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1、隧道施工地质灾害及其超前预报中铁西南科学研究院 何发亮教授级高级工程师、硕士研究生导师隧道施工地质灾害及其超前预报l 众众所所周周知知，经经历历了了众众多多隧隧道道地地质质超超前前预预报报成成功功与与失失败败和和大大量量隧隧道道工工程程实实践践之之后后，在在各各级级领领导导的的重重视视和和众众多多专专家家的的呼呼吁吁下下，隧隧道道地地质质超超前前预预报报工工作作作作为为施施工工工工序序的的一一个个重重要要组组成成部部分分已已经经在在许许多多隧隧道道工工程程招招标标文文件件中中明明确确要要求求并并在在施施工工中中实实施施；以以地地质质法法为为基基础础，以以地地球球物物理理探探测测方方法法为为手手
2、段段的的隧隧道道综综合合地地质质超超前前预预报报方方法法，也也已已成成为为隧隧道道工工程程界界的的共共识识并并得得到到广广泛泛的的认认同同。尽尽管管如如此此，但但片片面面强强调调并并强强行行规规定定使使用用某某一一种种物物探探设设备备进进行行施施工工地地质质超超前前预预报报；忽忽视视隧隧道道施施工工期期地地质质工工作作；由由于于缺缺乏乏地地质质工工程程师师，仅仅仅仅靠靠几几个个毫毫无无地地质质基基础础知知识识的的经经过过仪仪器器操操作作和和分分析析软软件件使使用用培培训训人人员员便便开开展展隧隧道道施施工工地地质质预预报报等等现现象象仍仍普普遍遍存存在在。如如此此下下去去，要要提提高高隧隧道道
3、施施工地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能。工地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能。l 隧道施工地质灾害及其超前预报l 隧道施工地质超前预报是在隧道施工地质超前预报是在隧道洞内外地质调查、掌子面素隧道洞内外地质调查、掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、描结果的基础上，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；采用地球物理探测手段对隧道施工掌洞内外构造相关分析结果；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、逻辑学等各学科知子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工
4、程可能遇到的各种不良地质体及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害的性质、分布位置、规模的判断和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。预报。隧道施工地质灾害及其超前预报l开展隧道施工地质灾害及其超前地质预开展隧道施工地质灾害及其超前地质预报的必要性报的必要性 l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害 l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法 l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害及其超前预报l开展隧道施工地质灾害及其超前地质预报的必开展隧道施工地质灾害及
5、其超前地质预报的必要性要性l(1)(1)勘勘测测设设计计阶阶段段的的地地质质工工作作量量投投入入所所限限,勘勘察察精精度度不不够够,致致使使设设计计与与实实际际不不符符的的情情况况时时有有发发生生,由由此此造造成成的的地地质质灾灾害害给给隧隧道道施施工工和和运运营带来极大的危害；营带来极大的危害；l (2)(2)勘勘测测设设计计阶阶段段的的地地质质预预估估预预评评价价是是对对隧隧道道所所处处地地质质背背景景的的宏宏观把握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握；观把握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握；l(3)(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；复杂长隧道的地质变化对施工
6、方法及工期有决定性影响；l (4)(4)人人为为作作用用（施施工工开开挖挖）引引起起地地质质的的变变化化只只有有在在施施工工期期才才能能显显现出来；现出来；l (5)(5)施施工工期期需需要要对对地地质质的的掌掌握握不不能能只只是是停停留留在在定定性性评评价价上上，要要有有定量的评价；定量的评价；l (6)(6)作作为为地地质质工作的全工作的全过过程的程的组组成部分，是成部分，是积积累累经验经验提高隧道施提高隧道施工地工地质质超前超前预报预报准确率和水平的需要，是建立隧道工程完整地准确率和水平的需要，是建立隧道工程完整地质质资资料的需要料的需要 。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害
7、隧道施工地质灾害l(1)(1)围岩的变形、失稳破坏围岩的变形、失稳破坏l a.a.软岩软岩(软质岩、断层泥、粘土质岩溶充填物软质岩、断层泥、粘土质岩溶充填物)变形失稳坍方变形失稳坍方l b.弱弱岩岩（节节理理密密集集发发育育岩岩体体、断断层层及及其其影影响响带带破破碎碎岩岩体体、结结构构面不利组合构成的不稳定块体）失稳坍方、塌落面不利组合构成的不稳定块体）失稳坍方、塌落l(2)(2)隧道涌水隧道涌水l a.节理密集发育岩体富水节理密集发育岩体富水l b.断层及其影响带破碎岩体地下水储存运移通道断层及其影响带破碎岩体地下水储存运移通道l c.充水岩溶（溶隙、溶缝、溶管、溶洞、地下岩溶暗河等）充水
8、岩溶（溶隙、溶缝、溶管、溶洞、地下岩溶暗河等）隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害l(3)(3)隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）l a.a.饱水断层破碎带含粘土破碎岩坍塌饱水断层破碎带含粘土破碎岩坍塌l b.b.饱水全、强风化岩脉坍塌饱水全、强风化岩脉坍塌l c.c.饱水饱水粘土质、粘土夹块石岩溶充填物坍塌、揭穿粘土质、粘土夹块石岩溶充填物坍塌、揭穿l(4)(4)岩爆岩爆l a.a.深埋隧道中脆性、高强度、完整性极好岩体深埋隧道中脆性、高强度、完整性极好岩体l b.b.浅浅埋埋隧隧道道地地表表地地形形突突变变位位置置脆脆性性、高高强强度度、完完
9、整整性性极极好好岩岩 体体隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害l(5)(5)有害气体突出、燃烧、爆炸有害气体突出、燃烧、爆炸l主主要要是是与与煤煤层层、炭炭质质泥泥岩岩、炭炭质质页页岩岩有有关关的的瓦瓦斯斯气气体体突突出出、燃燃烧烧、爆炸爆炸l(6)(6)高地温高地温l(7)(7)地表生态环境灾害地表生态环境灾害(地表塌陷、地表水源枯地表塌陷、地表水源枯竭等竭等)l主要与隧道洞内坍方、主要与隧道洞内坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有关泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有关隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法l(1)(1)资料收集、勘察
10、成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸l a.a.预可研和可行性研究阶段资料收集预可研和可行性研究阶段资料收集l b.b.勘察成果整理分析勘察成果整理分析l c.c.熟悉设计文件、资料和图纸熟悉设计文件、资料和图纸l(2)(2)补充地质调查补充地质调查l 通通过过前前述述工工作作，确确定定隧隧道道施施工工地地质质预预报报重重点点段段，确确保保有有限限经经费的有效使用费的有效使用l(3)(3)洞内地质调查和掌子面地质素描洞内地质调查和掌子面地质素描l a.a.洞内地质调查洞内地质调查l b.b.掌子面地质素描掌子面地质素描l 隧道施工地质灾害及
11、其超前预报l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法l(3)(3)物探方法的选择和现场实施掌子面探测物探方法的选择和现场实施掌子面探测l a.a.物探方法的选择物探方法的选择(物探方法与地质法的结合物探方法与地质法的结合)l b.b.掌子面探测掌子面探测l(4)探测成果分析探测成果分析l(5)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级l 工工程程岩岩体体分分级级标标准准（GB 5021895）以以岩岩体体完完整整性性、岩岩石石质质量量作作为为分分级级的的基基本本参参数数，以以主主要要结结构构面面状状态态、岩岩体体含含水水情情况况、和和初始应力状态作为修正参数来进行。初始应力状态作为修正参数来进行
12、。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法l(5)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级l根据岩体基本质量指标的大小将工程岩体分为五级：根据岩体基本质量指标的大小将工程岩体分为五级：l BQ=90+3RC+250KVl根根据据地地下下水水、主主要要软软弱弱结结构构面面产产状状、岩岩体体初初始始地地应应力力状状态态对对岩岩体体基基本本质质量量指指标标进进行行修修正正，根根据据修修正正后后的的岩岩体体基基本本质质量量指指标标确确定定工工程岩体的最终级别：程岩体的最终级别：l BQ=（90+3RC+250KV）100（K1+K2+K3）l式中式中 RC岩石单轴饱和抗压
13、强度（岩石单轴饱和抗压强度（MPa）l KV岩体完整性指数；岩体完整性指数；l K1地下水影响修正指标；地下水影响修正指标；l K2主要软弱结构面产状影响修正指标；主要软弱结构面产状影响修正指标；l K3初始应力状态影响修正指标；初始应力状态影响修正指标；隧道施工地质灾害及其超前预报l(5)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级l显然，在隧道地质超前预报特别是施工地质超前预报阶段，根据显然，在隧道地质超前预报特别是施工地质超前预报阶段，根据围岩岩体体积节理数（围岩岩体体积节理数（JV）、岩石体声波测试可确定围岩岩体完）、岩石体声波测试可确定围岩岩体完整性系数整性系数KV；根据估计的岩石单轴抗压强度可
14、确定；根据估计的岩石单轴抗压强度可确定RC；根据隧道；根据隧道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；岩体的初洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；岩体的初始地应力状态无法确定。因此，只能提出隧道工程岩体的建议分始地应力状态无法确定。因此，只能提出隧道工程岩体的建议分级级别级级别。隧道施工地质灾害及其超前预报l(6)预报报告的内容及报告的提交预报报告的内容及报告的提交l a.预报报告的内容预报报告的内容l预报报告应包括以内容：预报报告应包括以内容：l（1）工程概况；）工程概况；l（2）地质预报采用的方法原理；）地质预报采用的方法原理；l（3）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质
15、素描图；）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图；l （4）探测区、点布置图；）探测区、点布置图；l（5）结结合合隧隧道道勘勘察察设设计计资资料料、补补充充地地质质调调查查结结果果、洞洞内内地地质质调调查查结结果果进进行行的的探探测测分分析析结结果果（包包括括文文字字、探探测测典典型型波波形形图图、波波谱谱图和成果图等）；图和成果图等）；l（6）预预报报结结论论及及下下步步施施工工措措施施建建议议（围围岩岩加加固固、初初期期支支护护、超超前前支护、永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议）支护、永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议）l b.报告的提交报告的提交(及时及时)
16、隧道施工地质灾害及其超前预报l(7)验证验证l 施施工工开开挖挖验验证证是是隧隧道道地地质质超超前前预预报报的的重重要要的的一一环环，是是改改进进探探测测布布置置、提提高高预预报报准准确确率率的的需要，也是完成预报工作的要求。需要，也是完成预报工作的要求。l 具体而言，应随开挖进行不良地质体带位具体而言，应随开挖进行不良地质体带位置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模等的记录，并与预报结论进行对比（列表对比）等的记录，并与预报结论进行对比（列表对比），从中分析成功和失败的原因，以利下一步工，从中分析成功和失败的原因，以利下一步工作的开展。作的开展。隧道
17、施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l(1)地质法地质法l(2)超前（平行）导坑（隧道）法超前（平行）导坑（隧道）法l(3)超前水平钻孔法超前水平钻孔法l(4)超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法l(5)声波声波CT层析成像法层析成像法l(6)波反射法波反射法(地震、声波、超声波、电磁波地震、声波、超声波、电磁波)l(7)波反射层析成像法波反射层析成像法 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法地质法地质法 地地质质法法是是隧隧道道地地质质超超前前预预报报采采用用的的一一种种基基本本方方法法
18、。在在隧隧道道的的预预可可研研和和可可行行性性研研究究阶阶段段、勘勘察察设设计计阶阶段段均均采采用用地地质质法法进进行行。在在隧隧道道施施工工阶阶段段主主要要根根据据隧隧道道施施工工期期掌掌子子面面地地质质条条件件，如如岩岩体体结结构构面面产产状状及及其其发发育育状状况况、岩岩体体破破碎碎程程度度、岩岩石石的的变变质质程程度度等等的的变变化化特特征征，结结合合地地表表地地质质调调查查结结果果，采采用用相相关关分分析析（包包括括结结构构面面统统计计分分析析、构构造造相相关关分分析析等等）进进行行超超前前预预报报，主主要要预预报报隧隧道道掌掌子子面面前前方方存存在在的的断断层层、不不同同岩岩类类间
19、间的的接接触触界界面面特特别别是是火火成成岩岩与与沉沉积积岩岩间间的的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。l 地地质质法隧道施工期地法隧道施工期地质质超前超前预报预报是最早开展的，也是任何其是最早开展的，也是任何其它隧道施工期地它隧道施工期地质质超前超前预报预报方法的基方法的基础础。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l超前（平行）导坑（隧道）法超前（平行）导坑（隧道）法l 利利用用已已有有隧隧道道地地质质资资料料进进行行与与已已有有隧隧道道平平行行的的施施工工隧隧道道的的地地质质预预报报是是
20、隧隧道道施施工工期期地地质质预预报报的的一一种种常常用用方方法法，根根据据超超前前施施工工的的平平行行隧隧道道或或导导坑坑所所遇遇地地质质情情况况推推测测隧隧道道将将遇遇到到怎怎样样的的地地质质情情况况则则是是隧隧道道施施工工期期地地质质预预报报的的一一种种重重要要方方法法，特特别别是是当当两两平平行行隧隧道道间间距距较较小小时时预报效果更佳。预报效果更佳。l 超前导坑法是我国隧道施工早期采用的隧道施工超前导坑法是我国隧道施工早期采用的隧道施工期地质超前预报方法。期地质超前预报方法。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法超前水平钻孔法l 采用超前水平钻孔
21、进行隧道施工期掌子面前方地质采用超前水平钻孔进行隧道施工期掌子面前方地质超前预报是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方超前预报是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观法。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石（体）的强度指察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石（体）的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料。目前国内采用这种地下水状况等诸多方面的直接资料。目前国内采用这种方法进行隧道施工期地质超前预报主要在水工隧道（洞
22、）方法进行隧道施工期地质超前预报主要在水工隧道（洞）和长大铁路、公路工程中，国外已较为普遍。采用此方和长大铁路、公路工程中，国外已较为普遍。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。到探水的作用。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法l 采采用用声声波波探探测测技技术术，利利用用凿凿岩岩台台车车在在隧隧道道施施工工掌掌子子面面加加接接钻钻杆杆施施作作微微倾倾角角超超前前钻钻孔孔，通通过过孔孔中中测测井井或或跨跨孔孔
23、声声波波测测试试结结果果来来进进行行隧隧道道掌掌子子面面前前方方地地质质条条件件（情情况）的超前预报。况）的超前预报。l 受钻孔施作等的限制，该方法目前已发展为声波受钻孔施作等的限制，该方法目前已发展为声波CTCT法。法。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预隧道施工地质灾害预报方法报方法l超前钻孔声波测井及跨孔超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法声波透视法l大瑶山隧道大瑶山隧道DK1994+650掌子掌子面面跨孔声波透视法跨孔声波透视法地质预报地质预报 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l声波声波CT层析成像法层析成像法l 声声波波层层析析成
24、成像像法法移移植植于于混混凝凝土土声声波波CTCT层层析析成成像像(Computer(Computer Tomography,Tomography,简简称称CTCT成成像像或或)。混混凝凝土土声声波波CTCT层层析析成成像像国国外外始始于于7070年年代代，该该方方法法借借助助医医学学界界射射线线断断层层扫扫描描的的基基本本手手段段，结结合合其其物物理理力力学学性性质质的的相相关关分分析析，采采用用射射线线走走时时和和振振幅幅来来重重构构混混凝凝土土内内部部声声速速值值及及衰衰减减系系数数的的场场分分布布，通通过过像像素素、色色谱谱、立立体体网网络络的的综合展示，以期达到直观反映混综合展示，以
25、期达到直观反映混凝土内部凝土内部结结构构图图像之目的。像之目的。l 近年来，随着计算机技术的广泛应用和声波近年来，随着计算机技术的广泛应用和声波CTCT专用软件的成专用软件的成功开发，在原有跨孔声波测试基础上开发的岩土声波功开发，在原有跨孔声波测试基础上开发的岩土声波CTCT层析成像层析成像法已开始应用于隧道施工期地质超前预报，尽管受探测钻孔施作法已开始应用于隧道施工期地质超前预报，尽管受探测钻孔施作的限制，但在一定范围内的岩溶洞穴、管道的探测中已发挥了重的限制，但在一定范围内的岩溶洞穴、管道的探测中已发挥了重要的作用。要的作用。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地
26、质灾害预报方法l声波声波CT层析成像法层析成像法l圆梁山圆梁山361+764左墙脚溶管探测成像图左墙脚溶管探测成像图 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法波反射法波反射法l 主主要要利利用用声声波波、超超声声波波、地地震震波波及及电电磁磁波波在在地地层层中中传传播播、反反射射，通通过过信信号号采采集集系系统统接接收收反反射射信信号号，判判释释隧隧道道掌掌子子面面前前方方反反射射界界面面（断断层层、软软弱弱夹夹层层等等）距距隧隧道道掌掌子子面面的的距距离离来来进进行行隧隧道道施施工工期地质超前预报。期地质超前预报。l 近十多年来，声波反射法（近十多年来，
27、声波反射法（HSPHSP）、地震波反射法（包括）、地震波反射法（包括负视负视速度法和速度法和TSPTSP）、）、电电磁波反射法（雷达）已广泛磁波反射法（雷达）已广泛应应用于隧道施工期用于隧道施工期地地质质超前超前预报预报之中。之中。l 应该指出的是，波反射法隧道地质超前预报实际上是对隧道应该指出的是，波反射法隧道地质超前预报实际上是对隧道施工掌子面前方不良地质体分布界面位置的预报，不良地质体性施工掌子面前方不良地质体分布界面位置的预报，不良地质体性质的预报必须结合隧道施工地质工作成果和预报人员丰富的地质质的预报必须结合隧道施工地质工作成果和预报人员丰富的地质工作经验来实现。工作经验来实现。隧道
28、施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法TSPTSP法法l左图：左图：TSP TSP法工作原理法工作原理l右图：右图：纵纵波深度偏移剖面波深度偏移剖面 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法HSPHSP法法l左图：左图：HSP HSP法工作原理法工作原理l右图：右图：HSP HSP法时域频域分析法时域频域分析隧道施工地质灾害及其超前预报l HSP HSP法武隆隧道充填岩溶前方界线探测成果图法武隆隧道充填岩溶前方界线探测成果图隧道施工地质灾害及其超前预报l地地质质雷雷达达法法采采用用的的是是连连续续扫扫描描电电磁磁波波反反
29、射射曲曲线线的的叠叠加加，利利用用电电磁磁波波在在隧隧道道掌掌子子面面前前方方岩岩体体中中的的传传播播、反反射射，根根据据测测到到的的反反射射脉脉冲冲波走时计算反射界面距隧道施工掌子面的距离。波走时计算反射界面距隧道施工掌子面的距离。l地质雷达被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预报地质雷达被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预报距离短，易受隧道洞内机器、管线的干扰，目前多用于岩溶洞穴、距离短，易受隧道洞内机器、管线的干扰，目前多用于岩溶洞穴、含水带和破碎带的探测预报。含水带和破碎带的探测预报。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l地震
30、波反射层析成像法地震波反射层析成像法 l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，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，传感器的布置视隧道几何形态和传感器的布置视隧道几何形态和TRT数据采集系统基本形式预先数据采集系统基本形式预先确定。按预定型式在岩石表面安设确定。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隧道掌子面前方界面反射回速度传感器，由地震源发射的信号及隧道掌子面前方界面反射回来的信号采用用标准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道地震仪采集，直达波及隧道掌子面前
31、方异常体边界反射回来的反射波由接收传感器接收。数据采集后，异常体边界反射回来的反射波由接收传感器接收。数据采集后，在地震仪顶部计算机进行数据传输和处理，完成隧道掌子面前方在地震仪顶部计算机进行数据传输和处理，完成隧道掌子面前方地质情况的三维反射层析成像。地质情况的三维反射层析成像。隧道施工地质灾害及其超前预报l左图左图:三维地震反射层析成像原理三维地震反射层析成像原理(据等据等)l右图右图:日本斧山某隧道掌子面前方日本斧山某隧道掌子面前方TRT反射层析平面图反射层析平面图（据等）（据等）隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报l围岩的变形、失稳破坏预报围岩的变形、
32、失稳破坏预报l 围围岩岩的的变变形形、失失稳稳破破坏坏主主要要是是由由围围岩岩的的固固有有属属性性、结结构构体体和和岩岩体体结结构构面面的的性性状状和和应应力力条条件件不不利利引引起起。因因此此，对对围围岩岩的的变变形形、失失稳稳破破坏坏的的预预报报，主主要要是是对对软软岩岩地地层层（软软夹夹层层）、断断层层破破碎碎带带、大大范范围围岩岩溶溶充充填填物物、岩岩体体节节理理裂裂隙隙不不利利组组合合和和内内存存坍坍塌塌物物的的废废弃弃矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报。矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报。l 对对软软岩岩地地层层（软软夹夹层层）、断断层层破破碎碎带带、大大范
33、范围围岩岩溶溶充充填填物物及及内内存存内内存存坍坍塌塌物物的的废废弃弃矿矿巷巷在在隧隧道道掌掌子子面面前前方方出出现现位位置置、性性质质及及规模的预报，可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行。规模的预报，可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行。l 对由于岩体节理裂隙不利组合造成的围岩的变形、失稳破坏，对由于岩体节理裂隙不利组合造成的围岩的变形、失稳破坏，预报或采用地质法进行，通过对岩体节理裂隙产状测量、地质作预报或采用地质法进行，通过对岩体节理裂隙产状测量、地质作图（结构面赤平投影、极射赤平投影）确定岩体节理裂隙不利组图（结构面赤平投影、极射赤平投影）确定岩体节理裂隙不利组合在隧道
34、周边出现的位置、不稳块体失稳方向；或采用块体平衡合在隧道周边出现的位置、不稳块体失稳方向；或采用块体平衡理论、有限元方法进行块体稳定性计算，确定隧道围岩不稳块体理论、有限元方法进行块体稳定性计算，确定隧道围岩不稳块体出现的部位。出现的部位。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报隧道涌水隧道涌水l 隧隧道道的的开开挖挖，破破坏坏或或改改变变了了隧隧道道所所在在地地区区水水文文地地质质环环境境，隧隧道道成成为为地地下下水水新新的的排排泄泄通通道道。据据不不完完全全统统计计，我我国国既既有有隧隧道道80%在在施施工工期期遭遭遇遇过过隧隧道道涌涌水水灾灾害害，运运营营隧
35、隧道道渗渗漏漏水水灾灾害害亦亦可可说说严严重重。从从大大瑶瑶山山隧隧道道施施工工期期竖竖井井因因涌涌水水被被淹淹、娄娄山山关关铁铁路路隧隧道道施施工工期期因因施施工工开开挖挖切切断断岩岩溶溶管管道道造造成成隧隧道道雨雨季季涌涌水水达达130000m3/d、贵贵昆昆线线梅梅花花山山隧隧道道1991年年雨雨季季更更因因隧隧道道衬衬砌砌背背后后水水压压过过大大造造成成隧隧道道边边墙墙衬衬砌砌倒倒塌塌（12m）及及开开裂裂（12 m）等等可可见见一一斑斑。因因此此，隧隧道道涌涌水水预预测测预预报报在在隧隧道道地地质质超超前前预预报报中中占占据据着着极极为为重重要要的的位位置置。遗遗憾憾的的是是，目目前
36、前各各种种地地质质超超前前预预报报方方法法中中，对对水水的的预预报报仍仍缺缺乏乏有有效效的的手手段。段。l 目前对隧道涌水位置预报采用的技术方法包括：目前对隧道涌水位置预报采用的技术方法包括：l（1）界面位置结合地质分析法；）界面位置结合地质分析法；l（2）红外探测仪探水法；）红外探测仪探水法；l（3）地质雷达探水法；）地质雷达探水法；l（4）岩体温度监测法。）岩体温度监测法。l（5）钻孔探水法。）钻孔探水法。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报隧道涌水隧道涌水l界界面面位位置置结结合合地地质质分分析析法法:采采用用的的是是钻钻探探法法外外的的各各种种地地质质
37、预预报报方方法法确确定定施施工工掌掌子子面面前前方方界界面面位位置置，根根据据隧隧道道洞洞内内外外地地质质调调查查结结果果，分分析析确确定定界界面面及及界界面面前前方方介介质质导导、储储水水的的可可能能性性，预预测测界界面面及及界界面前方发生涌水的可能性。面前方发生涌水的可能性。l红红外外探探测测仪仪、地地质质雷雷达达:探探测测对对围围岩岩岩岩体体是是否否含含水水有有效效，但但不不能能确确定含水量大小。定含水量大小。l岩岩体体温温度度监监测测法法:对对含含水水体体位位置置确确定定应应有有明明显显的的效效果果，但但目目前前对对地地温温场场、施施工工对对岩岩体体温温度度的的影影响响及及岩岩体体温温
38、度度传传导导特特性性对对岩岩体体温温度度监监测的影响仍缺乏系统的研究，也缺乏实践。测的影响仍缺乏系统的研究，也缺乏实践。l钻孔探水钻孔探水:直接探水，对基岩孔隙裂隙水效果明显。但对岩溶水、直接探水，对基岩孔隙裂隙水效果明显。但对岩溶水、与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水，钻孔探水与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水，钻孔探水有较大的钻孔涌水风险。渝怀铁路圆梁山隧道进口正洞有较大的钻孔涌水风险。渝怀铁路圆梁山隧道进口正洞354+362掌子面在进行超前水平钻探地质预报过程中，因钻孔揭穿前方底掌子面在进行超前水平钻探地质预报过程中，因钻孔揭穿前方底部沉积含粘土质粉砂充水岩溶，发
39、生了钻孔涌水涌砂，最大射程部沉积含粘土质粉砂充水岩溶，发生了钻孔涌水涌砂，最大射程达达30米左右，淤积物为含粘土质粉细砂，淤积厚度达米左右，淤积物为含粘土质粉细砂，淤积厚度达2米多，长度米多，长度100余米。余米。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报l隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）l隧道洞内泥砂石流主要与隧道施工掌子面前方存在的隧道洞内泥砂石流主要与隧道施工掌子面前方存在的饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变（风化）岩脉有关。因此，对隧道洞内岩脉、全蚀变（风化）岩脉有
40、关。因此，对隧道洞内泥砂石流的预报是对隧道施工掌子面前方存在的饱水泥砂石流的预报是对隧道施工掌子面前方存在的饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉位置的预报。可以采用前述任何一种隧道全蚀变岩脉位置的预报。可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行隧道施工掌子面前方界面预报，地质超前预报方法进行隧道施工掌子面前方界面预报，再结合地质法对界面性质进行确定，根据饱水断层破再结合地质法对界面性质进行确定，根据饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉的位置、规模，
41、预报隧道洞内泥砂石流可能发变岩脉的位置、规模，预报隧道洞内泥砂石流可能发生的位置和规模。生的位置和规模。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报岩爆岩爆l 研研究究表表明明，岩岩爆爆主主要要发发生生在在坚坚硬硬脆脆性性岩岩体体（花花岗岗岩岩、闪闪长长岩岩、石石灰灰岩岩、白白云云岩岩等等）中中，且且通通常常发发生生在在与与最最大大住住应应力力（1）倾倾向向相相垂垂直直的的隧隧道道断断面面处处，与与岩岩体体的的完完整整性性密密切切相相关关，岩岩体体完完整整性性越越好，岩爆发生的可能性越大。好，岩爆发生的可能性越大。l 目目前前岩岩爆爆的的预预报报仍仍处处于于经经验验预
42、预报报阶阶段段，主主要要根根据据隧隧道道的的埋埋深深、隧隧道道地地表表地地形形变变化化、围围岩岩岩岩性性、隧隧道道位位置置最最大大主主应应力力来来预预测测隧隧道道出现岩爆的可能性。出现岩爆的可能性。l 采采用用地地质质力力学学宏宏观观分分析析法法实实质质上上是是通通过过地地应应力力测测试试，确确定定最最大大主主应应力力及及其其方方向向，根根据据最最大大主主应应力力（1）量量级级、倾倾向向与与隧隧道道轴轴线的关系预测岩爆的发生与否。线的关系预测岩爆的发生与否。l 岩岩石石能能量量分分析析法法以以弹弹性性应应变变能能指指数数Wet，为为判判据据，确确定定岩岩爆爆的的发发生生与与否否及及岩岩爆爆的的
43、强强弱弱（Wet5严重岩爆）。严重岩爆）。lWet=SP/Stl式中：式中：SP弹性应变能；弹性应变能；l St耗散的应变能。耗散的应变能。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报岩爆岩爆l 能能量量冲冲击击性性指指标标法法以以能能量量冲冲击击性性指指标标Aef为为判判据据，确确定定岩岩爆爆的的发发生生与与否否及及岩岩爆爆的的强强弱弱（Acf2有有严重岩爆）。严重岩爆）。lAcf=A1/A2l式中：式中：A1应力应变峰值前曲线所包围的面积；应力应变峰值前曲线所包围的面积；l A2应力应变峰值后曲线所包围的面积。应力应变峰值后曲线所包围的面积。l 邹邹成成杰杰等等根
44、根据据隧隧道道围围岩岩单单轴轴抗抗压压强强度度或或抗抗拉拉强强度度，利利用用简简单单经验公式，计算岩爆系数经验公式，计算岩爆系数预测岩爆发生的可能性或强弱。预测岩爆发生的可能性或强弱。l 可可以以认认为为，无无论论是是地地质质力力学学宏宏观观分分析析法法，还还是是岩岩石石能能量量分分析析法、能量冲击性指标法、岩爆系数法、能量冲击性指标法、岩爆系数法，仍然属于经验方法。法，仍然属于经验方法。l 大量的工程实践证明，隧道岩爆除与隧道埋深、岩体强度、大量的工程实践证明，隧道岩爆除与隧道埋深、岩体强度、岩体完整性、岩体脆性及围岩所处地应力场有关，还与隧道上方岩体完整性、岩体脆性及围岩所处地应力场有关，
45、还与隧道上方地形变化息息相关，地表地形突变引起地下岩体应力局部集中是地形变化息息相关，地表地形突变引起地下岩体应力局部集中是浅埋隧道岩爆发生的主要原因。因此，隧道上方地表地形陡变位浅埋隧道岩爆发生的主要原因。因此，隧道上方地表地形陡变位置也是岩爆预报应关注的重点。置也是岩爆预报应关注的重点。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报有害气体突出、燃烧、爆炸有害气体突出、燃烧、爆炸l 对隧道洞内瓦斯、硫化氢的预报目前主要采用产气地层位置、对隧道洞内瓦斯、硫化氢的预报目前主要采用产气地层位置、废弃煤矿巷道分布位置预测预报和浓度监测来进行。地层位置及废弃煤矿巷道分布位置预
46、测预报和浓度监测来进行。地层位置及废弃煤矿巷道分布位置预报可以采用前述任何一种隧道地质超前废弃煤矿巷道分布位置预报可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行；由于有害气体既可在岩体裂隙中富集，也可沿岩预报方法进行；由于有害气体既可在岩体裂隙中富集，也可沿岩体中的节理裂隙运动，因此浓度监测包括瓦斯浓度监测等不仅应体中的节理裂隙运动，因此浓度监测包括瓦斯浓度监测等不仅应在煤层等产生有害气体的地层分布位置进行，还应在产生有害气在煤层等产生有害气体的地层分布位置进行，还应在产生有害气体的地层两侧一定距离范围内进行监测，特别是当产生有害气体体的地层两侧一定距离范围内进行监测，特别是当产生有害气体的地层
47、两侧岩体节理裂隙发育时更应如此。的地层两侧岩体节理裂隙发育时更应如此。l 值值得提出的是，在深埋隧道得提出的是，在深埋隧道还还原原环环境条件下泥炭境条件下泥炭质页质页岩中，岩中，也存在瓦斯溢出的可能性。也存在瓦斯溢出的可能性。贵贵州崇（溪河）遵（州崇（溪河）遵（义义）高速公路凉）高速公路凉风垭风垭隧道炭隧道炭质页质页岩中岩中产产生的瓦斯即通生的瓦斯即通过过灰岩裂隙溢出，灰岩裂隙溢出，严严重重处处甚甚至在隧道底至在隧道底积积水中形成冒泡水中形成冒泡现现象。象。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报高地温高地温l 可可以以说说，隧隧道道施施工工期期的的地地温温预预报
48、报目目前前基基本本未未予予开开展展，地地温温预预报报仍仍停停留留在在根根据据勘勘察察资资料料进进行行活活动动断断裂裂构构造造分分析析、地地温温异异常常区区的的划划定定及及按按地地温温梯梯度度计计算算的的研研究究探探讨讨阶阶段段。当当今今社社会会是是一一个个以以人人为为本的社会，开展隧道洞内围岩体温度监测预报势在必行。本的社会，开展隧道洞内围岩体温度监测预报势在必行。l 隧道围岩岩体温度监测是开展地温预报的最直接的有效技术隧道围岩岩体温度监测是开展地温预报的最直接的有效技术方法，还可兼顾隧道施工掌子面前方含水体分布位置预测预报的方法，还可兼顾隧道施工掌子面前方含水体分布位置预测预报的需要。需要。
49、隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报l地表生态环境灾害地表生态环境灾害(地表塌陷、地表水源枯竭等地表塌陷、地表水源枯竭等)l 因隧道施工造成的隧道地表生态环境灾害因隧道施工造成的隧道地表生态环境灾害(地表塌陷、地地表塌陷、地表水源枯竭等主要与隧道洞内坍方、表水源枯竭等主要与隧道洞内坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有关。因此对涌水有关。因此对隧道地表生态环境灾害主要通过对隧道洞内隧道地表生态环境灾害主要通过对隧道洞内坍方、坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水的预报结合隧道址区地质泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水的预报结合隧道址区地质环境条件分析来实现。环境条件分析来实现。欢迎各位提出宝贵意见 谢谢