隧道超前地质预报

隧道超前地质预报,一、隧道地质超前预报概论1、定义严格意义而言，广义的隧道地质超前预报指根据隧道洞内外地质调查、掌子面素描及隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果，或采用地球物理探手段对隧道施工掌子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学、概率论、计算机科学等各学科知识，结合预报人员经验，对隧道工程可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报，并根据判断和预报结果提出应采取地质灾害预防和处理的措施。因此，隧道地质超前预报包括隧道工程可行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的预报。,隧道工程可行性研究阶段的地质超前预报是根据所收集的资料对隧道施工可能遇到的各种不良地质体及由此可能发生的地质灾害的预判断。隧道工程勘察设计阶段的地质超前预报是根据勘察资料及研究成果，对路道施工可能遇到的各种不良地质体及由此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的判断，并反映在隧道工程设计文件中。隧道工程施工阶段的地质超前预报是根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工裳子面前方地质情况的探测结果，结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道施工掌子面前方可能遇到的不良地质体及由此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的预测。应该指出的是，涌水量及涌水水压预测预报是隧道地质超前预报的重要内容之一。狭义的隧道地质超前预报是指隧道施工期地质超前预报。,2、开展隧道地质超前预报的必要性近年来随着我国国民经济的飞速发展和隧道工程技术的进步和铁路隧道工程建设在以前的“地质禁区”修建，隧道修建越来越长，在复杂地质条件下修建的隧道越来越多，所遇到的隧道工程地质问题越来越复杂。因此，对下列情况应进行地质超前预报，特别是施工期地质超前预报。(1)深埋长大隧道。(2)地质复杂的隧道。(3)水下隧道。(4)可能存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、瓦斯突出等严重工程地质灾害的隧道。(5)可能因开挖造成环境生态破坏的隧道。(6)覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道，等等则应进行地质超前预报，特别是施工期地质超前预报。,其原因：勘测设计阶段的地质工作投入所限。勘测设计阶段的地质预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握。复杂长隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响。人为作用(施工开挖)引起地质的变化只有在施工期才显现出来。施工期要求对地质的拿捏不能只是停留在定性评价上，要有定量的评价。作为地质工作的全过程的组成都分，是隧道施工根据实际地质、水文条件变化及时调整施工方法和采取相应技术措施的需要，是完善设计地质资料、优化施工方案、指导施工决策和保证施工人员和设备的安全的需要，也是隧道运营阶段地质灾害治理的依据。,3、隧道地质预报的特点由于隧道施工期地质预报是在隧道施工阶段采用各种方法、手段对隧道施工掌子面前方业已存在的但未知的地质条件做出科学的正确判断。因此，隧道施工期地质预报具有较强的综合性、系统性、未知性、实用性(指导性)和客观性。(1）综合性。学科、专业的相互渗透、相互碰合是现代科学发展的重要趋势。隧道地质预报也不例外，除了需要博采地质学各专业之长，还要广泛汲取诸加数学、物理学、概率沦、计算机科学等相关学甜的理论，在预报实施中采用多种方法、手段，要熟练掌握各种地球物理探测方法的使用原理、适用条件，要对各种隧道地质灾害的预防、治理措施有较系统和深入的认识。(2)系统性。隧道地质预报的对象地质体非常复杂，软夹层、断层及其破碎带、煤系地层、岩溶及其充填物、废弃矿巷及其充填物，等等，需要对其宏观分布、微观性质等进行全面系统的研究，以准确揭示其分布规律。,(3)未知性。隧道掌子面前方地质体的分布、性质，在施工开挖揭示前是未知的，施工开挖后的变化也是未知的，需要通过科学的预测法确定。(4)实用性(指导性)。隧道地质预报直接为隧道施工服务，预报的准确与否直接关系到隧道施工的安全，严重的甚至关系到工程建设的成败。(5)客观性。隧道地质预报采用的方法、依据的事实和做出的预报结论，应具有客观性。6)时效性。预报直接为施工服务，预报结果要及时反馈给施工单位、设计单位等及有关各方，以便做出应对对策和措施。隧道地质超前预报的特点决定了要做好隧道地质超前预报，需要采用多学科的知识和各种各样的手段和方法，需要不同专业人员的配合。,4、隧道地质超前预报的主要内容(1)断层及其影响带和节理密集带的位置、规模和性质(2)软弱夹层(含煤层)的位置、规模及其性质。(3)岩溶发育位置、规模及其性质。(4)不同岩类间接触界面位置。(5)在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系。(6)工程地质灾害可能发生的位置和规模。(7)隧道围岩级别变化及其分界位置。(8)不同风化程度的分界位置。(9)不良地质体(带)的成灾可能性。(10)隧道涌水位置、水压及水量。(11)隧道围岩级别变化及其分布。,二、隧道地质超前预报方法分类及主要方法简介1、分类的作用(1)分类是制定针对具体隧道的具有可操作性的预测预报规程、实施细则或指南的重要依据。(2)地质工作是贯穿隧道工程可行性研究、勘察、设计、施工及运营全过程的一项工作，而隧道施工期超前地质预报是隧道施工期一项极为重要的地质工作，预报的正确分类有利于将领报纳入施工计划，便于施工管理。(3)正确的分类有利于预测预报实施人员明确任务，按照制定的操作规程、实施细则或指南开展工作。(4)分类是指导科研立项和科研管理的需要。,2、预报分类的方法(1)作用分类。主要根据预报工作的作用或预报所要开展的工作来进行划分。(2)距离分类。主要根据隧道施工地质预报的距离来进行划分，距离分类与隧道施工速度密切相关。(3)精度分类。主要根据对预报工作结果的精度要求来进行划分。(4)手段分类。主要根据预报工作所采用的手段来进行划分。(5)方法分类。主要根据预报采用的方法进行划分。(6)内容分类。主要根据预报工作内容来进行划分。(7)学科分类。技预报采用的学科来进行划分主要用于隧道洞内总涌水量、分段涌水量及涌水水压预报。,3、隧道地质超前预报主要方法简介综观国内外隧道地质超前预报采用的方法，主要有：地质法(包括调查预测法、断层参数法等)、超前导坑(超前平行导坑或隧道)法、超前水平钻孔法、超前钻孔声波测井法、跨孔声波透视法、波反射法(包括HSP法、TSP法、地质雷达法、地震法)、层析成像法(声波CT层析成像法、TRT反射地震层析成像)等。3.1地质法地质法是隧道地质超前预报采用的一种基本方法。在隧道的预可研和可行性研究阶段、勘察设计阶段均采用地质法。在隧道施工阶段主要根据隧道施工期掌子面地质条件，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(包括结构面统计分析、构造相关分析等)进行超前预报。主要预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间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。,3.2超前(平行)导坑(隧道)法利用平行于施工隧道已有隧道的地质资料进行施工隧道的地质预报是隧道施工期地质预报的一种常用方法，根据超前施工的平行隧道或导坑所遇地质情况推测隧道将遇到怎样的地质情况，则是隧道施工期地质预报的一种重要方法，特别是当两平行隧道间距较小时预报效果更佳。超前导坑法是我国隧道施工早期采用的隧道施工期地质超前预报方法。3.3超前水平钻孔法采用超前水平钻孔进行隧道施工期掌子面前方地质超前预报是隧道施工期地质超前预报方法中员直接的方法。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道辈子面前方岩石(体)的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料。目前超前水平钻孔法在国内主要用于水工隧道(洞)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。,3.4超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法采用声波探测技术，利用凿岩台车在隧道施工掌子面加接钻杆施做微倾角超前钻孔，通过孔中测井或跨孔声波测试结果来进行隧道掌子面前方地质条件(情况)的超前预报。受钻孔施作等的限制，该方法目前已发展为声波CT法。3.5波反射法这种方法主要利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号判释隧道掌子面前方反射界面(断层、软弱夹层等)距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预报。近十多年来，声波反射法(HSP)、地震波反射法(包括负视速度法和TSP)、电磁波反射法(雷达)已广泛应用于隧道施工期地质超前预报之中。,3.6声波CT层析成像法近年来，随着计算机技术的广泛应用和声波CT专用软件的成功开发，在原有跨孔声波测试基础上开发的岩土声波CT层析成像法己开始应用于隧道施工期地质超前预报，尽管受探测钻孔施作的限制，但在一定范围内岩溶洞穴、管道的探测中已发挥了重要的作用。3.7波反射层析成像法波反射层析成像法是近年发展起来的一种隧道施工期地质预报方法采用反射地震层析成像(TRT，美国NSA工程公司)已成功地进行隧道掌子面前方岩脉、岩溶洞穴、皮弃矿巷、富水破碎带和断层的预报。应用反射电磁波成像等波反射层析成像法进行隧道施工辈子面前方地质预报亦有报道。,应该指出的是，受各种条件的限制，不同的隧道地质超前预报方法有各自的优点，也有各自的缺点。地质法有牢固的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操作简便，但靠有限之“见”预报范围有限，特别是在地层岩性变化极为复杂(如强烈褶皱地层)的隧道中预报的准确率更是如此；超前平行导坑(隧道)法具有地质法的优点，但投资大，且两隧道间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，适用于设计间距较小、地层受构造变动少的平行隧道工程；超前水平钻孔(导坑)法直接揭示隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩涪洞穴充填物及其性质、岩石(体)的可钻性、岩体完整程度指标等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的地质超前预报方法但费用高且占用施工时间长；声测法占用施工时间短但预报距离受孔深限制，一般小于15m，波反射法占用施工时间短，预报距离长(30m)，但属于间接方法。因此，根据隧道工程具体情况，在隧道施工阶段采用针对性较强的一种或几种方法结合开展隧道地质超前预报工作是大势所趋。,三、隧道地质超前预报工作方法1资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸开展隧道地质预报，首先应对整个隧道工程所处地质环境有一个宏观的把握。1.1预可研和可行性研究阶段资料收集预可研和可行性研究阶段主要收集隧道所在地区区域地质、工程地质和水文地质资料，了解隧道通过地区地层、构造分布情况、工程地质特性和水文地质条件，对隧道施工可能遇到的各种地质条件及可能发生的地质灾害的预判断，为隧道工程地质勘察提供科学的依据。,1.2勘察成果整理分析勘察成果是隧道设计文件、图纸、资料的依据，整理分析勘探(钻探、槽探、坑探、物探)、试验(岩石物理力学试验、钻孔水文地质试验、岩体原位测试等)成果，以确定隧道穿越的地层层序、地层岩性、地层产状，构造分布、产状及其性质，隧道水文地质环境，不良地质体(带)分布及其性质，据此进行隧道涌水量计算。在设计阶段，通过对隧道施工可能遇到的不良地质体(带)分布、性质及可能造成的隧道地质灾害的分析，提出宏观预测预报。1.3熟悉设计文件、资料和图纸隧道设计文件、资料和图纸是设计者根据隧道预可研和可行性研究报告、隧道初步勘察和详细勘察成果进行整理、分析、研究提出的，是可行性研究和勘察成果整理分析研究成果的总结。熟悉设计文件、资料和图纸可宏观把握隧道所处地质、构造、水文地质背景，初步确定隧道施工地质超前预报重点区段。,本阶段的工作主要包括：(1)明确隧道穿越的地层层序、地层岩性、地层产状、地层在隧道轴线上的展布长度，不同岩层的工程地质、水文地质特性，特殊地层(煤层、可溶岩地层、膏岩层等)的分布。(2)掌握地质构造特别是断层在隧道轴线上的分布位置，破碎带宽度、性质、产状。(3)明确地层、构造与隧道的关系。(4)分析研究可能存在的不良地质体(断层及其破碎带、岩溶发育带煤层、在采矿巷、废弃矿巷、顺层错动挤压破碎带、软岩段等)及其性质、分布、规模和因隧道施工揭穿可能发生的地质灾害，初步提出施工地质超前预报重点区段。通过上述工作，可以大致确定隧道施工期地质超前预报的重点区段和补充地质调查的重点内容和调查区域位置。,2补充地质调查如前述，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，特别是长大隧道、地质复杂的隧道、水下隧道可能存在大断层、岩溶、涌水涌泥、岩爆、瓦斯等工程地质灾害，设计与实际不符合情况更为严重。对于覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道则更是如此。由于勘测设计阶段的地质工作投入所限，勘测设计阶段的地质预估预评价仅仅是对隧道所处地质背景的宏观把握不可能对复杂的地质情况作出微观的把握，需要进行补充地质凋查。补充地质调查的内容主要包括：(1)不同岩性、地层在隧道地表的出露及接触关系，岩层产状及其变化。(2)构造在隧道地表的出露、分布、性质、规模及其产状变化。(3)地表岩溶发育位置、规模及分布规律。(4)软层(煤层、石膏层)在地表的出露位置、规模及其产状变化。,(5)矿坑(巷)走向、展布、高程、涌水、坍塌及其在三维空间上与隧道的关系。(6)岩体节理裂隙统计分析及地皮力场研究。(7)结合设计文件、资料和图纸熟悉结果提出施工地质超前预报重点区段。隧道施工地质超前预报重点区段包括：(1)断层及其破碎带的分布位置。(2)岩溶可能发育的部位。(3)煤层分布位置。(4)隧道可能穿越的采、废弃矿巷的部位(5)浅埋隧道穿越全、强风化岩脉的部位(6)节理密集发育岩体分布位置。(7)含水体分布位置。,3、洞内地质调查和掌子面地质素描洞内地质调查和掌子面地质宏描是隧道施工过程中的地质工作，是隧道工程全过程地质工作的重要一环。这不仅是开展隧道施工地质超前预报的需要，也是对隧道设计地质资料的补充和完善，更为隧道运营阶段隧道病害整治提供完整的隧道地质资料。3.1洞内地质调查隧道施工期洞内地质调查主要沿隧道边墙进行，应包括以下内容：(1)地层、岩性描述(包括岩石风化破碎程度，岩体结构状态等)。(2)地层分界面产状及其里程位置确定。(3)地层产状及其变化测定。(4)构造(断层等)位置、产状、宽度测定，断层性质描述。(5)节理裂隙统计，包括发育分布位置、产状、组数、节理面闭合张开状态、节理面形态、节理面充填情况，节理玫瑰花图制作。(6)临空面涌滴水位置确定，涌滴水量测定或估算。(7)特殊地质现象描述(如施工揭穿矿巷位置、矿巷形状、矿巷充填物性质，岩溶洞穴位置、形状、充填物性质，坍方体出现位置、方量，等等)。,3.2掌子面地质素描掌子面地质素描的主要内容包括：(1)岩层、岩性描述(包括岩石风化破碎程度，岩体结构状态等）(2)地层分界面产状及其位置。(3)岩层产状及其变化测定。(4)构造(断层等)位置、产状、宽度测定，断层性质述。(5)节理裂隙统计，包括发育分布位置、产状、组数、节理面闭合张开状态、节理面形态、节理面充填情况。(6)掌子面涌滴水位置的确定、涌滴水量测定或估算。(7)特殊地质现象描述。如施工揭穿矿巷位置、矿巷形状、矿巷充填物性质，岩溶洞穴位置、形状、充填物性质，坍方体、涌泥沙出现位置、方量，等等。,4、物探方法的选择和现场实施掌子面探测4.1物探方法的选择4.1.1物探方法的选择原则(1)有牢固的理论基础。(2)不占或很少占用掌子面的施工时间。(3)适用性强。(4)操作简便。(5)能取长补短。(6)能适应隧道工程施工的需要。(7)对隧道施工所面临的地质问题具有针对性。,4.2物探方法选择一般而言，对宏观隧道施工期地质超前预报(指导性预报)，宜选择隧道洞外地质调查和TSP302或TSP203长距离探测的综合方法；对微观隧道施工期地质超前预报，宜选择隧道洞内地质调查、地质素描、超前水平钻探和与HSP、地层波反射、地质雷达探测的综合方法。具体来说，对长距离隧道施工期地质超前预报，可采用地质法、TSP203和HSP探测中的一种方法或几种综合在一起的方法，对中远距离隧道施工期地质超前预报，可采用超前水平钻探、地质法、HSP、地震波反射探测中的一种方法或几种综合在一起的方法；对短距离隧道施工期地质超前预报，可采用地质法、HSP、地震波反射、地质雷达探测中的一种方法或几种综合在一起的方法。对定性隧道施工期地质超前预报，可采用地质法、TSP203和HSP探测中的一种方法或几种综合在一起的方法；而对隧道施工期地质超前预报，则应采用超前水平钻探、地质法、HSP、地震波反射、地质富达探其中的一种方法或几种综合在一起的方法。,具体的隧道施工期地质超前预报，则应视隧道的重要性、隧道长度及其隧道施工将要面临的地质问题的复杂性来确定预报方法。长大重点隧道，应采用隧道洞外地质调查和TSP203长距离探测的综合方法进行宏观地质超前预报(指导性预报)，采用地质法、HSP、地震波反射探测中的一种方法或几种综合在一起的方法进行常规预报，采用超前水平钻探进行定量精确预报。一般长大隧道，可用地质法与TSP203长距离探测相结合的方法进行宏观地质超前预报(指导性预报)，采用地质法、HSP、地震波反射探测中的一种方法或几种综合在一起的方法进行定量精确预报。对一般隧道，可采用地质法进行宏观地质超