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博士后研究工作报告 高速铁路隧道施工可视化动态反馈技术 摘要 根据我国目前客运专线隧道的设计情况，通常采用了单洞双线大断面隧道， 隧道开挖断面积达到1 5 0 1 8 0m ? ，是一般单线隧道的几倍，约是一般双线隧道的2 倍。其断面的跨度已接近我国一些高速公路的三车道隧道，而高度已超过一般的 高速公路隧道。在开挖如此大断面的隧道，加上实际地质条件复杂多变和施工过 程中存在的不确定性因素影响，使得隧道设计和施工存在很大风险。目前修建隧 道的施工方法，普遍采用的是新奥法，监控量测已成为反馈围岩和结构动态变化、 优化支护参数、保证施工安全的一个重要手段。通过监控量测，将采集到大量反 映围岩和支护结构力学行为的数据，然后依据规范及类似工程的经验，对围岩的 稳定性进行评价，这已成为隧道施工中的通用方法。但如何有效地分析监测数据 判断隧道的稳定性态，如何从目前的监测数据预测下一阶段隧道变形和受力的发 展，如何从数据里寻求有效指导开挖施工的决策，使其更大限度地为工程服务， 是目前隧道建设中一个急待解决的问题。 鉴于上述情况，作者以选定的长吉城际铁路盘道岭隧道为对象，围绕双线大 断面隧道施工工艺，建立适用于高速铁路隧道施工的动态可视化监控技术，可以 实现量测数据的三维可视化，智能预测下一阶段的位移与变形，并对施工的安全 性进行评价，建立应急的决策机制，实现动态反馈施工，确保了隧道施工的安全 和隧道结构的稳定。在对长吉高速铁路盘道岭隧道进行超前地质预报及施工，通 过上述研究，取得的主要认识如下： ( 1 ) 复杂地层隧道超前预报应优先选用综合预报的方法，以实现对隧道超前 岩层的地质情况的准确预报。 ( 2 ) 施工方法的适应性主要表现在对掌子面稳定性、隧道周边松弛的控制效 果以及当地质变化时施工方法转化是否灵活等几个方面，确定了若干了原则。 ( 3 ) 针对铁路隧道施工规范中没有给出隧道浅埋段报警值，本文提出基于模 糊聚类分析的模式识别预测方法，系统地论述了铁路隧道浅埋段开挖时围岩稳定 性的评估方法和隧道位移速率预警值的确定方法。 ( 4 ) 以长吉城际铁路中的盘道岭隧道为工程背景，提出了基于神经网络动态 反馈预测方法，并与既有的时间序列预测和动态方程预测方法对比，体现了方法 博士后研究工作报告 的先进性。 ( 5 ) 采取现场埋设测点进行随开挖同步观测的动态反馈信息化施工技术，对 于保证工程的安全和顺利施工，积累相似隧道开挖施工的经验和数据，将产生积 极的作用。 关键词：高速铁路；隧道；可视化；监测；动态反馈 未经本报告作者的书面授权，依法收存和保管本 报告书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本报告的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的 法律责任。 博士后研究工作报告 1 1 研究意义和目的 第1 章概述 根据我国目前客运专线隧道的设计情况，通常采用了单洞双线大断面隧道， 隧道开挖断面积达到1 5 0 - 1 8 0 群，是一般单线隧道的几倍，约是一般双线隧道的 2 倍。其断面的跨度已接近我国一些高速公路的三车道隧道，而高度已超过一般 的高速公路隧道。在开挖如此大断面的隧道，加上实际地质条件复杂多变和施工 过程中存在的不确定性因素影响，使得隧道设计和施工存在很大风险。目前修建 隧道的施工方法，普遍采用的是新奥法，监控量测已成为反馈围岩和结构动态变 化、优化支护参数、保证施工安全的一个重要手段。通过监控量测，将采集到大 量反映围岩和支护结构力学行为的数据，然后依据规范及类似工程的经验，对围 岩的稳定性进行评价，这已成为隧道施工中的通用方法。但如何有效地分析监测 数据判断隧道的稳定性态，如何从目前的监测数据预测下一阶段隧道变形和受力 的发展，如何从数据里寻求有效指导开挖施工的决策，使其更大限度地为工程服 务，是目前隧道建设中一个急待解决的问题。 为此，本项目拟通过现场监测及超前地质预报等手段，在分析现场监测数据 和超前地质预报数据的基础上，建立基于围岩地质条件的预测预报模型，利用此 模型对已开挖和未开挖部分隧道变形及受力进行方便的动态反馈预测，可以对隧 道安全进行评价，并进而对隧道的施工进行指导，用以有效指导施工，修改设计 参数，合理安排施工工序，实现真正的信息化施工，确保施工安全、隧道稳定具 有现实的意义。因此，本项目的研究成果为解决复杂地质条件地区的高速铁路大 断面隧道施工难题，提出新的设计方法具有重要意义，可为长吉客运专线隧道施 工提供强有力的科技支撑。 1 2 高速铁路隧道现状和特点 高速铁路行车速度高，对基础设施的建设的标准要求高，线路最小曲线半径 较大，所以高速铁路的选线设计时必然会出现大量的隧道工程。据不完全统计， 截至2 0 0 5 年底，全世界已建成的高速铁路隧道总长度已经超过1 3 0 0 k m ，其中日 博士后研究工作报告 本7 8 4 k m 、法国5 0 k m 、德国2 0 1k m 、西班牙1 5 8l ( 、意大利7 1 k i n 、英国2 6 l ( m 、 韩国1 1 6 k m 、中国台湾地区4 4 k m 。另外，正在建设和规划中的高速铁路工程中， 隧道也占有较大的比例。我国在建和拟建的高速铁路项目中，隧道总长度将超过 1 0 0 0 k m ，其中2 0 0 6 年已经开工建设的项目中，隧道座数超过5 0 0 座，总长度超 过7 0 0 k m 。 ( 1 ) 日本新干线隧道 日本建设高速铁路隧道历史最久，数量最多；日本新干线铁路隧道多采用单 洞双线断面，其净空有效面积只有6 2 6 4 m 2 ，是目前世界各国双线高速铁路隧道 中断面最小者；为解决乘客舒适度和降低洞口微气压波，日本新干线铁路隧道采 用了列车密封性能和在洞口设置缓冲结构的措施；早期的新干线隧道内一般采用 碎石道床，后来修建的隧道内一般采用无碴轨道结构，并且以板式无碴轨道居多； 隧道主要采用复合式衬砌，初期支护为主要受力结构，多采用型钢钢架支护，二 次衬砌的主要作用是安全储备，厚度一般采用3 0 a m 。 ( 2 ) 韩国高速铁路隧道 韩国首尔至釜山高速铁路列车运行速度设计目标值为3 5 0 k m h ，隧道净空有 效面积采用1 0 7m 2 ，是世界各国高速铁路隧道中断面最大者；衬砌内轮廓采用半 径为7 1 m 的单心圆形状；隧道底部不设置仰拱，而采用钢筋混凝土底板，底板 厚度随不同围岩地质情况而异；隧道一般按排水型设计，在底板两侧设置排水沟； 一般隧道内采用有碴轨道，特长隧道和第二期修建的隧道多采用无碴轨道；洞口 采用喇叭口状的斜切式结构。 ( 3 ) 德国高速铁路隧道 德国早期修建的曼海姆一斯图加特一维尔茨堡高速铁路，隧道净空有效面积 采用8 2m 2 ，而2 0 0 2 年建成通车的科隆一法兰克福高速铁路隧道净空有效面积采 用9 2m 2 ；洞口形式大多采用帽檐式的斜切式结构，有利于提高乘车舒适度和减 缓高速铁路隧道的空气动力学效应。的多近期修建的高速铁路隧道防水全部采用 “全封闭”结，不允许地下水流入隧道，衬砌结构除考虑围岩和其他荷载外，还 承受部分水压力。所以，德国新修建的隧道全部采用钢筋混凝土衬砌，且其内轮 廓均采用圆顺连接，仰拱厚度一般比拱墙衬砌厚度大，不良地层中仰拱填充厚度 通常大于2 0 m 。德国高速铁路隧道设置有完善的防灾救援系统，隧道内两侧设 博士后研究工作报告 有贯通的救援通道，洞口一般设有救助车辆停放场，并且通过便道与公路网联通， 救援交通较为便利。 ( 4 ) 法国高速铁路隧道 法国高速铁路隧道相对较少，其净空有效面积与各线路列车的运行速度密切 相关。大西洋线的双线隧道净空有效面积为5 5 - - - 7 1m 2 ，巴黎地区联络线双线隧 道净空有效面积仅有5 8m 2 ，而北方线、东南延伸线和地中海线的双线隧道净空 有效面积均为1 0 0m 2 ，单线隧道净空有效面积为7 0m 2 。法国大部分高速铁路隧 道采用碎石道床结构，隧道内设置避车洞，侧壁上设人行扶手杆。接触网固定件 预埋在模筑混凝土衬砌内。 ( 5 ) 其他国家高速铁路隧道 西班牙第一条高速铁路设计行车速度目标值为3 0 0 k m h ，双线隧道净空有效 面积采用7 5m 2 ；第二条高速铁路设计行车速度目标值为3 5 0 k m h ，双线隧道净 空有效面积采用1 0 0m 2 ；隧道内均采用中心排水沟。意大利高速铁路隧道衬砌内 轮廓均采用双心圆形状，轨道以上与轨面以下均为单心圆，在修建的各条高速铁 路隧道中隧道的半径有逐渐增大的趋势。荷兰高速铁路隧道由于埋深较浅，地下 水位较高，一般采用盾构法、沉管法或明挖法施工。瑞士岩质长隧道居多，一般 采用掘进机法开挖。 ( 6 ) 我国台湾地区高速铁路隧道 我国台湾台北至高雄高速铁路设计行车速度目标值3 5 0 k m h ，考虑隧道内空 气动力学效应，净空有效面积采用9 0m 2 。对于长度大于3 k m 的隧道，为防止列 车出洞时引起突爆噪声，隧道洞口采用挑檐式、斜度为4 5 。的斜切式结构，另 设置缓冲结构扩大段，其净空有效面积是正常隧道段的1 5 倍，顶部设2 处开孔， 将微气压波逐渐释放。台湾高速铁路隧道为避免影响区域水文变化，对长度达与 3 k m 的隧道，大部分设计为不排水型，并全部采用钢筋混凝土衬砌。 ( 7 ) 我国高速铁路隧道 “十一五”期间，我国计划修建客运专线9 8 0 0 k m ，目前仅武广、温福、福 厦、石太、郑西、宁温、合武等客运专线隧道就达5 2 5 座，隧道长度6 6 3k m ，占 线路长度的2 5 1 1 。根据有关规定，客运专线隧道净空面积内轨顶面以上单线隧 道要大于等于5 0 m 2 ，双线隧道要大于等于8 0 m 2 ，而开挖面积则相应增大。为了 博士后研究工作报告 克服客运专线上高速列车在隧道内运行所引起的空气动力学问题，对于客运专线 双线隧道轨面以上的净空面积为9 0 m 2 以上，开挖断面积大都在1 2 0 m 2 以上，软弱围 岩断面最大已达到1 7 0 m 2 以上。 总结世界各国高速铁路隧道，采用双线隧道断面开挖面积一般都超过1 0 0 m 2 ，跨度一般超过1 1 5 m ，与单线隧道相比较，双线客运专线隧道不仅荷载较大， 而且开挖以及施作各部分结构的时间也大大增加。加上客运专线隧道通过的不良 地质类型众多，因此在遵循隧道施工的基本准则的同时，对客运专线隧道大断面 软弱围岩施工中存在的问题应引起高度重视并加以深入研究，本文旨在对客运专 线隧道大断面软弱围岩施工中存在的问题进行探讨，并提出相应的对策，以期对 目前在建和拟建的隧道工程起到借鉴和参考作用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 超前地质预测预报现状 铁路隧道施工新规范将地质预测、预报及监控量测作为一个工序引入了施工 作业循环，这对于保证隧道施工安全又是一大进步。不良地质隧道施工中超前地 质预测预报十分重要，尤其对于地下水丰富、岩溶发育、有害气体浓度高、高地 应力、湿陷性黄土、断层破碎带多、软弱围岩隧道在施工中应给予高度重视。 超前地质预测预报应根据隧道地层、岩性、岩体结构、构造、含水情况及环 境条件等合理的选择预测预报方法，目前较常见的方法为超前钻探、地质素描、 地质雷达、地震波、直流电法、红外线探水、数码成像等方法。不同的预报方法 对同一种地质体的预报敏感度和准确度不同，实施过程中应根据具体情况，选择 经济合理的组合形式，并研究适合不同类型地质体的判译标准。从目前应用效果 来看，超前地质预测预报结果偏差较大。超前地质预测预报的判译精度需要进一 步提高，对不同的地质体，判译标准需要量化。 1 3 2 大断面软弱围岩施工技术发展 目前客运专线隧道大部分采用钻爆法施工，大断面软弱围岩的施工关键是确 保围岩稳固、控制变形、防止隧道坍塌、保护周围环境。在参考浅埋暗挖法施工 的“十八字”方针“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测”的基 4 博士后研究工作报告 础上，根据客专隧道的大断面软弱围岩隧道施工的特殊要求，应采用以下基本施 工原则：早探测、限排水、管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、 勤量测。 软弱围岩隧道如采用c r d 或双侧壁导坑法，工艺复杂，多次扰动围岩，多次 进行受力转换，导致变形增加，影响施工质量和进度。张炜( 2 0 0 8 ) 针对目前我 国客运专线隧道大断面软弱围岩施工的现状，分析了施工中存在的主要技术问 题，并提出了相应的对策，以期对目前在建和拟建的隧道工程提供参考和借鉴。 罗琼( 2 0 0 7 ) 结合合武三标隧道的施工实践，总结了客运专线隧道工程的特点、 施工应遵循的原则和基本施工方法。从国内外的经验看，大断面隧道，即使在软 弱围岩条件下，也要尽可能地采用大断面的开挖方法，如全断面法、台阶法或者 c d 法，不宜再采用类似临时支护比较复杂的施工方法。因为大断面开挖会减少 工序，简化工艺，特别是对围岩的扰动次数大为减少，有利于掌子面及围岩变形 与稳定控制。 1 3 3 隧道监测与位移反分析技术的发展 隧道位移反分析是利用隧道开挖与支护过程中测得的围岩位移，反求围岩初 始地应力参数和岩体的力学特性参数的方法。由于位移反分析中输入的围岩变形 值是围岩一支护系统在开挖影响的空间域和时间域中力学变化最直接、最明 显、综合性的宏观体现，因此，位移反分析所得的参数综合反映了岩体复杂性、 施工方法以及隧道工程结构( 洞室埋深、尺寸、形状和支护参数等) 的影响。它 提供了用较为简单的模型，模拟复杂岩体力学行为的可能性，从而成为隧道工程 设计施工中将理论分析与工程实际相联系的桥梁。 目前，位移反分析主要有以下两个发展方向：一是着眼于提高，主要从事逆 问题的信息理论、非线性反演计算、考虑时空效应的流变反分析以及基于材料损 伤特性的反分析研究等；另一则着眼于推广应用，主要采用简化的计算模型，解 决工程应用中面临的实际问题。黄宏伟( 1 9 9 5 ) 考虑了岩土工程中量测位移及介 质力学模型的随机不确定性。基于随机有限元和特征函数法分析，提出了反演岩 土体初始地应力场、介质力学特性参数的均值及多阶矩的随机逆反分析方法。刘 庆仁( 2 0 0 2 ) 结合八达岭高速公路潭峪沟隧道，选取有代表性的断面进行钢格栅 钢筋应力、初期支护混凝土应力的监测，得出了各类围岩支护内力的变化规律、 博士后研究工作报告 稳定时间，并据此进行计算反分析，得出围岩的物理力学参数，并将监测及反分 析结果及时反馈给设计与施工，提出了大跨度大断面隧道的锚喷支护参数。蒋树 屏、赵阳( 2 0 0 3 ) 介绍了在复杂地质条件下按新奥法施工的高速公路隧道的监控 量测内容和方法，并采用扩张卡尔曼滤波有限元法对量测数据进行了反演分析， 得到了围岩内部剪应变和塑性区的历时变化估计。郝哲、王晓初等( 2 0 0 4 ) 进一 步完善了以往的时间序列分析方法，给出了相应的基本原理和建模分析步骤，提 出了信息加权的方法，给出了权重的量化标准，提高了建模和预测的精度，并编 制开发了时序分析程序。位移反分析目前主要采用有限元或边界元等数值计算方 法来进行，需要使用者具有较强的岩石力学知识、数值模拟方法的技能、计算机 应用水平及综合分析问题的能力，所以基层施工单位的工程技术人员一般较难掌 握。要使现场量测的围岩位移能最大限度地发挥作用，为施工中的隧道工程进行 支护参数和施工方案的反馈修正提供依据，保证隧道工程施工安全、经济合理， 很有必要开发针对隧道工程特点，并能在基层单位得到普及应用的智能型位移反 分析计算系统软件。 1 3 4 信息化施工与可视化监测技术的发展 隧道工程的建造程序不同于一般地面建筑工程，岩土工程的地质条件复杂多 变，要在工程设计阶段准确无误地预测岩体的基本情况及其在施工过程中的变化 是不可能的。在隧道工程的实施过程中，只能是“理论导向、监测定量、经验判 断 。以力学计算、施工监测、经验方法相结合为特点，建立隧道工程特有的设 计施工程序。公路隧道建设可分为调查、设计、监测和施工四个环节，从勘察设 计到施工各个环节允许有交叉、反复。在初步地质调查的基础上，根据经验方法， 通过力学计算进行预设计，初步选定支护参数，然后还必须在施工过程中根据监 控量测所获得的关于围岩稳定和支护系统工作状态的信息，对施工过程和支护参 数进行调整，实现信息化施工。过去的工程实例已充分证明这种修改和调整是必 要的，只按原设计进行施工的教条式作法将给工程带来巨大的浪费，甚至造成严 重事故。信息化施工的核心包括采集信息的快速反馈，隧道施工变形的智能预测 与控制技术。 现场监控量测由于量测工作量大、数据多，容易产生混乱，同时要满足快速 反馈信息、了解变化趋势的要求，研究开发数据管理系统很有必要。李志刚，丁 6 博士后研究工作报告 文其等( 2 0 0 4 ) 在同济曙光图形平台的基础上，开发完成了隧道工程监测数据库 管理系统，并将该系统应用于工程实际。谢雄耀、黄宏伟等( 2 0 0 4 ) 结合隧道实 测数据，建立了隧道监测报警程序，将大量的量测数据输入数据库存储，自动生 成应力与变形随时间、空间的变化曲线，生成锚杆轴力、围岩内部位移随时间空 间的变化曲线和某一时刻沿围岩内部锚杆轴力和位移的分布。当监测数据输入该 程序后，如果计算结果已达到预设的报警值，该程序将立刻显示报警信息，提醒 监测人员迅速报警。但国内外还没有实现数据的实时跟踪及交互处理功能。要实 现这一功能涉及到计算机动态可视化技术，孙钧( 2 0 0 2 ) 曾尝试将这一技术引进 到上海盾构施工中，研究的目的是通过计算机图形图像和可视化技术，在计算机 屏幕上动态、连续、逼真地以三维可视的方式建立并提供地下工程施工全过程中 每一步段的数据分析与监测系统，发现实际施工中存在的问题或可能出现的问 题。即通过可视化前进分析计算、可视化跟踪分析、施工预报和可视化监控来完 成整个施工过程的动态管理。然而在公路隧道中迄今为止尚未发现相关研究报 道。 此外，基于李世辉( 1 9 9 9 ) 提出了工程典型类比法思想，利用神经网络进行 位移反分析。目前，在岩土工程数值模拟中对喷层、锚杆、仰拱的力学机制的了 解尚不完全，用传统的位移反分析方法时，锚杆、仰拱对围岩位移的影响不易考 虑，但是，用神经网络进行位移反分析时不需要考虑其力学机制，只要有准确的、 符合实际的学习样本即可。另外，神经网络可以连续进行学习，随着隧道工程实 践的进步，可以在原来的基础上增加新的学习样本，从而使位移反分析的范围得 到扩大。有经验的工程技术人员可以完全不借助数学、力学的理论方法，凭借自 身对施工变形问题的全面认识，通过对隧道支护参数的调节与修正来达到有效的 变形控制的目的。这是实际工程中人工控制的过程。显然，人的思维与经验在每 一步隧道开挖中起到重要作用，这也是施工变形人工控制方法的核心所在。在一 定程度上研究人员的思维与经验能够成为解决变形问题的一条可靠途径。 因此，关于客运专线隧道的施工虽然有许多成功的例子，但到目前为止，围 绕软岩地区浅埋隧道的可视化反馈施工技术的等方面还未得到系统地研究。结合 以往关于岩土工程反分析及隧道监测报警程序上的研究成果，服务于在建的长吉 城际铁路隧道工程，本课题重点研究实现软岩大断面隧道快速监测技术以及建立 博士后研究工作报告 即时反馈系统，这将极大地促进动态反馈技术在同类工程中豹应用。 1 4 本项目所做的工作 项雹研究以选定的城际铁路隧道为对象，匿绕大断面隧道整王工艺，采取 现场调查、理论分析、软件开发、监控量测等手段进行研究，建立适用予大断 面隧道施工的动态可视化监控技术，主要目标是通过监测系统获取施工时的各 种应力与变形，实现量测数据的三维可视化，智能预测下一阶段的位移与变形， 并对施工的安全性进行评价，建立应急的决策机制，以实现信息化施工，确保 隧道施工的安全移隧道结构的稳定。本文所做的工作主要包括： ( 王) 结合长吉城际铁路隧道的施工建设，分橱了隧道建设中常遇见的问题 的成因及鳃决的关键技术，提出隧道施工工法的适应性。 ( 2 ) 总结了复杂地层隧道综合超前预报方法，研究了t s p 方法的现场应用 情况，采用现场数据的统计分析方法，建立t s p 波速和岩体完整性系数等参数 的经验公式，t s p 波速和岩体类舅| j 的经验关系。 ( 3 ) 针对铁路隧道旄互规范中没有给出隧道浅埋段报警值，本章提遗基于 模糊聚类分析的模式识别预测方法，系统地论述了铁路隧道浅埋段开挖时围岩 稳定性的评估方法和隧道位移速率预警值的确定方法。 ( 4 ) 以长吉城际铁路中的在建隧道为工程背景，提出了基于神经网络动态 反馈预测方法、时间序歹i j 预测和动态方程预测方法三种预测方法，可以实现对 开挖时间在3 天以内的隧道变形预测。 ( 5 ) 本项毯利越开发的可视佬监控技术，对隧道的受力和变形进行动态反 馈预测，对隧道的安全进行料评价，并进而对隧道的施工进行了指导，修改施 工参数，合理安排施工工序，实现真正的信息化施工，从而大大降低隧道施工 中的风险，保证隧道的施工安全。 博士后研究工作报告 第2 章隧道超前预报技术 目前地质预报方法有地质法、超前导坑法、超前钻孔法、地震波探测法、地 质雷达探测法等，方法很多。纵观国内外隧道超前地质预报技术方法的发展，基 本上经历了下列发展阶段：地质法阶段、超前平行导洞( 隧道) 法阶段、超前水 平钻孔阶段、超前钻孔声波法及跨孔声波透射法阶段、波反射法阶段，多种方法 综合预报阶段。隧道超前地质超前预报无论是预报方法还是技术手段( 设备及分 析处理软件) 都有了一定的发展，但在预报内容上基本上仍然处于对界面( 断层 及断层破碎带、软弱夹层、不同岩层分界面、岩溶洞穴等) 位置的预报。对隧道 施工掌子面前方地层的性质( 如软硬程度、富水程度等) 的预报尚处在摸索研究 的阶段。因此，研究长大隧道超前岩体性质及物理力学参数综合预测，具有深远 而重要的意义，是一项既有理论上的价值又有实际应用前景的工作。 长吉城际铁路盘道岭隧道在近口段的隧道断面位于上软下硬的复合地层，考 虑到t s p 难以对复合地层进行很好的超前预报，本项目选用高密度电法与t s p 法相结合的综合预报方法。针对本项目浅埋段较长，埋置深度浅( 约2 0 - 3 0 m ) 、 地表水及地下水丰富、上软下硬复合地层特点，选用适应性较强的高密度电法进 行超前预报，探测隧道轴线沿线隧道开挖标高范围内地质状况，包括断层、裂隙 带以及富含水岩体等。对于深埋段的软弱破碎带、断层等采用t s p 法进行超前预 报，探测1 5 0 m 范围内的掌子面前方及左右两侧的地质断层与大的节理。地质超 前预报流程如图2 1 所示。 9 博士后研究工作报告 基础资料收集 隧 道 设 计 资 料 隧 道 勘 察 资 地表地质调查f 掌子面地质情况 高密li 隧 骺 工 程 地 质 情 况 水 文 地 质 情 况 喜pil 萋0 蓁5 f 蓁lf耋i1 蓁蓁 l 蓁蓁ii鋈 1 ) 工程地质条件 岩性及其软硬程度 节理( 裂隙) 断层 破碎带 溶洞 暗河 围岩类别 2 ) 水文地质条件 含水 跟踪对比及信息反馈 预报的准确性 预报误差原因分析 经验总结 改进措施 图2 1 盘道岭隧道超前地质预报流程 2 1 掌子面地质编录法 掌子面地质编录是验证、校核和修订各设计阶段的地质勘察资料的重要环 节，并为工程施工和竣工后长期运行提供必要的地质资料。地质编录就是对开挖 揭露出来的地质现象做详细的编录，对不良的地质作用进行及时预测和预报。 掌子面地质编录必须是在洞身开挖期间边开挖边进行。主要描述内容有： ( 1 ) 断层破碎带：断层破碎带的产状与洞轴线的关系：洞身穿过断层破碎带 和拱顶及边墙的稳定状况，破碎带的坍拱高度及坍落发展情况：断层破碎带及其 软弱结构面的产状、组合关系：邻近掌子面的破碎带延伸情况。 1 0 删一广l旧憎憎吼懈例黻己刮 区域地质资料tl土隧道地质背景资料 博士后研究工作报告 ( 2 ) 节理裂隙：对拱项及边墙稳定不利的节理裂隙产状、充填物质、延伸及 节理面起伏情况：节理裂隙的张开程度及其发展变化情况：各组节理裂隙组合及 围岩松动状况。 ( 3 ) 水文地质：围岩透水性：地下水出溢点的位置、岩性、构造、岩体破碎 状况，地下水出露形式( 潮湿、渗水、滴水、脉状涌水、大量涌水) 、流量，流 量变化与降水及地表水的关系：地表溢出水与地表水的水力联系：水质、水温、水 压及地下水活动对围岩稳定的影响。 ( 4 ) 岩溶：岩溶洞穴的形态和连通情况及对围岩稳定和渗漏的影响：岩溶地 下水的活动情况：岩溶堆积物的性质及其稳定状况。 ( 5 ) 其他：岩爆发生地段的地质条件、地形、岩爆次数、规模、形态、延续 时间及其危害程度等：爆破对围岩的影响，坍落掉块的位置、范围和数量：围岩内 鼓、弯折等变形情况。通过对以上内容的编录描述，在地质素描图上做出主要地 质现象的实际位置，包括岩层分界线，软弱夹层、断层、破碎带、坍方、变形， 主要节理裂隙、岩脉、岩溶及地下水出溢点等：围岩的风化分带：围岩实际开挖断 面，超挖和欠挖情况：节理裂隙统计点、取样点、摄影点、现场试验点、勘探孔 洞等：爆破松动带和爆破裂隙。 地质编录的最终目的是要通过对已开挖隧道地质情况的分析，对隧道开挖后 的实际围岩稳定情况做出合适的判断，并对前方地质情况做出科学的预报。如根 据断层、破碎带、节理的产状，围岩出水点的位置及出水压力来分析前方地质构 造及水文地质情况，并预先采取合理的技术措施。 地质编录的优点是不占用施工时间，设备简单，不干扰施工，出结果快，预 报的效果好，而且为整个隧道提供了完整的地质资料；缺点是对与隧道夹角较大 而又向前倾的结构面容易产生漏报。 2 2 高密度电阻率法 高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法、野外测量时只需将全部电极 ( 几十至上百根) 置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可 实现数据的快速和自动采集。 博士后研究工作报告 2 2 1 数据采集方法 沿隧道轴线走向，在地表面布设一条高密度电阻率探测测线( 如图2 2 所 示) 。在不同的区间选用不同的电极距，比如当隧道覆盖层厚度较小时电极距为 5 m ，而当隧道覆盖层厚度较大时电极距设为1 0 1 n 。采用6 0 或1 2 0 个电极，完成 包括温纳四极、偶极及微分装置等多种电极排列的测量。 图2 2 高密度电阻率法探测示意图 在隧道施工之前，完成高密度电阻率探测工作，通过资料处理及解释，可以 获得沿隧道轴线方向开挖标高范围内的地质情况，查明隧道掘进线路是否存在断 层、裂隙带、或富含水岩体等地质隐患及空间分布。另外，根据高密度电阻率探 测成像结果，可以选择性的布置t s p 探测方法，比如当解释人员判定某区域不确 定的异常带时，再利用t s p 方法进行隧道内部的超前探测，以及超前地质钻孔方 法，查清掌子面前方的地质条件，降低隧道掘进中的风险。 2 2 2 盘道岭隧道进口段及出口段探测结果及解释 ( 1 ) 进口端i d k 4 9 + 1 2 3 - - 一i d k 4 9 + 4 4 4 里程段 通过对隧道进口端现场采集的数据进行反演计算，获得了地下岩土介质的电 阻率分布特征，如图2 3 a 所示。 由图2 3 a 分析可见，测线覆盖范围内地下岩土介质电性特征表现为两层结 构( 层间分界线在图中用黑粗线表示) ，表层为一厚度较稳定、总体趋势沿地形 分布的低阻层，参考地质资料推断为坡积、残坡积层：深部为高阻特征显示，横 向分布均匀，推断为结构完整的地层反映；在i d k 4 9 + 3 9 0 i d k 4 9 + 4 2 0 里程段发 现低阻异常，推断为裂隙发育带；隧道埋深部位为电阻率变化梯度带部位，推测 该段隧道处于强风化至弱风化的变化带内。因此，通过对高密度电法探测资料的 博士后研究工作报告 处理解释及分析，可知： 1 ) i d k 4 9 + 1 2 3 ，一- - i d k 4 9 + 4 4 4 里程段，由地表到隧道开挖底标高范围内，由上 到下可分为两层结构，表层为第四系松散土体为花岗岩风化残积砂质粘性土，局 部为砾质粘性土，含砂量大，厚度l o - 1 5 m ；下伏为由强风化逐步过渡到弱风化 的花岗质安山岩，受地表水影响。 2 ) 沿隧道轴线开挖方向，隧道位置处的岩土介质电阻率变化呈梯度变化， 推测i d k 4 9 + 1 2 3 i d k 4 9 + 4 4 4 里程段，岩土体处于强风化至弱风化的变化带内， 施工时需密切注意地下水的影响；在i d k 4 9 + 3 9 0 i d k 4 9 + 4 2 0 里程段推断为裂隙 发育带，在此里程区间的开挖施工应予以足够的重视。 ( 2 ) 出口端i d k 5 0 + 0 7 5 - - 一i d k 5 0 + + 3 9 0 里程段 由图2 3 b 分析可见，测线覆盖范围内地下岩土介质总体电性层为两层结构 ( 层间分界线在图中用黑粗线表示) ，表层总体呈低阻反映，局部夹高阻团块， 推测表层为全、强风化层的反映，高阻团块为风化差异的反映：下部为高阻显示， 电性分布均匀，推测深部岩体结构完整；在i d k 5 0 + 2 2 0 i d k 5 0 + 2 5 0 里程段呈相 对低阻显示，推测该部位为裂隙发育带；在i d k 5 0 + 1 l o i d k 5 0 + 1 3 0 里程段发现 低阻条带异常，推测该部位为裂隙发育带。因此，通过对高密度电法探测资 料的处理解释及分析，可知： 1 ) i d k 5 0 + 3 9 0 - - - i d k s o + 0 7 5 里程段，由地表到隧道开挖底标高范围内，由上 到下可分为两层结构，表层全、强风化花岗岩，其间夹有不同风化程度的花岗岩； 下伏为由强风化逐步过渡到弱风化的花岗质安山岩；地下水不明显。 2 ) 沿隧道开挖方向，在隧道轴线位置处岩土介质的电阻率差异明显，基本 可分为三个区段： 区段一：i d k 5 0 + 3 9 0 i d k 5 0 + 2 2 0 ，此区间对应为全风化花岗岩层，呈砂砾状， 地下水不发育；其中在i d k 5 0 + 2 5 0 i d k 5 0 + 2 2 0 里程段，推测该部位为裂隙发育 带，在此里程区间的开挖施工应予以足够的重视。 区段- - - i d k 5 0 + 2 2 0 i d k 5 0 + 1 3 0 ，此区间对应为中风化到微风化的花岗岩， 地下水不发育。 博士后研究工作报告 区段三：i d k 5 0 + 1 3 0 i d k 5 0 + 1 0 0 ，推测该部位为花岗岩裂隙发育带，在此里 程区间的开挖施工应予以足够的重视。 1 4 疆陋幕嚣蠢瘿粤拦鞭栏越碑嘲荨王釜昌0霜h支釜自_舞链鲁霸蕾藿暮枢半嚣h宣 融茬聒鞋萆蔷雠静掌瞄噼叫甘可可+协可yo丁竹nr+西p_zo一尊口燃格璀窖并杠蕾蟮粗举 嚏吐 i 直讧匝| | 搏 砸怛幕璜霹蝉廿趟龆恒鄙稚硎。离占mx自_0m窖占翌自h舞镤重磊蓉避薜讯半oh匿 旧罩联露拦世世忙框赶掣酬ooc+ony凸卜_怕鲁tooy凸一释羽覃f毽窖尊f锥哿描扭半 博士后研究工作报告 2 3t s p 方法地质预报技术 t s p 超前预报方法( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o na h e a d ) ，即隧道地震波预 测，是由瑞士a m b e r g 测量技术公司开发的用于隧道超前预报的先进设备，是一 种隧道内反射地震波探测的方法，是当前国内外最先进的隧道隧洞长期超前地质 预报设备之一。该方法在欧洲、亚洲有广泛有着应用，我国也先后引进了该公司 的t s p 2 0 2 、t s p 2 0 3 超前预报系统，也进行了广泛的应用。 t s p 的预报结果包括两部分：一是掌子面前方不良地层空间位置和规模的预 报：二是掌子面前方地层物理力学参数的预报。因此，t s p 是一种全面的预报方 法。它的重点是断层带、软弱地层的位置的预报，预报准确率较高。虽然它也能 进行地层物理力学参数方面的预测，但是预报的结果较差。 2 3 1t s p 的基本原理 t s p 超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特征 来预报隧道掌子面前方及周围临近区域的地质状况。它是在掌子面后方隧道边墙 上一定范围内布置一排爆破点，沿隧道轴方向布置，依此进行微弱爆破。爆破产 生的地震波在隧道围岩内传播，当岩石强度发生变化，比如地层界面、节理面， 特别是断层破碎带、溶洞、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面，将产生明显的 反射波。地震波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与界面的性质以 及产状密切相关。由预先设置在掌子面后方隧道壁内的接收器接收，将数据经微 机处理后储存起来。通过专用数据软件处理，分析反射回来的反射波所展现的波 形、相位、频率及时间等特性，可获得地震波传播过程所遇到地层的地质特性以 及不连续面位置，并推算出隧道工作面前方不同岩层的性质和空间产状及位置。 ( 如图2 4 所示) t s p 超前地质预报系统具有探测距离远，通常在2 0 0 m ，最大可达1 0 0 0 m ；分 辨率高，最高分辨率为1 m 地质体；探测时间短，在2 小时左右；适应所有岩性 ( 从软岩到硬岩) ；适用在t b m 和常规旅工方法；由于预报实施是在掌子面后方 * 月究i 作m 自 进行的，所咀对施工影响小；资料处理快捷，便于迅速反馈到现场等优点；在恶 劣的施工环境中也可以采用 尤其值得一提的是它采用三维地震波传感器，在掌 子面前方岩层的空间解释是较强的可以预测断层带和含水层的空间位置。 重24t s p j 虫的基车原理示意圈 隧道内实际的地质状况相当复杂，t s p 预颡4 法采取了一些简化的假设，以便 于数据的处理与解析。这些假设在实际隧道的应用，自然有其不可避免的缺点和 限制，具体如下： ( 1 ) 均假设传播介质为均质，事实上在隧道围岩不是均质的，其中可能包 括不同的岩石、地质构造带、破碎区与软弱带。此时波的传播将一直有折射和反 射并咀不同的速度前进，所以会有地震波的传播路径并非直线的问题。 ( 2 ) 掌子面前方地质的地震波波速只能闯接假设，地震波在岩层中行进的 速度无法得知，只能由直达波的初至时间来推求直达波行经掌子面之前的波速。 也就是只能得到接受器与震源附近的波速至于地震波到达掌子面前方时的波速 是多少及速度如何变化，并无法确切得知。 2 3 2 数据采集 洞内数据采集包括打接收器孔和爆破孔、埋置接收器管、连接接收信号仪器、 爆破、接收信号等过程。 t s p 预报系统的接收器孔和爆破孔是布设在掌子面后方的边墙上，一般情况 1 l 博士后研究工作报告 下，它是由1 个接收器孔和2 4 个爆破孔组成。接收器距掌子面约5 5 m ，最后一 个爆破孔距掌子面约0 5 m 。爆破孔间距1 5 m ，孔深1 5 m ，孔径1 9 - - 4 5 m m ，孔口 距隧底约1 0m ，向掌子面方向倾斜约1 0 。，向下倾斜1 0 。2 0 。；接收器孔 深2 4 m ，孔径3 2 - - 4 5 m m ，孔口距隧底1 0 m ，向洞口方向倾斜约l o 。，向下倾斜 1 0 。 - - - 2 0 。若地质情况特别复杂，有时需要在隧道另一边墙上也布置一个接收 器和2 4 个爆破孔，通过左右边墙所测资料的对比分析，得出较为准确的判断结 果。 为使接收器能与周围岩体很好地耦合以保证采集信号的质量，采集信号前应 将一个保护接收器的接收器套管插入孔内，并用两种特殊成分的不收缩水泥砂浆 使其与周围岩体很好地粘结在一起。每个爆破孔装药量l o - - 一4 0 9 ，根据围岩软硬 和完整破碎程度以及距接收器位置的远近而不同。 等到仪器都连接好后，开始点火、放炮，从离掌子面最近的炮眼依次开始， 并记录下探测数据。 2 3 3 数据处理 采集到的数据通过专门的处理软件( t s p w i n ) 进行分析处理，共有三个步 骤：波场处理( w f p ) 、预报计算、预报输出。其中波场处理p 0 一p 7 分八步送行， 预报计算采用绕射重叠法和影像点法进行。详细流程如图2 5 所示。 博士后研究工作报告 2 3 4 解释原则 图2 5t s p 数据处理流程 t s p 探测资料的解释遵循以下原则： 博士后研究工作报告 ( 1 ) 正反射振幅表明由软岩层进入硬岩层，负反射振幅表明由硬岩层进入 软岩层。深度偏移剖面中，蓝色表示负反射，红色表示正反射，反射平静区为无 反射。 ( 2 ) 若s 波反射较p 波强，则表明岩层饱含水。 ( 3 ) v p v s 增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在引起。 ( 4 ) 若v p 下降，则表明裂隙或孔隙度增加。 根据异常的形态、特征及地震波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推 断解释。一般来说反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异就越大，根据掌子 面的地质情况就可对掌子面里面的地质情况做出推断；另外，地震波衰减对地质 情况判断也极为重要，因为完整岩石对地震波的吸收相对较小，衰减较慢，当围 岩较破碎或含水量较大时对地震波的吸收较强，衰减较快。解释过程中地震波的 传播速度主要根据岩石类型进行确定，在有已知地质断面的洞段则以现场标定的 速度为准。 2 3 5 预报结果 ( 1 ) 形成反应相关界面或地质体反射能量的影像点图和隧道平面、剖面图。 ( 2 ) 反射层空间位置图。 ( 3 ) 岩体纵波和横波速度变化图。 ( 4 ) 岩体物理、力学参数变化曲线。 ( 5 ) 围岩级别、软硬、节理发育程度、富水程度的预报。 2 4t s p 波速判定隧道围岩级别 2 4 1t s p 地震波波速的获取 在波场处理的p 3 阶段，找出直达波到达的时间，根据该时间及爆破点和接 收器之间的距离可以计算岩体弹性波速度，即纵波速度v p ， v p = x l t l 式中：x 1 一爆破孔与传感器的距离m ： 博士后研究工作报告 t 1 一直达纵波的传播时间愚 在尸9 阶段建立速度模型，求出岩体的纵波速度和横波速度。地震波速度分 析包括4 步：( 1 ) 建立速度模型；( 2 ) 通过这个模型计算波的旅行时；( 3 ) 对地 震数据进行偏移处理，处理成常规的距离集合；( 4 ) 从偏移处理结果中导出新的 速度模型这4 步循环执行。最初的模型假定直达波的速度为常量。t s p 通过更新 速度模型获得更一致的偏移结果。如果所求速度接近岩石的真实速度，反射层就 会出现在同一个位置上。 2 4 2t s p 波速修正 在运用t s p 波速确定岩石类别时，不能直接根据规范来预测。应进行现场 统计，建立t s p 波速与岩石类别的关系，再与规范中波速围岩类别的关系进行 比较，从而建立起t s p 波速和规范中的波速的关系，实现对t s p 波速的修正。 不同的规范中，波速一围岩类别关系有所不同。本文主要考虑铁路隧道设计规范 和国标工程岩体分级标准两种标准。 ( 1 ) 国标工程岩体分级标准 根据工程岩体分级标准，弹性波波速与围岩类别、围岩基本质量关系如 表2 - 1 所示。 表2 - 1 国标弹性波速度的隧道围岩分级 弹性波波速分级吻 5 54 争- 5 53 5 4 52 5 3 5 5 5 04 5 0 一5 5 03 5 0 - 4 5 02 5 0 - 3 5 0 1 1 0 9 4 6 ( 2 - 3 ) 由此，根据t b p 所测地震波纵波速度v 叫可以求出围岩的弹性波波速v p ， 然后根据表2 - 1 判断岩体类别。 ( 2 ) 铁路隧道规范 在客运专线铁路隧道工程施工技术指南中，波速和隧道围岩类别的关系 如表2 - 2 所示。并根据公式( 23 ) 匣算t s p 纵波速度，所得结果如表2 - 2 。 表2 - 2 弹性波速度- 醇岩分黄 围岩类别 | | ll v 弹性波波速 v d k m i s ) 15 咆和土) t s p 纵渡渡 电2 2 ： 5 3 046 6 - & 3 0a 9 0 - 4 9 92 钔4 3 0 速v _ ( k r d s ) ( 2 9 1 ( 饱和七1 2 5 现场综合地质预报 从2 0 0 8 年8 月，在长吉铁路盘道岭隧道采用t s p 2 0 3 系统进行了2 次探测， 分别为盘道蛉隧道进口段1 d k 4 9 + 2 0 0 i d k 4 9 + 3 5 0 和盘道岭隧道出口段 i d 9 5 0 + 1 5 0 i d k 5 0 + 3 0 0 ，共计3 0 0 米。根据对t s p 探测瓷料的解释，每次可得到 掌子面前方1 5 0 m 左右的范围内围岩的地质状况，并根据t s p 及电法的结果综合 进行已探测隧道的围岩分级。 在隧道上台阶一侧边墙上布置1 2 个炮眼，依次激发1 2 炮。探测的结果如下： * 后研e i 作m 霄2b 蠢避崎雠连n 霞如蜘2 皿k 曲3 5 0 摄度僖绷面( 上一p 眭，下一s 眭) n 确川精柏书蚋聃蚋h ，1 柏一n ：罱l 柏舯一舶竹m 舟舟御 稠28 盘道崎隧道出口& i d 珏叶l 翮皿陆o + 3 潍度掘移剖面( p 渡) 寰袭2 3 盘道峙麓道综合地赝预报螭果弹性键遗崖匿岩分类 里程 t 铲纵波速度v 设计围岩级蹦 综合t 铲及电j 当预报 “k r 蝴 国岩级别 i 雎曲+ 2 0 0 i 瞎1 9 + 2 7 0a 1 i m 4 * 口+ 3 v v ( 有求) i d i l e 0 + 1 5 0 i i w 5 0 + 2 0 0 o ”o i m m2 8 i d 龉o + 2 帅i 磷5 0 + 3 0 0a 8 2 6 小结 因为各种预报手段从不同的方面反应了岩体的物理、力学或化学特征，丽且 又都有一定的局限性和多解性。只有通过综台分析才能提高超前预报的可靠性和 准确率。考虑到长吉城际铁路盘道岭隧道的特点，本章阐述采用综合预报豹方法 实现对隧道超前岩层的地质情况的准确预撮，在隧道开挖之前，先选用高密度电 博士后研究工作报告 阻率法对隧道开挖轴线范围内的围岩地质结构进行探测，圈定地质隐患区域。统 计每次掌子面风钻钻进速率，对于围岩变化处或危险处采用水平钻孔取芯进行预 报。每l o m 对掌子面的岩性、岩层产状、结构面进行观测和编录。对于重点地段， 采用t s p 系统进行超前探测。主要有以下几点结论： ( 1 ) 在利用t s p 系统进行地质预报时，应与已知的隧道地质情况紧密结