（岩土工程专业论文）岩溶地区隧道施工安全控制技术研究.pdf

1 y1 7 i i l l 3 m 删02 帆2 m 5 哪 s t u d yo ns a f e t yc o n t r o lt e c h n o l o g yo f t u n n e lc o n s t r u c t i o n i nk a r s ta r e a s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：y a n g z h o u s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gx i a o h u a c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 做储獬：和 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 年月日 f o 年6r l ie l 摘要 基于大量的文献和广泛的实践，籍助于广西六宜高速3 3 座隧道的工程实测资料， 归纳了岩溶的成因、分布规律、隧道岩溶段处治方法，总结了岩溶隧道地质预报的特点 与难点。通过对当前各种地质超前预报技术及设备的比较，采用地质雷达对岩溶隧道进 行地质超前预报，并对其进行岩溶发育状况预测的参数设置和解释方法进行了全面而系 统的深入研究，结合实际工程进行了验证，取得了较好的效果；通过对岩溶灾害的归纳 总结，及其处理方法的分析评价，总结了常见隧道岩溶的处理措施及岩溶应急处理技术， 并结合加底峒隧道岩溶涌泥实例对隧道岩溶预处理、应急处治及后处理进行了详细介 绍。具体工作如下： ( 1 ) 通过对岩溶成因、特点、分布规律的分析，对各种隧道超前地质预报技术的 比选，采用以地质雷达为主结合地质法进行岩溶隧道地质超前预报。 ( 2 ) 总结了地质雷达在岩溶预报上的参数选取、预报规律和判读标准，并归纳了 不同充填类型的岩溶雷达地质解释特点与准则。 ( 3 ) 总结了隧道岩溶灾害的治理方法。提出了通过超前地质预报，针对不同填充 类型岩溶采用相应的预先注浆加固方法、开挖工法和对岩溶段进行应急处理及后期加固 的岩溶隧道施工安全控制技术方案。 ( 4 ) 结合工程实例，详细阐述并评价了岩溶隧道施工安全控制技术方案。 关键词：岩溶、隧道、超前地质预报、注浆加固、处理技术 a b s t r a c t b a s e do ne x t e n s i v el i t e r a t u r es t u d i e sa n dp r a c t i c e ，t h ep r e s e n ts t u d y , w i t ht h eh e l po ft h e a c t u a lm e a s u r e m e n ti n f o r m a t i o no ft h e3 3t u n n e l p r o j e c t so fg u a n g x il i u y if r e e w a y , g e n e r a l i z e st h ef o r m i n gc a u s e sa n dd i s t r i b u t i o np a t t e r n so fk a r s ta n dt h et r e a t m e n tm e t h o do f t u n n e lk a r s ts e c t i o n ，a n ds u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f i c u l t i e so fk a r s tt u n n e l g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n b yc o m p a r i n gt h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fv a r i o u sc u r r e n tg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n s ， t h ep r e s e n ts t u d ys e l e c t sg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rt oc a r r yo u tt h eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o no f k a r s tt u n n e l ，a n d p r o b e si n t o t h ep a r a m e t e rs e t t i n ga n d i n t e r p r e t a t i o nm e t h o d si na c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cw a y b e t t e rr e s u l ti sa c h i e v e dt h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o no fa c t u a l p r o j e c tp r a c t i c e b ys u m m a r i z i n gt h ek a r s td a m a g ea n de v a l u a t i n gi t st r e a t m e n tm e t h o d s ，t h ec u r r e n t s t u d ys u m m a r i z e st h ec o m m o nt r e a t m e n ta p p r o a c h e so ft u n n e lk a r s ta n di t s e m e r g e n t t r e a t m e n tt e c h n i q u e s ，a n de l a b o r a t e st h ek a r s tt u n n e lp r e p r o c e s st r e a t m e n t ，t h e e m e r g e n c y t r e a t m e n ta n dt h ep o s t - p r o c e s s i n gt r e a t m e n ti nc o m b i n a t i o nw i t ht h ee x a m p l eo fu n d e r g r o u n d t u n n e lc a v eb a ym u d t h es p e c i f i ct a s k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , b ya n a l y z i n gt h ec a u s e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o np a t t e r n so fk a r s t ，a n d c o m p a r i n gv a r i o u st u n n e lg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ep r e s e n ts t u d yt a k e st h e g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a ra st h em a i nm e t h o dc o m b i n i n gw i t ht h eg e o l o g ym e t h o dt oc a r r yo u t e v a l u a t e di nc o m b i n a t i o nw i t ht h ea c t u a lp r a c t i c eo fp r o j e c t s k e yw o r d s ：k a r s t ；t u n n e l s ；g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ；r e i n f o r c e m e n t ；p r o c e s s i n g i i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究现状3 1 2 1 岩溶地区隧道地质超前预报研究现状3 1 2 2 岩溶地区隧道施工现状4 1 3 本文主要研究内容5 第二章隧道超前地质预报。7 2 1 隧道地质预报技术7 2 1 1 隧道地质预报简介7 2 1 2 隧道地质超前预报方法8 2 2 岩溶隧道地质超前预报方案1 3 2 2 1 岩溶预报的特点1 3 2 2 2 岩溶预报方案的选取。14 2 2 3 地质雷达岩溶预报方案。17 2 3 地质雷达岩溶超前地质预报参数优化1 9 2 3 1 地质雷达常用参数1 9 2 3 2 地质雷达参数优化。2 0 2 4 地质雷达岩溶超前地质预报判读标准2 2 2 4 1 地质雷达资料处理2 2 2 4 2 地质雷达判断依据。2 3 2 4 3 常见的岩土体地质雷达解释2 4 2 5 小结2 8 第三章施工地质灾害防治措施3 0 3 1 隧道地质灾害概况3 0 3 1 1 隧道岩溶危害简介3 0 3 1 2 岩溶隧道灾害治理。3l 3 2 不良地质段围岩预加固措施3 l 3 2 1 岩溶段超前加固处理简介3 1 i v 3 2 2 隧道岩溶超前加固处理3 2 3 3 施工地质灾害处治措施3 4 3 3 1 岩溶段开挖施工方法3 4 3 3 2 岩溶段治理方法3 8 3 4 小结4 0 第四章工程实例分析4 2 4 1 隧道工程概况4 2 4 2 岩溶段隧道超前地质预报4 3 4 3 溶洞处理措施4 9 4 3 1 溶洞段预加固4 9 4 3 2 涌泥段处治51 4 3 3 开挖后岩溶段处理5 4 4 4d 、结。5 6 结论与建议5 8 主要结论5 8 进一步研究的建议5 9 参考文献。6 0 至5 【谢。6 2 v 长安人学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 岩溶是指可溶性岩层，如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏、盐岩等，受水的水 化和机械作用产生沟槽、裂隙和空洞以及由于空洞的顶部塌落使地表产生陷穴、洼地等 类现象【。岩溶作为一种不良地质病害，广泛分布在美国、中国、法国、南期拉夫、德 国、俄罗斯、英国等国家，给地下工程施工带来一定的困难和工程风险【2 】。 中国地域辽阔，南北方向纬度跨度大，东西方向地势悬殊，从现今的热带到寒带， 从温暖湿润的海岸到高原高山及西部干旱区，均有现代岩溶发育或古岩溶残留。若按碳 酸盐岩分布面积计，总面积可达3 4 6 3 万k m 2 ，其中露头区达9 0 7 万k m 2 ，覆盖区为2 5 5 6 万o n 2 ，从而为露头区多种岩溶景观形成和覆盖区多类岩溶储集层发育提供了物质基础 1 3 】。我国有7 0 的国土为山区，地理地质条件十分复杂，分布着大片碳酸盐岩地层，是 世界上岩溶分布最广的国家之一【4 】。这些碳酸盐岩主要集中分布在桂、黔、滇、川东、 鄂西、粤北等地，在皖、赣、闽等省市也有分布。仅在桂、黔、滇三地而言，岩溶出露 面积就占三地总面积的一半左右。由于地下水及地表水的溶蚀作用，在碳酸盐岩地区发 育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，这些都给工程建设带来一定的复杂性，每年都因 不同程度的岩溶危害而造成巨大的经济损失并且危及到人身安全【2 】。如图1 1 和图1 2 是广西河池地区常见的天然岩溶景观。 图1 1 岩溶景观一 第一章绪论 图1 2 岩溶景观二 随着我国交通事业发展的需要，铁路、公路等山岭隧道的建设越来越多。自改革开 放以来，经过几十年的经济快速发展，我国的公路行业也迎来了全面快速发展期。特别 是在当前国家政策引导下，经济正朝着平衡和谐的方向发展，这就要求高速公路网要迅 速辐射到全国各个地域，致使现阶段我国的基础建设将主要集中在西南、西北这些经济 相对较落后地理环境相对较偏僻的地区。这些地区地质复杂、山多，且多为灰岩分布区； 而在山岭重丘地区修建高等级公路，为缩短里程、改善线形及环境保护，常常需要开挖 隧道。因此，大量的岩溶地区隧道工程就摆在我们面前【4 1 。 由于隧道施工前的工程地质勘察结果在精度和可靠性上都难以满足施工的要求，隧 道在掘进中所遇到的断层、破碎带、溶洞、采空区等不良地质现象要比前期勘察遇到的 要多得多。据资料统计表明，一般勘察遇到的这类地质现象仅为开挖所遇的1 9 ， 因而隧道工程的危险性还很大，特别是在岩溶地区的隧道工程建设中，由于对掌子面前 方地质情况了解不清，施工带有很大的盲目性，经常因岩溶涌水、突泥而带来不可估量 的灾害。多年来，我国在岩溶地区各类隧道的施工过程中均遇到过岩溶突泥、涌水、充 填物陷落冒项、底板塌陷等岩溶灾害，如圆梁山隧道、大瑶山隧道、试刀山隧道等等都 遇到了不同程度的岩溶灾害问题，给建设和运营工作都带来了很大的影响。而在国外的 阿尔卑斯山隧道等也发生过类似的问题【2 】。 隧道工程师和物探工程师一直在寻求一种办法，如何在隧道施工过程中提前了解掘 2 长安人学硕上学位论文 进面前方的地质情况，准确的预报掘进面前方有无溶洞等不良地质构造、构造的大体规 模、充填物情况等，如果能这样的话就可根据提前所掌握的这些信息，及时合理的修正 r 1 1 施工方案、安排施工进度和安全防治措施、避免险情的发生卜1 。再在隧道施工过程中针 对岩溶特点，采取合理的岩溶段施工工艺，安全经济环保的渡过岩溶段，这就是岩溶地 区隧道施工安全控制技术要解决的问题。 岩溶地区隧道施工安全控制技术是国内外工程建设界一直关注的问题，但目前其整 体研究水平尚不能满足当前隧道工程建设的需求。现阶段在广袤的岩溶大地上正在修建 和待修建大量的隧道，正应抓住当前大好时机，积极开展岩溶地区隧道施工安全控制技 术的研究与总结工作，定当对岩溶地区铁路、公路、水工隧道及地下工程建设都有着普 遍的重要的现实意义。 1 2 研究现状 1 2 1 岩溶地区隧道地质超前预报研究现状 隧道工程地质超前预报工作由来已久，早在一九七二年八月于美国芝加哥召开的快 速掘进与隧道工程会议中就有提出类似的问题，到目前为止，已召开的十几次类似会议 中隧道施工地质预报问题一直受到重视，八十年代世界上有些国家已将此类问题列入了 重点研究课题进行研究，且已取得了较好的成效。 国外如挪威、瑞士、日本等国，隧道及地下工程的建设无论在规模上还是在技术上 都领先于其他各国。瑞士最长的山岭隧道一横穿阿尔卑斯山脉的哥特哈得隧道己达 5 7 k i n ，挪威修建的最长公路隧道也己达2 4 5k m ，日本青函海底隧道全长5 3 8 5 o n 。这 些国家的隧道工程建设过程中大都使用了t s p 地震法等预报掘进面前方的地质情况，从 而大大减小了施工的盲目性，降低了工程投资，缩短了工期，取得了一些宝贵的经验。 但这些国家对岩溶地区的隧道施工期超前地质预报的研究一直还没有太大的进展，没有 寻找到一个系统的岩溶预报方法，这是由于以前岩溶地区隧道工程的建设量不是太大， 因此开展这方面的研究工作也相对较少【4 】。 国内岩溶地区的隧道超前地质预报问题也一直是这一领域的一个难题。由于岩溶地 区地质灾害的严重性、复杂性，测试时又会受到隧道掌子面的特殊条件限制，使得这项 研究工作的进展缓慢。早在1 9 9 5 年，我国铁道部科学研究院钟世航先生等提出了地震 反射负视速度法、陆地声纳法等，配合地质雷达，在超前地质预报方面曾取得了一定的 3 第一章绪论 成果。这些方法对隧道掌子面前方的断层破碎带有较好的预报效果，但在充水断层和岩 溶分布等的探测上仍存在许多的问题 4 j 。 由于岩溶地区隧道地质情况尤其复杂，在初勘中所采用的地调、钻探、物探、遥感 等方法都很难准确的查明施工过程中所需要的隧道沿线准确的地质情况，所以岩溶地区 隧道在施工过程中还是经常会出现涌水、突泥、坍塌等事件，给施工带来极大困难，严 重的还会造成人身伤亡事故。回顾成昆线、大秦线、衡广复线等，可以发现在建设过程 中因水文、地质问题所造成停工的时间，约占施工总工期的1 3 - 1 4 ，因此施工过程中 的有较高准确率的隧道地质超前预报还是十分重要【5 1 。 当前，随着人们对隧道施工期超前地质预报越来越重视，促使隧道地质预报的研究 也有了较大的进步，致使当前国内外研究预报方法及设备的门派林立，出现了一个百花 齐放，百家争鸣的地质预报新局面。虽然关于隧道施工期超前地质预报的新方法新设备 较多，技术的应用也较为普遍，但在岩溶地区隧道超前地质预报这块还未形成一个统一 的概念、理论和标准1 4 1 。 1 2 2 岩溶地区隧道施工现状 二十年前，隧道在施工期间通常是不做或很少做超前地质预报的，隧道施工完全依 靠前期设计勘察资料和施工经验进行判断分析，当地质情况稍复杂，技术人员就难于准 确判断隧道掌子面前方的地质情况，致使在施工过程中经常会出现坍塌、突水、涌泥等 灾害。近些年来，隧道超前地质预报技术在隧道施工中应用较普遍，但目前的超前地质 预报技术仍存在许多问题，由于物探方法在掌子面探测时受到干扰因素较多，影响探测 效果，导致岩溶隧道施工时仍有较多的事故发生。如达万铁路的田家坡隧道施工时出现 一溶洞，其填充物坍塌堆积，左侧长2 0 0 余米，纵向达4 0 余米，严重影响了施工进度， 增加了工程成本。合芜高等级公路试刀山隧道右线在施工中揭露一溶洞，发生填充物坍 塌，其塌落高度达4 0 m 以上，清理千余方仍随清随塌，形成大型坍体，由于掌子面项部 有巨石坍落而难于清理被迫停i | 2 1 。 隧道岩溶段的施工要求较高，其处治是一项非常复杂非常重要的技术。隧道岩溶处 治技术可归纳为岩溶水的处治，岩溶洞穴的处治，洞穴填充物的处治和围岩及支护结构 的变形、开裂、坍塌的处治四类。 在上个世纪六十年代以前，对隧道岩溶突水涌泥的处治思想主要是以“排”为主。经 过若干年的运营，发现以“排”为主所修建的隧道，会有许多后患。有的隧道因排水破坏 4 长安大学硕二t ：学位论文 了山体内部的平衡，衬砌开裂，需要进行加固处理；有的因水的流失导致地表大量下陷， 影响地面建筑物等的稳定；有的因地表、地下水的流失，导致井泉干涸，严重的影响了 生态平衡及农业生产，以致植被死亡，居民迁移。还有隧道衬砌后大量的漏水也会给隧 道运营带来很大的后患。 到了上世纪七十年代，总结了以前隧道岩溶处治的经验和教训，在隧道岩溶处治方 面，提出了“以堵为主，堵排结合”的治水治泥原则。这一原则既适于隧道施工衬砌前的 突水涌泥的整治，也适用于隧道衬砌后的防水治漏。 目前，国内外岩溶地区隧道的建设有了一定的规模，隧道岩溶处治技术也得到了较 大地发展，出现了较多适宜于具体工程实际和不同溶洞特点的新技术，诸如地质预探预 报、高压劈裂注浆、长管棚支护、钢管拱架、全封闭复合衬砌、隧底处理、迂回导坑、 放水减压、改移河道、监控量测、桩基处理、换填等一系列的整治技术措施。这些技术 既继承了以前隧道岩溶处治技术的优点，又有针对性的克服了其弊端，对于岩溶地区隧 道岩溶处治技术的研究和发展具有重要的借鉴意义【2 l 。 近年来，国家相关部门在隧道岩溶的危害普查、勘察、预报、研究与处治等方面投 入了大量的人力物力，也积累了一些隧道岩溶方面的资料。由于溶洞的隐蔽性、复杂性 和不可预见性，对隧道前方溶洞的探测还不是那么的明确，再者建设人员对隧道岩溶灾 害了解得还不够清晰，对岩溶治理的认识还不够透彻，岩溶施工处理措施还不是十分合 理，导致施工与运营时都常遇到岩溶灾害事故。事故一旦发生，轻则影响施工进度，增 加工程投资，重则造成机具损坏、人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度也很大。 随着岩溶地区隧道工程数量越来越多，施工速度越来越快，隧道的长度越修越长，埋深 也越来越深，遇见的岩溶灾害也是越来越多，如何解决上述问题己成为隧道工程界日益 关注的问题1 8 】。 1 3 本文主要研究内容 根据目前岩溶地区隧道地质超前预报与岩溶段处治技术研究的现状，依托笔者本人 参与广西壮族自治区六寨一河池高速公路和宜州一河池高速公路共3 3 座隧道的建设经 验，本文研究的主要内容为： 1 通过对各种隧道超前地质预报方法的评价，对岩溶的成因及及物性特点的归纳， 综合比选出适合于隧道岩溶预报的预报方法一地质雷达法，并制定相应的岩溶预报方 案。 5 第一章绪论 2 总结了采用地质雷达进行岩溶隧道超前地质预报提高预报准确率的关键技术，对 雷达测试参数进行了优化，总结了地质雷达对岩溶体的判读准则，归纳了三种常见岩土 体和四类典型溶洞的雷达剖面图判读标准。 3 从隧道岩溶超前预加固处理措施、开挖工法和岩溶突泥涌水应急处理措施等方面 对隧道岩溶段处治技术进行了深入的研究。 4 结合工程实例分析，详细阐述了岩溶隧道的施工安全控制技术方案的实施过程并 作了相关评价。 6 长安大学硕：l 学位论文 第二章隧道超前地质预报 2 1 隧道地质预报技术 2 1 1 隧道地质预报简介 目前国内外所采用的主要预报方法从探测位置上可分为地面预报与掌子面预报。从 预报的性质上可分为物探方法、地质方法、化探方法。从预报的距离上可分为长距离预 报( 1 0 0 m ) 、中距离预报( 3 0 m - - 1 0 0 m ) 和短距离预报( 3 0 m ) 9 1 。 地面预报方法主要包括：地面地质调查法、高密度电阻率法、电磁法、重力勘探遥 感信息技术、放射性测量等方法。地面地质灾害探测方法主要用于埋深较浅的隧道，预 报精度有限 4 1 。 掌子面超前地质预报方法主要是指借助于仪器设备探测，结合已开挖段揭露的围岩 地质变化规律，参考设计勘测资料，综合分析处理探测结果，从而对掌子面前方的地质 情况变化做出科学的预报，为指导隧道动态设计及施工提供有效信息。由于隧道是一个 线状的地下隐蔽工程，沿线的岩体工程地质、水文地质复杂多变，隧道建设所关心的主 要是隧道掌子面前方及周边影响范围内的围岩情况，因此掌子面预报法与地面预报法相 比优点较多，如已知条件较多，精度较高。所以目前隧道超前地质预报中用得最多的还 是掌子面超前地质预报法【4 j 。 隧道掌子面超前地质预报方法多种多样，主要有地质法、钻探法、物探和地质综合 判定法等。其中由于计算机技术的高速发展，物探方法近年来有了较大的进步，从经济 省时准确率各方面综合考虑其已成为地质预报的的主要方法。原因有三：其一是物探仪 器设备小型化、便携化，从而使物探设备在隧道内有限的空间范围内进行工作更加快捷 迅速；其二物探处理软件得到了长足的发展，探测结果的处理时间大为缩短，从而使得 配合开挖施工进行实时超前地质预报成为可能；其三是物探技术的提高，使得预报准确 率有了较大的提高，让物探作为一种有效的地质超前预报手段广泛被工程界所接型9 1 。 近来年国内外隧道超前地质预报技术和设备都有了很大的发展，目前常用地质超前 预报技术有：钻探技术、电磁技术、反射技术和数码成像技术等，相应的预报方法有超 前钻探法、地质雷达法、瞬变电磁法、h s p 、t s p 、t g p 、地震反射负视速度法、红外 线探测法、t r t 层析成像法，声波c t 法等，其中h s p 、t s p 、t g p 、地震反射负视速 度法等都是应用了波的反射技术而开发的，但各自激发波的方式和信号处理方法都有独 7 第二章隧道超前地质预报 到之处，地震波反射法的一次有效预报距离一般都达到一百米以上，声波反射法测试距 离较短。 2 1 2 隧道地质超前预报方法 纵观国内外隧道地质超前预报采用的方法，当前较为常见的有地质法、超前水平钻 孔法、波反射法【9 1 。 l 、地质法： 地质法是隧道地质超前预报所采用的一种最基本的方法，也是最早使用且一直延用 至今的一种方法，在隧道可行性研究阶段、勘察设计阶段均可采用地质法。在隧道施工 阶段主要是根据隧道掌子面地质条件，如岩体结构面产状及其发育状况、岩体破碎程度、 岩石的变质程度等的变化特征，结合地表地质调查结果，采用相关分析，预报隧道掌子 面前方存在的断层、不同岩类问的接触界面特别是火成岩与沉积岩间的接触界面、隧道 前方围岩的稳定性及失稳破坏形式等。 地质法隧道施工期地质超前预报主要依靠的是预报者的工程地质经验，此方法在国 内外都是最早开展的，也是任何其他隧道施工期地质超前预报方法的基础。 2 、超前水平钻孔法： 掌子面超前钻探是直接获取地下地质信息最常用的勘探技，共有两类钻探：钻探和 取芯钻探。钻探一般费时较多，费用昂贵。所以，只有在需要进行详细调查等几种特殊 情况下才进行钻探【9 1 。 超前水平钻孔法是隧道施工期地质预报方法中最直接的方法。可通过钻孔钻进的速 度和采取的钻孔岩芯获取掌子面前方岩土体的强度、可钻性、完整程度指标和地层岩性 资料及地下水状况等的直接资料。这是一种传统而可靠的方法，能直接了解几米到几十 米甚至上百米范围内围岩的工程地质情况，基本可反映前方岩体的大概情况，比较直观。 该法不足之处在于：其一是钻孔探测结果以点代面，有片面性，复杂地质条件下的预报 效果差，很难预报到掌子面前面的小断层、溶洞，特别是与隧道轴线平行的结构面，且 几个钻孔间的地质情况均无法反映；其二是探测速度慢，一次探测距离短，投入费用高， 影响隧道正常施工。 3 、波的反射法： 波的反射法的基本理论是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯一菲涅 尔原理和费马原理。利用声波、超声波、地震波及电磁波等在介质中传播、反射，通过 8 长安大学硕士学位论文 信号采集系统接收其反射信号，对反射信号进行解译，由此判定掌子面前方反射界面情 况和距离来进行隧道施工期地质超前预报。此法是一种间接、无损的测试手段，备受亲 睐；从理论上说，凡是能进行隧道掌子面勘探的所有地球物理方法均可用来进行隧道开 挖前方的不良地质预报。因此，近几十年来，国内外许多学者都对此方法研究较多，涌 现出了一大批利用波反射法的探测方法及仪器设备，但是由于受到施工中工作条件的限 制和全空间探测解释困难的因素制约，目前只有h s p 、t s p 、红外线探测、电磁波反射 和层析反射等技术得到了较为广泛的应用。 ( 1 ) h s p 又称为水平声波剖面法，即向掌子面前方地质体中辐射一定频率的声波，并研究其 传播特征，进而判断其工程地质特性的一种技术方法。声波探测可根据测试的要求在声 频范围内选择合适的探测频率，根据声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体 的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态有关，不良地质体常与周边地质体的声 学特性有明显差异来进行地质超前预报。此外，声波对裂隙比较敏感，遇到裂隙即发生 反射、折射和绕射等介面效应，能耗较大，波形变复杂。 测试时因检波器和声波发射源布置的不同又可分为超前水平钻孔法和双侧水平钻 孔法，前者分别置于掌子面前方的两个水平钻孔中，后者则分别置于两侧边墙上的两排 水平钻孔中。按耦合方式又分为干孔和湿孔两种，钻孔内灌水耦合的为湿孔测试，干孔 测试则采用环行胶囊套于发射器和接收器外面，向胶囊内注水使元件与孔耦合。湿孔因 水充填裂隙使测试波速偏高，干孔相对较真实。不论哪种布置，耦合问题和噪音干扰的 问题都难以解决。 ( 2 ) 负视速度法 又称为地震波负视速度法，采用一点激发，多点接收。基本原理：在边墙同一高度 布置激振点和一系列的接收点，激发地震波在围岩中传播，当遇到断层或岩性变化界面 则产生反射波，反射信号被一系列接收点的检波器接收，通过相关软件解译得出探测结 果。地震波负视速度法探测距离远，可达数十米，条件好时可达1 0 0 m 一- , 2 0 0 m 。 ( 3 ) t s p t s p ( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) 技术是利用地震波反射进行隧道地质超前预报的先 进技术。t s p 原理和负视速度法基本相同，不同之处有：t s p 是多点激发，一点接收； t s p 后处理不采用负视速度法所用的走时曲线分析法，而是深度偏移成像法，利用视速 度差异，消除与隧道走向近乎平行的反射界面。该法对纵、横波( p 、s v 、s h ) 分别进 o 第二章隧道超前地质预报 行处理，应该说是t s p 在隧道反射地震方面做得比较好的，有很好的实用性，但不可能 给出准确的断层产状、位置和岩体波速。 利用t s p 技术开发了一系列仪器，如瑞士a m b e r g 公司开发的t s p 2 0 3 系列仪器。 北京市水电物探研究所开发的t g p 2 0 6 系列仪器，其方法都是在隧道一侧边墙按一定间 距成一条直线布置多炮点，采用小药量炸药逐个激发，信号在围岩中传播，被两侧边墙 布置的接收器接收，当遇到反射界面产生反射，反射波再被接收，通过软件分析处理信 号，得出前方围岩软硬状况、界面位置、界面与隧道轴线相交所呈现的角度及距掌子面 的距离，初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数。 图2 1 和图2 2 分别是t s p 2 0 3 的现场测试布置图和系统组件简图，图2 3 和图2 4 分别是t g p 2 0 6 现场测试布置图和系统组件简图： 图2 1t s p 2 0 3 的现场测试布置图 接l 嘲 冬施角 ： 图2 2t s p 2 0 3 系统组件简图 * 韧- 1 、2 2 0 方位角 ii 图2 3t g p 2 0 6 现场测试布置图 1 0 长安大学硕上学位论文 下( ；p 2c 】6 防磺酾带警士薅俺 主要旌啭参数： 飘偷八三分t 递遂端c ， 。菔摧毁辐捷：2 0 h i l 度鳟苹：5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 i j $ 。豫带毫鹿：1 0 一$ 0 0 0 1 l z 图2 4t g p 2 0 6 系统组件简图 ( 4 ) 红外探测法 红外线探测技术是通过红外分析进行地质超前预报的一种方法。基于隧道围岩能辐 射红外波段的电磁波形成红外辐射场，可通过仪器接收红外信号，从而获取岩层内部的 密度、能量等信息。红外探水即是根据围岩红外辐射场强度的变化来确定被测体内隐伏 的含水情况。该法测试速度快，资料分析快，但只能得出定性的结论。 ( 5 ) 电磁波法 电磁波法是通过电磁波的反射进行地质超前预报的一种方法。利用电磁波法开发的 仪器有地质雷达。地质雷达是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术，采用天线面 向掌子面发射电磁波信号，遇到电性差异目标体便发生反射，反射波由接收天线接收并 由主机记录，通过对反射信号的处理和分析，可推断被测体工程地质情况。地质雷达被 认为是目前分辨率最高的地球物理方法，有了较好的发展，目前有美国g s s i 的s i r 系 列、瑞典s g a b 的r a m a c g p r 系列、加拿大s s i 的p u l s ee k k o 系列和日本o y o 的 g e o r a d a r 系列等较为成熟的产品。地质雷达测试可根据测试要求选择不同频率的天 线，其频率越高，测试有效深度越小，精度越高。 图2 5 和图2 6 分别是美国g s s i 生产的s i r 2 0 型地质雷达的天线图。 1 1 第二章隧道超前地质预报 图2 5 s i r - 2 0 主机 图2 6s i r - 2 0 天线组件 ( 6 ) 层析成像法 层析成像法又分声波层析成像法和地震波层析成像法。 声波层析成像法移植于混凝土声波c t 层析成像( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) ，借助于 医药学x 射线断层扫描的基本手段，结合其物理力学性质的相关分析，采用射线走时和 振幅来重构被测体内部声速值及衰减系数的场分布，通过色素、相素及立体网络综合展 示，以达到直观图像的结果。 利用地震波在岩土体中传播速度及其变化的规律进行一系列处理而得到成像效果 的方法就是地震波层析成像法，又因地震波传播速度变化和衰减率分别有速度层析成像 法和衰减层析成像法之说。t r t 法即是一项利用此法而成的在国外较为知名的预报方 法。 因岩体并非各向同性，波的传播路径并非单纯直线，所以速度分布会不可避免的存 在畸变【4 , 7 , 9 】。 1 2 长安人学硕上学位论文 2 2 岩溶隧道地质超前预报方案 2 2 1 岩溶预报的特点 l 、岩溶成因 ( 1 ) 可溶岩 可溶性岩一般指碳酸岩，是岩溶发育的前提。岩石的可溶性越强，越利于岩溶的发 育。在碳酸盐这样的可溶岩中，像粘土、二氧化硅、沥青等这些不溶于酸的物质含量越 高，岩石的可溶性就越低，岩溶则不易发育。常见的碳酸盐中，质纯的石灰岩比白云质 灰岩及白云岩易受溶蚀，白云岩又比硅质灰岩易受到溶蚀。可将可溶性岩石的岩溶发育 程度可分为五级： 1 ) 岩溶最发育的是质纯厚层石灰岩，经常以溶隙和中小型溶洞出现，也有可能出 现大型溶洞。 2 ) 岩溶发育次之的是白云质灰岩和白云岩。 3 ) 岩溶发育再次之的是大理岩，大理岩中岩溶发育较弱。 4 ) 岩溶发育再次之的是泥质灰岩、泥灰岩和泥质、白云质角砾岩，其岩溶发育很 弱。 5 ) 岩溶在蚀变灰岩、矽卡岩中发育甚微。 可见在碳酸盐岩地区，岩溶主要在质纯厚层石灰岩中发育。此外，当有非可溶性岩 石夹层时，因地下水经常沿着碳酸盐岩与非可溶性岩层或岩体的接触带运动，故岩溶经 常会沿着可溶岩层与非可溶岩层的接触带不均匀分布，常沿着接触带一侧可溶岩发育【2 1 。 ( 2 ) 地质构造 地质构造造成岩体破裂和变形，其裂隙经常为地下水提供了运动空间，地下水沿构 造结构面运移，对可溶岩进行溶蚀，逐渐形成了溶洞。因此构造裂隙的延伸方向常常控 制着地下岩溶的发展方向。地质构造对岩溶的影响主要表现在以下几个方面： 1 ) 岩溶沿着构造断层和破碎带发育。 2 ) 断层与裂隙对岩溶发育起着控制作用。 3 ) 可溶岩层的断层破碎带，特别是张性断层破碎带，地下岩溶特别发育，常发育 有大型岩溶或暗河，断层交叉的部位常会形成大型溶洞、地下河及地下湖等。 4 ) 褶皱轴部岩溶发育。褶曲构造的轴部，易形成溶隙和溶洞，且可能形成大型岩 溶或暗河。 1 3 第二章隧道超前地质预报 5 ) 岩溶沿着层面构造裂隙发育，易发育顺层岩溶口l 。 ( 3 ) 地下水 可溶岩因地质构造因素影响，只有在地下水的溶蚀、溶解或冲蚀等作用下才可能发 生岩溶，所以说，地下水动力条件与可溶岩、构造条件是岩溶发育的三个必要条件。 综上三点，可得出岩溶一般具有以下规律： 1 ) 岩溶一般只存在于可溶岩地区。 2 ) 岩溶一般受可溶岩与非可溶岩接触带位置控制，在接触带上一般岩溶较发育。 3 ) 岩溶一般受地质构造控制【2 1 。 2 、岩溶特点 从已建和在建隧道的岩溶开挖揭露情况来看，根据地球物理探测方式，岩溶洞穴大 体可分为以下几种类型： ( 1 ) 完全坍塌型溶洞： 完全坍塌型溶洞一般充水，其与周边围岩有着较大的物性差异，与周边围岩相比通 常表现为低波速、低电阻率、高介电常数、低密度等特征。 对此类溶洞，地震波在溶洞边界会发生改变，在地震剖面图上会有一个很强的反射 波同相轴，由于电阻率低，利用电磁法和电法探测时都将出现明显的低阻异常。 ( 2 ) 半坍塌型溶洞： 半坍塌型溶洞一般部分充水、部分为空洞，其地球物理异常较为复杂，与周边围岩 相比其通常表现为低波速、低密度、低介电常数等特点，而电阻率的变化复杂，跳跃不 定。 ( 3 ) 空腔型溶洞： 空腔型溶洞一般为干燥的空洞，与围岩相比通常表现为低波速、低密度、低介电常 数、高电阻率等特点。 ( 4 ) 完全充水型溶洞： 完全充水型溶洞洞内全充填着水，如若溶洞较大，对隧道施工危险性最大，其与周 边围岩相比通常表现为低波速、低密度、低电阻率、高介电常数等特征。 2 2 2 岩溶预报方案的选取 通过对各种超前地质预报方法进行分析比较，可以看出不同的预报方法由于原理上 的不同，预报的侧重点和适应范围也有所不同。超前地质预报方法和优缺点见表2 1 ： 1 4 长安大学硕：f 二学位论文 表2 1 隧道地质超前预报方法特点及优缺点对比 序号超前预报方法 主要特点 优缺点 主要根据隧道地质调查结果进行预报，有牢固的理论基础，不占或极少 预测隧道掌子面前方存在的断层、不同占用施工时间，适用性强，成本 i 地质法岩类的接触界面特别是不溶盐岩与可低，操作简便。但靠有限之见预 溶岩间的接触界面，隧道前方围岩的稳报范围有限，特别是在地层岩性 定性及失稳破坏形式等变化极为复杂的隧道中预报不准 采用钻孔钻进速度测试结果、钻芯的观直接揭示隧道施工掌子面前方地 察及相关试验获取隧道掌子面前方岩质条件，适用性强。但占用施工 超前水平钻 2 体的强度指标、可钻性指标、地层岩性时问长，成本高 孔法 资料、岩体完整程度指标及地下水状况 等诸多方面的商接资料进行预报 主要利用声波、超声波及电磁波在地层有成熟的理论基础，占用施工时 中传播、反射，通过信号采集系统接收 间较除地质法以外的其他方法 3 波反射法反射信号，判断隧道掌子面前方反射界短，预报距离长短均可，费用较 面距隧道掌子面的距离来进行隧道施低。但属于间接方法 工期地质超前预报 通过对超前地质预报方法和优缺点对比，地质法适用性强，成本低，是一种较好的 地质预报方法，但准确率与预报人员的经验有很大的关系：超前水平钻孔法比较直观， 但对施工干扰大，经济性不合理；波反射法是一种间接方法，干扰施工较小，费用较低， 准确率与预报人员和设备都有一定的关系。综合比较，从经济性和可靠性上说，隧道地 质超前预报应采用波反射法为主，辅以地质法动态修正和超前水平钻孔法验证的综合预 报系统。 从岩溶成因和特点方面可看出，岩溶具有不规则性和突发性，且一般都存在充填物， 处于充填或半充填状态。岩溶体的稳定性与充填物有着很大的关系，因此对岩溶的预报 必须要对充填物有准确的介定。 岩溶充填物一般与周边围岩有较大的物性差异，通常含水率较周边围岩大，密实度 也较周边围岩低。通常岩溶体与周边围岩相比则表现为低波速、低密度、高介电常数、 等，各种波在其分界面上均会发生变化。如地震波和电磁波都会在相应的剖面图上出现 1 5 第二章隧道超前地质预报 一个较强的反射波同相轴，其形态般会表现为抛物线或漏斗状，频率和速度相应会变 低，同时在异常体处往往还会有多次反射波。电阻率方面表现为：完全充填时，电阻率 低；半充填时，电阻率变化较为复杂，忽高忽低；空洞时，电阻率高。 根据岩溶物性差异大的特点，应采取反射波法进行岩溶预报。反射波法分类较多， 常用的有地震波反射法、电磁波法和红外探测法等，但各自原理和适用范围都不尽相同。 常用反射波法地质预报特点见表2 2 ： 表2 2 常用反射波预报方法特点及优缺点 预报范围勘探布置测试优点缺点 方法 用时 跟孔深有 掌子面前方跟孔对裂隙较为敏感，遇 能耗较大，致使波速减缓，波形复 关系( 一般 两个水平钻深有到裂隙即发生介面效杂；耦合问题和噪音干扰问题也难 h s p孔或两侧边关系应 于解决；对水的探测效果不理想 为数十米 左右) 墙上的两排 水平钻孔 探测大断层、大的岩对于形状复杂的岩溶边界，探测效 负视 性界面、平直地质界果不是很理想：进涧和埋深至少 速度 l0 0 - 2 0 0 m 边墙5 0 m l 5 h 面的效果较好5 0 m 以上方可进行测试；对水