。随着技术的进步和交通事业的加速发展，在岩溶地区修建的隧道工程将会越来越多,Gushing Water,宜万铁路隧道突水事故,位于巴东县野三
4、关镇的大山深处，全长3.65公里，所处山体岩溶发达、水系丰富，地质结构异常复杂，是沪蓉西高速公路最为艰难的关键控制性施工项目。,2007年8月4日晚，野三关隧道出口I线DK124602掌子面爆破、排险后正常出碴，5日凌晨0:57分，出碴接近尾声时，装载机司机突然发现掌子面后右侧向上涌水，随即撤离出井报警。之后，突发大规模突水突泥，峰值涌水量30万方/小时，持续30分钟后稳定，总突水量15.1万方，突泥石5.35万方。突水点附近约200m被块石、泥沙充满；距突水点500m处淤积泥沙厚度约3米。,野三关隧道.突水突泥及整治,龙麟宫隧道 DK231+796半充填大型溶洞,2006年8月5日揭示该溶洞
5、。溶洞发育纵向长100m、横向宽150m、向上高出拱顶以上10m、向下深21m。,齐岳山隧道进口正洞DK363+090超前探测涌水,齐岳山隧道进口正洞DK363+629超前探测涌水,齐岳山隧道出口F11断层超前探孔涌水,齐岳山隧道出口PDK366+195高压水,2004年5月31日，齐岳山隧道平导施工至PDK361+870处，采用超前炮眼孔进行超前探测时，探孔中射出高压水，射程5m，单孔涌水量60方/小时。随后加强探测：前方发育充水溶槽，溶槽由左上向右下发育，最大宽度12m。测试水压力为0.26MPa，预测涌水量为3000方/小时。,云雾山隧道“617、526溶腔”突水涌砂：2008年7月21
6、日，隧道出口DK245+645超前探孔时发生突水涌砂，瞬间涌水量达780方/小时，涌砂约1000方，涌水造成线淹井1035m、线淹井710m。 8月26日完成抽水及清砂。 9月6日，10#横通道超前探孔时又发生突水涌砂，再次造成淹井。 10月12日，隧道进口线遭遇DK245+526溶腔，溶腔内充填泥砂，探测期间突出泥砂约250方，涌水量约为90方/小时。,云雾山隧道DK245+617溶腔突水突泥后进洞观察照片,马鹿箐隧道“978溶腔”突水突泥：2006年1月21日，马鹿箐隧道出口平导反坡施工到PDK255+978时，发生突水突泥。平导施工人员立即逃生。 突水经横通道涌入正洞，使正洞作业人员遇难
7、。突水时最大涌水量为30万方/小时，持续7小时后，涌水量稳定为300方/小时。,马鹿箐隧道1-21突水突泥录像,锦屏二级水电站长探洞内曾发生瞬时涌水量大于等于0. 1 m3/s 的突水突泥点10 处, 最大突水点的最大瞬时涌水量达4. 91m3s, 造成施工设备被淹, 严重影响施工工期。,武隆铁路隧道施工过程中遭遇到三条地下暗河, 最大平均涌水量达16. 2m3s, 冲毁路基及洞口。这些涌水点除具有突发性的特点外, 其涌水初期均携带有大量砂粘土, 造成洞内淤积。且大多隧洞施工过程中所出现的涌水现象, 已引起一定的环境地质问题。,圆梁山隧道是渝怀铁路线上最长的隧道，全长 11.068 km，为已
8、建和在建铁路隧道中施工难度最大的工程之一。该隧道穿越高压富水的毛坝向斜、桐麻岭背斜和冷水河浅埋段，地貌形态明显受地质构造控制，岩层具带状展布特征。隧道穿越的可溶性灰岩地层总长约7 100 m，占隧道总长的64 %。在隧道施工中，先后遇到了5 个深埋充填型溶洞，充填介质为粉细砂、粉质黏性土和黏土等。预估正常涌水量为9.8104 m3/d，最大涌水量为14.5104 m3/d，其中毛坝向斜存在 两层承压水，承压水压力高达4.44.6 MPa。由于受高压、富水、岩溶等诱导因素的影响，多次发生突水事故，施工难度较大 。,2.2 围岩变形及破坏,（1） 较软弱岩、断层破碎带等由于自身的稳定能力低, 其变
9、形破坏则主要表现为大的变形位移和坍塌等。,宜万铁路隧道出口岩崩事故,宜万铁路隧道坍塌,（2）高地应力和岩爆是我国西部工程的主要地质问题之一。岩爆：是洞内高地应力引起的岩石脆性破坏形式：有剥落、松脱、弹射、强烈弹射; 类型：零星、成片、连续型; 等级：有弱岩爆、中等岩爆、强岩爆等。,Disking of a 150 mm core of granite as a result of high stresses in situ,Rockburst,The results of a rockburst in an underground mine in brittle rock subjected
10、to very high stresses,宜万铁路隧道发生岩崩 载有30人客车被埋,（3）块状围岩的掉块、崩坍破坏： 主要是受到不同结构面相互组合所控制,2.3 特殊地质问题,（1）高地温地下工程若处在高地温梯度或地热异常区, 极可能遭遇高地温; 在各国修建深埋隧洞时, 已有不少工点出现不同程度的热害。,（2）有害气体隧洞围岩中产生的有害气体主要为瓦斯（主要为甲烷CH4）、H2S 和施工引起的CO、CO2、粉尘等。,特殊地质问题,内昆铁路线朱嘎隧道位于云贵高原的乌蒙山中, 有240 m 高瓦斯煤系地层;意大利亚平宁隧道（18. 518 km）曾发生4 次瓦斯爆炸, 停工长达7 个月; 锦屏二
11、级水电站在施工过程中大理岩会产生H2S 气体, 含量较低, 一般不会构成对人员的伤害。,特殊地质问题,对施工过程中产生的有害气体或有害物质, 通过监测、试验, 并加强通风，控制有害气体和粉尘含量， 满足生产要求 。,三、 研究历史,隧道施工超前地质预报是隧道施工地质工作最主要的任务。1972 年8 月在美国芝加哥召开了快速掘进与隧道工程会议，在迄今为止的十几次的类似会议中, 隧道施工超前地质预报一直受到重视。上世纪80 年代世界各国都将这类问题列为重点研究课题。,Abroad,我国自上世纪80 年代在大瑶山隧道、南岭隧道、军都山隧道和其它一些隧道的施工中, 才开始其研究和试验工作。我国铁道部第
12、一勘测设计院是较早研究隧道地震超前预报的单位，其物探队提出了“负视速度方法”。,Home,四 超前地质预报内容,隧道施工超前地质预报主要内容包括：地层岩性、褶皱、断层、岩脉、破碎带、长大节理、地下水状况、地应力状况、岩性和围岩类别等。,超前地质预报内容,预报的重点：是断层、岩脉、破碎带、溶洞、暗河、煤系地层及其它不良地质体在掌子面前方的出露位置和对施工的影响。,五、预报分类,超前地质预报包括：隧道所在地区地质分析与宏观预报隧道洞身不良地质体及灾害地质超前预报重大施工地质灾害临警预报,（1）地区地质分析与宏观地质预报,预报开挖面前方的围岩级别、稳定性，随时提出修改设计，调整支护类型;预报洞内涌水
13、量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。,Advanced detection,Advanced detection (超前探测),（2）不良地质及灾害地质超前预报,预报掌子面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施。预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。,（3）重大施工地质灾害临警预报,重大施工地质灾害临警预报：针对掌子面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统。主要预报：隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核
14、部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。,六、超前地质预报方法,目前常见的地质超前预报方法可归为两类：一类属破坏法，另一类属非破坏法。,破坏法是指用破坏的方法凿开隧道直接取样，它包括超前平行导坑法和超前水平钻孔法。非破坏法也就是物理方法，利用岩石的物理性质来判别，它包括有声测法、电测法和波反射法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。,也可分为直接法和间接法。 直接方法：就是通常所说的地质法和钻探法。 例如在隧道勘测设计阶段，对隧道沿线进行地质调查，观察地表岩层露头，钻孔勘探，从而获得地质信息，作为隧道预设计的依据。 在开挖过程中，采用地质跟踪调查推断
15、法，通过观测已开挖的围岩状况，进行地质描述，做出施工记录，推断前方围岩状况，或进行超前钻探，即在掌子面进行钻孔取芯，直接获得前方短距离地质信息。,间接法：就是使用地球物理技术进行勘探，亦称为物探法。 目前，国内外采用的物探预报方法主要有：地面电测深法地面浅层地震法地震反射波预报法（包括TSP、TRT等）洞内地质雷达法洞内瞬变电磁法数值模拟分析等。,6.1 地质法,地质法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性，并判断周围的岩性。通过收集分析地质资料,地表详细调查,隧道内地质编录、素描、数码照相、超前风钻、涌水量预测等方法,了解隧道所处地段的地质条件,运用地质学理论,对比、
16、论证、推断,预报特长隧道施工前方的工程地质、水文地质情况。,地表调查及掌子面地质编录法,通过地表地质调查方法,可以补充一些图纸中遗漏或忽视的地质构造,校核原设计图中的地质构造的位置、产状和规模;通过地质界面、地质体投射技术求得其穿过隧道的位置、规模等,从而对整座隧道的工程地质状况有一个宏观的把握,并确定预报的重点区段。,Site Geology investigation (现场地调查),Geology investigation,隧道施工掌子面地质素描是超前地质预报技术中最基本的一种方法,可根据掌子面的地质变化趋势来推测前方地质情况。隧道掌子面地质素描的内容包括:掌子面的地层岩性描述,包括岩石类别、颜色、矿物成分等;地质结构及构造描述;,节理裂隙发育及分布情况,包括节理裂隙发育组数、性质、形态、密度及延伸长度等; 结构面的性质、产状等; 地下水情况,包括地下水类型、涌出形式及流量等; 工作面的地质展示图等。,通过对洞内掌子面涌水量动态变化的长期观测记录,掌握地下水初期涌水量、衰减涌水量和稳定涌水量的变化规律,综合分析地层、断层等构造以及基岩裂隙水的运动特点,查明地下水的补给、径流及排泄途径,预报未开挖段水文地质情况。对隧道开挖前涌水量的定量预测,往往与隧道开挖实际涌水量有一定的差距,应进行对比分析,总结经验,提高预报水平。,
