（地质工程专业论文）隧道超前地质预报计算机辅助系统初步开发.pdf

摘要 隧道超前地质预报的计算机辅助系统初步开发 作者简介：许勇，男，1 9 8 2 年8 月生， 年6 月毕业于成都理工大学地质工程专业， 师从成都理工大学李天斌教授，2 0 0 8 获得工学硕士学位。 摘要 隧道工程是一种典型的地质工程，详细查明隧道的基本地质条件和潜在的地 质灾害情况是隧道安全快速施工的重要保障。随着高等级公路及铁路隧道的不断 发展，对超前地质预报的准确性和实时性提出了更高的要求。为适应公路隧道发 展的新形势，提高超前地质预报的信息化水平，在广泛收集各类超前预报方法和 地质灾害预报方法的基础上，以软件工程技术为核心，综合超前地质预报技术、 地质灾害预报方法、岩石力学理论及专家系统的技术方法，初步开发了一套针对 隧道地质灾害超前地质预报的计算机辅助系统。按功能的不同，系统分为5 个模 块，即：超前地质预报数据管理模块、工程地质条件辅助预报模块、岩爆综合预 报模块、大变形预报模块和帮助模块。主要研究内容及研究成果可以概括如下： 1 详细讨论了隧道中常用的超前预报方法，分析了每种方法所需要的数据及 能够预报的内容，在此基础上实现了对超前地质预报资料的计算机管理。 2 阐述了岩性、断层破碎带和地下水预报常用的方法以及每种方法所需要的 数据，开发了针对这三种基本地质条件的辅助预报模块，可以帮助用户更快更好 的进行超前预报。 3 通过定性和定量方法相结合的形式，对岩爆进行综合预测。在详细讨论了 岩爆预测常用的方法的基础上，软件采用应力强度比和w - e t 指标这两种常用的岩 爆预测方法对岩爆进行定量预测。在综合考虑岩石坚硬程度、岩体结构、地应力、 地下水、地质构造和工程布置这6 个因素的基础上，参考前人对岩爆分类的研究， 初步开发了岩爆预测专家系统。 4 建立了地质分析预测和监控量测相结合的大变形综合预报系统。在前人大 变形分类研究的基础上，采用定性分析的方式，综合考虑岩石坚硬程度、地应力、 地下水、岩体结构、围岩膨胀性这5 个因素，预测不良地质条件的组合会产生何 种类型的大变形，在此基础上，通过对监控量测数据的处理，采用壁面位移、壁 面位移速度和壁面位移加速度三个参数，对大变形的发展趋势做出预测，便于用 户提早采取措施，控制大变形的发展。 关键词：超前地质预报；计算机辅助系统；专家系统；岩爆；大变形 a b s t r a c t t h ep r i m a r yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r - a i d e ds y s t e mf o rf o r e g e o l o g i c a lp r e d i c t i o ni nt h n n e l i n t r o d u c t i o no ft h ea u c h o r ：x u y o n g ，m a l e ，b o mi nj a i l u a 19 8 2 ，鲥d e db y p r o f e s s o rt i a n b i nl i ，g r a d u a t e d 行o mc h e n g d u u n i v e r s i 够o f1 e c h n o l o g y ，m 萄o r e di n g e o t e c l l i l i c a le n g i n e e r i n ga i l dw a sg r a 眦e dm a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t a so n eo ft h e卯i c mg e 0 1 0 9 i c 甜 e n g i n e e r i n g ， t h ef m l d 锄e i l t mg e 0 1 0 9 i c a l c o n d i t i o na i l dt h eo c c u r r e n c ep o s s i b i l i t yo ft h eg e o l o g i c a lh a z a r d s ，、v h i c hi sa n i m p o r t a r 】ts 甜- e g u a r d i n gf o rt i 】n n e l se x c a v a t i o n ，m u s tb es u r v e y e dc a r e f u l l y w i t hm e d e v e l o p m e n to fh i g h 1 e v e ll l i 蛳a ya n dr a i l w a yt u 皿e l ，am o r es t r i c td e m a n d 、矾l sp u t f 1 0 r w a r df o r 也ea c c u r a c ya 1 1 dr e a l t i m ef o rt l m n e l sg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n i no r d e rt 0 m e e tt h i sd e m a n d ，a n da l s of o ri m p r o v i n gt 1 1 ei n f o m l a t i o nl e v e la i l di m e l l i g e n tl e v e l ，a c o m p u t e r a i d e ds y s t e mf o rh a z a r dp r e d i c t i o ni nt u i l e l 、v a l sd e v e l o p e d ，o nt l l eb a s i so f c o l l e c t i n g 、析d e l yo fl 【i n d s o ff o r e g e o l o g i c a lp r e d i c t i o nm e t h o d sa n dh a z a r d p r e d i c t i o nm e t h o d s t h ec o m p u t e r - a j d e ds y s t e mc a nb ed i v i d e di n t of i v em o d u l e s ， a c c o r d i n gt ot h ed i f r e r e n c ei n 劬c t i o n ，w h i c ha r ed a t am a l l a g e m e n tm o d u l ef o r g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ，g e o l o 西c a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n sp r e d i c t i o nm o d u l e ，r o c kb u r s t s y n t h e t i cp r e d i c t i o nm o d u l e ，l a 唱ed i s p l a c e m e n tp r e d i c t i o nm o d u l ea 1 1 dh e l pm o d u l e t h em a i nc o n t e n d sa n dr e s u l t so f l i sp a p e rc a nb ec o l l c l u d e da sf o l l o w s ： 1 d i s c u s s e dc l e a r l yo fa l lk i n d so fc o r 啪o nu s e dg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nm e m o d s t h ed a c an e e d e da i l dt h ec o n t e n tt h a tc a nb ep r e d i c t e di sd i s c u s s e dc a r e m l l v ，a i l do n t h i sb a s i s ，t h eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nd a t ac a l lb em l d e rt l l em a l l a g e m e mo fc o m p u t e r 2 t h ec o i i u l l o nu s e dm e t h o d sa n dt l l ed a t an e e d e df o rl i t h o l o 擘，f a u l ta n d u r l d e r 擎o u l l dw a t e rw e r ed i s c u s s e d t h ed e c i s i o n m a l 【i n gm o d e lf o re a c h 西p e 、张s d e v e l o p e df o rh e l p i n gu s e r st op r e d i c tq u i c k l ya n dw e u 3 t h ec o m m o nu s e dm e t h o d sf o rr o c kb u r s tp r e d i c t i o na n dr o c kb u r s tc l a s s i f i c a t i o n w e r ed i s c u s s e s s 佃e s s s t r e n g t hr a t i oa n dw e tw e r eu s e di nt l l es v s t e ma st h e q l 墙n t i t a t i v ep r e d i c t i o nm e t h o d s e x p e r ts y s t e mw a l s a l s ou s e df o rt h eq u 2 l l i t a t i v e p r e d i c t i o n r o c ks n i e n 星啦，r o c km a s ss t m c t u r e ，f i e l ds t r e s s ，m l d e r 窖，o u n dw a t e r ， g e 0 1 0 9 i c a ls t i u c t u r e a i l dp r o j e c t a n 锄g e m e n tw e r es y l 曲e t i c a l l yd i s c u s s e di n t 1 1 e s y s t e mf i o rt h ep r e d i c t i o no fr o c kb u r s t 4 t h eg e o l o g i c a la i l a l y s i sm 劬o d s 锄d m o m t o r i n gm e a s u r e m e n t 、e r ea d o p t e df o r t 1 1 ep r e d i c t i o no fl a 玛ed i s p l a c e m e n t i nt h ep 印e r t l l ec h 觚比t e r sa i l dm e c h a n i s mw e r e d i s c u s s e do nt h eb a s i so fl a r g ed i s p l a c e m e n tc l a s s i 矗c a t i o n s e v e r a lk i n d so fc r i t i c a l i i l f l u e m i a if a c t o r sw e r ec o n s i d e r e df o rp r e d i c t i n gw h a tk i n do fl a r g ed i s p l a c e m e n t c o u l db em a d eu n d e rt h ec o m b i n a t i o no fs e v e r a la d v e r s eg e 0 1 0 9 i c a lc o n d i t i o n s 。o n t h i sb a s i s ，g r o u l l dd i s p l a c e m e n tv a l u e ，g r o u n dd i s p l a c e m e mv e l o c i t ya j l d 伊o u i l d d i s p l a c e m e n ta c c e l e r a t o r 、v e r ea d o p t e d 嬲t 1 1 ef 犯t o r sf o rp r e d i c t i n gt h et r e n do f n a b s t r a c t d i s p l a c e m e n t s ot h eu s e r sc a j lt a k em e a s u r e st oc o n t r 0 1m ed e v e l o p m e n to f1 a 唱e d i s p l a c e m e n t k e yw o r d s ：f o r eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ；c o m p u t e 卜a i d e ds y s t e m ；e x p e ns y s t e m ； r o c kb u r s tp r e d i c t i o n ；l a 曙ed i s p l a c e m e n tp r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i ：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，论文中不包含其它人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得盛整理：! ：厶堂或其它教育机构的学位或证衙而使用过的材 料。与我一同一l ：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。 学位论文作者签名： 许彰 z a 5 稻月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理工厶堂有关保留、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 盛都垄：! ：厶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： 学位论文作者导师签名： 乙喀年月2 日 第l 章前言 第1 章前言 1 1 研究意义及选题依据 隧道工程是一种典型的地质工程，隧道的设计、施工、工期、造价无不受工 程地质条件的制约。特别是在隧道施工过程中，由丌挖所诱发的各类地质灾害往 往具有不可选择性、复杂性、特殊性和突发性，常常成为制约隧道修建的最主要 因素。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，如靠椅山 隧道于1 9 9 9 年9 月6 日在y k l 4 5 + 0 1 3 1 4 5 + 0 2 8 段，发生大“通天 塌方，而使 地表出现一个长7 1 m 、宽5 1 m 、深2 l m 大坑，估计塌方量约为两万多m 3 ，在隧道 内形成长达1 8 8 m 的塌体。塌方向进口端推移了约6 0 多m 、向出口端推移了约1 0 0 余m ，其中约有6 0 余m 全为塌方体阻塞，隧道被迫停工；湖南省内南岭隧道， 施工中在+ 7 4 5 + 9 2 0 里程范围内出现突发性碎屑流，仅1 9 8 4 年1 1 月2 6f 1 到 2 7 同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；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；艾那山i 线4 0 0 m 大变形路 段用了3 6 个月才得以通过；秦岭隧道i i 线连续岩爆区段长度达到7 2 k m ，占隧 道全长的4 0 ，而且完全超出“在深埋的岭下地段可能发生岩爆”的预测，在埋 深仅百余米的洞段也发生强烈而普遍的岩爆瞳1 。 上述事实说明了详细查明地质情况对隧道工程的重要性。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丌挖中遇到的断 层和岩脉的l 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 ；内昆铁路某隧道进口标段，始见煤系地层位置与设计差5 0 m ，仅 d k 4 4 4 + 1 7 7 9 1 5 段，就新发现破碎带厚达5 m 以上断层3 条。其出口标段，在 d k 4 4 6 + 6 0 0 2 4 0 段4 6 0 m 范围内，设计遗漏的断层多达1 5 条。其中破碎带宽度 超过5 m 以上的、涉及隧道长超过1 5 2 0 m 的断层就有l l 条，地下水涌水量似下 大雨一样。对这样的地段，原设计划为v 类围岩，后经实际“会诊”，勉强改为 i i i 类围岩。因此，在隧道施工过程中，对掌子面6 订方的地质条件和可能的地质灾 害丌展超前地质预报，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，则往往在突发的地质 灾害面日订束手无策，使施工遭受重大挫折心。 随着我国基础建设的大发展，将兴建大量的山岭隧道，如何“安全、快速、 优质、不留后患”地修建隧道是一个只益突出和急需解决的重要课题。在隧道施 成都理i ：人学硕+ 学位论文 工中开展超前地质预报，掌握掌子面前方一定距离内围岩的基本地质情况，并结 合各种岩石力学理论与方法、监控量测资料、专家经验等，对掌子面前后一定距 离内地质灾害的发生可能性进行预报，是隧道安全快速施工的重要保障。经过多 年不懈的努力，这方面的研究工作已经取得了很大进展，但实际工作中仍存在很 多问题，最突出的矛盾是如何发现不良地质体，并对其成灾的可能性做出可靠的 预测。 目前对这方面的研究还有待深入，不论是隧道工程地质条件的超前预报， 还是地质灾害发生可能性的预报，都还存在很多问题。例如，对于断层破碎带的 超前预报，特别是准确的定量、定位预报，是目前仍未解决的技术难题。 地质灾害的准确预报，不管是理论上，还是实践中，都还有待发展。例如， 对于隧道围岩大变形的预报，已有的研究和工程实践表明，软弱围岩类是易产生 大变形的一种岩体，但并非所有的软岩都会发生大变形，强度低于3 0 m p a 的软岩， 在隧道工程中是常见的，但发生大变形的几率却很小，而且大变形洞段一般都比 较短。因此，对所有软岩都采取加强支护是不可能的，也是没有必要的；但大变 形一旦发生，松动圈就会很快扩展，有的会产生坍塌等灾害，从而使支护工作量 ( 如锚杆长度等) 或工程整治费用急剧增大。 岩爆的预测是当前地质灾害研究的热点问题，由于岩爆发生力学机理的复 杂性，还有很多关键问题没有得到解决，如岩爆的动力源问题、内因和外因在岩 爆启动过程中所起的作用问题、室内岩石试件的力学行为向工程岩体力学行为的 推演问题等，这使得岩爆的预测问题一直是工程中的难点问题，要在理论和实践 中取得突破尚需时同。目前工程中常用的方法是单一指标预测法，并不能完全描 述岩爆的倾向性。以弹性能指标w 色t 为例，在实际问题中，w 色t = 4 0 的隧道发生 岩爆的规模并不一定比w e t = 3 8 的规模大阱1 。 经过多年不懈的研究，各种新理论、新的探测仪器不断的应用到隧道的超 前预报中。瞬变电磁法、t s p 法、地质雷达、掌子面地质调查、断层参数法、超 前水平钻、超前平导等已经成为比较成熟的技术方法。在此基础上，综合了两到 三种方法的综合超前地质预报技术也已经提出，并在多条隧道中进行了实践，可 以对隧道的工程地质条件进行长短距离相结合、由粗到精的预报，大大提高了预 报的精度。 在隧道地质灾害预测方面，各种岩石力学理论和方法、监控量测技术、测 试技术等已经有了长足的进展。它们各有所长，在某些方面均发挥了重要作用， 但是对隧道地质灾害预测来说，这些都还是一些相互联系不甚紧密的方法，还没 有形成一套系统、完善和易于推广应用的将地质分析、现场监测试验、专家经验 相结合的地质灾害预测预报系统。已有的研究表明，隧道地质灾害的发生是与围 岩的应力环境、围岩的岩性、结构特征、围岩的渗流场环境、施工扰动密切相关。 第l 章前言 因此，利用单一的方法和手段很难解决错综复杂的隧道地质灾害预测性问题，必 须充分利用一切可能利用的理论方法、信息技术，采用多种途径和方法，发挥综 合优势和整体优势，对围岩稳定性进行分析、预测预报。 随着计算机软、硬件的处于飞速发展，各种高级语言开发环境也在迅速成熟， 如可视化编程语言v i s u a lc 、d e l p h i 、v c + + 9 0 ，此外数据库管理技术，面向对 象的0 0 p 分析方法、a d o 数据存耿技术也不断成熟，专家系统及其开发工具也 在不断发展，为解决超前预报中存在的大量非结构化、病态定义的问题提供了有 力的工具。这就为综合运用上述技术，开发一套基于w i n d o w s 的、定性推理与 定量分析相结合的隧道超前地质预报辅助决策系统提供了必要的开发工具。 因此，有必要建立一套隧道地质预报计算机辅助软件，通过收集并处理从各 个渠道获得的超前地质预报资料，辅助用户进行综合分析，以得到更为精确的预 报结果。同时结合围岩地质分析、各种岩石力学理论和方法、监控量测资料、专 家经验，对可能发生的地质灾害进行预测。利用软件辅助预报可以最大的发挥计 算机在信息处理方面的优势，使用户达到事半功倍的效果，本文的目标是丌发出 一套运行于w i n d o w s 环境下的隧道地质预报辅助软件，实现超前地质预报技术 的软件化，为用户提供快速、方便的反馈设计意见。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 超前地质预报技术方法 隧道施工期地质超前预报方法历经几十年的发展，已经由最初的地质预报阶 段发展到波反射法阶段。我国超前预报的研究始于2 0 世纪5 0 年代木，但真f 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， 其成果已经成功的运用到了工程建设当中。如在大瑶山隧道首先成功的采用了浅 层地震反射波超前探测、超前1 5 m 的声波探测与显微构造分析等，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，由中科院地质所和铁道部隧道工程局组成的 “军都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，编写了军都山隧道快速施工超前预报指南，为后来的隧道施工超 前预报提供了很好的借鉴。”。 目前常用的超前地质预报方法较多，主要有：地面地质调查、掌子面地质调 查法、断层参数法、超前水平钻孔法、超前导坑法、地质雷达( g p r ) 、t s p 地震 波反射法、瞬变电磁法( t e m ) 等。 成都理：i ：人学硕+ 学位论文 掌子面地质调查主要根据隧道洞内外地质调查结果和隧道施工期掌子面地 质条件调查结果，如岩体结构面产状及发育情况、岩体破碎程度、岩石变质程度 等的变化特征，通过地质作图及构造相关性分析，由地面构造产状推测其在地下 隧道穿越深度位置的出露位置( 相关关系法) ，由掌子面岩体结构面产状及发育 情况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等变化特征推测掌子面前方可能出现的构 造及其性质( 趋势外推法) 。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。 断层参数法的理论基础是前苏联著名地质学家格尔比尔的断层影响带理论， 是由刘志刚结合地质力学理论总结出来的一套超前预报隧洞隧道断层的预报方 法。该方法是在确定了断层破碎带的厚度( 宽度) 与两个异常带展布厚度( 宽度) 关系的经验公式以后，应用经验公式预报掌子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的高宽来预测其影响隧洞 的长度。这种方法在长梁山隧道和新倮隧道的应用中取得了良好的效果。 超前水平钻孔法是在隧道掌子面进行超前水平钻探，通过钻进速度测试、岩 芯采取率统计、钻孔岩芯鉴定等手段来确定掌子面前方地层的展布、地层岩石的 软硬程度、岩体完整性及可能存在的断层、孔洞的分布位置。该方法属于直接探 测法，得到的结果直观可靠，可以作为其它间接预测方法的验证。不足之处在于 速度慢，影响施工，遇到水体或瓦斯突出等灾害时会造成危害，而且其探测结果 只是一孔之见，难以形成面的概念。 超前导坑可以增加工作面，加快施工速度，还可以起到排水、减压放水、改 善通风条件和探明地质构造的作用。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。在地质条件复杂的长大隧道中，平行导坑所起的作用是明显的。正 洞超前导坑用来预报地质条件比平行导坑更好，但目前国内采用并不多。国外在 这方面要做得好一些，在特殊地段为了探明地质情况往往不惜花费高昂代价。如 德国欧伦堡隧道长3 3 0 3 m ，为了弄清地质开挖了2 5 9 m 深的竖井和1 6 4 7 m 长的导坑； 浮可林隧道长6 0 1 9 m ，为了查明膨胀土的分布情况，几乎全隧道挖通勘探导坑。 这种方法的缺点是成本太高，在地质构造复杂地区准确度不高。 地质雷达是短距离超前地质预报方法。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 是长距离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， 第l 章前言 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。现在t s p 已经被国内外广大技术人员和工程单位广泛采用。它的缺点是：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。因此，目前t s p 在隧道中的主要作用是控制不良地质条件的发育位置，对不良地质条件更精确的 预报还需要其它短距离预报方法的配合。 瞬变电磁法是近年来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激发涡流感应二次场，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。瞬 变电磁法最早应用于探矿工程，由于电磁场理论的复杂和以前该方法的应用环境 不同，隧道施工的探测资料解释解译仍然存在一定的问题，解译软件的丌发同样 没有紧随硬件的发展速度，还需要不断积累经验，进一步拓展解译的思路和方法。 通过上述分析，可以发现，受各种条件的限制，这几种常用的超f j 预报手段 都有各自的优缺点和局限性，对各种不同的地质条件体现出不同的适宜程度。提 高预报的准确性和及时性仍是国内外隧道工程地质界需要解决的技术难题。由于 单一的预测方法难以取得令人满意的结果，有学者提出了综合地质预报的思想， 如同济大学曲海峰和朱合华、石家庄铁道学院刘志刚提出了隧道信息化施工中综 合超前地质预报技术瞄1 ，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，而且对隧道施工中一些重大工程地质问题 ( 如塌方、涌( 突) 水、岩爆、大变形等) 没有建立合适的预测预报体系。由此 可见，以系统科学理论为指导，综合各种超前地质预报技术，配合科学的信息化 管理技术，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，是当前隧道超前地质预报急需解决的一个重大问 题。 1 2 2 超前地质预报综合分析 从各种超前预报的新旧方法在国内外应用情况可知，都不可避免的存在局限 性，并且各有优缺点，提高预报的准确性和实时性仍是国内外隧道工程地质界需 要解决的技术难题。因此，有必要建立一种综合预报体系，采用多种方法对隧道 的基本地质条件及地质灾害发育情况进行预测预报，发挥集体优势，尽可能消除 单一手段的缺陷。在国内，隧道超的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、鹧鸪山隧道等一些特长隧道中做过一些综合超 成都理i ：人学硕+ 学位论文 前地质预报工作，但仅仅局限于某一条隧道，推广应用还值得商榷。 由此可见，以系统科学理论为指导，综合各种超前地质预报技术，配合科学 的信息化管理技术，建立高效的综合分析预测预报系统，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，是当前隧道超前地质预报急需解决的一 个重大问题。 1 2 3 隧道地质灾害预测研究现状 隧道中常见的地质灾害包括岩爆、大变形、塌方和涌水。地质灾害的发生受 多种因素的制约，而且往往与施工工艺有关，其发生机制十分复杂，工程中常用 的单一指标预测法虽简单易行，但很难达到预测的目的，必须综合考虑各种因素 进行判别，才有可能得到满意的结果。塌方灾害主要是由断层、破碎带、长大节 理及软弱岩体的不利组合而形成。涌水是隧道地质灾害预测中十分薄弱的环节， 涌水预测的准确性目前还很低，常用的方法是模型预测法，经验类比法和物探方 法，如瞬变电磁法。岩爆和大变性则往往存在复杂的成因机理，要综合考虑各种 影响因素彳可能对其做出较好的预测。下面分别对这四类地质灾害的预测研究做 回顾。 1 2 3 1 塌方预测 塌方按其形式可分为块体塌方和软岩塌方。块体塌方的稳定性需要借助块体 理论加以解决，其决定性因素在于各结构面的相互组合及结构面的力学性质。应 用较广泛的是石根华等的块体理论，根据其理论，可编制相应程序进行计算。不 但可得出块体的几何形状、空问位置、体积大小，还可根据结构面强度，计算块 体的稳定性，从而对施工起指导作用。加拿大t o r o n t o 大学e h o e k 等开发的 u n w e d g e 程序就是基于石根华等的块体理论而开发的专门用于地下工程块体稳 定性计算的软件。另外，也可以采用极射赤平投影方法并结合实体比例投影方法 对块体的大小及稳定性进行判断。在预报工作中，利用某一洞段的优势节理，可 以对该段的块体稳定性做出宏观及长距意义上的预测预报。利用现场观察到的具 体的某几条节理，可以对块体稳定性做出短距离意义上的预测预报。 而软岩塌方，则往往与软弱围岩及断层破碎带相联系，其发生的内在原因是 围岩软弱破碎、强度低，外在原因则是由于施工不当，支护结构不能提供足够的 支护反力等造成的。总体上，可以通过地质分析、工程类比、监控量测等方法或 这几种方法的综合来进行预测预报。 1 2 3 2 涌( 突) 水预测 涌水是隧道施工中发生频率较高的一类地质灾害。由于地下水的高度流动 性、在地壳表层分御的普遍性以及大多数隧道都处于地下水富集带或其以下附 近，只要存在导水通道，就可能发生涌水。因此，其发生条件要比其它灾害类型 6 第1 章前言 宽松得多。据不完全统计，在我国1 9 9 6 前已建成运营的4 8 0 0 座隧道中，约1 3 发生过涌水问题，其中3 0 余座属大型涌水，每座的涌水量均超过1 0 1 0 4 m 3 d ， 最大的达2 0 6 1 0 4 m 3 d 。而且一旦发生大规模的隧道涌水，不仅施工本身会严重 受阻，而且可能引起浅层地下水及地表水枯竭，甚至引起地面塌陷等伴生的环境 地质问题。如水柏铁路线上白龙山隧道，1 9 9 9 年4 月1 6 同，在丌挖到d k 2 7 + 9 0 0 下断面左侧边墙时，最初瞬间涌出小股急流水，伴随坍塌现象，随后出现大股涌 水现象，流量高达1 0 0 0 0 m 3 d ，严重影响施工。襄渝线中梁山隧道涌水造成地表 1 4 k m 2 范围内的地表井泉干枯、农f f l 漏水，给三乡的人畜用水造成极大困难；衡 广复线上的南岭隧道涌水涌泥，连溪河水全部灌入隧道，造成大面积地表塌陷， 引起京广线既有铁路和1 0 7 国道路基严重下沉。 2 0 世纪5 0 年带后期，白r 本学者高桥彦治在修建北陆隧道中，首次提出了 简便的涌水量计算方法来，许多学者在涌水及涌水量的室内模拟和涌水量的计算 方法方面进行了大量的研究工作。 6 0 年代后期开始，日本学者依腾洋、左腾邦明等利用室内渗流槽对水下隧 道的涌水量问题进行了模拟试验研究；8 0 年代初，另一同本学者基于模拟试验， 提出了隧道涌水量预测的非稳定流方法；原苏联学者阿拉文和努米洛夫基于模拟 试验结果提出用复数速度势理论计算水底条形渗渠的渗水量。 几十年来，国外学者提出了许多涌水量预测模型和方法。1 9 8 7 年，同本学 者将隧道涌水量的预测方法分为：以经验或统计资料为基础的预测方法、以水力 学公式为基础的预测方法和依据水的汇入排出模拟建立的预测方法。目f j ，在我 国隧道涌水方面所用的模型基本上可以分为：非确定性统计模型、确定性数学模 型和随机数学模型三大类。 直到今天，涌水仍然是隧道超前地质预报中十分薄弱的环节，涌水量预测的 准确性还是很低。例如，襄渝线大巴山隧道预测涌水量4 1 4 1 0 4 m 3 d ，但施工时 最大涌水量达到2 0 5 5 1 0 4 m 3 d ；川黔线娄山关隧道预计涌水量6 0 0 1 0 4 m 3 d ， 而施工时最大涌水量为1 9 2 0 1 0 4 m 3 d 。据统计在我国1 0 多座有名隧道中，预测 的可能最大涌水量，接近实际情况的仅占1 0 左右。预测的诈常涌水量，接近实 际情况的仅占2 0 3 0 。 在实际应用中，预测隧道j 下常涌水量的方法主要有：降水入渗法、地下迳流 模数、地下迳流深度法、地下水动力学法、比拟法、同位素氚法、模糊数学法等。 预测隧道最大涌水量最常用的方法则是地下水动力学法，另外还有比值法。 在隧道施工中，对于地下水的预报更常用的是瞬变电磁法、地质雷达和超前 水平钻孔法等超前地质预报方法。瞬变电磁法和地质雷达都是利用水与岩石在物 性上的差别来预报掌子面前方水体的存在，但这两种方法都有多解性，经验不足 的解译人员很容易误判。超前水平钻孔法作为一种直接预报方法，可以揭露溶洞、 成都理i ：人! 学硕十学位论文 暗河等易突水不良地质体的存在，还可以起到排水减压的作用，但缺点是占用施 工时间，一般只用在有重大突水灾害的洞段。 1 2 3 3 岩爆预测 1 2 3 3 1 岩爆预测方法 岩爆是地下空间开挖过程中，围岩的一种非正常破坏现象，这种现象主要表 现在破裂围岩的动力抛掷，并伴有不同程度的爆炸、撕裂声。岩爆不仅使人产生 恐惧感，而且直接威胁施工人员和设备的安全，严重时会诱发地震，造成地表建 筑物破坏。据国外监测资料，灾害性较强的岩爆震级可在3 4 6 级以上，烈度 可达7 8 度。 继日本的新清水铁路隧道( 上世纪6 0 年代，1 3 5 k m ) 、关越公路隧道( 1 1 1 k m ) 之后，我国的天生桥引水隧道( 8 0 年代，9 5 k m ) 、太平驿引水隧道( 9 0 年代， 1 0 5 k m ) 及秦岭铁路隧道( 9 0 年代，1 8 4 k m ) 等特长交通和水工隧道相继发生 了严重的岩爆灾害。如秦岭隧道i i 线岩爆区段( 中间的无岩爆段长度小于5 0 0 m ) 长度达到7 2 k m ，占隧道全长的4 0 ，而且完全超出“在深埋的岭下地段可能发 生岩爆 的预测，在埋深仅百余米的浅埋洞段也发生了强烈而普遍的岩爆，使得 隧道施工防不胜防。太平驿电站引水隧道某标段长度仅5 k m 左右，竞发生岩爆四 五百次，并造成人员受伤的严重事故m 1 。 根据可以查到的资料，岩爆研究在至少上世纪3 0 年代左右就已经取得了巨 大成绩，尤其是在发生岩爆的地质条件等方面的认识已经趋于成熟；在此后的几 十年中，随着人类地下工程活动的同益增加，特别是触及深度不断增大，岩爆现 象越来越严重，对于岩爆的研究也越来越深入，在发生机理、施工预报及岩爆控 制等领域取得了巨大进展，世界上许多国家的采矿部门已经制定了专门的岩爆防 治或支护规范。在岩爆的预测方面，其研究成果可以概括为以下几个方面： 1 单轴抗压强度u c s 发生岩爆的岩石，一般应满足以下条件：u c s 8 0 m p a ( 至少u c s 6 0 m p a ) 。 瑞士在“s i a 9 8 号岩体分级标准中规定，可能发生岩爆的第1 类岩体的条件是： u c s 1 0 0 m p a ；( p 4 0 。；c 2 0 m p a ( 1 1 ) 其中：u c s 是单轴抗压强度。 2 弹性应变能指数判掘w e t w e t 是由波兰a q 奇代宾斯基提出，其测定方法是：应用岩石单轴抗压强度 试验，将试件加载到其峰值强度的7 8 8 0 ，然后卸载，获得应力应变曲线。 耽，：盟( 卜2 ) 痧钳 其中，巾s p 是弹性应变能( 加载曲线以下的总面积) ；巾s t 是耗散的应变能( 加 载与卸载曲线间的面积) 。 根据波兰困家标准：w e t 5 o ，将发生严重岩爆；w e t = 2 0 4 9 ，将出现中 第1 章前言 低烈度严重岩爆；w e t 7 岩爆发生强度无岩爆弱岩爆中等岩爆严重岩爆 4 根据地应力特征来预测岩爆 尽管高地应力一直被认为是岩爆发生的一个必要条件，但是由于如何界定高 地应力的问题尚未解决，因此，用高地应力来预测岩爆的可操作性比较差。 我国“工程岩体分级标准”给出的可能发生岩爆的极高地应力与高地应力的 判别标准为： 极高地应力：三坚 4 ；高地应力：竺堕：4 7 d m 。a m 戤 其中：u c s 是单轴抗压强度，om a x 是最大主应力。 除了上述定量的判别标准外，有些学者还提出，根据围岩变形特征判断地应 力量级，进而判断岩爆发生的可能性。比较典型的是，如果钻孔中岩芯有饼裂现 象，则预示围岩的地应力量级较高，在这种围岩中开挖隧道有可能诱发岩爆。 5 应力强度比 根据丌挖后轮廓线附近的最大切应力( o ，) 与单轴抗压强度的比值来预 测岩爆。 前苏联h a 多尔怡尼诺夫等提出的判别标准为： 无岩爆、剥落：急 0 8 u c s 王兰生教授等提出的标准： 轻微岩爆：急 o 3 o 5 ；中等岩爆：o 5 急 o 7 ； 强烈岩爆：o 7 5 m p a ，且( 2 ) 能量释 放率 4 0 m j m 2 ，且( 3 ) 地质结构不利，且( 4 ) 采矿布局不利，且( 5 ) 局部支 护效果差，且( 6 ) 区域支护效果差，且( 7 ) 盘沟支护效果差，那么有可能发生 强烈岩爆。这种岩爆风险估计是由多层前馈神经网络实现的。 岩爆的神经网络预测模型一经提出就受到了学术界的广泛关注，并己较为成 功的应用于国内多个深埋地下工程岩爆预测中。杨涛等建立了岩爆预测的三层 b p 神经网络模型，通过对国内外2 0 个岩爆实例的先验知识学习，对秦岭大埋深 隧道中部混合片麻岩地段施工过程中的岩爆倾向性进行预测。评判指标采用的是 围岩最大切向应力与岩石抗压强度的比值( 仃，) 、抗压强度与抗拉强度的比 值( 仃，q ) 、岩石弹性能指标w e t ；白明洲等采用岩石抗压强度、岩石抗拉强度 和岩石弹性能指标作为评判指标对秦岭隧道的两个岩爆实录进行了岩爆危险性 预测检验，结果与实际基本一致m 1 。 l o 第1 章前言 1 2 3 3 2 当前岩爆预测存在的问题 对岩爆机理的研究表明，岩爆的发生有其内因和外因两个影响因素，也就 是既受复杂地质因素影响，同时又受工程环境和人为丌挖因素的影响。但由于目 前对岩爆机理的认识还有待深入，因此已有岩爆预测方法的局限性也比较大。 w e t 、应力强度比、岩