（地质工程专业论文）隧道施工超前地质预测预报综合技术方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 隧道工程也是地质工程，探明掌子面前方的地质情况已成为隧道施工安全 的重要控制性因素之一，因此超前地质预测预报工作也成为隧道施工工序的重 要组成部分。本文以合( 肥) 武( 汉) 铁路客运专线红石岩隧道的超前地质预 报工作为研究实例，主要围绕下面几个方面展开工作。 本文介绍了现有常用超前地质预报技术手段的工作原理及其优缺点，给出 了以地质分析法为主的超前地质预报技术在地质条件与地质成灾方面的主要工 作内容。结合红石岩隧道工程实例探讨了以t s p 一地质分析一钻探相结合的综合 预报方法的实际运用效果，预报结果与实际掌子面开挖情况基本吻合。 瓦斯( 天然气) 地质条件及其成灾可能性是超前地质预报工作的重要内容 之一，红石岩等多座片麻岩区隧道出现炮后掌子面燃烧的现象，揭示了一种有 别于煤系地层瓦斯的特殊工程地质条件。本文从隧道相邻区域矿产分布，掌子 面碴堆气体成分，连续瓦斯检测等分析入手，初步解释了瓦斯气体来源、成因 和赋存状况，提出了一套有效的瓦斯地质灾害预防措施。从目前的预防情况来 看，达到了较好的预期目标。 隧道围岩开挖后变形不仅受施工方法的控制，更是围岩地质条件各因素的 综合反映，本文通过对d k l 8 8 + 5 6 0 段监控量测资料进行非线性回归来判断围岩 稳定，采用通过有限差分法f l a c 5 0 软件获取岩体特征参数，并进行数值模拟计 算相同嗣岩级别，相同地质条件段的围岩变形，通过围岩动态变形数据为地质 灾害的预报服务，取得了一些有益的成果。 关键词：隧道综合超前地质预报，片麻岩，掌子面燃烧，位移反分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t u n n e lp r o j e c ti sg e o l o g i c a le n g i n e e r i n g w h i c hp r o v e d 叩g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i nf r o n to ft u n n e lf a c eh a sb e c o m eo n eo ft h em a j o rd o m i n a t i n gf a c t o r si nt h et u n n e l c o n s t r u c t i o ns a f e t y t h e r e f o r et h ew o r ko fg e o l o 百c a lp r e d i c t i o nh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tp a r to ft u n n e lc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h eg e o l o g yp r e d i c t i o no f h o n g s h i y a nt u n n e li nh e f e i - w n c h a n gr a i l w a y t h ep a p e rd e p l o y e dw o r k sa r o u n d t h es e v e r a la s p e c t s t h i sp a p e ri n 仕o d a c e st h ee x i s t i n gg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n i c a lm o 嘣n su s e do f w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，g i v e st h em a i n c o n t e n to f g e o l o g i c a a n a l y s i sb a s e dg 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 yo ng e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n dg e o l o g i c a ld i s a s t e ra s p e c t s b a s e do nt h ee x a m p l eo fh o n g s h i y a nt u n n e l ， e x p l o r e t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t so ft h ec o m b i n a t i o no ft h ep r e d i c t i o nm e t h o d b a s e do nt s p g e o l o g i c a la n a l y s i s - d r i l l i n g t h e r ei sb a s i sc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n t h ep r e d i c t e dr e s u l t sa n dt h ea c h l a t u n n e lf a c ec o n d i t i o n s g a sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h ep o s s i b i l i t yo fg a sd i s a s t e ri so n eo ft h em a j o r t a s k so fg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n c o m b u s t i o no fr o c kp i l e so c c u r si nm a n yt u n n e l s i n c l u d i n gh o n g s h i y a nt u n n e la f t e re x p l o s i o no ft u n n e lf a c e r e v e a l sas p e c i a l g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fg a sw h i c hd i f f e r e n t sf r o mt h ec o a ls l r a t a t h i sp a p e r a n a l y s e dt h eg a sf r o mt h et u n n e la d j a c e n tr e g i o n a ld i s t r i b u t i o no f m i n e r a lr e s o u r c e s a n dg a sc o m p o s i t i o ni nt h et u n n e lf a c ea n dc o n t i n u o u sg a sd e t e c t i o n a n di n i t i a l e x p l a i n e dt h eg a ss o u r c e s ，c a u s e sa n ds t o r a g ec o n d i t i o n s ，p u tf o r w a r das e to f e f f e c t i v eg a sg e o l o g i c a ld i s a s t e rp r e v e n t i o nm e a s u r e s p r e v e n t i o nr e s u l t sh a s r e a c h e dab e t t e rt a r g e t r o c kd e f o r m a t i o no ft u n n e le x c a v a t i o ni si m p a c t e db yn o to n l yt h ec o n s t r u c t i o n m e t h o d sb u ta l s ot h ec o m b i n a t i o no ff a c t o r so ft h er o c kg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i n o r d e rt oj u d g i n gt h er o c ks t a b i l i t y , t h i sp a p e r g a v ed k l 8 8 + 5 6 0n o n l i n e a rr e g r e s s i o n a n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t a u s e da f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o do fh a c 5 0s o f t w a r et o o b t a i nr o c kp a r m n e t e r s a n du s e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa t t a i nt h er o c k d e f o r m a t i o no ft h es a m er o c k sl e v e la n dt h e 懿l m eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h r o u g h u s i n gd y n a m i cr o c kd e f o r m a t i o nd a t at op r e d i c tg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，i th a sg a i n e d s o m eu s e f u lr e s u l t s k e y w o r d s ：t u n n e lc o n s t r u c t i o ni n t e g r a t i v eg e o l o g yp r e d i c t i o n ，g n e i s s ， c o m b u s t i o ni nt u n n e lh e a d i n g ，d i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 近年来，世界各国长大隧道的不断建成和拟建，无疑为世界隧道的大发展 掀起了一股新的高潮。例如，长度分别为5 3 8 5 1 m 和5 0 5 0 1 m 的日本青函海底 隧道及英一法海底隧道已在上世纪末建成通车；再次横穿阿尔卑斯山的长达 3 6 1 m 和5 7 1 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 1 m 的直布罗陀海底隧 道以及从日本福冈，通过对马海峡到韩国釜山的长达2 5 0 1 m 的日韩海底隧道。 我国隧道工程也达到了一个前所未有的新高度，已完成的穿越秦岭山脉的 特长隧道长度达1 8 4 l h ，乌鞘岭隧道则长度达2 0 1 m ，在建的石太客运专线铁路 特长隧道太行山隧道2 7 8 3 9i m ，是现阶段国内施工的最长隧道；秦岭终南山特 长公路隧道全长1 8 0 2 0i m ，双向分离式四车道，是一座世界级的超长隧道，也 是我国乃至亚洲最长的公路隧道；湖北清江隔河岩水电站导流洞，断面尺寸为 2 2 米x 2 0 5 米，亚太地区最大断面导流洞；半横向通风铸自动化程度最高的深 圳梧桐山隧道、板樟山隧道等一批城市公路隧道；有广州白云山双向六车道、 大跨度、扁平率为0 6 左右的隧道；有福州四连拱象山隧道( 宽3 5 4 m ，高8 9 m ) ； 有近距离四连拱宽4 5 6m 的科苑立交隧道；有应用最多、大跨( 3 2 3 5m ) 双连 拱，具有代表性的京珠高速公路五龙岭隧道；有首次采用竖井和纵向射流运营 通风技术的中梁山隧道；有逆光照明不在洞口设光过渡段的猫狸岭隧道；有处 于3 8 0 0m 高海拔、高寒( 最冷月平均气温在一7 。c ，最低达一3 5 。c ) 地区的青海大 板山隧道；有处于高地应力区的川藏公路二郎山隧道；有穿越高浓度瓦斯、高 压力煤层的华垄山隧道( 长4 7 0 5m ) ；厦门海底隧道的建设是我国内陆第一座大 断面海底隧道。总之，我国隧道的发展正朝着“深、长、宽、群”的方向发展， 这致使现代隧道工程对设计、施工技术水平的要求越来越高。同时，超前地质 预测预报工作在长大隧道施工安全方面不同程度地发挥着重要作用。 随着人们对交通运输工程、水利水电工程和城市地铁与地下人防工程等开 发利用的需求越来越强烈，作为上述工程的重要组成部分的隧道及地下工程将 会在本世纪时期内保持强势的发展势头。同时隧道与地下工程也将以大断面、 长距离、小坡降、大半径曲线等来适应诸如交通目标高速化，引水、供水工程 的长距离化的需求。许多情况下，地下与隧道工程的线路和位置是既定的，无 法绕避复杂地质条件，隧道建设与运营安全主要是通过加大技术经济投入而获 得保障，我国建成和在建的一些隧道工程有许多沉重的经验教训，如2 0 0 5 年 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 月董家山隧道瓦斯爆炸事故就发人深思。为规避地质灾害所带来的风险，隧 道施工中超前地质预报工作是隧道修建过程中安全重要的技术保障手段。 众所周知，在隧道设计与施工之前，要对拟建隧道工程地段的工程地质条 件进行详细勘察，由于受勘察设计精度及现有勘查技术手段的限制或勘察设计 时间紧迫，勘察工作获得的资料与隧道开挖后揭露出来的情况相比有很大的不 同，也就是说勘察设计阶段是无法做到对隧道地质条件的一一准确揭露( 尤其 是复杂地质条件地区) 。表1 1 为从地面预报隧道地质条件的可信程度。 表1 1 ：从地面预报隧道地质条件的可信程度“3 ( 据w a h l s t r o m1 9 7 3 ) 1 完全可信2 很可信的3 比较可信 4 有疑问5 很可疑 ( 1 ) 简单的大( 1 ) 区域上的( 1 ) 次生断层； ( 1 ) 地表没比露，( 1 ) 只根据区 断层，断层带；主断层；( 2 ) 与次生断层有关的节只凭物探和地形域地质资料假 ( 2 ) 没有发生( 2 ) 与主断层有 理系；资料确定的主断设的地质构 过褶皱和断层关的节理：( 3 ) 几何形状不是完全知 层或次生断层；造； 作用的、厚 ( 3 ) 裙皱与断层道的。褶皱和断层发育的层( 2 ) 几何形状不( 2 ) 没有经过 度为常量的层作用后，己知几 状岩体；规则的和不知受适当的野外地 状岩体；坷形状且均厚的( 4 ) 层序不是很清楚的层舭什么构造控制的喷调查只凭地 ( 3 ) 厚度为常况积岩，火山碎 岩体；变质带；喷学家的某个 量的层状火山唇岩或熔岩流；( 5 ) 厚度变化较大的层状 ( 3 ) 地层层序和哩论推断的构 碎屑岩和熔岩( 4 ) 具有已知区岩体；产状不清楚的层 睦。 流：唬分布结构的、( 6 ) 浅层岩浆侵入体，如 状岩体； ( 4 ) 大型，单很厚的、断层作岩墙、岩株、岩床；( 4 ) 只凭分风化 一的岩浆侵入胃不很强的变质 ( 7 ) 沿断层带发育的局部物确定的地质构 体，特别是大岩地层。风化带； 造； 型花岗岩体。 ( 8 ) 热熔作用形成的变质 带： ( 9 ) 与主断层或次生断层 无关的节理系： ( 1 0 ) 岩浆岩中的变质岩包 体； ( 1 1 ) 变质岩中透镜状岩浆 侵入体。 由于对施工掌子面前方地质条件了解不清，施工带有很大盲目性，施工中 经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，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。而且事故发生 后的处理工作难度较大。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 1 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； 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；湖南省内南岭隧道，施工中在+ 7 4 5 + 9 2 0 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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。阿尔卑斯 山地区规划中的深埋特长隧道所面临的主要是高地温问题，而水力资源丰富的 印度喜马拉雅地区规划的大量特长水工隧道所面临的主要是大变形和涌水问 题。因此，对隧道掌子面前方地质情况不是很清楚条件下，开挖隧道有可能造 成上述的工程事故0 3 。2 0 0 5 年1 2 月2 2 日1 4 时，四川i 省都江堰至汶川高速公路 董家山隧道工程发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成4 4 人死亡，1 1 人受伤，直 接经济损失2 0 3 5 万元。2 0 0 6 年5 月1 6 日，正在修建的大丽铁路南场岭隧道 d k l 0 6 + 7 0 处突然发生坍塌，6 名正在作业的民工被困在隧道中，当时6 名民工 正在作业的掌子面距离洞口1 6 6 米，坍体位置距洞口1 3 3 米，距离掌子面3 3 米，坍体长度2 6 米。 施工地质工作在国外做得相对较好。嘲比如瑞士、日本等发达国家进行隧 道( 特别是铁路、公路隧道) 修建过程中，隧道施工地质工作都是必须的工序， 重视隧道施工地质工作己成为管理部门和广大工程技术人员的共识。有些施工 单位配备有专门从事隧道施工地质的工程技术人员，有些则由业主提供施工地 质队伍，并拨出专款开展这项工作。很多国家，在隧道工程发包中，多采取一 次性投资的办法，即投资中，已包括了风险投资在内。若在以后施工中出现各 种风险，均由施工单位或承包商承担，业主或发包商不再追加投资。由于隧道 旋工地质工作和高水平的隧道施工地质技术能极大地减少塌方、突水突泥、瓦 斯爆炸和岩爆等地质灾害，保证施工顺利进行，又能大大降低成本，这就使施 工单位或承包商尤其重视隧道施工地质工作。 现在国内客运专线铁路工程建设正处于跨越式高速发展时期，各隧道工程 均体现出时间紧任务重，地质条件越来越复杂的情况。为了保证隧道施工安全 和高效的完成，超前地质预测预报就显得越来越重要。在长大隧道、及地质条 件复杂隧道，超前地质预测预报已成为施工工序的重要组成部分。本论文将结 合沪汉蓉铁路客运专线合武段( 上海局管内) 红石岩隧道的超前地质预报工作， 使用物探一地质一水平钻探方法相结合，使用物探方法进行长距离超前地质预 报，安排施工方案、施工工序；以地质方法和超前水平钻探方法来解释和验证 物探方法，进行短距离超前地质预报，以核实长距离超前地质预报，以便及时 修改施工方案，为隧道动态设计提供必要的地质参数，预防地质灾害的发生， 或降低地质灾害所带来的损失。并且采用数值模拟方法来模拟围岩变形，通过 对比模拟值和实际监控量测值，进行超前地质预报，积极配合、指导隧道安全 施工。 1 2 国内外发展现状 1 9 7 2 年8 月在美国芝加哥召开的快速掘进与隧道工程会议至今己开过多 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 次，隧道施工超前地质预报一直倍受重视。随着隧道建设的发展，对地质预报 的要求越来越全面和详细，从单纯的地质条件预报发展到地质体成灾程度预报， 不同地质体处理措施预报等“。 准确预报施工前方地质条件是隧道建设的迫切要求。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探方法作为重点研究课题。 我国建设成昆线期间曾提出过施工超前地质预报工作，出于当时选用的技 术路线是研究超前探测技术( 主要是物探技术) ，没有取得什么进展，继而将超 前地质预报工作，改为抢险救灾工作一部分。此后，亦有许多工程技术人员寻 求隧道施工超前地质预报的技术，进行了一些零星研究，而未成功。在2 0 世纪 5 0 年代中期，首先由铁二院在渝黔线凉风垭隧道中以地质测绘为主要手段，采 用地质分析法预报隧道前方1 0 3 0m 的地质情况；7 0 年代，谷德振教授采用地 质分析法研究了断层预测预报技术；8 0 年代中期，衡广复线大瑶山隧道开展了 地质法和声波透射法地质超前预报技术；在大秦线军都山隧道施工中，终于实 现了我国真正的第一次超前地质预报工作，从1 9 8 5 年开始研究，孙广忠等吸取 前人的经验，采取以地质为基础，隧道地质素描( 短距离超前地质预报) 为主 要手段的方法，配合施工中的超前钻速仪、钻孔声波测试，压水试验，钻孔潜 望镜等方法，因此取得了成功“1 。自此以后，在朔黄线长梁山隧道、南昆线米 花岭隧道、西康线秦岭隧道，以及近期的株六复线新猓纳隧道，渝怀线圆梁山 隧道等工程中，开展了超前地质预报的研究工作，取得了较满意的成果，并为 以后的隧道施工中超前地质预报工作提供了丰富、宝贵的经验。 9 0 年代初。瑞士的特长铁路隧道，长2 0k m 的费尔艾那隧道采用t b m 施工 技术，为了配合t b m 施工，t s p 探测技术首次投入费尔艾那隧道施工中，对 保证t b m 施工安全起到了积极的作用。随后，t s p 测量( 长距离超前地质预报) 技术被世界各地的隧道工程界广泛接受并得到广泛应用。近年来，t s p 技术也 得到中国的工程技术人员广泛认同，并成功地应用于秦岭铁路隧道、株六铁路 复线、渝怀铁路部分隧道工程、青海公伯峡水电站导流洞、云南元墨高速公路、 山西雁门关公路隧道等几十个工程中，西南交通大学朱宝龙等采用t s p 探测技 术与超前水平钻技术对园梁山隧道进行超前地质预报。 地质雷达是近年来发展非常迅速的一项新技术，在隧道施工中的应用较多， 因其具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观 等优点在隧道超前预报中得到广泛的应用。 红外探水技术，主要运用于隧道超前探水，西南交通大学王鹰等采用红外 技术运用到铁路隧道工程突水预测，并且在园梁山隧道进口的红外探水预报中 与施工开挖结果十分吻合。 随着各种技术的不断出现和发展，隧道施工中超前地质预报向着预报结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 越来越准，预报精度越来越高的方向发展，预报技术手段也朝着现场操作简便 华、数据分析高智能化的方向大步迈进。 不同的超前地质预报手段因其工作原理不同，在不同的地质条件下其预报 效果也有所不同。充分了解各种地质超前预报方法的特点，针对隧道具体地质 条件下，采用有效的超前预报方法组合，扬长避短，是超前地质预报工作开展 前首先应关注的问题。隧道开挖揭露是验证超前地质预报的准确性唯一方法， 通过隧道开挖揭示的地质情况，既是对以前所做的超前地质预报结果进行评价、 分析、总结是提高后续预报结果准确性与预报技术水平的重要途径。 采用数值模拟计算方法来模拟隧道围岩的变形。通过模拟计算的围岩变形 与实际监控量测得围岩变形比较，预测围岩周围是否有未被隧道开挖而揭露的 节理带、断层带、裂隙等，通过位移、位移速率来进行围岩稳定地质灾害预测 方法已受到人们的关注。赵明阶等研究过岩溶区全断面开挖隧道围岩变形规律 及其监测“1 ，及杨会军等4 1 在断层及其破碎带区中采用渗流场、应力场、温度场 等三场耦合掌子面变形等工作对超前地质预报工作有借鉴意义。 1 3 论文几个重要着眼点 l 、片麻岩隧道中天然气( 瓦斯) 发生原因及施工预测预报方法 前人对于煤层系地层或砂泥岩类沉积岩地区瓦斯隧道的瓦斯产生原因、积 聚形式、瓦斯涌出危害等情况研究较多。对于片麻岩地质地区隧道尚未见报道， 本文对这类地质地区瓦斯( 天然气) 产生的原因，存在的方式，运载的形式给 出了初步解释，针对瓦斯( 天然气) 隧道施工的危害性，提出有效的预测预报 措施。 2 、超前地质预测预报综合技术方案探究 由于各种超前地质预测预报手段都有其优势与缺陷，本文结合红石岩隧道 超前地质预报工作，给出了t s p 地质水平钻探的综合地质预报技术方法的实施 效果。 3 、将隧道围岩的监控量测手段纳入超前地质预测预报方法体系 隧道监控量测技术作为新奥法理论的支持技术，己纳入我国隧道施工与验 收规范之中，隧道监控量测数据成为评价围岩的稳定性和隧道支护参数是否合 理的的主要依据，是隧道施工必须开展的工作。本文首次尝试采用监控量测资 料进行地质反演，获得岩体特征，通过有限差分软件计算评价相同围岩级别、 相同围岩地质条件的地区围岩变形曲线，来预测预报围岩周围未被开挖揭露的 地质条件，并且将监控量测手段纳入超前地质预测预报方法体系，进行动态超 前地质灾害预报。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 研究的内容、创新 1 4 1 研究的内容 ( 1 ) 、对比各种超前地质预报方法的优缺点，为进行物探一地质一水平钻 探综合地质预报提供选择。 ( 2 ) 、对片麻岩地质地区隧道产生放炮后掌子面出现燃烧现象进行分析解 释，并提出施工阶段瓦斯地质情况的预测预报方法。 ( 3 ) 、通过监控量测资料进行地质反演，通过有限差分软件计算评价相同 围岩级别、相同围岩属性的地区围岩变形曲线，将围岩数据纳入动态超前地质 灾害预报体系。 1 4 2 研究的创新 本文主要的创新点： 1 、对片麻岩地质地区隧道产生放炮后掌子面出现燃烧现象的原因进行初步 解释，并对这类地质情况下瓦斯可能产生的地质灾害进行预报及预防措旄 2 、通过有限差分软件数值模拟计算，采用监控量测资料反演隧道围岩地质 参数，利用数值模拟片麻岩这样的硬质岩计算成果进行围岩变形稳定灾害的预 报。 3 、在前人研究的基础上，进一步对超前地质预测预报技术方法进行比较研 究，对片麻岩区隧道超前地质预报综合技术方法给出一点建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章超前地质预报方法 超前地质预报工作是隧道施工中的一个重要施工环节，也是隧道地质工作 的重要内容之一。通过开展施工超前地质预测预报，能印证勘察阶段地质工作 的成果，确认既定的工程施工措施；进一步查清前期地质勘察阶段遗漏的隐伏 工程地质问题；确定针对不良地质构造的施工方案、施工措施和施工工艺，制 定防灾预案，降低地质灾害的发生机率；为变更设计提供地质依据，为竣工文 件的编写提供基础资料，积累资料，为提高我国今后类似地质情况隧道工程的 设计水平与施工水平具有重要意义。 依据预测预报的距离，可将预测预报方法划分为长期( 长距离) 超前地质 预报和短期( 短距离) 超前地质预报两类。长期( 长距离) 超前地质预报的距 离一般可达工作面前方2 5 0 3 0 0 米，甚至更远。它的任务主要是较准确的查明 掌子面工作前方2 5 0 3 0 0 米范围内规模较大，严重影响隧道施工、易造成塌方 的不良地质体的性质、位置、规模及含水性；并按照不良地质体的理论特征， 断层影响带的理论特征，结合预测段内出露的岩石及涌水量的理论分析，初步 预测围岩类别等( 结合设计资料) ，它的目的是为开挖指明工作面前方概略的 地质轮廓，而且由于预测距离较长，也给施工决策人有充分地时间来做好思想 及技术准备，调整施工支护方案和提出恰当的，来应对围岩级别的变化和不良 地质灾害，做到心里有数，防患于未然，但它的预测精度在l m 左右。短期( 短 距离) 超前地质预报，又称追踪预报，预报距离一般在1 5 3 0 米左右。它的任 务是依据隧道掌子面或导洞掌子面的地质特征，通过观察、量测、鉴别和分析， 并结合长期超前预报成果，推断工作面前方2 0 3 0 米范围可能出现的地层、岩 性变化情况，推断掌子面实见各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况；对掌 子面涌水量的观测，结合岩性，构造特征，推断工作面前方2 0 3 0 米范围内可 能的地下涌水情况：并在上述推断的基础上预测工作面前方2 0 3 0 米范围内的 隧道围岩类别，提出较准确的超前支护建议，并且复核长距离超前地质预报提 出的施工支护方案和施工工艺方案。无论长距离超前地质预报还是短距离超前 地质预报，其目标都是为隧道施工提供较为准确的掌子面前方近距离内的具体 地质情况和围岩级别变化情况。 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球物理方 法( 物探方法) 、地质调查分析方法、超前水平钻探方法。地球物理方法( 物 探方法) 主要有t s p 2 0 3 型隧道地震波探测超前地质预报法、地质雷达预测法、 红外探水技术、h s p 声波法、高密度电阻率法等几种方法，其他的地球物理方法 的原理都和上述方法有相同之处。地质调查分析法主要有地表地质资料调查与 地质作图预测法、地质素描法预测( 包括超前导洞掌子面地质素描预测和正洞 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 掌予面地质素描预测) 、地下地质构造与地表地质构造相关性分析法、地下水 观测法。超前水平钻探法主要有超前深孔钻探法，钻探深度为3 0 1 0 0 m ；超前 浅孔钻探法，钻探深度为5 6 m ；以及一般超前钻探法，钻探深度为6 3 0 m 。 对于各种超前地质预测方法，他们都有各自方法原理及操作程序，因此， 对应于不同的地质情况，各种预报方法有各种方法的优点，也有他的缺点与不 足。所以对于各种超前地质预报方法，我们必须了解他的工作原理，从原理出 发，来发现那种预报方法适合在某些地质背景下进行预报工作，能较好的发挥 它的优势，并且利用其它的预报方法弥补这种预报方法对应特殊地质情况的要 求，才能使超前地质预测预报工作更好的发挥预报掌子面前方地质情况的作用， 更好的保障隧道安全、顺利的施工。 超前地质预测预报 f ，地质素描法 耋要主孚善柔嘉耋描法 黼斩法檬嚣鬻蠢霎箍嚣貔 | 地质作图法 i 地下水观测法 物探法 t s p 法 ir 2 4 泷层数字地震仪法 l 地震波法 负视速度法 it r t 法 波法 0 ，此时，反射波振幅和入射波振幅的符号相同。发射波和入射波具有 相同的极性。反之如果地震波从较为致密的介质传播到较为疏松的介质，即时， 反射系数r 1 2 ) ，瓦斯达到一定浓度( 5 - 1 6 ) ，有火源，显然，由于施工人员的生存需 要，在隧道施工过程中氧气达到瓦斯爆炸所需的含量是无法避免的，因此，防 止瓦斯爆炸的措施应从降低瓦斯浓度这个方面着手。 为了降低煤层中的瓦斯浓度，避免发生爆炸和燃烧事件，可以采用钻孔排 放、真空抽放、水力冲孔、煤层注水、深孔松动爆破、金属骨架等i f 6 措施来降 低瓦斯含量。 排放瓦斯：瓦斯含量不大时，使其自然排放，亦可用风筒或风管将瓦斯引 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 至回风流或距掌子面2 0 m 以外的坑道中，以保证掌子面开挖放炮的安全，当瓦 斯量大、喷出强度大、持续时间长时，则可插管排放。 钻孔排放：在开挖工作面前方接近煤层2 m 左右，向煤层打若干超前钻孔 排放瓦斯，钻孔周围形成卸压带，使集中应力移向煤体深部，达到防止突出的 目的。 真空抽放：当开挖面瓦斯含量较大，而且裂隙多、分布广时，可暂停开挖， 封闭坑道抽放瓦斯。 水力冲孔：在进行开挖之前，使用高压水射流，在突出危险煤层中，冲出 若干直径较大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力。 煤层注水：通过钻孔将压力水注入煤层，使煤体湿润以改变煤的物理力学 性质，减小或消除突出的危险性。 深孔松动爆破：在开挖工作面向煤体深部的应力集中带内布置几个长炮眼 进行爆破，其目的在于利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带，在工作面 前方造成较长的卸压带，从而预防突出的发生。 震动性放炮诱导爆破：在工作面布置较多的炮眼并装较多的炸药，撤出人 员后远距离起爆，利用爆破时强大震动力一次揭开具有突出性危险的煤层。 对于瓦斯隧道的施工安全，还要求施行一炮三检制度和地面瓦斯仪器检测 系统配合，保证足够的施工通风量和通风时间，防爆机械设备和符合瓦斯隧道 要求的供配电，施工人员的防静电服等。 3 7 本章小结 本章介绍地质条件与地质灾害预报内容和方法，主要通过利用地质分析预 报方法进行地质条件及地质灾害的预测，并且可运用于红石岩隧道，防止发生 地质灾害。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 第四章合武铁路红石岩隧道超前地质预报工作 本章结合合武客运专线铁路的红石岩隧道的隧址的岩性矿物、地质构造、地 下水特性的情况，采取物探一素描一钻探等综合手段进行超前地质预报工作及 对片麻岩区隧道瓦斯地质灾害的预报。 4 1 工程及地质概况 4 1 1 地形地貌特征 合武铁路为合肥至武汉的客运专线铁路，设计时速为2 0 0 k m h ，预留提速 2 5 0 k m h 的条件。合武铁路( 安徽段) 的第三施工标段( d k l 6 3 + 0 0 0 d i g 2 1 2 + 3 0 0 ) 位于大别山中段北坡，为低山区，相对高差最高达5 0 0 m ，其间 河谷深切，植被绿化良好，局部丘陵区相对高差1 0 5 0 m ，基岩基本裸露，以 石英片岩、片麻岩、花岗岩、闪长岩、火山凝灰岩为主。铁路线路多以桥梁与 隧道工程通过，该段线路隧道1 8 座，隧道总延米约2 6 k i n 。 红石岩隧道位于大别山腹地安徽金寨县七邻乡和果子园乡交界处，进口位 于七邻乡下汪棚村，出口位于果子园乡孔家岗村。进口里程d k l 8 1 + 3 7 3 ，出口 里程d k l 8 9 + 2 3 0 ，隧道全长7 8 5 7 m ，是合武铁路的控制工期的隧道。 隧道位处剥蚀中低山区，山势陡峻，沟谷纵横，植被发育，灌木杂草丛生， 隧道经过区域最高山峰的高程为8 1 6 m ，最大埋深约5 6 0 m ，自然山坡坡度为 2 0 。- 3 0 。不等，坡面残积覆盖层0 5 m 1 0 m ，下伏二长片麻岩，全风化层，厚 4 m 一6 m ，下为强风化、弱风化层。洞身地段沟谷发育，与河流、沟谷夹角 o 以上，基本正交穿过。 4 1 2 地层岩性 合武铁路自六安石婆店镇进入大别山开始，途经金寨县江店镇、梅山、魁 树湾、古碑、七邻、果子园、斑竹园等镇，铁路位于大别山腹地。大别山位于 扬子陆块与华北陆块的交接部位，横跨秦岭一大别造山带，出露新太古代一新 生代地层，以片( 麻) 岩类深度变质岩石为主，据有关方面研究推测，本区域 片( 麻) 岩套地层深度可达1 5 k m 。主要有： 太古界大别群( a r j 姜河组) 片麻岩：浅灰、浅肉红色黑云斜长混合片( 麻) 岩，夹条痕状混合岩、灰绿色黑云角闪斜长片( 麻) 岩、浅变粒岩，岩石片理 化现象十分明显。出露于金寨七邻至斑竹园之问。 新元古代片麻岩套：出露于金寨牛食畈、白水河一带，属斑竹园片麻岩套， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 主要岩性为黑云斜长、角闪斜长片麻岩，黑云二长片麻岩，鳞片粒状变晶结构， 片麻状、条带状构造，岩套发育变余花岗构造，各片麻岩体普遍见到变质表壳 岩组合的岩石捕虏体，且与围岩界限清楚，显示出岩浆成因花岗特点，处于挤 压状态环境。 佛子岭群片岩类：分布在金寨隧道一带，岩性为含二元石英片岩、黑云石 英片岩、白云石英片岩、绢云石英片岩及千枚岩。 侏罗系黄石滩组火山岩类：主要分布于金寨七邻一带( 五福堂隧道进口前 缘地带) ，岩性较复杂，相变较剧烈，气孔安山岩较发育。主要为灰、灰绿色中 一厚层安山质角砾凝灰岩、凝灰角砾岩夹灰黄色中层砾岩和紫红、灰黄、灰黑 色中一薄层凝灰质含砾砂岩、砂岩，气孔构造发育，局部夹粗面质火山碎屑岩。 金寨隧道进口地段为佛子岭群石英片岩，岩体较破碎；五福堂、乔家山、 汀筒沟、红石岩、九斗冲、周家坳隧道均为片麻岩、花岗片麻岩、变粒岩。 红石岩隧道地层岩性为新元古代斑竹园片麻岩套研口片麻岩( q g n ) 、和东 垮片麻岩( d g n ) 、古元古代新太古代变质表壳岩组合( m c ) 、大别变质杂岩 ( a r 2 p t l d ) 中。新元古代斑竹园片麻岩套岩性大体完整，局部受小构造影响较 破碎：古元古代新太古代变质表壳岩组合( m c ) 、大别变质杂岩( a r 2 p t l d ) 处 于强变形带，变质表壳岩组合( m c ) 原岩为沉积岩- 火山碎屑岩或火山岩，该 岩石组合受后期再造作用明显，皆发育不同程度的糜棱岩化。 4 1 3 地质构造 隧道所经区域位于商城幅( 1 ：2 0 万区域地质图) 东南部，本区主要构造 为纬向构造，典型区域构造有“观音铺下马店断裂( 金寨断裂) 、药铺青山断 裂”；其次为北东向“商城一麻城断裂”。隧道地层主要为片( 麻) 岩，洞身均 未穿越较大区域断裂( 见国事l 构造体系图) ，仅有一些次生断层和节理裂隙 带与区域断裂相关联。 图4 - 1 构造体系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 大部分隧道岩体较完整。与隧道相关的主要区域断裂如下： ( 1 ) 、金寨断裂 本断裂西起梅山水库，经瓦房、花岭、纸皮凹、冷冲进入响洪甸水库。总 体延伸方向3 0 0 度左右，地貌特征明显，为一深切沟谷，断裂带由数条近平行 的、断续延伸的小断裂组成，断面平直，主断面倾向南，倾角4 5 。- 7 0 。，上 陡下缓，出露宽度1 0 0 - 1 0 0 0 m 。断裂带经历了三期构造变形：早期表现为低角 度顺层韧性滑断带：中期表现为高角韧性向北逆冲推覆运动，形成平直的线性 破碎带和一系列小型逆冲断层；晚期为近直立的脆性剪切破碎作用，具挤压、 左行，错移燕山岩体。构造运动造成断裂附近西窄东宽的动力变质带，岩石普 遍经受破碎岩化和糜陵岩化，岩层揉皱，断裂明显控制晚侏罗纪火山岩，使其 呈北东向分布，切割了火山岩及燕山晚期正长岩。该断层在金寨隧道进口外 3 0 0 m 处以河流形式通过，断层延伸5 5 k i n 于商城县城附近与区域断裂“商城 麻城断裂”相连通。 ( 2 ) 、药铺青山断裂 该断裂为区域磨子潭晓天断裂带中部，断层面倾向北，倾角5 0 。- 8 5 。 断裂南侧为大别山群角闪黑云斜长片麻岩、二长片麻岩，北侧为晚侏罗世毛坦 厂组晶屑凝灰岩、角砾凝灰岩。动力变质带宽达2 - 1 5 k i n ，主要由糜陵岩和糜陵 化岩石构成。它形成于蚌埠期末，华力西一印支期最强烈，燕山中及喜马拉雅晚 期均表现了不同程度的活动。该断层在五福堂隧道进口外2 0 0 m 以河流形式通 过，延伸长度约8 0 k m ，在长竹园与药铺之间与“商城一麻城断裂”相连通。 ( 3 ) 、商城一麻城断裂 位于线路西侧5 0 公里外，走向北东，延伸长度2 0 0 余l 衄，马鞍山煤矿、 新店磷矿位于其旁侧5 k m 内，与金寨断裂、药铺一青山断裂分别相交。 红石岩隧道在大别山中部地带，不同时期岩浆活动频繁，历经多次构造运 动的影响，变形变质作用强烈、构造发育。隧道测区未发现区域性大断裂：但 隧道轴线局部落有一定规模的节理密集带与隧道有关，主要发育有f y l 节理密 集带：该节理密集带发育于二长变粒岩中，出露于地表d k l 8 5 + 1 8 5 - + 1 9 5 处， 与线路以4 5 。角斜交洞身d k l 8 5 + 2 3 0 处，长约2 5 k m ，节理产状为2 0 5 。么6 6 。 合肥侧基岩物探弹性波速为4 4 k m s ，武汉侧基岩物探弹性波速为5 k m s ，接触 带物探弹性波速为2 9 k m s ，明显低于周围地层地震弹性波速。其它纵波低速 带仅地表节理发育，但纵波波速值在2 1 - 3 o l a n s 之间，经钻探揭示，岩芯坚 硬，节理问无充填物，多为密闭节理，对隧道工程有一定影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 表4 1 红石岩隧道的不良地质带 序号纛 地段里程长度不良地质描述 ，由于隧道埋深较大。围岩性质比较好。易出 现岩爆现象。 4 1 3 水文特征 本线跨越淮河和长江两大流域，大别山为两大水系的分水岭。大别山以北 属淮河流域，大别山以南属长江流域。大别山以南主要跨越长江北岸的滠水、 倒水、举水及其支流水系，大别山以北主要跨越淮河流域的支流淠河。隧道工 程地下水主要为基岩裂隙水。 红石岩隧道出露的第四系地层在沟两侧为e l + d l q 4 粉质粘土，其下为碎石 土，厚2 5 m ，地下水为孔隙潜水，水位埋深0 5 - 1 6 m ，水量较小，为地下水水 量贫乏区，但雨季为较好的透水层，山谷为a l + p l q 4 粉砂，厚约l m ，下伏2 3 m 厚卵石土和漂石土，地表水、地下水发育。 新元古代斑竹园片麻岩套之研口片麻岩( q g n ) 和东垮片麻岩( d g n ) 以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 古元古代一新太古代变质表壳岩组合( m c ) 、大别变质杂岩( a r 2 p t l d ) 地区，地 下水为基岩裂隙水，因岩体的节理裂隙大多不发育，透水性较差，大部分地区 为地下水水量贫乏区，但局部仍为地下水丰富的地区。 d k l 8 1 + 4 2 5 d k l 8 1 + 7 2 5 段：洞身浅埋，岩体稍破碎，其隔水性差，地表 沟谷常年流水，预计隧道开挖最大涌水量为小涌水。 d k l 8 5 + 2 0 0 d k l 8 5 + 2 3 0 段：隧道穿山间沟谷，隧道埋深约2 9 0 m ，地表水 发育，谷地中为f y l 节理密集带，岩体较破碎，有一定的透水性，预计隧道开 挖最大涌水量为小涌水。 d k l 8 8 + 5 6 0 一+ 7 2 0 段：隧道浅埋，最小埋深1 9 m ，为山间谷地，地表水发 育，节理密集带基岩破碎，有一定的透水性，预计施工开挖时隧道最大涌水量 7 0 0 抛。 以上地质资料摘取自铁道第四勘察设计院的合武铁路片( 麻) 岩隧道可 燃气体评价及处理措施。 4 2 超前地质预报的准备工作 红石岩隧道的围岩岩性主要为角闪斜长片麻岩，二长片麻岩，二长变粒岩， 为硬质岩，在施工过程将不存在围岩大变形等情况，也不含有灰岩等可溶性岩 石，可不考虑在隧道施工