（地质工程专业论文）大相岭隧道超前地质预报研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 论文结合项目“雅安一泸沽高速公路大相岭隧道施工地质超前预报的应用” 开展了围岩分级以及塌方、岩爆、大变形、突水突泥等地质灾害的预测预报研 究。大相岭隧道处于雅安一泸沽高速公路的大相岭越岭段，为超特长隧道，该段 地形高差大，地应力强度大，工程地质条件复杂，很难在勘察设计阶段就准确 的确定隧道的地质情况和不良地质体的性质、范围及空间分布从而给隧道施工 带来了一定的危险和困难。 本文在分析前人总结的经验和对国内外技术研究的基础上，对施工过程中 公路隧道工程地质条件进行详细调研，对隧道主要工程地质问题的超前预报方 法及其应用问题进行深入分析，采用地质分析法为核心，并结合物探法进行隧 道综合地质超前预报。该系统通过采用基于信息熵的方法来评估影响因素的权 重，并研究结合支持向量机模式识别与动态递归神经网络的计算智能综合超前 预测预报系统，形成一套具有一定智能的隧道施工地质超前预报技术，并利用 该系统在复杂地质条件下隧道施工过程中进行可靠性和实用性的验证。结果表 明，系统的预测精度较高，可满足实际工程要求。在后续的工作中，研究结果 将直接为雅泸高速公路大相岭隧道施工服务，并为类似地质条件下工程的设计 及施工提供参考。本文的研究成果丰富了隧道超前地质预报的内容，增强了预 报的精度和可靠度，提高了工作效率，为隧道施工的安全开挖和围岩稳定性提 供更可靠的预测和更便捷的途径。 关键词：隧道；地质灾害；神经网络；智能预测预报系统；地质预报 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h ea p p l i c a t i o no f p r e d i c t i v em e t h o d sa n df o r e c a s to fg e o l o g yi nd a x i a n g l i n g t u n n e lo ft h ey a a n l u g uh i g h w a y , t h i st h e s i sd e v e l o p ss o m eg e o l o g i c a ld i s a s t e rp r e d i c t i o n r e s e a r c h e si n c l u d i n gs u r r o u n d i n gr o c kc l a s s i f i c a t i o n , c o l l a p s e ，r o c k b u r s t , l a r g ed e f o r m a t i o n , w a t e ri n r u s ha n db u r s tm u d t h ed a x i a n g l i n gt u n n e ll o c a t e di nt h ea c r o s sm o u n t a i ns e c t i o n b e l o n gt ot h ey a l uh i g h w a y , w h i c hi sa e x c e e dl o n gt u n n e l t h e r ea r eh i g ht o p o g r a p h i cd i f f e r e n c e a n dh i 曲c r u s t a ls t r e s si nt h et u n n e l t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h et u n n e li sc o m p l i c a t e d ，s o i t sv e r yd i f f i c u l tt om a k es u r et h a tt h et u n n e l sg e o l o g i c a lc i r c u m s t a n c ea n dt h ec h a r a c t e r s ，s c o p e a n ds p a c eo ft h eb a dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa tt h es t a g eo fi n v e s t i g a t i o na n dd e s i g n ，w h i c hb r i n g c e r t a i no fd a n g e r o u sa n dd i f f i c u l tf o rt h et u n n e lc o n s t r u c t i o n o nt h eb a s i so f r e f e r e n c i n gt h ee x p e r i e n c e so fp r e d e c e s s o r sa n d t h ea n a l y s i so fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g i c a lm e t h o d s ，s o m eo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sf a c e di nt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s so fh i g h w a y t u n n e la n dt h ea p p l i c a t i o no fp r e d i c t i v em e t h o d sa n df o r e c a s to fg e o l o g i c a li n t u n n e lh a v eb e e ns t u d i e dd e t a i l e d l yi nt h et h e s i s f i n a l l y , am e t h o do fa d v a n c e df o r e c a s to f g e o l o g y , i nw h i c ht h eg e o l o g i c a la n a l y s i sm e t h o d sw a st a k e na s t h e c o r ec o m b i n i n gw i t h g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g , h a sb e e nd e f i n e d t h i ss y s t e me v a l u a t et h ew e i g h to fa f f e c t i n gf a c t o r a c c o r d i n gt ot h em e t h o do ft h ei n f o r m a t i o ne n t r o p y ，a n dc o m b i n i n gw i t haf o r e c a s ts y s t e m a s s o c i a t et h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i d e n t i f i c a t i o nm o d e lw i t hd y n a m i cr e c u r s i v en e u r a l n e t w o r kc a l c u l a t e dm o d e l ，a n dt h e nf o r m i n gai n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yt os o m ee x t e n t a tt h el a s t , t h es y s t e mw i l lb eu s e di no n et u n n e l c o n s t r u c t i o np r o c e s su n d e rc 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 st ov e r i f yt h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t i o n a c c u r a c yi sh i g h e r , t h es y s t e mc a ns a t i s f yt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s i nt h en e x t f u t u r ew o r k , t h er e s u l t so ft h es t u d yw i l l d i r e c t l ya p p l i e di n t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f d a x i a n g l i n gt u n n e l ，a n dp r o v i d ee x p e r i e n c et oa n yt u n n e l h a v et h es i m i l a re n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h er e s e a r c hr e s u l t se n r i c ht h et u n n e lg e o l o g i c a lp r e d i c t i o no ft h ec o n t e n t , e n h a n c ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fp r e d i c t i o na n di m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c y , i tp r o v i d em o r e r e l i a b l ef o r e c a s ta n dm o r ec o n v e n i e n tw a yf o rt h es a f e t yo ft u n n e le x c a v a t i o na n ds t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n g r o c k k e yw o r d s ：t u n n e l ；g e o l o g i c a ld i s a s t e r ；t h en e u r a ln e t w o r k ；i n t e l l i g e n ts y s t e mo f p r e d i c t i o na n df o r e c a s t ；g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n 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 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：1 勾留飞 指导老师签名： 日期：卯夕，织侈 日期： 切口c 1 j ) 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。 本学位论文的主要创新点如下： 本文结合雅泸高速公路大相岭隧道工程，构建结合支持向量机模式识别和 动态递归神经网络的一套计算智能型综合超前地质预报系统用于对长大深埋隧 道的复杂地质环境进行预测，并进行现场超前地质预报测试、验证，查阅国内 外文献，尚未发现有具体的工程实例采用，故本方法较处于国内领先地位。 学位论文作者签名：、：幻) 努飞 日期：捌罗、银f 岁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 立题依据及研究意义 随着人类在开发生存空间的利用以及世界各国大型铁路、公路、水利水电 工程项目以及城市地下铁道的不断建设眩1 3 1 。尤其是进入2 1 世纪以来，我国正 式发布国家“十一五”规划纲要，明确提出了未来铁路发展的主要目标和重点 任务。该规划提出，中国铁路发展的主要目标是“十一五 期间，我国将修建 超过3 0 0 0 公里的高速铁路隧道，其中高速铁路客运专线隧道超过1 0 0 0 公里。 据统计，截至2 0 0 5 年底，我国已成功修建了7 5 0 0 座、总延长4 3 0 0 多公里的铁 路隧道，隧道数量和总长度均居世界前列。目前，新隧道的修建以每年1 5 0 k m 的速度在增加。随着隧道数量越来越多，地质工程条件对穿山越岭和城市地下 工程的建设显得尤为重要，尤其是在隧道施工过程中，由于开挖而诱发的各类 地质灾害常常具有隐蔽性、不可选择性、复杂性和突发性，因而成为制约隧道 修建的主要因素。一些复杂的隧道要穿过多种岩类、多个构造，跨过多个地质 单元，即使同一岩类的工程地质条件也是千差万别，特别是火成岩和变质岩地 区地质条件更为复杂。特别是长大深埋隧道，在勘察设计阶段，地质资料都是 在地面上利用地质调查、水文试验、钻探和物探等方法获得的，很难在勘察设 计阶段就准确的确定隧道的地质情况和不良地质体的性质、范围及空间分布， 加之人们认识水平和勘测手段的局限性，使得以地表工作为主推断隧道的地质 条件与隧道施工中实际遇到的地质条件常常存在较大差距。施工实践证明，由 于对施工前方地质条件了解不清，因此施工带有很大盲目性，施工中经常出现 预料不到，会遇诸如断层、破碎带、地下暗河、高地应力、高地温、高压突水、 脆弱岩体、岩爆、大变形和岩溶塌陷等地质灾害，这些灾害一旦发生，轻则影 响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡。 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1 4 1 , 如在西山 隧道施工中，由于岩体破碎，围岩稳定性很低，于1 9 9 8 年1 1 月2 4 日发生了量 达2 0 0 0 m 3 大塌方，从而迫使施工中断，转而又投入巨大的人力、物力来处理， 严重地影响了隧道施工的正常进行，既延误了工期又造成了经济损失；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“通天”大塌方，导致 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 地表出现一个长7 1 m 、宽5 1 m 、深2 1 m 大坑，估计塌方量约为两万多立方米，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 m 、向出口端推移了约 l o o m ，其中约有6 0 m 全被塌方体阻塞，隧道被迫停工。衡广线大瑶山隧道1 9 8 8 年建成通车，1 9 9 0 年5 月2 6 日f g 断层下盘d k l 9 9 4 + 6 3 6 右边墙预留排水管发生 岩溶突水突泥，6 月1 2 日d k l 9 9 5 + 7 0 3 砂岩段又出现拱部股状涌水，以致威胁线 路运营，修建期间隧道突水、突泥造成隧道施工延期近1 年的时间b 11 6 1 。苏联 贝阿铁路的北穆隧道，长1 5 3 0 k m ，施工中最大突水量高达6 0 1 0 4 m 3 d 。日本 的惠那山( e n a s a n ) 公路隧道、奥地利的陶恩( t a u e r n ) 隧道、阿尔贝格( h r l b e r g ) 隧道等r 7 】，我国青藏线4 o k m 长的关角隧道及1 9 0 4 k m 长的堡子梁隧道、南昆 线上的穿越煤系地层的家竹等铁路隧道、国道3 1 7 线鹧鸪山公路隧道等均出现 不同形式和程度的围岩大变形，给工程建设造成极大的困难。日本关越隧道为 石英闪长岩曾发生岩爆1 4 3 3 次( 其中掌子面1 4 1 7 次，侧壁1 6 次) 其中一次岩 爆曾抛出4 5 m 3 的岩块。我国成昆线最大埋深为1 6 5 0 m 的关村坝隧道为硅质灰岩， 曾发生严重岩爆，射距2 3 m ，弹出岩块最大o 5 0 4 0 0 7 m 3 ”1 6 1 。 众多工程实践表明，由于在施工前的地质勘察工作由于技术手段和投入经费 的限制，加之地质体的复杂多变性，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。因此，近年来，隧道施工超前地质预报工作的重要意 义己越来越被广泛地得到认可，并在很多隧道施工中实施了超前预报。 雅安一泸沽高速公路为国高“7 9 1 8 ”北京昆明、西部通道兰州磨憨公 路的一段，也是四川通往云南的主要通道。大相岭隧道位于四川省雅安市荥经 县和汉源县交界处的大相岭高中山区，地貌分区属于峨眉山大相岭切割高中 山区。隧址区地面切割强力，山势陡峻，高差悬殊。隧道穿越段最大埋深1 7 0 1 米，属于深埋特长越岭公路隧道。隧道区地质构造条件复杂，主要有震旦系、 寒武系、奥陶系、二叠系及第四系，出露的岩石主要为岩浆岩和沉积岩两大类。 火山熔岩和火山碎屑岩位于隧址区中部，约洞长的9 2 穿越其中，是隧道穿越 的主要岩性层。陆源碎屑岩和碳酸盐岩仅于隧道出口附近有少量分布。因此对 于这种山体中的长隧道不可能在施工前详细查清隧道围岩的地质情况以及地下 水问题，隧道地质灾害的超前预测预报问题己成为我们当前亟待解决的重大课 题，对隧道工程的安全施工具有十分重要的工程实践意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 隧道施工过程中，隧道施工超前预报工作和高水平地质技术人员的参与能 极大的减少塌方、突水突泥、岩爆、大变形等地质灾害的发生，从而确保工程 施工的顺利进行，降低隧道施工的成本和人员伤亡。就目前来讲，我国隧道施 工技术逐渐成熟，但是在开挖过程中可能诱发地质灾害的预测条件却受到了制 约，因此隧道超前地质预报工作越来越重要。施工地质超前预报是指利用一定 的技术和手段收集隧道岩体的有关资料，并运用相应理论和规律对这些资料进 行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。 1 2 1 隧道施工地质预测预报内容研究现状 在大相岭隧道前期的设计和工程地质勘查中，对潜在的施工地质灾害进行 了初步的预测、预报，主要有塌方、突水突泥、岩爆、大变形、有害气体等。 产生塌方灾害的原因有很多，一般是地质不良、设计定位不当以及施工方法不 正确等因素引起的，主要是由断层破碎带、节理密集带、长大结构面和岩体的 不利组合而形成；突泥和突水多发于节理裂隙密集带、构造形成的风化破碎带， 突水灾害多发于岩溶洞穴、溶隙发育地段、含水层与隔水层交界面；岩爆和大 变性就其形成机理来看，是由开挖卸荷条件下岩石自身弹性应变能突然释放所 造成的，其成因非常复杂；而围岩分级的主要影响因素是围岩的完整性、坚固 性以及围岩所处的地应力和地下水等环境条件。 1 围岩分级 国内外对围岩分级的研究经历了近一个世纪的发展历史，也是隧道工程中 的重要研究内容。合理的围岩分级，直接影响着隧道施工和运营安全，对于客 观反映岩体的固有属性、深入认识岩体中学特性和合理选取参数、制订岩体工 程设计和施工方案、采取合理的工程处理措施是十分重要的。 由于岩体的复杂性，围岩分级中存在大量的非确定因素，大大限制了我们 对围岩类别的认识。目前用于隧道围岩稳定性识别的方法较多，单一因素多偏 重于定性分类或单一因素的定量分类，具有代表性的有普氏系数分类( 1 9 0 7 ) ； 太沙基的荷载分类( 1 9 4 6 ) ；劳费尔分类( 1 9 5 8 ) ；迪尔的r q d 分类( 1 9 6 4 ) ；日 本的围岩准抗拉强度分类和法国隧道围岩分类。随着隧道建设规模的迅速扩大 和增加，人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识不断加深，围岩分级 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 方法也在逐步深化和提高，工程围岩分级开始由定性向定量、有单因素向多因 素综合评价方向发展，主要有挪威巴顿( 1 9 7 4 ) 岩体质量q 系统；古德振( 1 9 7 9 ) 岩体质量系数z 法；挪威p a l m s t r o m ( 1 9 9 5 ) r m i 系统分类；比尼威斯基( 1 9 7 3 ) r m r 分类；捷克斯洛伐克科学研究所( t e s a r o ，1 9 7 9 ) q t s 岩石分类法；国标工程岩 体质量分级标准( g b 5 0 2 1 8 - 9 4 ) ；公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 规 定的围岩分级方法等8 卜 1 2 1 。目前常用的大体有以下几类型： ( 1 ) 按岩石强度为单一岩性指标的分级法，我国工程界广泛采用( 1 9 2 5 年) 前苏联的普氏坚固系数“f ”值分级法。这种方法指标单一，使用方便，尤其是 在f 值分类法中，还将定量指标f 值与作用在支护结构上的围岩压力直接联系 起来，给设计和施工带来较大的方便。但不能全面地反映岩体固有的性态。 ( 2 ) 按岩体构造和岩性特征为代表的分级法，如泰沙基分级法，1 9 7 5 年我国 铁路工程技术规范中所采用的铁路隧道围岩分级法和公路隧道围岩分级( 规 范9 0 与规范2 0 0 4 ) 等。这类方法正确地考虑了地质构造特征、风化状况、 地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的 支护类型和施工方法。但分级指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道 围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。 ( 3 ) 与地质勘察手段相联系的分级法。如1 9 7 9 年前后日本提出的按围岩弹 性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法等。这类方法的分级指标大体上是 半定量的，同时考虑了多种因素的影响：但其分级的判断还带有一定的主观性。 ( 4 ) 多种因素的组合分级法。如修正r m r 分类，岩体质量“q 法、国标b q 分级等。这类方法是当前围岩分类法的发展方向，优点很多，只是部分定量指 标仍需凭经验确定。 ( 5 ) 根据工程对象采用不同的分级法。如专门适用于喷锚支护的原国家建委 颁布的围岩分类法( 1 9 7 9 年) ，苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法 ( 1 9 6 6 年) 等。 由于这些分级方法在判别围岩过程中，人为因素较大，为了消减在判别过程 中人为因素影响，人们结合计算机技术，尝试运用运用数理统计、聚类分析、 模糊综合评判法、神经网络方法、专家系统、灰色理论、分形理论等方法 2 1 。 纵观这些岩体质量分级方法，它们的共同点在于考虑了三大因素：岩石强度、 岩石完整性及结构面性状、岩体赋存的环境条件( 地下水、地应力等) 。 2 塌方预测 塌方是隧道施工过程中最为常见的典型灾害之一，按其成因可分为块体塌方 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和软岩塌方。块体塌方的预测预报需要借助块体理论加以解决，通过找出岩体 工程各开挖部位的所有可动块体后，判别各可动块体的运动形式，计算各可动 块体的支护力，从而找出岩体工程各开挖部位对工程稳定性构成威胁的关键块 体。目前应用较广泛的是由石根华提出的块体理论和赤平极射投影作图方法， 从而标志着块体理论作为岩体工程分析的一种方法已得到公认 1 3 1 0 根据其理论 及其编制的相应计算程序，不但可以预测出块体的几何形状、出露的部位、体 积大小等，还可计算出各块体的稳定性。在预测预报中，通过对某一洞段的结 构面统计从而确定出优势结构面，根据优势结构面对该段的块体塌方作出宏观 和长距离意义上的预测预报；根据现场观察到的具体的一些节理，可以对块体 塌方作出短距意义上的预测预报。林德璋( 1 9 8 7 ) 提出了另一种块体分析方法， 该方法在确定块体的集合参数时采用代数拓扑学同调论的方法，考虑了块体的 倾倒旋转，采用树状结构确定第一块脱落后的后续运动的块体。软岩塌方，则 往往与软弱围岩及断层破碎带相关，其发生的内因是围岩软弱破碎、强度低、 自稳能力差，外因则是施工不当、支护不力、对围岩爱护不够等。总体上，可 以通过地质分析、工程类比、监控量测等方法或综合各种方法来预测预报隧道 施工中的软岩塌方。 随着石根华和g o o d m a n 块体理论的发展，许多人根据计算机技术，把三位网 络技术和块体理论相结合，来对隧道围岩及掌子面进行预测预报，达到了良好 的效果，为超前预报工作提供了极大的方便1 钔 1 5 1 。 3 突水突泥预测 突水突泥属于隧道施工中遇到的流体类地质灾害类型之一，最早的突水预测 是从定性开始的，通过查明隧道含水岩层中地下水的分布及赋存规律，分析隧 道开挖区的水文地质及工程地质条件，依据钻探、物探、水化学及同位素分析、 水文测定等手段，确定地下水的富集带或富集区，以及断裂构造带、裂隙密集 带等可能的地下水涌水通道，并且用均衡法估计隧道涌水量的大小。随着技术 水平和施工要求的提高，基于定性分析的隧道涌水量预测研究发展成为隧道涌 水的定量评价和计算，主要体现在隧道涌水位置的确定和涌水量预测两方面。 国外已有许多学者根据地下水动力学中以裘布依公式( 1 8 7 5 ) 为代表的稳定 流理论和以泰斯公式( 1 9 3 5 ) 为代表的非稳定流理论，提出了许多隧道涌水量预 测的经验量化公式，比较常见的有：日本的左藤邦明公式、落合敏朗公式：前苏 联的科斯嘉可夫( a h k o c t q k o b ) 公式、吉林斯基( h k f n p h n c r n g ) 公式、福希海默 ( f o r c h e i m e n f ) 公式等1 6 1 0m u s k a t ( 1 9 3 7 ) 首次利用解析法解出了地下水流问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的一系列解析解1 1 7 1 , 5 0 年代后期，日本学者高桥彦治( 在修建北陆隧道中) ，首 次提出了简便的涌水量计算方法。此后，许多学者在涌水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。从6 0 年代后期开始，日本学者伊腾洋、 佐腾邦明等利用室内渗流槽对水下隧道的涌水量预测问题进行了模拟试验研 究；8 0 年代初，n o o r i s h a d n o o r i s h a d 等对非连续节理岩体渗流与应力祸合进行 了分析，提出了以节理元为基础的有限元法1 1 8 1 ；k i i i s a l l 等研究了地下洞室开 挖后围岩渗透系数的变化，提出了渗透系数与应力的关系| 1 9 1 ；1 9 8 5 年，b a r t o n 对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间的祸合作用进行了初步的探讨 性研究，但只是针对工程岩体的稳定性和冻土地区隧道涌水问题进行了个别应 用研究 2 0 1 ；1 9 8 6 年o d a 运用渗透率张量和应力张量法，提出了岩体渗流场与应 力场藕合分析的等效连续介质模型 2 11 ；1 9 9 5 年，美国h e u e r 根据钻孔水压力试 验结果，运用半经验方法预测隧道涌水量1 2 2 1 。 目前，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、 确定性数学和随机数学模型三大类。主要研究是从9 0 年代开始的，例如黄涛、 杨立中提出了渗流与应力藕合环境下以及渗流场、应力场与温度场藕合环境下， 裂隙围岩特长大埋深隧道涌水量预测计算的确定性数学模型 2 3 1 0 进入2 1 世纪 后，刘高等通过对岩溶山区深埋长大隧道涌突水条件及影响因素的分析，指出 各种破碎带( 特别是断裂破碎带) 更是隧道涌突水最常见的出现部位，其涌突水 具有突然性和水量大的特征1 2 4 1 1 白明洲等探讨了岩溶形成条件综合判识、水平 钻探与探地雷达相结合而进行岩溶隧道突水突泥灾害超前预报的方法等1 2 5 1 a 随着邓聚龙1 9 8 2 年灰色系统理论的创立，为突水突泥的预测提供了新的研 究基础，在水文地质界内有人把灰色系统理论在隧道涌水量预报方面的应用作 了一些尝试，并且取得了令人满意的成果t 2 6 1 , 例如郑黎明根据灰色理论、数量 化理论和虚拟变量多元回归方法，提出了一套以隧道水文地质条件为变量，以 涌水等级、涌水量为预测指标的随机性数学模型方法1 2 7 1 李兴高刘维宁张的青 等以大瑶山隧道涌水量的实测数据为基础，应用随机过程的理论和方法，建立 了隧道渗涌水量的平稳序列预测模型，并将预测值与实测结果进行了对比眩跗； 刘丹、李启彬运用模糊聚类方法预测秦岭特长隧道( i i ) 线涌水量，并提出了影 响隧道涌水量的主要因素及其量化公式1 2 9 1 。 无论采用何种预测模型、什么预测方法，围岩渗透特性都是涌水量、涌水水 头压力计算中必须采用或考虑的关键性水文地质参数。在某种程度上可以说， 如果查明了围岩渗透性的空间分布，涌水预测的问题也就基本解决了。确定围 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 岩渗透性参数最常见、最保守的方法是抽水或压水试验，但这些方法主要适合 于埋深不大( 如5 0 0 m 以内) 的隧道。在世界各国已建成的近5 0 座特长铁路( 越 岭) 隧道中，绝大多数的最大埋深都超过了5 0 0 m ，最大的已接近3 0 0 0 m ，在这 类隧道的勘测设计中，完全依靠水文地质试验的方法来确定参数是困难的。 4 岩爆预测 迄今为止，学术界对岩爆的定义还未形成统一的认识。概括起来，有以下两 种观点：一种认为只要岩体破坏时有声响，产生片帮、爆裂剥落甚至弹射等现 象，有新鲜破裂面即可称为岩爆；另一种观点则认为只有产生弹射、抛掷性破 坏者才能称为岩爆。王兰生教授等从岩爆的力学机制出发，将岩爆定义为：地 下硐室内处在高地应力条件下的围岩，在开挖过程中，因开挖卸荷引起周边围 岩产生应力分异，造成岩石内部破裂和弹性应变能突然释放引起的爆裂松脱、 剥离、弹射乃至抛掷性破坏现象，统称为岩爆。 目前岩爆预测法有许多种，可归为两大类：类是理论法，它是基于岩爆机 理模型的预测方法( 也是目前常用的预测方法) ，主要有应力判据法、能量判据 法、冲击倾向性判据法等，以及将多种岩爆影响因素综合考虑的综合评判法。 另一类是实测法，它是借助一些必要的仪器，对地下工程的现场或岩体直接进 行监测或测试，来判别是否有发生岩爆的可能，如微重力法、流变法、微震法( 或 声发射法) 、光弹法、钻屑量法、电阻法和现场测定法等。单最常用的主要有以 下几种方法： ( 1 ) 利用某种特殊的地质现象定性地预测岩爆。钻孔岩芯饼裂现象；现场 大剪试验或表面应力解除时，岩体四周被解除后，底部会自动断裂，甚至会被 弹起，并伴有断裂声等；应力一应变曲线异常等。 ( 2 ) 判据法。国内外学者多将有限元计算的开挖断面切向应力和岩石 ，氏 单轴抗压强度之比值作为岩爆判据。 ( 3 ) 弹性应变能指数( w e t ) 判据法。波兰学者k i d y b i n s k i 提出，岩石单轴 抗压强度试验时将试件加载到( o 7 - 0 8 ) r 。，然后再卸载到0 0 5r 。，卸载所释 放的弹性应变能和耗损的弹性应变能之比值，定义为岩爆倾向性指数( w e t ) ，用 于判定岩爆1 4 1 。 ( 4 ) 岩爆临界深度法。侯发亮教授认为，岩爆虽多发生在水平构造应力较 大的地区，但如果洞室埋深较大，即使没有构造应力，由于上覆岩体重力效应， 洞室围岩也可能发生岩爆。同时，他还推导出了仅考虑上覆岩体自重情况下岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 爆发生最小埋深，即岩爆临界深度的计算公式。 ( 5 ) 声发射现场监测预报法。根据李强和l a n g s t a f f 的研究结论，无论是 室内试验成果，还是现场初步监测成果，都表明声发射信号急剧增加都超前岩 石的变形破坏。据此，可将岩体声发射技术推广到岩爆监测预报中。该方法目 前尚处于试验阶段。 ( 6 ) 电磁幅射监测预报法。该方法是依据完整岩煤体压缩变形破坏过程中， 弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近时电磁辐射最强烈，软化后又无电 磁辐射这一原理，用特制的仪器，现场监测岩煤体变形过程中发出的电磁辐射 “脉冲信号，通过数据处理和分析研究，来预报岩煤爆。目前该方法要应用 在煤爆监测预报领域。 ( 7 ) 模糊综合评判法。谭以安、王元汉等认为，岩爆是受多种因素制约的 模糊问题，其内在联系很难用一个精确的数学公式加以表达。故可选取影响岩 爆的一些因素，对岩爆的发生与否及烈度级别进行预测。 ( 8 ) 神经网络预测法。通过控制岩爆发生的特征参数，建立神经网络模型， 并用工程实际中已发生的岩爆实例样本数据对网络进行训练，让模型掌握输入 与输出的映射关系，从而用来预测岩爆。陈海军等1 3 0 白明洲等3 n 人分别建 立了岩爆的神经网络预测模型，对岩爆的预测预报问题进行了研究和探讨。 ( 9 ) 数值模拟预测。该方法利用有限元法和动力有限差分法对坚硬围岩中采 矿时的岩爆进行了数值模拟研究。 ( 1 0 ) 其它预测方法，如分形方法等。 5 大变形预测 隧道围岩的大变形预测是一种以挤出为主、膨胀为辅的水一力耦合过程。大 变形的预测预报是大变形研究中最重要的研究内容之一，尽管这方面的研究已 经积累了一些成果，但仍然比较薄弱1 3 2 1 。目前，大变形的预测预报方法总体上 可分为挤出预测和膨胀预测两大类。 ( 1 ) 挤出预测 挤出大变形预测预报方法主要有以下两种：一种是以某个固定的参数值作为 预测判据，如m u i w r o o d ( 1 9 7 2 ) 提出的坚固系数、s a a r i ( 1 9 8 4 ) 提出用的切向应变 和我国学者采用的应力强度比等 3 3 1 。另一种是以某些理论力学解来探求围岩的 应力一应变关系，从而对大变形进行预测，如t a n i m o t o ( 1 9 8 4 ) 把挤出归结于围 岩的弹一塑性行为，并根据应变一软化基本定律，提出了用来估计围岩应变的 弹一塑性解；a y d a n 等( 1 9 9 3 ) 在对日本已经发生大变形的隧道进行广泛调查的基 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 础上，根据单轴压缩或低约束压力( 口，3 ”。) 条件下得出的岩石应力一应变曲 线特征，提出了利用切向相对应变来预测围岩挤出潜势( s q u c e z i n gp o t e n t i a l ) 。 ( 2 ) 膨胀预测 1 9 1 4 年，w i e s m a n n 首次研究了瑞士h a u e n s t e i n 隧道的围岩膨胀预测问题。 此后，各种各样的分析预测模型被相继提出，e i n s t e i n ( 1 9 7 2 ) 、g r o b ( 1 9 7 2 ) 、 k o v a r i 等( 1 9 8 7 、1 9 8 8 ) 等提出和采用的简化分析方法都是建立在应变仅沿着隧 底以下的垂直对称轴发生这一假设的基础上的，这些分析方法可以为结构设计 提供一定的依据，但不能解释所观察到的全部变形现象，也不能预测围岩变形 的全过程；w i t t k e 等( 1 9 7 6 ) 、g y s e l ( 1 9 7 7 、1 9 8 7 ) 及f r o h l i c h ( 1 9 8 6 ) 等，将膨 胀问题视为连续介质力学问题，形成完善的应力一应变关系，这些关系和平衡 方程及兼容性方程一起构成了解决特定边界和初始条件下的膨胀问题的理论框 架；李宏建等( 2 0 0 0 ) 通过灰色理论建立了灰色v e h t u ls t 模型，该模型能比较准 确地预测隧道变形和隧道的最大变形量，依据预测结果可以在隧道施工中及时 调整、确定支护参数和进行施工决策b 钔。 1 2 2 隧道施工地质超前预报方法研究现状 在国外如瑞士、日本等发达国家进行隧道建设时，隧道施工的地质工作都 是非常重要且不可缺少的工序，针对隧道施工不良地质灾害的预测预报，出现 了许多新方法和新技术，起源于原苏联的垂直地震剖面法( t v s p ) 在2 0 世纪7 0 年代为欧美国家所引进，之后逐渐成为地震勘探领域中的种重要方法1 3 5 1 。 我国隧道施工期地质超前预报研究始于2 0 世纪5 0 年代末，但真正应用于 隧道工程建设( 包括其它地下工程) 是在7 0 年代，谷德振等根据矿巷施工进度和 掌子面地质性状做出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，开 始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。纵观国内外隧道施工期地质 超前预报技木方法的发展，依据其预测预报方法的工作原理，则可将预测预报方 法划分为地质法、物探方法以及综合方法。 1 地质法 地质法主要有：地表地质调查法、掌子面地质素描、超前水平钻探、超前 平行导洞( 隧道) 等。 ( 1 ) 地表地质调查法 地表地质调查法是在设计院提交的该隧道工程地质勘察报告、隧道地质平 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 面图和隧道地质纵断面图的基础上，结合隧道所在地区的区域地质构造特征， 通过地质填图法进行地面地质调查复查和核实，并通过地表地质界面和地质体 投射法对以上两种设计图做进一步的修改、补充和完善。其调查的内容包括地 层岩性及其产出特征、断裂构造与节理的发育规律、岩溶带发育的部位、形态、 走向等，预测隧道掌子面前方不良地质现象可能出现的类型、部位、规模等， 以便隧道施工中采取合理的工艺与措施，避免事故。 ( 2 ) 掌子面地质素描 掌子面是施工的第一现场，其上显示的地质情况是最客观和最可靠的，在 隧道修建过程中，详细认真收集掌子面及两侧边墙的工程地质和水文地质特征 等信息，具体包括掌子面上围岩的地层岩性、实测岩层和节理产状、岩体完整 程度、岩石风化程度、地质构造及围岩受地质构造影响的程度、地下水发育情 况及其出水点、突水量等。在有必要的条件下，还要对掌子面及两侧边墙进行 数码照相，并结合在勘察设计阶段的隧道工程地质勘察报告和前期地表地质调 查等资料，根据掌子面上岩体的上述特征，沿其产状推断该岩体在掌子面前方 延伸情况，包括隧道正洞、超前平行导坑的掌子面和两侧边墙的地质素描，分 析、预测隧道开挖面前方处在2 3 个开挖循环( 大约5 - - - l o m ) 范围内的地质情 况，并判断在这个范围内可能发生的地质灾害的性质和概率。 在地质素描过程中，要特别注意岩层产状和岩性有变化时的情况，因为当 岩性发生变化时，特别是结合不良的软硬岩交界面，岩体完整性差，容易发生 塌方、冒顶等事故，同时还要注意突水点地质特征和水量变化情况，特别在岩 溶发育地区，还要注意掌子面上节理裂隙间夹泥及岩屑，溶洞及充填情况，以 及巨厚层灰岩的方解石脉充填变化情况，因为出现这些现象，往往是发生塌方、 水量增大，可能发生突水突泥等地质灾害的先兆。 ( 3 ) 超前水平钻探 一种最直接也最直观的地质超前预报方法，它利用钻探设备向掌子面前方 钻探，从而直接揭示掌子面前方地层岩性、岩体坚硬程度和完整性程度、地下 水发育情况以及岩溶洞穴及充填物性质，煤系地层还可进行孔内煤与瓦斯参数 测定，在有必要的情况下还可以通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用 于已经基本认定的不良地质区段。采用超前地质水平钻探结合超前炮眼探孔还 可以收集在掌子面没有揭露的，与隧道轴线近于正交的，靠近掌子面的岩体软弱 破碎带的情况。超前地质水平钻探存在占用隧道施工时间长、费用较高、钻孔 的方向不易控制以及钻探工艺有一定的技术难度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 目前超前水平钻探法在国内主要用于水工隧道工程中，采用此方法不仅可 以确定隧道掌子面前方地质情况，而且可以起到探水的作用。水平钻探法，按 长度分为3 0 m 以内的短距离钻探，大于5 0 m 的长距离钻探；按取芯与否分为取 芯和不取芯水平钻探，后者依据钻进过程中钻速、钻压、以及少量岩石碎粉的 变化，结合地质情况，判断分析钻进前方岩体的性质，但不如取芯法直接。 ( 4 ) 超前平行导洞( 隧道) 法 超前平行导洞法是利用与主体工程平行的导洞进行资料收集。导洞先行施 工，对导洞揭露出的地质情况进行收集整理，并据此对主体工程的施工地质条件 进行预报。超前平行导洞法收集的资料比较真实可靠，预报距离也比较长。利用 超前施工的平行导坑或平行隧道所遇地质情况推测隧道将遇到的地质情况，对 间距较小、地层受构造变动小的平行隧道工程较好，当两隧道间距过大、地层 变化复杂时准确率明显降低。 2 。物探法预测 现阶段，隧道施工中采用的地质超前预报仪器方法很多，其中t s p 或t g p 地震波探测、t e m 、红外探水、地质雷达、声波c t 、h s p 水平声波反射法等方法 已被广泛应用在隧道施工中，并取得了一定的工程经济效益。 ( 1 ) t s p 地震探测 利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方 1 0 0 m 2 5 0 m 范围内的地质条件和岩体特性变化，还可以提供杨氏模量、泊松比 和拉梅常数等岩石力学参数，同时，也可以粗略预报掌子面前方围岩的稳定性 和围岩级别，t s p 2 0 3 可以收集掌子面前方1 0 0 1 5 0 米围岩岩性变化情况，初步 判断岩溶、夹层、软弱带存在的范围，从而更清晰的反映前方地质情况，规避施 工过程中发生突发性地质灾害。但是在探测成果图中，断层破碎带、节理密集 带以及软弱夹层界面都以相近的异常带的形式出现，差别很小，在经验不足或 解释水平不高的情况下很难区分，且存在多解性特点。另外，地震波在各向异 性的地质体各部分的传播速度是不相同的，t s p 系统采用在掌子面岩体中直达波 传播速度作为波在掌子面与隧道前方不良地质界面间岩体介质中的传播速度， 来计算不良地质界面距掌子面的距离，也存在误差；不良地质界面反射信号的 叠加和覆盖则加大了对第一界面后的界面反射信号解译的难度，这就造成第一 界面预报较准而其后界面预报准确率下降甚至未能预报的现象。 t s p 超前地质预报系统可以解决的问题有：能探测工作面前方存在的断层， 特殊软岩，煤系地层中的煤层、富水砂岩层、冲刷体( 无煤柱) 和煤系地层与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 其它地层的界限。能探测工作面前方存在的溶洞、暗河和岩溶陷落柱、淤泥带， 还能探测岩浆岩体、岩脉等特殊地质体