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摘要 超前地质预报新技术在铜锣山隧道的应用及 综合分析研究 作者简介：朱劲，男，1 9 8 0 年1 月生，2 0 0 4 年师从于李天斌教授和李永林 教高。于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 随着我国经济快速发展和大规模的基础设施建设的不断深入，西部地区成为 为完善国家高速路网的重要一环。但是西部地区地质条件复杂、山峦叠嶂、沟壑 纵横给高速公路建设带来了极大的难度。特别是在山区修筑特长隧道，频发的地 质灾害更是直接威胁到施工安全。因此，施工期超前地质预报是一项极为重要的 工作。 本文在收集前人研究资料，分析国内外技术方法的基础上，在铜锣山隧道试 用了两种隧道超前地质预报的新技术，并且以地质分析为核心开展综合预报取得 了良好效果。同时，在进行铜锣山隧道超前预报的实际工作中总结经验，探索性 将模糊判别方法引入铜锣山隧道超前预报综合分析，通过利用一些较为可信的解 译原则、广泛的借鉴其他隧道的探测方面的成果，初步建立起对铜锣山隧道的基 本地质情况进行超前预报综合分析的方法模型，通过研究获得的结论如下： 1 通过b e a m 超前预报新技术在铜锣山隧道的实际应用，详细评价了它的 工作方法、解译方式和使用效果。b e a m 对赋存水和较为破碎的地质体有良好 的预报效果，但是其工作方法的繁琐也突出的限制了其在钻爆法施工隧道中的应 用，在未来发展中对工作方式、解译原则都还需要完善。 2 通过瞬变电磁法超前预报新技术在铜锣山隧道的实际应用，详细评价了 它的工作方法、数据处理方式和使用效果。瞬变电磁法在对岩溶水的预报中凸显 出极大的优势，但在其他地质问题的预报中瞬变电磁法预报效果不甚理想，并且 其现场探测也受到诸多因素的干扰，影响了预报效果的准确性。 3 通过地质雷达和t s p 在铜锣山隧道的实际应用，详细评价了他们工作方 法、使用效果、适用地质条件，总结雷达电磁波的综合反射特征与不同地质情况 之间的对应关系。 4 以地质分析为核心，整合了几种超前探测手段进行综合超前预报，在铜 成都理工大学硕士学位论文 锣山隧道的实际应用当中取得了很好的效果。根据铜锣山隧道超前预报工作的经 验和其他隧道超前预报中的专家意见，提炼各种超前预报方法的关键参数，提出 以地质分析为基础，针对四种不同基本地质情况的综合分析预报工作流程。在此 基础上初步建立超前预报综合判别的多因素集，利用模糊层次分析方法对各因素 赋予权重，完成对基本地质情况的模糊综合判别，判别结果与开挖揭露情况吻合 较好。 关键词：铜锣山隧道；超前地质预报；瞬变电磁法；b e a m ；t s p ；地质雷达；模 糊综合评判 1 1 a b s t r a c t n e w t e c h n i q u ea p p l i c a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o ff o r eg e o l o g i c a lf o r e c a s ti nt o n g l u o s h a nt u n n e l a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v eb a s i cc o n s t r u c t i o no fo u r c o u n t r y , t h ew e s tp a r to fc h i n ab e c o m e sa ni m p o r t a n tl i n kt op e r f e c tt h en e t w o r k n a t i o n a lh i g h w a y h o w e v e rt h ec o m p l i c a t e d g e o l o g i c a l c o n d i t i o no ft h ew e s t r e g i o n ：c h a i n o fm o u n t a i n sa n dap i l eo fs c r e e n l i k em o u n t a i np e a k s ，v e r t i c a la n d h o r i z o n t a lg u l l i e s ，h a sb r o u g h tt h eg r e a td i f f i c u l t yt ot h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y , p a r t i c u l a r l y w h e nb u i l d i n gt h e l o n gt u n n e l i nt h em o u n t a i na r e a ，b e c a u s et h e g e o l o g i c a l d i s a s t e rt a k i n gp l a c e f r e q u e n t l y , i td i r e c t l y t h r e a t e n st h ec o n s t r u c t i o n s a f e t y s o ，f o r eg e o l o g i c a lf o r e c a s ti sav e r yi m p o r t a n tp a r td u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n t i m e t h i st e x ti sb a s e do nc o l l e c t i n gt h ei n f o r m a t i o no ff o r t h g o e ra n dt h ea n a l y s i so f d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l t e c h n o l o g i c a lm e t h o d s h a v i n g t r i e do u tt h en e w t e c h n o l o g ya n dt h ec o m p r e h e n s i v ef o r e c a s tw i mg e o l o g i c a la n a l y s i sa st h ec o r ei nt h e t o n g l u o s h a nt u n n e l ，i th a sm a d eg r e a te f f e c t s is u m m a r i z et h ee x p e r i e n c ei nc a r r y i n g o nt h el e a d i n gr e a lw o r kt h a tf o r e c a s tt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni nt h et o n g l u o s h a n t u n n e la tt h es l t m et i m e a n db r o u g h tt h em e t h o do ff u z z ya s s e s s m e n ti n t ot h e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ff o r eg e o l o g i c a lf o r e c a s ti nt o n g l u o s h a nt u n n e lt h r o u g h u t i l i z i n gs o m ea v a i l a b l ep r i n c i p l e s ，e x t e n s i v e l yr e f e r r i n gt op r o d u c t i o n s o fo t h e r t u n n e le x p l o r a t i o n s ，s e t t i n gu ps o m ep r i m a r ym e t h o do fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f f o r eg e o l o g i c a lf o r e c a s tf o rb a s i cg e o l o g i c a li nt o n g l u o s h a nt u n n e la n dc o n c l u s i o n d r a w nf r o ms t u d ya sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f b e a m ( b o r et u n n e l l i n ge l e c t r i c a la h e a d m o n i t o r i n g ) i nt h et o n g l u o s h a nt u n n e li th a sa m p l ye v a l u a t e di t sw o r k i n gw a y , t h e p r i n c i p l eo fi n t e r p r e t a t i o na n dt h ep r a c t i c a le f f e c t s 。b e a mh a sm a d eg r e a te f f e c t sf o r t h ef r a c t u r e dr o c km a s sw i t hw a t e r , b u ti th a sal i t t l ed i f f i c u l t ) , i nt u n n e lw i t l ld r i l la n d b l a s td r i v e sb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fi t ss u r v e ym o d e s o ，i t sw o r k i n gw a ya n d p r i n c i p l eo fi n t e r p r e t a t i o nn e e dt ob ei m p r o v e di nf u t u r e 2 t h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft e m ( t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d s ) i nt h et o n g l u o s h a nt u n n e li th a sa m p l ye v a l u a t e di t sw o r k i n gw a y , t h em o d e o fd a t ap r o c e s s i n ga n dt h ep r a c t i c a le f f e c t s t e ms h o w st h eg r e a ta d v a n t a g ei nt h e f o r e c a s tf o rk a r s tw a t e r ，b u tt h ee f f e c t si sn o tv e r yw e l li nt h ef o r e c a s tf o ro t h e r 1 1 i 成都理工大学硕士学位论文 g e o l o g i c a lc o n d i t i o na n di t st h ev e r a c i t yo ff o r e c a s th a sb e e ni n f l u e n c e db e c a u s ei t s e x p l o r a t i o ni nt u n n e li sd i s t u r b e db ym a n yf a c t o r s 3 t h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f g p r ( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) a n dt s p ( t u n n n e ls e i s m i cp r e d i c a t i o n ) i nt o n g l u o s h a nt u n n e l ，i th a sa m p l ye v a l u a t e di t s w o r k i n gw a y , t h ep r a c t i c a le f f e c t sa n da p p l i c a b l e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，a n dh a s s u m m a r i z et h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e c o m p o s i t e f e a t u r e so f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dd i f f e r e n tb a s i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 4 晰t hg e o l o g i c a la n a l y s i sa st h ec o r e c o m b i n es e v e r a lm e t h o d st oc a r r yo n c o m p r e h e n s i v ef o r e c a s t , w h i c hh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t si nt h ep r a c t i c eo ft h e t o n g l u o s h a nt u n n e l d e p e n d i n go ne x p e r i e n c eo fal o to fw o r ki nt o n g i u o s h a nt u n n e l a n dt h ee x p e r t si d e ao ff o r eg e o l o g i c a lf o r e c a s ti no t h e rt u n n e l ，i th a sa b s t r a c t e dt h e k e yp a r a m e t e ra n dp u tf o r w a r dt h em e t h o da n dp r o c e s so fc o m p r e h e n s i v ef o r e g e o l o g i c a lf o r e c a s tf o r4k i n d so fb a s i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n i tp r i m a r i l ys e tu pt h e m u l t i f a c t o rs e tw h i c ha r ee n d u e dw e i g h tb ya n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s st od of u z z y c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tf o rb a s i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，w h i c hr e s u l t sm o s t l ya c c o r d w i t b “y e sc i r c s k e y w o r d s ：t o n g l u o s h a nt u n n e l ；f o r eg e o l o g i c a lf o r e c a s t ；t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d s ；b o r et 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 ；t u n n e ls e i s m i c p r e d i c t i o n ；g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛整理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名 学位论文作者签名： 勿a 氐 7 噼6 月名日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：匀复彩 讹，7 年舌月倦日 第l 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 二十一世纪世界经济高速发展，隧道工程和地下工程也随之进入飞速发展的 时期，大量的已经建成或准备投入建设长大隧道，为隧道科学的发展翻开崭新的 一页，如长度分别为5 3 8 5 k i n 和5 0 5 0 k i n 的日本青函海底隧道及英法海底隧道 己在上世纪末建成通车；再次横穿阿尔卑斯山的长达3 6 k i n 和5 7 k m 的瑞士勒其 山隧道和哥特哈德隧道也已相继开工；1 9 7 9 年西班牙和摩洛哥共同批准拟建连 接欧洲和非洲两个大陆、全长6 9 k m 的直布罗陀海底隧道等8 7 1 。建国以来，我 国的隧道建设也取得令人瞩目的成果，已完成的乌鞘岭隧道长度达2 0 k m 1 ，刚 刚建成通车的终南山隧道为世界最长公路双洞隧道长度达1 8 k m ，刚刚竣工的青 藏铁路、正在施工的南水北调工程和正在论证的跨越渤海海峡、琼州海峡的海底 隧道工程“”。近年来，随着西部大开发的步伐的加快，西部山区高速公路的建 设不可避免的要修建长大隧道，长4 1 7 6 m 的- - f l l j 山隧道2 0 0 1 年建成通车，海拔 3 4 0 0 m 的中国高原最长隧道鹧鸪山隧道于2 0 0 4 年建成通车，目前正准备投 入建设的大巴山隧道和泥巴山隧道分别长达6 1 k m 和1 0 4 k m 。 这些长大隧道工程往往都是所属高速公路的控制性工程，隧道施工建设的安 全以及进度很大程度上决定了整条高速公路的通车时间，大而言之对西部乃至国 内整个路网建成连通都起着关键性的作用。而纵观隧道的修建史，制约隧道发展 的因素包括掘进技术、支护技术、通风技术和不良地质条件等。在现有的技术经 济条件下，掘进、支护、通风等技术都已得到了较好的解决，隧道建设面临的主 要问题实质就是工程地质问题，隧道的设计、施工、工期、造价无不受此影响。 不良地质条件，尤其是施工开挖可能诱发的各类地质灾害，由于其不可选择性、 复杂性、特殊性并往往具有突发性，因而常常成为制约隧道修建的最主要因素。 隧道的修建是一项隐蔽工程，尤其长大隧道往往要穿过多种岩类、多个构造，跨 过几个地质单元，工程地质条件复杂，前期勘察往往难以精确查明，隧道建设的 问题主要就体现在地质问题上，施工期地质灾害将会严重影响施工安全和进度。 因地质灾害使得隧道修建严重受挫的实例在国内外不乏其例，如，衡广线上的大 瑶山隧道中部两公里处突发涌水涌砂，最大涌出量达5 0 0 0 0 t d ，淹没坑道，被迫 停止施工；湖南省内的南岭隧道，施工中在+ 7 4 5 + 9 2 0 m 出现突发性碎屑流， 仅1 9 8 4 年1 1 月2 6 日2 7 日两天就涌出流塑状泥7 9 8 6 m 3 ，堵塞导洞1 7 7 m ，淹没 多台大型机械设备；渝怀铁路园梁山隧道岩溶地层中出现罕见的涌水突泥现象， 成都理f 大学硕十学位论文 造成重大经济损失和人员伤亡；辛普伦隧道在4 2 m 大变形洞段的施工中耗费了 1 8 个月工期：艾那山i 线隧道4 0 0 m 大变形段用了3 6 个月才得以通过。上述实 例充分说明了详细查明地质情况对隧道工程的重要意义。但施工前的地质工作由 于技术手段和投入经费的限制，加之地质体的复杂性，所取得地质资料往往十分 粗略和有限，难以完全满足施工的要求，尤其对于深埋隧道更是如此。如美国科 罗拉多州罗伯特隧道，其地面测绘确定的断层和岩脉是隧道歼挖中遇到的断层和 岩脉的1 9 ，即使是较大的断层和岩脉，测绘确定的也仅是开挖遇到的1 2 4 7 。又如，我国襄渝线大巴山隧道勘察阶段预测涌水量4 1 4 x 1 0 4 m 3 d ，但施 工时最大涌水量达到2 0 5 5x1 0 4 m 3 d ；川黔线娄山关隧道勘察阶段预测涌水量 6 0 0 x1 0 4 一d ，而施工时最大涌水量为1 9 2 0 x1 0 4 m 3 d ，相差达数倍之多。因此， 在隧道施工过程中，对掌子面前方的地质条件和可能的地质灾害开展超前地质预 报，将对隧道的正常施工和顺利贯通发挥举足轻重的作用。成功的预测促使施工 及时采取应对措施，防范于未然；反之，贝往往在突发的地质灾害面前束手无策， 使施工遭受重大挫折。 上述工程实例充分说明，开展施工期超前地质预报，避免重大的地质灾害， 对隧道施工建设具有极为重要的意义。由于前期勘察设计阶段地质资料一般都较 为粗略，成果有限、准确度较低，仅仅依靠这些基础性资料几乎无法科学、有效 的完成施工期地质预报，安全可靠的指导施工建设。在目前的隧道施工建设当中 越来越重视使用地球物理探测手段，但是这些探测技术本身具有多解性，并且各 种方法技术都有各自的局限性，相同仪器设备不同的工程技术人员可能得到完全 不同的预报成果，同样的技术方法并非放之四海皆准，加之长大隧道本身复杂工 程地质特性，如何综合运用这些超前探测方法以地质分析为基础准确、及时的进 行施工期超前地质预报仍然是隧道工程中有待解决的难题。 沪蓉国道主干线支线重庆垫江至四川邻水高速公路，属于交通部规划的“五 横七纵”高速公路网中的重要路段，是川渝地区快速交通的重要通道。该高速公 路段共设置三座隧道：明月山隧道、大地坡隧道和铜锣山隧道。明月山隧道和铜 锣山隧道均为超过5 k m 的长大隧道，是该高速公路段的控制性工程 其中铜锣山隧道穿越了三叠系须家河组、雷口坡组和嘉陵江组以及侏罗系地 层，主要岩性为泥质岩、砂岩、灰岩、白云质灰岩、盐溶角砾岩等；受地层岩性、 缝质构造和外动力地质条件的控制，隧道区岩溶较发育，在其富水地段存在严重 涌( 突) 水或突泥、突砂的可能；在须家河组煤系地层中，虽经个别钻孔测试， 隧道瓦斯压力均低，但并不能排除瓦斯对旄工人员可能造成的巨大危害。此外， 由第四系松散堆积层、强风化岩体组成的隧道进出口段、盐溶角砾岩段以及断层 带和层间挤压破碎带、煤系地层段等，易发生塌方灾害并可能产生大变形。该隧 2 第1 章前言 道不仅是一条典型的岩溶隧道存在涌( 突) 水或突泥、突砂等问题，同时还伴有 各种可能对施工构成威胁的地质灾害。 图卜一1 垫邻高速公路交通位置图 针对铜锣山隧道的具体问题，在施工当中采用了多种超前探测手段尤其是运 用了新的地球物理技术开展超前地质预报，包括t s p 、地质雷达、瞬变电磁技术 和德国b e a m 超前探测技术。以这些超前地质预报新技术为基础，以系统科学 理论为指导，运用地质综合分析，建立一套高效的综合分析工作办法，提高预报 精度，及时有效指导隧道施工，完善信息化施工技术，是解决当前隧道超前预报 难题的可行的途径。 铜锣山长达五千多米，地质情况复杂伴生地质灾害可能性极大，并且在施工 过程中采用了多种的超前预报方法尤其是使用了超前预报领域较新的瞬变电磁 技术及首次在国内公路隧道进行应用的德国b e a m 超前探测技术，积累了大量 的第一手资料，利用这些资料综合运用地质分析方法开展铜锣山隧道超前预报综 合分析应用及对比研究具有极为重要的意义。 本人在导师的热情帮助以及悉心指导下，通过搜集国内外资料、查阅文献， 结合参加四川省交通厅委托，由成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家 专业实验室承担以导师为首的“铜锣山隧道超前地质预报多源信息综合分析及应 成都理工大学硕+ 学位论文 用研究”课题的实践，选择“超前地质预报新技术在铜锣山隧道的应用及综合分 析研究”作为硕士论文选题。对各种超前预报新技术的应用进行深入考察，从各 种物探成果以及地质资料入手对基础成果进行归纳整理系统分类，详细定义不同 资料的综合分析优先级别，并以此初步探索一套隧道超前地质预报综合分析及应 用的工作方法。 1 2 国内外研究现状 隧道旌工期地质超前预报历经几十年的发展，国外如英、法、日、德均已将 此列为隧道工程建设的重要研究内容。一九七二年八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，隧道施工地质预报一 直受到重视，八十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“。 在我国超前预报的研究始于2 0 世纪5 0 年代末，但真正应用到隧道工程建设 当中是在2 0 世纪7 0 年代初，国内的各高校和科研院所在超前预报技术研究应用 中做了很多有益的工作，提出一些新方法，改进了一些技术设备，自八十年代在 大瑶山隧道、南岭隧道、军都山隧道和其他一些隧道的旌工中超前地质预报技术 开始了初步的应用。如在大瑶山隧道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“军都山 隧道快速旌工超前预报课题组”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离的地质预报，编写了军都山隧道快速施工超前地质 预报指南，为后来的隧道施工超前预报提供了很好的借鉴。 隧道超前预报的根本目的和预报内容分为两个主要部分，一是主要地质条件 的预报，二是施工地质灾害预报。通过各种的超前地质预报技术方法( 地质分析 预测法和地球物理探测法等) 进行主要地质条件预报。主要地质条件的预报包括 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。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等。施工地质灾害预 报需要建立在主要地质条件预报的基础之上，因为施工地质灾害一般都是由多种 地质条件共同作用而产生的，而且施工工艺也是一个重要相关因素，故施工地质 灾害的预测预报往往是采用综合分析方法，必须各种因素综合考虑，才有可能获 4 第1 章前占 得满意的结果。 从目前国内外的研究现状来看，各种超前预报技术方法已经做过很多的研究 工作，但是各种超前预报的技术方法各有优缺点，如目前常用的预报方法有：地 面地质调查法、地质雷达( g p r ) 、t s p 地震法等。地面地质调查法是长期超 前地质预报方法。预报距离可以达到2 0 0 m 以上。它有可靠的理论基础，适用性 强，成本低，但预报的范围有限，特别是在地层岩性变化极为复杂( 如强烈褶皱 地层) 的隧道中预报的难度很大。地质雷达是短期超前地质预报方法。它分辨高、 无损伤、探测和数据处理快、机动灵活，但其预报距离较短，只能预报掌子面前 方1 0 3 0 m 以内。而且很难克服施工隧道内的干扰因素，影响探测成果的准确 性，而较准确预报距离往往只有十几米。t s p 是长期超前地质预报方法之一。它 利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方 1 5 0 m 范围内的地质条件和岩石特性变化；同时，还可以提供杨氏模量、泊松比 等岩石力学参数，也可预测围岩级别，从而更清晰地反映前方的地质状况，为信 息化施工顺利进行奠定基础。但它探测费用高：对隧道施工有细微干扰；受探测 人员专业技术水平限制；存在多解性特点。在探测成果图中，断层、节理、软弱 岩层界面，都以相近的异常带形式出现，差别甚小，在经验不足或解释水平不高 的情况下很难区分，对人依赖比较大仞1 。尤其针对隧道中经常遇到的岩溶水问 题，目前尚没有较为成熟的预报预测技术方法，使用弹性波类方法t s p 探水难 度较大而地质雷达对水体探测也不敏感，预报成功率低。据此，很多国内一流专 家均提出这是应该继续研究的重要内容，新的思路和新的方法应该作为研究的主 要对象。瞬变电磁法是近年来才开始使用的一种新的隧道地质超前预报方法，它 具有对低阻充水破碎带反映灵敏的特点，而且接收探头接收到的由激发涡流感应 初的二次场，不论目标体产状如何，均能收到有用信号，对目标体进行成像，野 外工作效率高；隧道电法超前探测的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 d m o n i t o r i n g ) 是另一种引入隧道超前预报的激发极化类方法，通过得到个与岩 体中孔隙( 空隙) 有关的电能储存能力的参数p f e ( p e r c e n t a g ef r e q u e n c ye f f e c t ) 的变化，预报前方的岩体的完整性和含水性。这是两种针对岩溶水问题的新的超 前预报办法，结合地质雷达、t s p 和地质分析等方法可以完成隧道施工期的主要 地质条件预报，在此基础上以这些超前预报方法技术为基础的综合分析方法研究 尚处于起步阶段，目前还没有较为成熟的多种技术成果综合分析判别的工作方法 体系。 1 2 1 超前地质预报技术方法研究现状 超前地质预报技术方法目前主要可以分为地质分析预测法和地球物理预测 法两大类。 成都理丁大学硕士学位论文 1 2 2 1 地质分析预测法 ( 1 ) 超前导洞( 坑) 法 超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正 洞，断面小而且和j 下洞之间有一定的距离，在施工过程中对导坑中遇到的构造、 结构面或地下水等情况作地质素描图，通过做地质素描图对正洞的地质条件进行 预报。采用平行导坑预报的优点是：平行导坑超前的距离越长，预报也越早，施 工中就有充分的准备时间，可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减 压放水，改善通风条件和探明地质构造条件的作用。 采用超前平行导坑进行预报比较直观，精度高，预报的距离长，便于施工人 员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导洞( 坑) 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，其作 用与平行导坑相比，效果更好。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：一是成 本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是在构造复杂地区准确度不高。国内采 用正洞导坑法的并不多见，北京八达岭高速公路隧道部分地段的施工过程中采用 了超前正洞导洞( 坑) 法“1 1 ”1 。 ( 2 ) 超前水平钻孔 根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到 的其它情况来预报。此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据 实际地质情况进行下步施工组织。它是施工预报最有效方法之一，但也存在不足 之处：对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预 报较差；需占用较长的旌工作业时间，费用较高。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 t t 】 o ( 3 ) 地面地质调查法 工程地质调查法是隧道地质预报中使用最早的方法。该方法是通过调查与分 析地表工程地质条件，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。 其调查的内容包括地层与岩性的产出特征、断裂构造与节理的发育规律、岩溶带 发育的部位、走向、形态等，预测隧道掌予面前方的不良地质体可能的类型、出 露部位、规模大小等，以便隧道施工中采取合理的工艺与措施，避免事故。这种 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。这 种方法目前仍在使用”1 。 ( 4 ) 掌子面素描 6 第1 章前言 在设计勘探阶段。一般很难完全详细地掌握围岩实际的工程地质和水文地质 情况，也由于时间、人员、资金和自然条件的限制，不可能对隧址区进行密密麻 麻的钻孔勘探这就注定了在实际开挖过程中与勘探成果存在一定的差距故通 过掌子面岩层鉴别、量测、描述和对比。重新判别围岩的类别。提出针对性的施 工方案是极为重要的。在每个施工循环过程中，在爆破作业和出渣后，在打眼装 药前。对隧道开挖工作面进行详细的地质素描，真实而准确的反映掌子面工程地 质情况。 ( 5 ) 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m c 葛尔比耳的断层影 响带理论，是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) 与两个异常带展布厚度( 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。在长梁山隧道和新倮纳隧道的应用中该方法取得了良好 的效果”1 。 1 2 2 2 地球物理预测法 地球物理的超前预报方法多种多样，目前应用较多的主要有地质雷法和t s p 地震反射波法。而瞬变电磁探测技术和b e a m 超前探测技术则是新近引入隧道的 两种超前预报方法，并且作为对水体敏感的超前预报技术也是两种有相当的发展 前景的岩溶地质环境的隧道施工期超前预报新技术。 ( 1 ) 瞬变电磁探测技术 瞬变电磁探测法最早由加拿大地球物理学家提出，原苏联研制出第一台实体 装置，在地球物理勘探领域最早应用于矿产勘查。近年来应用到隧道超前地质预 报领域，它是一种时间域电磁法，利用阶跃电磁脉冲激发，利用不接地回线向掌 子面前方发射一次场，在一次场断电之后，测量由介质产生的感应二次场随时间 的变化，来达到寻找各种地质目标的超前预报方法。它的测量原理是利用不接地 回线( 或电偶源) 向掌子面前方发送一次脉冲磁场( 或电场) ，即在发射回线上 供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向前传播的一次瞬变磁 场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力， 导电能力强则感应涡流强。在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过 渡过程( 衰减过程) ，该过渡过程又产生一个衰减的二次场向前传播。用接收线 圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中 按不同的延迟时间测量二次感应电动势。得n - 次场随时间衰减的特性。 ( 2 ) b e a m 超前探测技术 7 成都理：l = 丈学硕+ 学位论文 b e a m ( b o r et 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 ) 测试技术是通过对岩层 电阻率进行测试的电法( 激发极化法) 来探知岩石质量、空洞和水体的一种物探 方法。通过激发极化法来勘探矿石和地下水实际上在上世纪5 0 年代就已经开始 应用。基于整个极化的过程( 与电容相比较) ，岩层的电阻系数( 综合阻抗) 的 变化频率能够被侦测记录下来，特殊的水体或者空洞、高孔隙率的地下结构譬如 喀斯特洞穴等会对激发极化的参数有相当大的影响，因此b e a m 测试技术能够对 这些工程地质问题做出准确的预测。相对传统的电法探测，b e a m 测试技术的核 心在于改善了电法测试的灵敏度和稳定性，依靠适合在隧道掘进工作面来布置的 环绕a 1 电极来实现的保护电场，使独立的a 0 电极产生的电流能够更纵深的以 放射状半径或者垂直隧道掘进的径向传播。 开发b e a m 测试技术的德国g e o h y d r a u l i kd a t a 公司通过3 d 有限元 的模拟研究认为该技术的预测距离可以达到隧道断面直径的5 倍。通过定义p f e ( p e r c e n t a g ef r e q u e n c ye f f e c t ) 一频率效应百分比这种与岩体储存电能的能力相 关的岩石学特性，以p f e 对各种不同种类不同质量岩体以及孔隙、断层、水体、 空洞的测试数据为依据制定出针对具体解译指南，综合电阻系数的测量解译能够 完整的对隧道的前方5 倍洞径内的岩体质量、障碍物( 水体、洞穴、断层等) 进 行预测。 ( 3 ) t s p 2 0 2 2 0 3 超前探测技术 t s p ( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) 是瑞士安伯格( a m b e r g ) 测量技术公司于 2 0 世纪9 0 年代初期研制开发的一套超前预报系统。它采用地震方法对隧道地质 情况进行探测，属多波多分量高分辨率地震反射波探测技术。与常规地震反射波 探测技术不同之处，在于该系统是专门为长距离隧道施该系统采用地震波反射原 理，能长距离地预报隧道旌工前方的地质变化，包括软弱岩层的分布、断层及其 影响带、裂隙发育带、含水情况、岩溶等，其预报范围大于1 5 0m 。 ( 4 ) g p r 地质雷达探测技术 地质雷达( g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ，简称g p r ) 是目前国内外普遍推崇的 先进物探设备。它与对空雷达在原理上十分相似，是一种基于地下介质的电性差 异对地下介质或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。它通过发射天 线将高频电磁波以宽频带脉冲形式定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或 目标体反射后返回地面，被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其 路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。故通过 对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置及结构， 可探测确定掌子面前方构造断裂、软弱夹层、岩溶洞穴等的分布位置以及探测确 定隧道洞周以外岩溶洞穴的分布位置。 8 第l 章前言 ( 4 ) 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 c ，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超前地质预报中 取得了较好的效果1 。 ( 5 ) 陆地声纳法 钟世航等发明的“陆地声纳法( 极小偏移距超宽频带弹性波反射单点反射连 续剖面法) ”采用在掌子面上设水平和铅垂两条测线，点距为2 5 3 0 e m ，用锤击 作震源，在靠近激震点处设检波器接收反射波。它近于自激自收的方式，对面状 界面、小溶洞和溶槽、溶管等有较好的反映；利用互相垂直的两条测线的资料可 得到更丰富的信息，同时对前方不良地质体进行空间定位。该方法、仪器及资料 处理软件均为我国有自主知识产权的技术，探查距离距达1 0 0r l l 甚至更远。目前， 该方法软件处理和解译还需进一步改进“”1 。 1 2 2 超前地质预报综合分析研究现状 在国内，隧道超前地质预报综合分析技术还处于起步和探索阶段，如在圆梁 山隧道、长岭隧道等一些重大特长隧道中做过一些综合超前地质预报工作，但仅 仅局限于某一条隧道，并未形成系统化的工作方法。同济大学的曲海锋提出了隧 道信息化施工中综合超前地质预报技术，但整个框架较简单，预报技术方法只采 用了地面地质调查法、地质雷达( g p r ) 和t s p 地震法，没有将施工地质综合 分析技术和一些新的物探超前预报技术纳入预报方法体系。宜万铁路建设中也提 出了综合的地质预报方法，但是主要针对的是超前预报之前的整个超前预报工作 系统规划，在综合分析方面仍然没有一种较为系统的方法。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 对各种超前地质预报方法工作原理、工作方法和成果解译特征进行总 结分析研究； 9 成都理：r 大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立适应于铜锣山隧道超前地质预报综合分析工作方法流程； ( 3 ) 超前地质预报综合分析的模糊判别方法。 1 3 2 技术路线 本文采用的技术路线如图1 2 所示。 隧道超前物探方法及应用 + b e a m ll 瞬变电磁法il 地质雷达 i - s f iii 0 基本t 作原理方法典型解详特铜锣山隧道超前预报应用成果 l 0 基本地质条件预报 解译关键岗素分析 i 地质分析预报及应用 上 铜锣山隧道超前预报综合分析方法及应用 预报结论评价鳃1 成果分析因素集 + 模糊层次分析 上 隧道超前预报模糊综合判别方法 上 铜