（地质工程专业论文）观斗山隧道超前地质预报和围岩稳定性分级研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 本文详细阐明观斗山隧道区工程地质条件，运用现代物探手段对隧道地 质灾害进行长、中、短期预报，并结合数值计算方法对观斗山隧道围岩稳定 性进行了系统研究，主要获得以下认识和研究成果： 1 以地质分析为主线，采用多种方法对隧道进行超前地质预报：对隧 道的岩性、围岩类别、长大节理、断层、破碎带、地下水、地应力状况等 主要工程地质条件及塌方、涌水、等地质灾害，分别在长( 中) 短尺度上、 宏微观尺度上进行了预测预报，有力地对施工进行了指导。 2 通过对观斗山隧道长、中、短距预报以及超前水平钻探成果的分析， 总结出一套在中等复杂地质条件下公路隧道地质灾害超前预报预测系统： 即以地质分析法为基础，全隧采用声波反射法( h s p ) 进行l o o m 范围内长 距预报，采用地质雷达法( g p r ) 进行4 0 m 范围内的中距预报，采用地质素 描法进行5 - l o m 范围内的短距预报，并在特殊地段采用超前水平钻探进行 验证来对全隧地质情况进行超前预测预报。并在此基础上把超前预报作为 种施工工序纳入正常施工过程中。 3 通过分析隧道早期破坏与后期破坏的原因，总结出影响观斗山隧道 围岩稳定性的七大因素：围岩坚硬程度、岩体质量指标( r q d ) 、结构面密 度、围岩岩层特征、结构面倾角、地下水和地应力条件 4 在分析地下工程围岩分类现状和趋势的基础上，以节理岩体r m r 分 类方法为依据并借助模糊数学理论和方法，针对围岩分类中存在的围岩类 别和评定指标间的“模糊性”关系，建立了公路隧道围岩模糊信息分类系 统( “确定性”模型分类标准) 。实现了围岩定性与定量相结合的判定，经 过工程实践取得了较好的效果。 关键词：公路隧道；超前地质预报；围岩分类系统 查蜜窒鋈盔堂塑堑窒皇堂堡迨塞篁! ! 夏 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e re l a b o r a t e st h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o f g u a n d o um o u n t a i nt u n n e la g e a 。u s i n gm o d e r ng e o p h y s i c a lm e a n si ng e o l o g i c a l d i s a s t e rf o r e c a s t so ft h et u n n e li nc o n j u n c t i o nw i t ht h ec o n c e p to fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o dt od ot h es y s t e mr e s e a r c ho ft h er o c ks t a b i l i t yo ft h i st u n n e l f o l l o w i n g sa r et h er e s e a r c hr e s u l t s ： 1 g e o l o g i c a la n a l y s i sa st h em a i nl i n e 。am u l t i d i s c i p l i n a r ya p p r o a c ht ot h e t u n n e lg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ：f o r e c a s to ft h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r s 。r e s p e c t i v e l y , o n t h el o n g ( m i d d l e ) ，s h o r ts c a l e ，a sw e l la st h em a c r o - a n dm i c r o - s c a l e ，s u c ha si nt h e l i t h o l o g yo ft h et u n n e l ，t h er o c kc a t e g o r y , g r e wu pj o i n t s ，f a u l t i n g ，b r o k e nb e l t 。 g r o u n d w a t e r ，a n d s t r e s sc o n d i t i o n s ，a n do t h e rm a j o re n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dl a n d s l i d e s ，g u s h i n gw a t e r , t op r o v i d ee f f e c t i v e l yag u i d ef o r c o n s t r u c t i o n 2 t h r o u g ht h el o n g ，m e d i u ma n ds h o r t r a n g ef o r e c a s t i n ga n dt h el e v e lo f d r i l l i n ga sw e l la st h eo u t c o m eo ft h ea n a l y s i sa h e a do ft i m e ，w ec o n c l u d e das e t o ff o r e c a s tf o r e c a s ts y s t e mw h i c hc a l lb ea p p l i e di nc o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n si nt h em i d d l eo fh i g h w a yt u n n e lu n d e rg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ：t h a ti s b a s e do nt h eg e o l o g i c a la n a l y s i s ，t h ee n t i r et u n n e lu s i n gh o l e ss o u n dp r o b i n g ( h s p ) ，1 0 0ml o n gd i s t a n c er a n g ef o r e c a s t i n g 。u s i n gg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) t o4 0m d i s t a n c ew i t h i nt h es c o p eo ft h ef o r e c a s t ，a d o p t i n gg e o l o g i c a l a n a l y s i sm e t h o d5 - 1 0m w i t h i nt h es c o p eo ft h es h o r t - r a n g ef o r e c a s t i n g ，a n d s p e c i a ls e c t i o n su s i n ga d v a n c e dd r i l l i n gt ov e r i f yt h el e v e lo ft h ew h o l ec h t t o c a r r yo u tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o r e c a s tp r e d i c t e d o nt h i sb a s i s ，t h ef o r e c a s ti s p r a c t i c e da san o r m a lc o n s t r u c t i o np r o c e s si n t ot h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s 3 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h er e a s o n sw h ye a r l ya n dl a t ed a m a g eh a s u n d e r m i n e dt h et u n n e l t h ec o n c l u s i o nc a nb em a d ea b o u tt h es e v e nf a c t o r st l i a t a f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h er o c ki ng u a n d o um o u n t a i nt u n n e l ：d e g r e eo fh a r dr o c k ， r o c kq u a l i t yi n d i c a t o r s ( r q d ) ，t h es u r f a c ed e n s i t ys t r u c t u r e 。t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s u r r o u n d i n gr o c ks t r a t a ，s t r u c t u r el o f t s ，g r o u n d w a t e r , a n dt h ei m p a c to fs t r e s s c o n d i t i o n s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 4 o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h es t a t u sa n dt r e n d so ft h es u r r o u n d i n g r o c kc l a s s i f i c a t i o ni nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g u s i n gt h em e t h o di sb a s e do n r m ro fj o i n t e dr o c ka n dt h eh e l po ff u z z ym a t ht h e o r ya n dm e t h o d ，i nv i e wo f t h es u r r o u n d i n gr o c ki nr o c kc l a s s i f i c a t i o nc a t e g o r i e sa n da s s e s s i n gi n d i c a t o r so f t h e ”f u z z y ”r e l a t i o n s ，t h ee s t a b l i s h m e n th a sb e e nm a d eo ff u z z yi n f o r m a t i o n c l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo ft h eh i g h w a yt u n n e ld e d i c a t e dr o c k ( ”c e r t a i n t y “m o d e l c l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d s ) t h i sr e a l i z e dt h ec o m b i n a t i o no fq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ed e t e r m i n a t i o n ，a n da c h i e v e dr e a l a t i v e l yg o o dr e s u l ta f t e re n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ；g e o l o g yp r e d i c t i o n ；c l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo f r o c k 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：笨确够才指导老师签名： 日期：y ，g f fj日期：。7 夕9 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1选题依据及研究意义 2 0 世纪是隧道工程和地下工程大发展的世纪，这与世界各国交通运输、 水利水电工程和城市地铁与地下空间的开发利用在这个时期迅猛发展相联 系。日本青函海底隧道( 5 3 8 5 k r a ) 和荚一法海底隧道( 5 0 。5 0 k i n ) 的通车以 及瑞士横穿阿尔毕斯山的哥特哈得隧道( 5 7 k i n ) 的开工，展现了2 1 世纪的 隧道工程进入了高速发展阶段【l 删。2 0 世纪的后2 0 年是我国隧道工程大发展 的时代，穿越秦岭山脉的1 8 4 k i n 长的铁路隧道、4 1 7 6 k i n 的- 1 t l j 山公路隧道 及4 7 1 6 k i n 的华蓥山公路隧道的建成通车是我国2 l 世纪隧道工程高速发展 的一个前奏，青藏铁路、南水北调工程和跨越渤海海峡、琼州海峡的海底隧 道工程将使我国的隧道工程在本世纪走入世界的前列。同时也面临着新的挑 战。 隧道及地下工程的发展面临着掘进技术、支护技术、通风技术及施工组 织和运行管理等方面的技术问题 2 j 。但隧道工程实质上是一项地质工程，因 而可能遇到的各种地质灾害预测与防治以及支护结构与围岩的合理协调往往 是工程成败的关键。在各类地质灾害中塌方、涌突水、岩爆、大变彤、有害 气体等都是造成施工困难、毁坏施工设备、延误工期、增加工程成本的重要 地质灾害。近年来，上述灾害己日益引起地下工程界的重视，主要原因是t 一方面这些灾害给施工人员的生命安全造成极大的威胁：另一方面，随着我 国隧道建设的发展，这些灾害也是影响隧道旌工进度的主要因素，而且使旅 工成本大幅提升。据相关资料显示：整治一项地质灾害少则几十万，多则成 百上千万【6 “；对于这些地质灾害的预报虽然前人已经做了相当多的工作， 但还存在不足。主要体现在对于各种地质灾害没有形成一套完善的预报系统， 使预报重点厚此薄彼，不能对隧道施工中遇到的各种地质灾害进行有效的预 报。从目前的施工地质预报来看，目前在深埋长大隧道中进行地质勘察的有 效方法较单一，准确率较低，只有少数工程采用两种或两种以上的预报方式 对工区的她质灾害进行预报，综合预报效果较好 观斗山隧道穿越观斗山山岭。进出口距宜宾市5 8 k m 。隧道设计为左右 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 线分离的双洞隧道。隧道建筑限界为净宽9 7 5 米，净高5 米，道路等级为一 级。隧道位于四川盆地南部褶皱山系的观斗山山岭一带，为谷蛉相闯的低山 丘陵，观斗山为一不对称背斜山岭。地形相对高差约3 2 0 m 。为中等复杂地形 场地。隧道进口段位于山岭东南斜坡地带，自然坡度较陡，出口段地势稍缓、 开阔。根据隧道勘察资料及隧道地表地质调查，分析认为隧道施工可能遇上 的主要不良地质现象有：断层破碎带、节理密集带、背斜核部破碎带、涌突 水、煤层及瓦斯等。尤其是洞身段的断层破碎带，背斜核部破碎带、涌突水 和煤层瓦斯为最主要灾害源，极可能发生隧道拱顶坍方现象、瓦斯涌出、大 变形和涌突水的危险。为此针对隧道沿线病害对其做出超前地质预报不仅对 隧道的施工有重大指导意义，而且通过地质超前预报可以降低施工过程的危 险系数，对可能出现的灾害提前进行工程处理，尽可能避免重大安全事故的 发生。对隧道的早日顺利完工和隧道的安全运营都具有重大意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地质超前预报研究现状 随着国民经济的快速发展，公路隧道逐渐向深埋，长大方向发展。大量 工程实践表明，隧道由于其埋深大，穿越的地质单元多，故可能遇到的工程 地质问题及地质灾害较多。因此，开展隧道超前地质预报工作不仅非常必要， 而且更为迫切。隧道超前地质预报是隧道施工地质工作最主要的任务，当今 世界各国为摆脱隧道施工中由于对地质情况认识不详的被动局面，在2 0 世纪 7 0 年代就已开始做隧道地质预报工作，1 9 7 2 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。隧道超前地质预 报一直受到重视。8 0 年代世界各国都将这类问题列为重点研究课题。日本列 题研究开挖前方地质预报；澳大利亚研究隧道施工前方地层状况预报：西德 研究掌子面附近地层动态的详细调查；法国则把不降低掘进速度的勘察方法 作为重点研究课题。我国自8 0 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，如在大瑶山隧道旅工中 首先成功地采用了浅层地震反射波超前探测，超前1 5 m 的声波探测和显微构 造分析等，并首先引进水平超前钻探，同时结合超前导坑以及洞内素描和赤 平投影等方法进行隧道地质预测预报；在军都山隧道施工过程中，由中国科 学院地质研究所和铁道部隧道工程局组成的军郡山隧道快速施工超前预报课 题组采用以地质素描为基础配合钻速测试和声波测试，进行掌子面前方短距 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 离的地质超前预报，取得了显著的效果1 ”深埋长大公路隧道超前地质预 报的主要内容包括地层岩性、褶皱、断层、岩脉、节理密集带、长大节理、 地下水状况、地应力状况、岩爆、大变形和围岩类别等。预报的重点是断层、 岩脉、节理密集带、溶洞、暗河、岩爆、大变形、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。目前，国内外对隧道超前地质 预报的技术方法主要分为地质分析法、现场测试法、地球物理方法和数值模 拟法等4 大类。 ( 1 ) 地质分析预测法 地质素描法 地质素描是对已开挖掌子面的地质状况在现场作实地调查，并进行详细 编录，采集必要的数据。具体包括对掌子面地层岩性、节理发育程度、受构 造影响的程度、围岩稳定状态等进行详细编录、实测岩层产状、节理产状及 问距、微构造产状、断层面产状及规模等，分段测绘统计分析岩体各种参数， 进行掌子面的工程地质评价，作出掌子面断面图，再据其作出常规预报展示 图和分段预报通知书。根据隧道岩层的倾向倾角，结合标准地层剖面确定岩 层层位，采用公式计算，预测预报某一软弱岩层在洞身的位置，并根据其稳 定性提出施工措施建议。该方法对掌子面前方的地层岩性空间具体位置预测 是十分准确的。断层及小褶曲构造在掌子面出现，实铡产状后分析断层、小 褶曲构造的产出规律，据其在掌子面部位、构造走向与隧道轴向的关系作出 地质预报图l j “。 本方法适用于隧道开挖后，根据掌子面地质状况，进一步对掌子面前方 地质情况作出判断并随时提出修改意见。该方法设备简单、操作方便、不占 用隧道施工时问，提交资料及时，费用低，但对操作人员地质知识水平要求 较高，一般要求地质专业人员来完成 超前导洞( 坑) 法 超前导洞( 坑) 法包括超前平行导洞( 坑) 法和超前正洞导洞( 坑) 法超前 平行导坑法是在与隧道正洞轴线相距一定距离的位置，平行于隧道正洞开挖 一导洞( 坑) ，以探明隧道正洞的地质条件并兼做他用。利用该方法预测正洞 地质条件非常直观，准确率也比较高，是我国隧道工程中常用的一种预报方 法。在大秦线上1 2 座1 5 k m 以上的隧道有9 座采用了平行导坑；北京八达岭 高速公路隧道部分地段的旌工过程中采用了超前正洞导洞( 坑) 法；秦岭隧道 为了保证正线隧道t b m 安全顺利的施工，在隧道中线位置上先期利用平行导 坑贯通，对正洞做出了直观，高精度的地质超前预报1 1 2 心5 】。超前正洞导洞( 坑) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 法则是先沿隧道正洞轴线开挖小导洞( 坑) ，探明前方的地质情况，再将导洞 ( 坑) 扩为隧道断面。 该方法的投资大，地层变化复杂时准确率明显降低，在实际工程中，平 行导坑还可以起到增加工作面，减压放水，改善通风条件等作用 超前水平钻孔法 超前水平钻孔法与超前导洞( 坑) 法的原理基本相同，是用钻探设备向掌 子面前方钻探，从而直接揭示隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水，岩 溶洞穴充填物及其性质、岩石( 体) 的可钻性、岩体完整程度等资料，还可通 过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的地质超前预报方法。 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工程 中，国外已经较为普遍。英吉利海峡隧道，日本青函海底隧道更是大量采用 了超前水平钻孔进行施工期地质超前预报【1 2 彩l 。 该方法可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程 度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等煤系地层可进行孔 内煤与瓦斯参数测定，采取适宜防治措施，防治煤与瓦斯突出与物探方法 相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定 性。但该方法一次钻探距离短，费用高，占用隧道施工时间长，且存在一孔 之见的弊端。 断层参数预测法 断层参数预测法的原理是基于前苏联著名地质学家葛尔比耳的断层影响 带理论，由刘志刚结合地质力学理论总结出来的一套超前预报隧道隧洞断层 的预报方法。该方法是在确定了断层破碎带厚度( 宽度) 与2 个异常带展布厚 度( 宽度) 关系的经验公式以后，应用经验公式超前预报工作面前方隐伏断层 的位置和破碎带厚度( 宽度) ，并且通过断层产状与隧道走向和隧道断面高度 及宽度资料预测其影响隧道的长度n 锄5 1 。 该预报方法在隧道埋深较浅，构造不太复杂的情况下有很高的准确性， 但是在构造比较复杂地区和隧道深埋较大的情况下，该方法工作难度较大， 准确性较差。 ( 2 ) 现场测试法 钻速测试 该方法是运用钻孔台车打眼时钻进速度的变化及岩粉的鉴定和泥浆的颜 色变化来预测打眼深度范围内的地质情况。首先长期记录钻孔台车在不同围 岩内打跟的情况，进行积累统计，每种岩石的钻速有一定的范围值。而后根 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 据其范围值及泥浆颜色变化和岩粉鉴定。通过对比分析，推测前方打眼深度 范围内的地质情况。接近断层时宜采用该方法，也可以探测前方地下水情况 建立不同岩质的钻速、岩粉、泥浆颜色、地下水情况积累统计对照表。 该方法适用于隧道施工开挖中，根据钻孔台车打眼记录的统计分析预测 前方深度范围内的地质情况，尤其在接近不良地质地段前采用。该方法设备 简单，操作简单，不占开挖时间，但缺点是在硬岩破碎带中钻速变化不大， 预测效果不佳i l7 - 2 5 o 压水试验 该法是通过现场压水试验来测定岩体的单位吸水量，从而了解岩体的破 碎情况和裂隙的充填情况。该方法的优点是所需设备简单，操作方便，缺点 是测试时间较长 1 2 1 3 。 地应力现场测量( 试) 依据测量基本原理的不同。可以分为直接法和间接法两大类。直接测量 法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的 相互关系，通过计算获得原岩应力值，在计算过程中并不涉及不同物理量的 帽互换算，应用较广泛的有扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和 声发射法等：在问接测量法中，不是直接测量应力量，而是借助某些传感元 件或某些媒介，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然 后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算出岩体中的应力值，目 前国内外普遍采用的发展较为成熟的是套孔应力解除法【1 p 1 9 】。 该方法比通过洞内观察对工区应力高低的定性判断结果更准确，更具说 服力。但该方法占用施工时间，而且费用较高。目前只应用于重点工程或在 有些隧道中以科研项目的形式实施。 ( 3 ) 地球物理方法 电测法 b e a m 法( b o r e - t u n n e l l i n ge l e c t r i c a la h e a dm o n i t o r i n g ) ，这是国际上当前 唯一的一种电法超前预报方法，是德国g e o h y d r a u l i k d a t a 公司推出的 产品。该方法是种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外 围的环状电极发射一个屏蔽电流和在内部发射一个测量电流，以便使电流聚 焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙( 空隙) 有关电能储存 能力的参数p f e ( p e r c e n t a g e f r e q u e n c y e f f e c t ) 的变化。预报前方岩体的完整 性和含水性；其另一个特点是所有的装置都安装在盾构挖掘机的刀头( 测量 电极) 和外侧钢环( 屏蔽电流) 上，也可安装在钻爆法施工钻头的前方( 测 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 量电极) 及两侧钢架( 屏蔽电流) 上，随着隧道掘进，连续不断获得成果， 并适时处理得出掌子面前方的p f b 的曲线。从曲线推断预报前方岩体的性状 及含水情况u “。 地质雷达探测法 探地雷达法也叫地质雷达法。该方法利用发射天线将高频电磁波以脉冲 形式由隧道掌子面发射至地层中，经地层接口反射返回隧道掌子面，由另一 天线接收回波信号，通过对接收的回波信号进行处理与分析解释，达到对短 距离进行超前预报的目的。吴永清等人利用该方法在1 0 7 国道上焦冲、六甲 洞和石仓岭3 座公路隧道1 0 4 0 m 内的地质超前预报中取得了一定的效果。 长春科技大学的薛建等人采用地震反射法( t s p - 2 0 2 ) 进行中长距离( 1 0 0 m 左右) 预报，采用地质雷达进行短距离( 1 0 4 0 m 以内) 的预报，两种方法 相互结合，互相补充，在吉林省白山市石碑岭隧道掘进中，成功地预测出几 十处断层和多处5 - l o r e 宽的破碎带 2 6 1 3 3 。 该方法探测速度虽然相对较快，但其存在以下3 个问题：探测距离与分 辨率的矛盾无法克服；多次波及其他杂波干扰严重。原始记录的信杂比低 有效波的识别及其成果解译十分团难：所获得的被探测对象的空间信息量太 少，其资料成果的解释往往存在多解性。 红外辐射测温法 地球上部岩体的温度主要受地球地热场的影响，地热场的平均变化为每 公里深度增加3 0 度，而在水平方向，地热场的平均变化远远小于该量。因此， 隧道开挖深度的岩体，可视为位于一均匀温度场中，当开挖掌子面前方存在 含水地层( 溶洞、裂隙水等) ，且该含水层与岩体存在温差时，岩体中将产生 热传导和对流作用，温度场不再为恒温场，而将产生温度异常场，在一定的 距离和观测精度条件下，掌子面上存在着温度差异，利用红外辐射测温方法 测定这种温度变化差异，可为含水层的超前预报提供依据，这就是红外辐射 测温超前预报含水层的物性基础。因此，研究岩体含水层温差引起的温度异 常场的分布规律对该方法的探测能力，资料解释都是极其重要的。该方法 在渝怀铁路圆梁山隧道施工超前地质预报中取得了较好的效果 1 2 - 1 3 】【舢蚓 该方法对预报掌子面前方有无潜伏韵含水体是有效的，但对含水层的位 置、赋水形态、出水量都无法知晓，对无水情况下的地质灾害则难以预报 t s p 探测法 t s p ( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) 是一种用于超前预报隧道开挖面前 方地质情况变化的地下反射地震波技术，是利用地震波的反射原理进行地质 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 探测。地质( 声) 波由若干个( 约2 4 个) 特定爆破点上的小规模人工爆破激 发产生，并由电子传感器接受；当地震入射波遇到岩体结构或其强度有变化 时，在不同介质的界面处，部分入射波的能量将被反射，此时反射地震波将 由地震接收器( r c v ) 接收，由数字记录仪放大，输出和记录。由于地震波以 固定的声波速度传播，故反射信号的到达时间与入射波到达不同岩体界面的 距离成正比，因此能作为间接度量测定地质变化区带距测点的距离，并能精 确确定与探测钻孔相交界面的几何形状。 目前应用较多的t s p - 2 0 2 ( 或t s p 2 0 3 ) 隧道地震超前预报系统，在地 质结构复杂、波阻抗差异不大的情况下存在这样的问题，由于掌子面的尺寸 相对探测对象的距离来说要小得多，因此隧道内的地震波场是三维波场在 这种情况下，偏移成像和物性结构反演成像相互迭代是解决问题的重要途径。 速度参数的获取是复杂结构探测的核心问题。但就目前情况来看，一些反演 精细速度的方法尚未实用，先进的波场分离技术亟待开发，这使得t s p 2 0 3 超前预报探测系统在复杂探测条件下难有作为。因此，目前我国工程界对t s p 法的评价褒贬并不一致。较为一致的看法是，对与隧道呈大角度相交的面状 软弱带。如断层、软弱夹层、地层分界等其探测效果较好，但对不规则形态 的地质缺陷如溶洞、暗河及含水情况等其探测效果均不理想【，7 删。 水平声波( 1 i s p ) 剖面法 该方法是弹性波反射法的一种。探测时不占用掌子面，将发射源和接收 换能器布设在隧道两侧的浅孔内，发、收位置均在平行于隧道地面的同一水 平面上，构成一“水平声波剖面”。这种方法的特点是各检测点所接受的反射 波路径相等，因此反射波组合形态与反射界面形态相同，通常是直达波呈双 曲线形态。反射波呈直线形，其图象直观该方法的另一种优点是对反射界 面倾角没有限制，适用的范围比负视速度法广泛【“删。 水平声波剖面法目前虽是铁路系统应用较为广泛的一种方法，但由于该 方法实际上还是地震波反射法的一种，因而其t s p 法所面临的部分技术问题 水平声波削面法同样存在。实践表明，在地质条件不太复杂的情况下，该方 法对掌子面前方5 0 1 0 0 m 内的地质状况的预报比较准确 ( 4 ) 数值模拟法 地应力场的数值模拟预测法 在隧道旌工中，为了对隧道整体原始地应力状态以及二次应力场的发育 分布规律进行宏观预测，常采用数值模拟的方法来进行反演分析和研究，如 徐林生等在地应力现场测试的基础上对二郎山隧道的原始地应力状况进行了 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 数值模拟研究，张志龙对雪峰山隧道开挖后的二次应力场发育分布进行了模 拟研究3 “。 三维网络模拟法 该方法主要是通过现场已开挖地段不连续面进行调查和量测获得不连续 面的网络结构图，对获得的不连续面的网络图进行节理优势组划分。节理产 状、节理大小、节理密度的模拟，并利用节理产状、大小和密度的模拟结果 进行蒙特卡罗随机模拟形成空问三维网络模型，对空闯三维网络模型按一定 要求切割形成节理切面图，再将断层截面图与节理切面图相迭加形成断层与 节理的叠加图，通过对叠加图的净化、块体的搜索及稳定性分析，由分析结 果进行危险块体的预报【4 5 啪】。 该方法最大的优点是较为准确的定位块体危岩的空间位置，为锚固支护 提供很好的参考，避免了支护的盲目性，该方法的关键在预报模型的选择及 叠加断层的确定，常需要其它一些方法的配合。 综上所述：目前预报的研究重点放在了发展超前探测技术及开发探测仪 器设备等方面的工作上了，对基础地质分析重视不够，未将多种探测技术方 法和手段同基础地质分析有效地结合起来分析及预测的技术方法尚显单薄， 没有建立起一套完整的技术方法体系。综观目前的隧道施工预报，主要存在 两方面的不足：一方面，虽然目前的预报方法很多，但大都处于预报的探索 阶段，各种预报方法与其预报的灾害类型没有形成很好的对应关系，这就导 致各种预报方法的预报效果时好时坏，且有可能选择的预报方法在针对具体 灾害预报上重复或不能预报某一种灾害，使预报精度不够或不能达到预期效 果，这就要求我们通过工程实践不断总结各种预报方法的优缺点，针对每个 工区的实际地质情况设计一套行之有效的预报系统来指导施工。力求做到优 质、快速、安全、高效的隧道施工；另一方面，在实际的施工过程中，施工 单位对地质预报不够重视，导致预报与实际施工脱节，只有出现大的地质灾 害时施工单位才去翻阅相关的预报资料。所以针对目前的实际情况应该把施 工地质预报与隧道施工紧密结合起来才能达到真正做到快速施工的目的这 就要求我们在实际工作中把施工地质预报作为施工的一道工序来完成，来确 保工程顺利进行。 1 2 2 围岩分类的研究现状 2 0 世纪6 0 年代前，围岩分类主要以岩石强度这一单一指标为基础，可 靠度低；6 0 年代以后，地下洞室围岩分类有了新的发展，人们逐步引入了岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 煎 体完整性的概念等，并于2 0 世纪末得到飞速发展。迄今，国内外提出的洞室 围岩分类方法多达百种。有一般性的分类，也有专门性的分类，有定性的， 也有定量的分类。分类的原则和考虑的因素也不尽相同。广为人知的分类系 统有岩石质量指标( r q d ) ，岩体权值系统( r m r ) ，巴顿岩体质量( q ) 系 统，岩体质量指标( r m q ) 系统等1 4 7 - 5 6 1 。每种分类方法都有其各自的标准。 但由于工程地质原型的复杂性和多变性，各个工程的工程地质条件是不可能 相同的，有些工程可能岩土体的强度对围岩的稳定性起控制作用，有些可能 结构面的发育情况控制着围岩稳定性。有些可能地下水问题变得突出，有些 可能地应力问题显得重要。面目前任何一种分类方法都不可能将所有的工程 地质问题都包括进去。如果对某一工程不作具体的针对性分析，将这些分类 方法一成不变地照搬过来使用，则很可能抓不住重点，所得分类结果可能也 无法反映围岩的真实情况。 综上所述，一方面目前的围岩分类方法主要是针对设计阶段，且适应范 围较广，这就导致目前的分类方法广而不专，即针对性不强 另一方面分类 主要是在设计阶段，而施工阶段的围岩分类方法较少，且大多采用定性或定 量方法迸行分类。而把定性与定量结合起来的分类方法较少且其分类方法还 不够成熟。 1 3 主要研究内容、研究思路及技术路线 1 3 1 研究的主要内容 ( 1 ) 采用地质分析法，现场测试法、物探法对掌子面前方可能出现的各 种地质灾害做出短、中、长期预报，在此基础上，对此类工程地质条件相当 的公路隧道总结出一套切实可行的综合预报系统，并建议把此系统纳入施工 工序中。 ( 2 ) 以地质跟踪调查为基础，分析出影响观斗山隧道围岩稳定性的影响 因素，为施工阶段的围岩分级提供依据。 ( 3 ) 通过隧道施工跟踪地质调查，并结合前人的研究成果，提出一种对 观斗山隧道切实可行的围岩分级方法运用模糊综合评判对围岩进行分 级。 1 3 2 研究思路及技术路线 本项研究的总体思路为：在充分收集前人研究资料的基础上，结合观斗 山隧道隧址区地质环境条件。通过野外实际调查，运用地质分析法、物探法、 亘壹变通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 掌子面素描和超前风钻等超前预报方法对观斗山隧道进行长期、中期、短期 地质预报。在预报过程中注重理论与实际结合，把预报结果与实际开挖状况 迸行对比分析，不断改进预报方法及预报准确度。使预报对工程开挖安全及 施工进度起到实际指导意义。并以地质跟踪调查为基础，分析总结出影响观 斗山隧道围岩分级的影响因素，在此基础上运用模糊理论对观斗山隧道施工 阶段的围岩进行分级评定。具体工作流程见下图： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章隧址区工程地质条件 2 1 地形地貌 观斗山呈北东一南西向展布的条状低山，为一背斜山岭，一般海拔高程 为3 0 0 6 0 0 m ，最高处标高6 4 1 m ：山岭两侧沿山脚分布槽谷。一般高程3 0 5 3 3 5 m 。观斗山南东侧( 进口端) 地势陡峭，靠山岭一带多形成高百余米的陡崖 ( 断层崖) ，斜坡上发育少量季节性冲沟，一般地形坡度2 0 - 3 5 9 ，中上部植 被覆盖较好，下部多为耕地，植被差：北西山麓( 出口端) 坡缓，地势开阔， 多分布梯田，发育较多浅切冲沟，自然坡度一般为1 5 2 2 0 ，属顺层坡。 拟建隧道工程位于宜宾市岷江北岸，地处翠屏区沙坪与象鼻镇之间的观 斗山脚下，横穿越观斗山。隧道为左右分修，洞线间距3 0 m ，其左洞长1 9 1 5 m ，右洞长1 9 0 5m ，为单面坡直线隧道，洞底设计标高3 2 9 3 5 2 5m ，洞身 最大埋深2 5 6r l l 。 2 2 气象、水文地质特征 2 2 1 气象 隧址区属中亚热带湿润季风气候，四季分明，气候温和，夏季炎热多暴 雨。多年平均气温1 6 4 ，一月最低平均气温为7 4 ，极端最低气温一2 ， 七月为最高气温，平均气温2 7 6 ，极端最高气温4 l 全年无霜期较长， 占3 0 6 3 5 7 天。年平均降雨量1 0 0 0 1 2 0 0 m m 。5 0 以上雨水集中在6 、7 、8 三个月。 2 2 2 水文地质特征 ( 1 ) 地表水 主要为溪沟和农田水等，分布在隧道北段和进出口，受大气降水和泉点 补给，蒸发形式排泄，多系人工屯积水体，用于农田灌溉及养鱼。在调查期 问因系枯水季节见泉水出露较少，一般单泉流量 6 0 m ，其分布情况： ( 1 ) 灯杆坡南坎上老窑( 煤窑1 ) ：位于y k 7 + 0 0 0 右侧约1 0 0 m ，坑口 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 高程5 1 0n l ，主巷道方位角3 3 0 。，主要开采 r 3 x j 3 地层中的c 3 1 煤层。据访 问为斜井开采，采掘巷道长度约3 3 0m ，煤层厚度0 1 0 2 m ，两翼长约1 5 0m ， 自然通风。现己关闭。对隧道工程无影响。 ( 2 ) 头天门老窑( 煤窑2 ) ：位于y k 7 + 9 0 0 右侧约7 0 m ，坑口高程4 3 6 m ，根据调查，在烂冲头沟内有该煤并的通风口( 天窗) ，主要掘进方位角 2 6 0 。一2 7 5 。，开采t 3 x j 孓1 地层中的c 5 2 煤层，采掘巷道长度大于3 8 0m ，现 以停采关闭。由于停采时问长，支护失效，坑内坍塌、大量积水，无法进洞 调查。 2 5 3 滑坡 在左线隧道出口地段左侧山坡分布有林家螃滑坡，其里程位于 z k 8 + 3 0 0 。z k 8 + 6 2 0 左4 0 1 0 0m 。 通过地面调查：该滑坡在平面上呈不规则的纺锤形态，沿轴向长3 4 0 m ， 宽5 0 1 4 0m ，面积约3 7 4 0 0m 2 ，滑体厚3 1 6m ，初步估算总体积约3 3 6 0 0m 3 ， 主滑方向3 0 8 。左右，与岩层倾向基本一致；滑体物质为块状破碎、节理极 发育的砂岩、泥岩和少量第四系覆盖层组成。属大型顺层岩质滑坡由于分 布在左洞线4 0m 开外，对工程无影响。 2 5 4 隧道进口仰坡顺层 进口边坡：基岩为侏罗系珍珠冲组( j i z h ) 紫红色泥岩为主，夹灰色、 黄灰色细纱岩，钻孔中揭示强分化层厚度一般2 - 6m 。岩层产状为n 3 2 。e 4 2 。s e ，倾向与坡向基本一致。岩体中同时发育n 7 9 。w 4 2 。n e 两组倾山里 的构造节理将岩层切断，加上泥岩易风化。因此，边坡开挖易产生顺层滑动。 2 5 5 出口边坡顺层 地表覆盖薄层残坡积黏土，其下伏基岩为t 3 x j ”的灰、深灰色泥岩与灰 色粉细纱岩互层，软弱泥岩易软化并夹煤线，表层出露砂岩钻孔中揭示强 风化层厚度0 3 - 1 4 m 。岩层产状为n 2 2 。e 2 2 。n w ，顺坡向倾斜。发育产 状为n 7 3 。e 6 8 。s e 、n 5 6 。w 7 3 。n e 主要两组节理将岩层切断。洞1 2 1 侧边 的林家磅滑坡即为顺层滑动。因此，边坡大段开挖易产生顺层滑动 2 6 岩石物理力学性质 据铁道部第二勘测设计院岩土取样及试验所得数据，经分析整理后，得 出观斗山隧道区岩石物理力学参数，见表2 2 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表2 2 围岩岩石物理力学性质指标 天然容重r容许承载力天然极限抗压强弹性模量e泊松比 地层岩性状态 ( k n m 3 ) oo ( k p a )度r a ( m p a )l o ( m p a ) u 强风化2 3 53 5 0f f 皑岩、砂 j l z h弱风化 2 4 55 0 05 o 5o 2 8 质泥岩 微风化 2 5 5 6 0 0 7 o 7o 2 6 细、中粒 强风化2 44 0 0 f| r ；x jk = l h i弱风化 2 58 0 01 53 o 2 4 英砂岩 微风化2 61 2 0 02 5 3 8o 2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第三章观斗山隧道施工地质超前预报 在隧道掘进中，常遇到不良地质因素，如断层、节理密集带、溶洞、岩 脉等。这些地质因素不仅影响隧道的掘进速度，甚至会造成严重的工程事故。 由于隧道施工前的工程地质勘查结果在精度和可靠性上都难以满足旅工的要 求，有人做过统计，隧道在掘进中所遇到的断层等地质现象比地面测绘时所 遇到的要多得多。一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇 到的l 一9 ，因而隧道施工的危险性很大i l 叫3 】。若能准确地在隧道掘进中 提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况，如预报掘进前方是否有断层，破 碎带等不良地质构造，这些构造的几何形态及规模的大小如何，根据所掌握 到的这些地质构造情况，可及时合理地安排掘进进度、修正旄工方案、安捧 防护措施、避免险情发生。 本章结合观斗山隧道的实际情况，采用地质分析预测法、超前水平钻孔 法、地质雷达( g p r ) 探测法，声波反射( h s p ) 探测法对观斗