概論隧道隧洞超前地質預報技術體系

1、石家莊鐵道學院橋隧施工地質技術研究所,概論隧道隧洞超前地質預報技術體系,,前言,廣義的超前地質預報技術，即綜合超前地質預報技術。它包括隧道隧洞所在地區(qū)地質分析與宏觀預報、隧道隧洞的洞身不良地質體超前預報、超前鉆探和施工地質災害臨近警報四大部分。而隧道隧洞的洞身不良地質體超前地質預報有分為長期超前地質預報、短期超前地質預報兩種預報形式和預報步驟。由于涵蓋內容太多，本文只能簡介如下。,一、隧道隧洞所在地區(qū)地質分析與宏觀預報,隧道隧洞所在

2、地區(qū)不良地質宏觀預報，是以各種區(qū)域地質資料分析和深入的地面地質調查為基礎，通過隧道隧洞不良地質分析方法，宏觀預報洞體施工可能遇到的不良地質類型、規(guī)模、大約位置和方向，宏觀預報施工地質災害的類型和發(fā)生的可能性。只有在宏觀預報的原則指導下，才能更準確、更有效地實施洞體不良體地質超前預報和施工地質災害監(jiān)測、判斷及臨近警報等后續(xù)預報工作。所以，宏觀預報是施工地質災害超前預報不可或缺的、第一道工序。,,特別是對于TSP探測來說，只有通過隧道隧洞

3、所在地區(qū)主要洞體不良地質宏觀預報，才能更準確地布設炮眼的位置，才能在TSP解譯階段選擇正確的搜索角和調諧角。所以，它是提高TSP預報精度的關鍵技術之一。,（一）區(qū)域地質資料分析,區(qū)域地質分析是宏觀預報的基礎之一。區(qū)域地質資料，主要包括（1）隧道隧洞所在地區(qū)大地構造環(huán)境、構造體系、構造復合與構造演化；（2）沉積建造環(huán)境、建造特征、建造演化；（3）巖漿侵入、噴溢的地質環(huán)境、巖漿活動的特征。還包括它們與區(qū)域地殼運動的關系，等等。上

4、述資料主要從隧洞隧洞所在地區(qū)的各種比例尺區(qū)域地質圖、區(qū)域構造體系圖及其說明書中獲取。,,區(qū)域地質分析，則是應用大地構造學、構造地質學、特別是地質力學的理論，應用沉積巖石學和沉積建造理論，應用巖漿巖石學和巖漿建造理論分析所收集的區(qū)域地質資料，初步了解隧道隧洞所在地區(qū)：（1）主要構造方位、力學性質和構造多期活動特征及其不同方位構造對隧道隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響程度；（2 ）主要地層類型（如煤系地層、灰?guī)r、白云巖等可溶巖地層等等）特征及其隧道

5、隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響程度；（3）主要巖漿巖的類型（如侵入巖、噴出巖）特征、空間分布特征及其隧道隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響程度。,（二）深入的隧道隧洞地面地質調查技術,它是隧道隧洞不良地質宏觀預報的更重要的基礎。主要包括：地層地質調查、地質構造調查、巖漿巖侵入體調查、巖溶地質調查、煤系地層調查和水文地質調查等等技術。,（三）隧道隧洞區(qū)域不良地質分析技術,它是隧道隧洞所在地區(qū)不良地質宏觀預報的依據(jù)。因為：大多數(shù)隧道隧洞不良地質體本身就是區(qū)

6、域地層、地質構造或巖溶地質體的一部分。主要包括：地層層序和特殊巖層分析，構造體系、構造型式和構造分布規(guī)律分析，地應力狀態(tài)分析，巖漿巖侵入體成因、產(chǎn)狀分析，溶洞、暗河、巖溶陷落柱和巖溶淤泥帶成生條件和展布規(guī)律分析，煤系地層中的煤層、采空區(qū)和瓦斯地質分析等等。,二、隧道隧洞的洞身不良地質體超前預報技術,隧道隧洞施工地質災害的發(fā)生，與不良地質體的存在和施工輔助工法使用不當密切相關，這其中首先是不良地質體的存在。所以，作為超前預報技術體系，首

7、先就是進行隧道隧洞洞身不良地質體的超前預報。隧道隧洞洞身不良地質體超前地質預報依據(jù)預報距離，分為長期（長距離—下同）超前地質預報、短期（短距離—下同）超前地質預報、兩種預報形式和預報步驟。,（一）長期超前地質預報,長期超前地質預報的預報距離為掌子面前方100米以上。對于隧道隧洞不良地質體的長期超前地質預報來說，國內外主要采用TSP（隧道地震勘探—下同）或淺層地震儀等儀器探測方法來進行。石家莊鐵道學院橋隧施工地質技術研究所綜合國內外科

8、研成果，經(jīng)過20多年的深入研究，分別研制出三種長期超前地質預報技術，并研制出將三種預報技術緊密結合、可以相互驗證的高精度、高質量的綜合長期超前地質預報新技術。,1、TSP探測解譯技術,（1）概況TSP（Tunnel Seismic Prediction，隧道地震勘探）設備是由瑞士安伯格公司開發(fā)、生產(chǎn)的，是當前國內外最先進的隧道隧洞長期超前地質預報設備，也是當前超前地質預報技術中的最重要手段。它與其它超前地質預報的設備相比，最大優(yōu)點是：

9、探測距離遠（可達隧道隧洞掌子面前方300～500米,有效預報距離100～150米），分辨率高（最高分辨率為1米），抗干擾能力強（基本不受干擾），影響施工很少（鉆孔和測試在側壁進行，洞內探測時間僅用45分鐘）。,,該設備主要用于超前預報隧道掌子面前方不良地質的性質、位置和規(guī)模，最大探測距離為掌子面前方300~500m，設備限定的有效預報距離為掌子面前方100m，最高分辨率為≥1m地質體。TSP探測解譯的關鍵技術是成果圖的解譯技術，不同解

10、譯水平的人員，預報的精度可以相差很大。,,對于TSP來說，在解譯數(shù)據(jù)處理階段的搜索角和解譯事例輸出階段的走向調諧角和傾向調諧角的正確選擇，和在成果解譯階段如何依據(jù)不良地質體的成因特征確定不良地質體的圖像標志，如何將設備限定的掌子面前方100m的有效預報距離提高到150m甚至更遠、以及既能預報不良地質的性質、位置和規(guī)模還能利用地質力學的某些理論預報斷層破碎帶的圍巖級別（類別）等等技術是關鍵的解譯技術。,,目前，TSP共開發(fā)出TSP-201

11、,TSP-202和TSP-203共三個系列，其中TSP-202和TSP-203在國內外最為普及。TSP-202和TSP-203的最主要區(qū)別在于成果的解譯手段和精度：,,TSP-202，為人工解譯型，又稱“專家型”。在基本解譯原理的指導下，它必須在解譯人員具有扎實的地質學知識和基本功的前提下，依據(jù)各種不良地質體的成因特征和標志，才能對成果圖反映的不良地質體的性質、類型，位置和規(guī)模進行解譯；一般地說，解譯效果較好，預報的精度也較高。由于它的

12、解譯技術要求高，較適合解譯水平較高的技術人員使用；所以，又稱為“專家型”。,,TSP-203，為智能解譯型，又稱“專家型”。它首先通過設備軟件求得各種不良地質體的不同的物理參數(shù)，然后通過解譯人員對各種不良地質體相對可能具有的物理參數(shù)之理解，對成果圖反映的不良地質體的性質、類型，位置和規(guī)模進行解譯；由于物理參數(shù)不可能完全、準確地反映不良地質體的性質、類型；所以，一般地說，解譯效果一般，預報的精度稍低。但它具有解譯技術要求低的優(yōu)點（類似智能

13、型相機），所以較適合解譯水平一般的技術人員使用；因此，又稱“普及型”。,,TSP-202與TSP-203預報精度的比較，已被山西“雁們關隧道”中外學者分別采用TSP-202和TSP-203的超前地質預報的實踐所證實。 在瑞士、英國、法國和日本等發(fā)達國家的隧道隧洞施工中，已普遍采用TSP進行超前地質預報工作，特別是TBM機械化施工，TSP已成為TBM的“孿生弟兄”，據(jù)國外資料統(tǒng)計，它可為隧道隧洞施工增收節(jié)支總經(jīng)費的20%。,,（2）

14、TSP的基本原理：首先，在隧道隧洞內，人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源；震源發(fā)出的地震波遇到地層界面、節(jié)理面、特別是斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱、巖溶淤泥帶等不良地質界面時，將產(chǎn)生反射波，它的傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向等均與相關界面的性質以及產(chǎn)狀密切相關，并通過不同數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來；通過設備設置的震源反射波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（傳感器和記錄儀），將這遞增數(shù)據(jù)經(jīng)微機處理后儲存起來。（圖1）。,,然后，將數(shù)據(jù)輸入帶有特制軟件的電腦

15、，經(jīng)過電腦進行復雜數(shù)學計算后，最后形成反射波（縱波）波形圖(圖3)、反映相關界面或地質體反射能量的影像圖（圖4）和隧道平面、剖面圖（圖5），供工程技術人員解譯。,圖1 TSP主要設備,圖2 TSP的基本原理,TSP探測過程,見動畫片,圖3 TSP—202曲線波形圖,TSP-203曲線波形圖,圖4 TSP-202影像點能量圖,TSP-203影像點能量圖,,TSP-203 2D與3D成果圖,圖5 TSP隧道斷層平面圖,,（3）TSP能解決的

16、主要技術問題①預報掌子面前方的斷層破碎帶、軟巖、巖溶陷落柱等不良地質體的性質、位置和規(guī)模；②預報涌水量大于5米3/h以上的富水地質體和老窯、老崆等采空區(qū)的存在、位置和規(guī)模；③預報煤系地層的邊界和其中的煤層、富水砂巖；④粗略地預報圍巖級別（類別）；⑤定性地預報發(fā)生塌方、突泥突水等施工地質災害的危險性。,,（4）TSP的主要技術指標①探測距離一般為掌子面前方300～500米，最大可達1500米；有效預報距離為掌子面前方100～1

17、50米。②最高分辨率為1米地質體；③預報不良地質體位置的精度可達90%以上；④預報不良地質體規(guī)模的精度可達85%以上。,2、斷層參數(shù)預測法預報隧道隧洞斷層技術,這是作者獨家研制的、一種利用斷層影響帶內的特殊節(jié)理（11節(jié)理）和其集中帶有規(guī)律分布的特點,經(jīng)過大量斷層影響帶系統(tǒng)編錄得出的經(jīng)驗公式（Liu Zhigang公式）超前預報隧洞斷層破碎帶的位置、規(guī)模的新技術。該技術的熟練應用，可以“肉眼看出100米 ”。關鍵技術是11節(jié)理及

18、其集中帶之始見點的鑒別和確認的能力。,長梁山隧道Ｆ５斷層１１節(jié)理分布圖,Liu Zhigang公式：,①斷層上盤公式之一 BⅠ ＝37.7379N—4.8501 BⅢ ＝17.5536N—2.8272 BⅠ~Ⅲ＝20.1843N—2.0229②斷層下盤公式之一 BⅠ ＝34.4974N—0.8071 BⅢ ＝15.8532N—1.6853 BⅠ~Ⅲ＝18.6442N—0.8782

19、③斷層上盤公式之二 BⅠ ＝34.9943N BⅢ ＝16.2157N BⅠ~Ⅲ＝18.7786N④斷層下盤公式之二 BⅠ ＝34.3692N BⅢ ＝14.8677N BⅠ~Ⅲ＝19.5051N⑤斷層上盤公式之三

20、 B碎：BⅢ： BⅠ~Ⅲ： BⅠ＝0.026：0.4634：0.5366：1⑥斷層下盤公式之三 B碎： B Ⅲ： B Ⅰ~Ⅲ： B Ⅰ＝0.026：0.4326：0.5674：1,3、地面地質體投射法及其超前預報技術,這是在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、規(guī)模和巖體質量，和精確測量不良地質體產(chǎn)狀的基礎上，應用地面地質界面和地質體透射公式進行超

21、前地質預報的技術。關鍵技術是在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、規(guī)模和巖體質量的野外工作基本功。,地表地質界面和地質體投射公式：,① 在水平比例尺與垂直比例尺相同條件下，投射角與真傾角轉化公式： tan β′ = tan β sinω ②在水平比例尺為1：5000、垂直比例尺為1：2000條件下，投射角β″與投射角β′的轉化公式： tan β″ = tan β′ 5000/2

22、000 ③地表地質體投射公式： l = L –h /sin β sin ω,,4、綜合長期超前地質預報新技術,由于物探成果的多解性，解譯技術再高的解譯人員，也可能出現(xiàn)判斷上的失誤。在長期超前地質預報的實見中，若采用兩種或兩種以上的長期預報的方法和技術手段，取長補短、相互驗證，實施綜合長期超前地質預報，就可以變多解為單解，減少判斷失誤，提高預報效果。,（1）綜合長期超前預報能夠解決的技術問題,能夠探測和解譯掌子面

23、前方存在的斷層、特殊軟巖，煤系地層中的煤層、富水砂巖和煤系地層與其他巖層的界線。還可以探測和解譯掌子面前方存在的溶洞、暗河、巖溶陷落柱和淤泥帶等不良地質體。主要是查明上述不良地質的位置和規(guī)模，也可以概略地判斷不良地質體的圍巖級別（圍巖級別的準確判斷，尚須跟蹤地質工作中的圍巖評價才能真正做到）。,（2）綜合長期超前預報可以達到的技術指標,①有效預報距離可達掌子面前方200～300米，最高分辨率為1米地質體。②對不良地質性質的判斷，精度一

24、般可達到基本正確。③對不良地質位置的判斷，精度一般可達以上90%以上。④對不良地質規(guī)模的判斷，精度一般可達85~90%以上。,5、長期超前地質預報技術的適用范圍,長期超前地質預報應用于隧道隧洞貫通前的全過程，在地質復雜標段更是十分重要。,(二)短期超前地質預報技術,短期超前地質預報是在長期超前地質預報的基礎上進行的，預報距離為掌子面前方15～30米。對于短期超前地質預報來說，國內外主要采用地質雷達探測、紅外線和聲波探測等儀器探測方

25、法和掌子面編錄預測法（地質素描法）。我所經(jīng)過多年的探索，還研制出不良地質前兆預測法新技術。,1、地質雷達探測法,地質雷達屬于電磁波物探技術。電磁波通過天線向地下發(fā)射，遇到不同阻抗介面時，將產(chǎn)生反射波和透射波。接收機利用分時采樣原理和數(shù)據(jù)組合方式，把天線接收的信號轉化為數(shù)字信號，主機系統(tǒng)再將數(shù)字信號轉化為模擬信號或彩色線跡信號，并以時間剖面的形式顯示出來，供解譯人員分析。,2、掌子面編錄預測法,又稱地質素描法，屬于短期超前地質預報的一種方

26、法和技術手段。具體還包括：巖層巖性和層位預測法和地質體延伸預測法兩種具體方法。,（1）巖層層位和巖性預測法,其基本原理是：在掌子面和隧道隧洞兩壁出露的巖層與地表某段巖層證為同一和確認標志層的前提下，用地表巖層的層序預報掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層。 關鍵技術是證為同一和確認標志層。,（2）地質體延伸預測法,基本原理是：在長期超前地質預報得出的不良地質體厚度的基礎上，依據(jù)掌子面以揭露的不良地質體的產(chǎn)狀和單壁始見的位置，經(jīng)過一系列的三角函數(shù)

27、運算，求得條帶狀不良地質體在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置。關鍵技術是正確的三角函數(shù)運算。,3.不良地質前兆預測法,其基本原理是：在隧道隧洞掘進過程中，在出現(xiàn)斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱和洞穴淤泥帶之前，一般都會出現(xiàn)各自的明顯或不明顯的前兆標志；這些標志的出現(xiàn)，常常預示前述不良地質體已經(jīng)臨近了。因此，不良地質前兆預測法，一方面有助于掌子面前方不良地質體的性質的鑒別，更有助于對不良地質體臨近的判斷。,4、短期超前地質預報的主要技術

28、指標,由于短期預報是在長期預報的基礎上進行的，所以，預報的精度一般要超過長期超前地質預報，特別是對不良地質性質的預報更是如此。具體地說：預報不良地質體性質基本正確，預報位置的精度可達95%以上，預報規(guī)模的精度可達90%以上。還可以較準確地預報圍巖級別。,5、短期超前地質預報技術的適用范圍,短期超前地質預報技術主要適用于地質復雜標段，一般不適合在全隧道隧洞進行。,三、超前鉆探(一)概述,超前鉆探是超前地質預報技術體系主要組成部分，占

29、有重要的地位，具有不可或缺、不可替代的作用。特別是在巖溶隧道隧洞的超前地質預報中，更起到突出的作用。超前鉆探一般在隧道隧洞洞身長期、短期超前地質預報不得基礎上進行，側重長期、短期超前地質預報已經(jīng)基本認定的主要不良地質區(qū)段；除非特殊情況，一般不宜全隧道隧洞連續(xù)進行?？傮w上，超前鉆探分為長距離（80米）、中距離（40～60米）和短距離（15～30米）三種形式；分為取芯和不取芯兩種類型。,（二）技術要求,超前鉆探的布孔數(shù)量，

30、視不良地質的性質和可能發(fā)生施工地質災害的嚴重程度來決定。對于較大的斷層破碎帶，布置1孔至多2～3孔即可達到目的；對于溶洞、暗河或巖溶淤泥帶等可能突水區(qū)段，則以布置5孔為宜。布孔的位置，則主要依據(jù)長期、短期超前地質預報的結論來確定。超前鉆探既對隧道隧洞洞身長期、短期超前地質預報進行驗證，又為施工地質災害臨近警報提供信息。,四、施工地質災害臨近警報技術,即隧道隧洞施工地質災害監(jiān)測、判斷和臨近警報技術。它是在隧道隧洞所在地區(qū)不良地質宏觀

31、預報和隧道隧洞洞體不良地質體長期、短期超前預報的基礎上進行的，也是廣義超前地質預報的第三道工序。主要包括：施工地質災害的環(huán)境監(jiān)測技術，施工地質災害發(fā)生可能性的判斷技術。,(一) 施工地質災害的環(huán)境監(jiān)測技術,這是施工地質災害警報技術的基礎工作也是第一步的工作。主要包括：不良地質體性質的鑒定和區(qū)分技術，地下水涌水量監(jiān)測技術，煤與瓦斯突出的環(huán)境監(jiān)測技術，巖爆發(fā)生的環(huán)境監(jiān)測技術。,1、塌方地質體性質鑒定和區(qū)分技術,主要包括：斷層破

32、碎帶和巖溶陷落柱等塌方不良地質體性質的鑒定和區(qū)分技術，，溶洞、暗河、稠性和稀性巖溶淤泥帶等突泥突水不良地質體性質的鑒定和區(qū)分技術。,2、涌水量的監(jiān)測技術,涌水量監(jiān)測的方法，主要有儀器測量法和簡易涌水量監(jiān)測法。簡易涌水量監(jiān)測法是利用超前鉆孔的地下水噴射距來預報涌水或突水級別的方法。,3、煤與瓦斯突出的監(jiān)測技術,主要是煤與瓦斯突出產(chǎn)生的基本地質條件的分析、研究和觀測。主要有：(1)高地應力地區(qū)；(2)高量、高壓瓦斯煤層；(3)煤包、

33、壓沖逆斷層下盤、封閉的背斜核部、小斷層交匯處等特殊構造部位的預測預報；(4)構造煤的存在,4、巖爆的監(jiān)測技術,主要是分析研究和觀測巖爆產(chǎn)生的基本地質條件 。主要有：(1)高地應力地區(qū)，特別是大小水平地應力比值＞1.5的地區(qū)；(2)200米～700米埋深的隧洞；(3)堅硬、脆性的巖石，完整或基本完整但表面參差不齊的巖體和干燥的圍巖；(4)最大主壓應力軸向與隧洞軸向垂直或大角度相交。,(二) 施工地質災害能否發(fā)生的判斷技術,這是施

34、工地質災害警報技術中的最關鍵技術，也是第二步的工作。主要包括：塌方、突泥突水、煤與瓦斯突出和巖爆等等重大施工地質災害發(fā)生可能性的一系列判斷技術。,1、斷層破碎帶塌方可能性的判斷,①斷層上下盤巖性和巖石力學性質②斷層力學性質③斷層復合與復合特征④斷層破碎帶的厚度⑤斷層破碎帶的物質組成和膠結程度⑥斷層破碎帶的圍巖結構 ⑦斷層破碎帶的產(chǎn)狀及其隧洞的空間關系⑧地下水和地應力的影響,2、巖溶陷落柱塌方可能性的判斷,①巖溶陷落柱的規(guī)

35、模大小②巖溶陷落柱的干、濕性③巖溶陷落柱的含泥量和物質組成④巖溶陷落柱邊緣的地下水特征,3、突泥突水可能性的判斷,(1)距隧道底1米的獨孔噴射距≤5米，相當涌水量小于100米3/小時，為大、中、小型涌水；(2)噴射距=5米～9米，相當涌水量為100～300米3/小時，為小型突水；(3)噴射距=9米～12米，相當涌水量為300～400米3/小時，為中型突水；(4)噴射距>12米，相當涌水量大于400米3/小時，為大型、特

36、大型涌水。,4、煤與瓦斯突出可能發(fā)生的判斷技術,主要是煤與瓦斯突出可能發(fā)生的各種前兆的及早、準確警報 。,5、巖爆發(fā)生可能性的判斷,在具備上述四大基本圍巖環(huán)境的前提下，小型巖爆的發(fā)生即是大型巖爆即將發(fā)生的可靠前兆。,（三）施工地質災害臨近警報達到的技術指標,在施工單位的積極配合下（主要是共同協(xié)商不良地質施工的輔助工法），可以基本保證項目所研究和應用的地質復雜隧道不發(fā)生塌方、突泥、突水、煤與瓦斯突出和巖爆等重大施工地質災害。,結語,多年來

37、，我所一直從事隧道隧洞施工地質災害的超前地質預報科研工作。開展全面施工地質工作的工程有：朔黃鐵路長梁山隧道、株六復線新倮納隧道、公伯峽水電站右岸導流洞和渝懷鐵路歌樂山隧道；部分開展TSP探測的工程還有：株六復線新花賴隧道、內昆鐵路朱嘎隧道、西南鐵路桃花鋪Ⅰ號、Ⅱ號隧道、渝懷鐵路武隆隧道、山西雁門關公路隧道和重慶駝家山公路隧道等等?？蒲谐晒谖覈芏噼F路、公路隧道和水電系統(tǒng)的隧洞施工中得到廣泛推廣應用。 當然，我們還