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1、超前地质超前地质预测预报系统技术研究预测预报系统技术研究 岩溶发育地区隧道施工中合理利用超前地质预岩溶发育地区隧道施工中合理利用超前地质预岩溶发育地区隧道施工中合理利用超前地质预岩溶发育地区隧道施工中合理利用超前地质预报系统技术是避免施工风险的有效技术手段。以报系统技术是避免施工风险的有效技术手段。以报系统技术是避免施工风险的有效技术手段。以报系统技术是避免施工风险的有效技术手段。以*铁路内资十三标段铁路内资十三标段铁路内资十三标段铁路内资十三标段*隧道为例，详细介绍隧道施隧道为例，详细介绍隧道施隧道为例，详细介绍隧道施隧道为例，详细介绍隧道施工中如何合理、经济利用超前地质预报的各种方法工中如
2、何合理、经济利用超前地质预报的各种方法工中如何合理、经济利用超前地质预报的各种方法工中如何合理、经济利用超前地质预报的各种方法避免施工风险，同时最大可能减少对施工进度影响。避免施工风险，同时最大可能减少对施工进度影响。避免施工风险，同时最大可能减少对施工进度影响。避免施工风险，同时最大可能减少对施工进度影响。前言前言前言前言1 1 1 1 超前地质预测预报系统技术概述超前地质预测预报系统技术概述超前地质预测预报系统技术概述超前地质预测预报系统技术概述1.1 1.1 实施超前地质预报的意义实施超前地质预报的意义1.2 1.2 地质预报方法分类、工作原理和常用仪器地质预报方法分类、工作原理和常用仪
3、器1.1 1.1 实施超前地质预报的意义实施超前地质预报的意义实施超前地质预报的意义实施超前地质预报的意义随着国民经济的发展，近年来我国大力发展基础设施建设，随着国民经济的发展，近年来我国大力发展基础设施建设，特别是中西部开发的深入，在道路等地下工程的施工中遇到特别是中西部开发的深入，在道路等地下工程的施工中遇到深埋、长大、地质条件复杂的隧道工程越来越多。深埋、长大、地质条件复杂的隧道工程越来越多。隧道工程在设计阶段勘察的地质资料都是在地表获取的，对隧道工程在设计阶段勘察的地质资料都是在地表获取的，对于覆盖在地下较深的或地质条件复杂的特别是碳酸岩地区，于覆盖在地下较深的或地质条件复杂的特别是碳
4、酸岩地区，受到地表方法和成本的限制往往设计资料与实际情况误差较受到地表方法和成本的限制往往设计资料与实际情况误差较大。大。深埋不良地质体的性质、规模变化无常不能及时、准确、提深埋不良地质体的性质、规模变化无常不能及时、准确、提前掌握其特性，但是它们往往给施工带来不便，甚至带来灾前掌握其特性，但是它们往往给施工带来不便，甚至带来灾难性后果。如：渝怀铁路圆梁山隧道、难性后果。如：渝怀铁路圆梁山隧道、*铁路马鹿箐隧道隧铁路马鹿箐隧道隧道发生特大的突泥、突水事件。道发生特大的突泥、突水事件。解决以上问题的有效关键必须依靠施工中开展深入细致解决以上问题的有效关键必须依靠施工中开展深入细致的的超前施工地质
5、预测预报超前施工地质预测预报工作工作（续上业）（续上业）（续上业）（续上业）*线实施施工地质预报的必要性：线实施施工地质预报的必要性：*线沿线碳酸岩出露面积占测区面积的线沿线碳酸岩出露面积占测区面积的70，岩溶特，岩溶特别发育，规模宏大，该区有别发育，规模宏大，该区有“地质博物馆地质博物馆”之称。主之称。主要不良地质有：岩溶、岩溶水、断层破碎带，普遍存要不良地质有：岩溶、岩溶水、断层破碎带，普遍存在软岩大变形和岩爆、煤系地层及瓦斯，使得在软岩大变形和岩爆、煤系地层及瓦斯，使得*线长线长大隧道的地质问题和地质灾害更为复杂化。大隧道的地质问题和地质灾害更为复杂化。而我们承建的而我们承建的*隧道以上
6、不良地质均有存在，为隧道以上不良地质均有存在，为*线线八座高风险隧道之一。（八座高风险隧道之一。（*隧道地质情况见下页）隧道地质情况见下页）*隧道处于大路坡复向斜构造内，它由大路坡向斜、尖山岭背斜、穿心隧道处于大路坡复向斜构造内，它由大路坡向斜、尖山岭背斜、穿心坪向斜组成三个蓄水构造坪向斜组成三个蓄水构造 。*隧道遇到隧道遇到7 7条主要断裂。条主要断裂。地表岩溶强烈发育，漏斗、落水洞密布，地下暗河发育。地表岩溶强烈发育，漏斗、落水洞密布，地下暗河发育。大路坡向斜核部位于地下水水平循环带附近地下水丰富，可能发生大规大路坡向斜核部位于地下水水平循环带附近地下水丰富，可能发生大规模的突水、突泥。牛
7、鼻子暗河、凉水井暗河在向斜核部可能通过各种通模的突水、突泥。牛鼻子暗河、凉水井暗河在向斜核部可能通过各种通道与隧道连通道与隧道连通 1.2 1.2 地质预报方法分类、工作原理和常用仪器地质预报方法分类、工作原理和常用仪器地质预报方法分类、工作原理和常用仪器地质预报方法分类、工作原理和常用仪器1.2.1 1.2.1 地质预报方法分类地质预报方法分类l按工作原理分类主要包括：按工作原理分类主要包括：地质方法：地质方法：是以构造地质学理论为基础，通过对岩石露头等直接进行观是以构造地质学理论为基础，通过对岩石露头等直接进行观察的方法。主要方法有地质勘察、地质素描、经验推断法和断层分析法察的方法。主要方
8、法有地质勘察、地质素描、经验推断法和断层分析法物探方法（地球物理方法）：物探方法（地球物理方法）：指以各种地球物理场的理论为基础，凭借指以各种地球物理场的理论为基础，凭借仪器对不均匀体或介质引起的地球物理异常进行观测，而不是直接观测仪器对不均匀体或介质引起的地球物理异常进行观测，而不是直接观测不均匀体或介质本身，因此是一种间接的方法。不均匀体或介质本身，因此是一种间接的方法。以介质弹性差异为基础，研究弹性波场变化规律的称为弹性波法以介质弹性差异为基础，研究弹性波场变化规律的称为弹性波法主要为地震勘探和声波勘探，在工程上使用的地震法主要是反射法。主主要为地震勘探和声波勘探，在工程上使用的地震法主
9、要是反射法。主要方法有陆地声纳法、要方法有陆地声纳法、TSP203TSP203、TGP12(国内新开发的国内新开发的)、HSP HSP等等 。以介质电（磁）性差异为基础，研究天然或人工电场（或磁场）变化规以介质电（磁）性差异为基础，研究天然或人工电场（或磁场）变化规律的称为电法勘探（或磁法勘探）。律的称为电法勘探（或磁法勘探）。主要方法有主要方法有瞬变电磁法（多频电磁仪）、瞬变电磁法（多频电磁仪）、地质雷达地质雷达 、红外探水仪等。、红外探水仪等。钻探方法钻探方法：常用水平钻机对未开挖岩体进行钻探，通过岩芯、孔内常用水平钻机对未开挖岩体进行钻探，通过岩芯、孔内CTCT、观测数据来判断开挖岩石的
10、信息观测数据来判断开挖岩石的信息 。主要方法有水平钻孔、超长炮孔法。主要方法有水平钻孔、超长炮孔法。按工作距离分类主要包括：按工作距离分类主要包括：按工作距离分类主要包括：按工作距离分类主要包括：长距离地质预报长距离地质预报：预报距离为：预报距离为60200米，主要有米，主要有TSP203、陆地声纳陆地声纳、TGP12等方法。等方法。中距离地质预报：中距离地质预报：预报距离为预报距离为3060米，主要有米，主要有HSP、60米水平钻等方法。米水平钻等方法。短距离地质预报：短距离地质预报：预报距离为预报距离为530米，主要有地米，主要有地质雷达、瞬变电磁法（多频电磁法）红外探水法、质雷达、瞬变电
11、磁法（多频电磁法）红外探水法、1030米水平钻米水平钻 510米超长炮孔等方法。米超长炮孔等方法。2 *2 *隧道开展超前预报的目的、内容、方法隧道开展超前预报的目的、内容、方法隧道开展超前预报的目的、内容、方法隧道开展超前预报的目的、内容、方法2.1 2.1 开展超前预报工作的目的：开展超前预报工作的目的：避风险避风险 解决目前地面勘探技术无法解决的地质问题解决目前地面勘探技术无法解决的地质问题 查明安全隐患，保障运营安全查明安全隐患，保障运营安全2.2 2.2 超前预报的主要工作内容：超前预报的主要工作内容：探测前方不良地质体的空间位置探测前方不良地质体的空间位置 查明已揭露不良地质体的规
12、模、水文地质特征查明已揭露不良地质体的规模、水文地质特征 查明隧底不良地质体的位置、规模和对安全的影响查明隧底不良地质体的位置、规模和对安全的影响2.32.3 超前预报采用主要方法：超前预报采用主要方法：地质预报实施原则：地质预报实施原则：“物探先行，钻探验证物探先行，钻探验证”.即物探、即物探、钻探相结合，长距离探测与短距离探测相结合、勘探与地钻探相结合，长距离探测与短距离探测相结合、勘探与地质资料的综合分析的综合探测方法。质资料的综合分析的综合探测方法。主要方法有：地质素描、主要方法有：地质素描、TSPTSP、陆地声纳、地质雷达、红陆地声纳、地质雷达、红外探水、水平钻探和超前炮孔等外探水、
13、水平钻探和超前炮孔等2 *2 *隧道开展超前预报的目的、内容、方法隧道开展超前预报的目的、内容、方法隧道开展超前预报的目的、内容、方法隧道开展超前预报的目的、内容、方法3*3*3*3*隧道不同地质分级对方法的要求隧道不同地质分级对方法的要求隧道不同地质分级对方法的要求隧道不同地质分级对方法的要求3.1 3.1 复杂隧道地质分级的依据（设计）：复杂隧道地质分级的依据（设计）：地面的物探异常地面的物探异常 断层、和暗河发育情况断层、和暗河发育情况 地表溶蚀规模、岩溶按规律向深部发育趋势地表溶蚀规模、岩溶按规律向深部发育趋势 岩性变化岩性变化 隧道所处地下水变化位置隧道所处地下水变化位置3 3 *隧
14、道不同地质分级对方法的要求隧道不同地质分级对方法的要求隧道不同地质分级对方法的要求隧道不同地质分级对方法的要求3.2 3.2 复杂隧道地质级别划分：复杂隧道地质级别划分：A A、A+A+级：可能存在重大地质灾害的地段，如级：可能存在重大地质灾害的地段，如可能遭遇大型暗可能遭遇大型暗 河系统，发育重大软弱、富水、河系统，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层；存在重大物探异常；可能发导水性良好的断层；存在重大物探异常；可能发生大特大型突水突泥；并可能诱发重大环境地生大特大型突水突泥；并可能诱发重大环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严重的地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严重的地段。段。B
15、B级：主要针对可能发生中小型突水突泥地级：主要针对可能发生中小型突水突泥地段，存在较大物探异常、断裂带等地段。段，存在较大物探异常、断裂带等地段。C C级：主要针对岩溶水文地质条件较好的碳酸级：主要针对岩溶水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段，发生突水突泥的可能性较小盐岩及碎屑岩地段，发生突水突泥的可能性较小。3 3 3 3 不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求3.3 3.3 3.3 3.3 A A A A级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求3 3 3 3 不同地质
16、分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求3.4 3.4 3.4 3.4 A A A A级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求3 3 3 3 不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求3.5 3.5 3.5 3.5 B B B B级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求3 3 3 3 不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地质分级对各方法的要求不同地
17、质分级对各方法的要求3.6 3.6 3.6 3.6 C C C C级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求级地质分级对各方法的要求4 4 4 4 物探法物探法物探法物探法4.1 4.1 物探参数物探参数4.1.1 4.1.1 弹性波法（弹性波法（TSP203TSP203、陆地声纳）陆地声纳）泊松比：泊松比：=2 2（+）；）；=0=00.50.5（水水0.50.5）VpVpVsVs：与与非线性关系非线性关系密度密度、孔隙度孔隙度与与VpVpVsVs非线性关系非线性关系频率频率f f（低频远）低频远）振幅振幅A A、能量能量E E4 4 4 4 物探法物探法物探法
18、物探法4.1 4.1 物探参数物探参数4.1.2 4.1.2 电磁波法（地质雷达）电磁波法（地质雷达）相对介质电常数相对介质电常数（空气空气1 1，石灰岩围，石灰岩围4848，水，水8080）V Vc c （相对介质电常数）相对介质电常数）R R (1 1-2 2）(1 1-2 2）4 4 4 4 物探法物探法物探法物探法4.2 物探法判释方法物探法判释方法4.2.1 参数法，如：参数法，如：TSP203正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；若若S S波反射较波反射较P P波强，则表明岩层饱含水；波强，则表明岩层饱含水；VpVp/Vs/Vs增加
19、或增加或突然增大，突然增大，常常由于流体的存在而引，常常由于流体的存在而引起；起；若若VpVp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。下降，则表明裂隙或孔隙度增加。4.2.2 4.2.2 能量法，如：能量法，如：TSP203、陆地声纳、地质雷达陆地声纳、地质雷达 反射波能量越强，说明围岩越破碎反射波能量越强，说明围岩越破碎4.2.3 4.2.3 相位法：相位法：如：如：TSP203、陆地声纳、地质雷达陆地声纳、地质雷达 遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续异常：异常：异常：异常：TSP203TSP203TSP203TSP203（1 1）参数异常）参数异常若若VpVp下
20、降，则下降，则表明裂隙或孔表明裂隙或孔隙度增加隙度增加VpVp/Vs/Vs增加增加突然增大突然增大孔隙度孔隙度增加增加+425405出现异常，422溶腔高压水，发生突水+960970的异常异常：异常：异常：异常：TSP203TSP203TSP203TSP203 陆地声纳陆地声纳陆地声纳陆地声纳（2 2）能量、相位异常）能量、相位异常反射波能量越强，说明反射波能量越强，说明围岩越破碎围岩越破碎相位法相位法遇到异常体波形，遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续在纵向、横向上不连续强反射面横洞与正洞交汇处即横洞与正洞交汇处即DK108+865DK108+865附近围岩破碎带附近围岩破碎带 异常：地质雷
21、达异常：地质雷达异常：地质雷达异常：地质雷达（2 2）能量、相位异常）能量、相位异常反射波能量越强，说明反射波能量越强，说明围岩越破碎、有水（产围岩越破碎、有水（产生多次反射，之后信号生多次反射，之后信号同相轴教规矩）同相轴教规矩）相位法相位法遇到异常体波形，遇到异常体波形，在纵向、横向上不连续在纵向、横向上不连续PDK108+105+097PDK108+105+097范围存在强反射异常区，推测该段岩体破碎夹泥，范围存在强反射异常区，推测该段岩体破碎夹泥，可能渗水可能渗水 在DK108+310+280掌子面中间和右侧5米20米深度上，反射波能量较强，该段里程内岩体较破碎，裂隙发育，可能发育溶槽
22、，空间充泥和水特殊异常：地质雷达特殊异常：地质雷达特殊异常：地质雷达特殊异常：地质雷达绕射绕射形成形成双曲双曲线为线为溶洞溶洞反射反射波形波形图图5 5、钻探方法、钻探方法5.1 5.1 水平钻、超长炮孔法水平钻、超长炮孔法 超超前前钻钻探探是是比比较较成成熟熟的的技技术术，特特点点是是简简单单、直直观观、无无需需专专业业知识知识 水平钻（水平钻（10103030米、米、30306060米）超长炮孔（米）超长炮孔（5 51010米）米）传传统统方方法法：超超前前钻钻探探是是比比较较成成熟熟的的技技术术，过过去去常常用用水水平平钻钻机机对未开挖岩体进行钻探，通过岩芯来判断开挖岩石的信息。对未开挖
23、岩体进行钻探，通过岩芯来判断开挖岩石的信息。高高科科技技方方法法：近近年年来来引引进进的的国国外外先先进进的的传传感感器器设设备备，可可通通过过钻钻速速、钻钻进进压压力力、扭扭距距等等判判断断前前方方岩岩体体的的特特性性，并并可可以以通通过过加加入入了了钻钻孔孔声声波波、水水压压力力、孔孔内内CTCT摄摄影影等等技技术术，预预测测涌涌水水量量和和涌涌水水压压力力，能能够够较较为为完完整整和和准准确确地地提提示示地地质质状状况况，并并且且在在孔孔口口还还可可以以进进行有害气体的监测。行有害气体的监测。5 5、钻探方法、钻探方法5.2 钻探法效果钻探法效果PDK106+025PDK106+025超
24、长炮超长炮孔探测涌泥水孔探测涌泥水*进口平导进口平导进口平导进口平导PDK104+702PDK104+702PDK104+702PDK104+702水平钻孔涌水水平钻孔涌水水平钻孔涌水水平钻孔涌水6 地质预报总结地质预报总结6.1 6.1 地质预报在地质预报在地质预报在地质预报在*隧道结果统计隧道结果统计隧道结果统计隧道结果统计工程名称工程名称不良地质不良地质里程里程预报方法预报方法备注备注进口平导进口平导涌水涌水1 1PDK104+702PDK104+702水平钻水平钻陆地声纳未发现陆地声纳未发现进口平导进口平导涌水涌水2 2PDK106+025PDK106+025超长炮孔超长炮孔TSP20
25、3TSP203未发现未发现进口平导进口平导涌泥涌泥PDK106+075PDK106+075超长炮孔超长炮孔TSP203TSP203、水平钻未发水平钻未发现现进口正洞进口正洞溶洞溶洞DK104+702DK104+702超长炮孔超长炮孔TSP203TSP203未发现未发现出口横洞出口横洞溶洞溶洞HDK0+101HDK0+101地质雷达地质雷达判释为两条裂隙，陆判释为两条裂隙，陆地声纳未发现地声纳未发现出口正洞出口正洞裂隙水裂隙水DK108+320DK108+320280280地质雷达地质雷达TSP203TSP203未发现未发现出口正洞出口正洞F6F6断层破断层破碎带碎带DK108+630DK108
26、+630570570物探均发现物探均发现上表统计说明，物探方法只有雷达对岩溶水、溶洞能探测到，钻探只要实上表统计说明，物探方法只有雷达对岩溶水、溶洞能探测到，钻探只要实上表统计说明，物探方法只有雷达对岩溶水、溶洞能探测到，钻探只要实上表统计说明，物探方法只有雷达对岩溶水、溶洞能探测到，钻探只要实施能直接探测到岩溶不良地质，长距离物探方法在探测断层破碎带方面容施能直接探测到岩溶不良地质，长距离物探方法在探测断层破碎带方面容施能直接探测到岩溶不良地质，长距离物探方法在探测断层破碎带方面容施能直接探测到岩溶不良地质，长距离物探方法在探测断层破碎带方面容易判释、定性易判释、定性易判释、定性易判释、定性
27、7 7 结论结论 地质预测预报是岩溶地区隧道施工中避免地质高风险的必需、有地质预测预报是岩溶地区隧道施工中避免地质高风险的必需、有效手段。效手段。在地质预报中，物探方法在地质预报中，物探方法 TSP203TSP203或陆地声纳长距离预报和短距离或陆地声纳长距离预报和短距离地质雷达预报需全程实施，因为物探方法均有其局限性，准确率、地质雷达预报需全程实施，因为物探方法均有其局限性，准确率、直观性差，需要专业技术人员才能判释。直观性差，需要专业技术人员才能判释。钻探方法超前水平钻探和超长炮孔纳入工序管理，具有成本低、钻探方法超前水平钻探和超长炮孔纳入工序管理，具有成本低、干扰少、直观、无需专业判释，
28、该预报方法应为地质预报首选技术干扰少、直观、无需专业判释，该预报方法应为地质预报首选技术手段。但是，钻探方法是以点代面，也有局限性，需结合物探技术手段。但是，钻探方法是以点代面，也有局限性，需结合物探技术实施，应在物探预报的基础上实施实施，应在物探预报的基础上实施1 1个超前水平钻探和个超前水平钻探和3 35 5个超长炮个超长炮孔进行地质预报，可以相互印证，才能确保准确率和提高地质预报孔进行地质预报，可以相互印证，才能确保准确率和提高地质预报的功效。的功效。为了提高预报的准确率，同时减少对施工的干扰，在对隧道围岩为了提高预报的准确率，同时减少对施工的干扰，在对隧道围岩进行地质等级分级的基础上，只有合理的将弹性波法与电磁波法结进行地质等级分级的基础上，只有合理的将弹性波法与电磁波法结合、物探和钻探方法结合、长距离与中短距离预报结合使用，才能合、物探和钻探方法结合、长距离与中短距离预报结合使用，才能在提高预报准确率和功效同时，大大减少对施工的干扰。在提高预报准确率和功效同时，大大减少对施工的干扰。