中铁二十三局讲课课件(岩溶隧道施工)

1、 过去一直用过去一直用 的溶解度大大高于的溶解度大大高于 来解释，即来解释，即 3COCa23)(HCOCa23223)(HCOCCOOHCaCOa 有的研究者（中山，有的研究者（中山，19691969；PicknetPicknet，19781978）认为，上）认为，上述反应式与实际情况不符。其原因是从来未发现过述反应式与实际情况不符。其原因是从来未发现过 分分子，且子，且 与与 参加反应的比例也并非参加反应的比例也并非1 1：1 1。说明这一反。说明这一反应的复杂性。应的复杂性。23)(HCOCa3COCa2CO 由于溶蚀作用和由此引起的机械冲刷坍陷等作用共的的由于溶蚀作用和由此引起的机械冲

2、刷坍陷等作用共的的结果，在地表与地下形成的奇特地形形态有十几种结果，在地表与地下形成的奇特地形形态有十几种 1 1）溶沟和石芽）溶沟和石芽 2 2）溶蚀裂隙）溶蚀裂隙 3 3）漏斗）漏斗 4 4）溶蚀洼地）溶蚀洼地 5 5）落水洞）落水洞 6 6）坡立谷）坡立谷 7 7）峰林）峰林 8 8）干谷）干谷 9 9）溶洞）溶洞 1010）暗河）暗河 溶沟溶沟 石芽石芽 漏斗漏斗 溶蚀洼地溶蚀洼地 落水洞落水洞 坡立谷坡立谷峰林峰林江西仙境三清山 雨雾中的张家界天子山 广西英西峰林连绵20公里 云南石林 干谷干谷 溶洞溶洞暗河暗河(1)缓倾岩层缓倾岩层可溶岩与非可溶岩的接触面附近溶蚀作用强烈，常有一系

3、可溶岩与非可溶岩的接触面附近溶蚀作用强烈，常有一系列漏斗、落水洞及岩溶泉出露。列漏斗、落水洞及岩溶泉出露。(2)陡倾岩层陡倾岩层（1）核部）核部（2）翼部翼部背斜核部背斜核部-张节理发育，雨水和地表水由此下渗张节理发育，雨水和地表水由此下渗并补给给其它地区，形成垂直岩溶地形；向斜核并补给给其它地区，形成垂直岩溶地形；向斜核部部-是岩溶水汇聚区，岩溶水聚集后沿轴向流动是岩溶水汇聚区，岩溶水聚集后沿轴向流动排泄，形成水平岩溶地形。排泄，形成水平岩溶地形。 水循环强烈的流通部位，岩溶一般较发育。水循环强烈的流通部位，岩溶一般较发育。 （1）张性断裂带（正断层）张性断裂带（正断层）（3）扭性断裂带（平

4、移断层）扭性断裂带（平移断层）破碎带宽度较小，但张开程度较大，结构松散，缺乏胶结，破碎带宽度较小，但张开程度较大，结构松散，缺乏胶结，有利于地下水渗透溶蚀，是岩溶强烈发育地带。有利于地下水渗透溶蚀，是岩溶强烈发育地带。 断裂面上压力较大，压碎岩、糜棱岩和断层泥多呈致密状态，断裂面上压力较大，压碎岩、糜棱岩和断层泥多呈致密状态，胶结紧密，岩溶发育较差；但其上升盘影响规模大，牵引现象胶结紧密，岩溶发育较差；但其上升盘影响规模大，牵引现象造成岩层剧烈上拱，产生大量张节理，有利于岩溶发育造成岩层剧烈上拱，产生大量张节理，有利于岩溶发育 。 岩溶发育情况介于前两者之间，岩溶作用的深度一般较大。岩溶发育情

5、况介于前两者之间，岩溶作用的深度一般较大。 （2）压性断裂带（逆断层）压性断裂带（逆断层）我国碳酸盐岩分布广，面积约达我国碳酸盐岩分布广，面积约达130104km2，主要，主要集中于华南和西南这两个地区分别发育了或保留着集中于华南和西南这两个地区分别发育了或保留着大面积的热带岩溶；其次是长江中下游的我国中部地大面积的热带岩溶；其次是长江中下游的我国中部地区，岩溶化程度较弱：再次为华北地区，由于气候的区，岩溶化程度较弱：再次为华北地区，由于气候的影响，岩溶化程度远不及南方；青藏高原海拔影响，岩溶化程度远不及南方；青藏高原海拔4000米以上的残存古热带岩溶岩，已受寒凉作用的改造，米以上的残存古热带

6、岩溶岩，已受寒凉作用的改造，为一特殊类型的岩溶。为一特殊类型的岩溶。1、地质条件的不确定性与复杂性、地质条件的不确定性与复杂性2、地质勘察现有的技术水平、地质勘察现有的技术水平3、岩溶隧道危害性大、岩溶隧道危害性大3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法1、地面地质调查法、地面地质调查法 2、地面、地面(洞外洞外)浅层地震法浅层地震法3、地面、地面(洞外洞外)电阻率法电阻率法 4、地面重力勘探、地面重力勘探5、遥感信息技术、遥感信息技术 6、放射性测量、放射性测量(测氧知、测氧知、Hg等）等）7、测井法、测井法 8、综合方法、综合方法3.2.2 洞内掌子面岩溶探

7、测方法洞内掌子面岩溶探测方法1、长距离超前地质预报、长距离超前地质预报2、短距离超前地质预报、短距离超前地质预报3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法1、地面地质调查法、地面地质调查法 刘志刚、刘秀峰等将地面地质调查的工作方法分为地质测绘法、刘志刚、刘秀峰等将地面地质调查的工作方法分为地质测绘法、地面地质界面和地质体投射技术。其中前者采用的主要技术手段有穿地面地质界面和地质体投射技术。其中前者采用的主要技术手段有穿越、追索和全面踏勘三种越、追索和全面踏勘三种;后者主要是利用调查的结果运用投射公式进后者主要是利用调查的结果运用投射公式进行计算，利用这种方法可进行

8、如下工作。行计算，利用这种方法可进行如下工作。(l)弄清楚隧道线路经过地区可溶岩弄清楚隧道线路经过地区可溶岩(灰岩、盐岩灰岩、盐岩)，特别是强溶岩，特别是强溶岩(纯灰纯灰岩、白云岩、盐岩岩、白云岩、盐岩)的地层层位、展布范围及所处的岩溶水动力分带。的地层层位、展布范围及所处的岩溶水动力分带。(2)查明隧道线路经过地区及其邻近地区，在可溶岩特别是强溶岩中分查明隧道线路经过地区及其邻近地区，在可溶岩特别是强溶岩中分布规模较大断层的产状及其与地表隧道轴线的相互关系布规模较大断层的产状及其与地表隧道轴线的相互关系;特别注意那些特别注意那些两条或两条以上断层交汇的位置两条或两条以上断层交汇的位置(它们是

9、侵蚀性地下水的有利通道它们是侵蚀性地下水的有利通道)。(3)查明可溶岩与非可溶岩接触界面的位置及其与地表隧道轴线的相互查明可溶岩与非可溶岩接触界面的位置及其与地表隧道轴线的相互关系。关系。(4)结合上述有利于岩溶发育的岩层层位和构造位置，在大小封闭的洼结合上述有利于岩溶发育的岩层层位和构造位置，在大小封闭的洼地内，寻找大型溶洞或暗河的入口。地内，寻找大型溶洞或暗河的入口。3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法1、地面地质调查法、地面地质调查法(5)根据断层产状或可溶岩与非可溶岩界面的产状，用地面地质界面法根据断层产状或可溶岩与非可溶岩界面的产状，用地面地质界面

10、法和投射公式，求得可能出现的大型溶洞、暗河与隧道的相互关系。和投射公式，求得可能出现的大型溶洞、暗河与隧道的相互关系。(6)查明暗河入口和出口的位置及标高，并结合可能成为暗河通道的较查明暗河入口和出口的位置及标高，并结合可能成为暗河通道的较大断层或较紧闭背斜褶皱核部的位置、产状，推断暗河的大致通道，大断层或较紧闭背斜褶皱核部的位置、产状，推断暗河的大致通道，确定能否与隧道相遇或与隧道的大概位置关系。确定能否与隧道相遇或与隧道的大概位置关系。(7)依据岩溶发育的分带性和隧道相对标高和季节变化，判断那些可能依据岩溶发育的分带性和隧道相对标高和季节变化，判断那些可能与隧道相遇溶洞、暗河的含水量与隧道

11、相遇溶洞、暗河的含水量;或推断那些不与隧道相遇的有水溶洞或推断那些不与隧道相遇的有水溶洞或暗河对隧道施工的影响程度。或暗河对隧道施工的影响程度。(8)搞清隧道所在位置所属的构造体系和地表具体的构造行迹。搞清隧道所在位置所属的构造体系和地表具体的构造行迹。 通过以上方法定性确定岩溶的空间分布，但此方法预报岩溶的精通过以上方法定性确定岩溶的空间分布，但此方法预报岩溶的精度远远满足不了隧道施工的具体要求，仅对具体预报的解释有指导意度远远满足不了隧道施工的具体要求，仅对具体预报的解释有指导意义。义。3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法2、地面、地面(洞外洞外)浅层地

12、震法浅层地震法 针对岩溶地区的地质条件，为了取得理想的野外资料提高预报精针对岩溶地区的地质条件，为了取得理想的野外资料提高预报精度，以下从野外数据采集、资料处理、野外实例分析岩溶的地震响应度，以下从野外数据采集、资料处理、野外实例分析岩溶的地震响应特征及方法特点。该方法是地面探测岩溶的常用方法。浅层地震探测特征及方法特点。该方法是地面探测岩溶的常用方法。浅层地震探测岩溶及陷落柱通常采用反射波法。岩溶及陷落柱通常采用反射波法。 这方面的探测实例很多，但该方法受到测线布置、解译方法水平这方面的探测实例很多，但该方法受到测线布置、解译方法水平等的限制，且其探测精度受局部地质条件的影响与波速参数差异有

13、关等的限制，且其探测精度受局部地质条件的影响与波速参数差异有关。在测点线布置不当、异常叠加、覆盖层较厚的情况下，易漏掉有用。在测点线布置不当、异常叠加、覆盖层较厚的情况下，易漏掉有用异常。依据溶洞的强反射特征，利用三维浅震探测岩溶效果将更好。异常。依据溶洞的强反射特征，利用三维浅震探测岩溶效果将更好。3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法3、地面、地面(洞外洞外)电阻率法电阻率法 探测岩溶的常用电阻率方法包括探测岩溶的常用电阻率方法包括:电测深法、高密度电阻率法、偶电测深法、高密度电阻率法、偶极法、充电电位法、自然电位法、激电中梯、地质雷达法、瞬变电磁极法、充

14、电电位法、自然电位法、激电中梯、地质雷达法、瞬变电磁法、法、CSAEM、高频大地电磁法、高频大地电磁法(EH一一4)氰法等氰法等3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法4、地面重力勘探、地面重力勘探 国外应用重力法探测岩溶始于本世纪六十年代初期，到七十年代国外应用重力法探测岩溶始于本世纪六十年代初期，到七十年代未八十年代初，未八十年代初，DresenL.等人应用重力垂直梯度技术探测浅埋溶洞获等人应用重力垂直梯度技术探测浅埋溶洞获得成功。在我国以探测岩溶为目的的重力工作起步于七十年代末，由得成功。在我国以探测岩溶为目的的重力工作起步于七十年代末，由原地质部物探研究

15、所应用地面重力方法寻找山东泰安火车站铁路塌陷原地质部物探研究所应用地面重力方法寻找山东泰安火车站铁路塌陷的浅部岩溶，取得了一定的地质效果，但当时受重力仪观测精度等因的浅部岩溶，取得了一定的地质效果，但当时受重力仪观测精度等因素的限制，影响了重力异常的解释精度，之后的十多年中，国内此项素的限制，影响了重力异常的解释精度，之后的十多年中，国内此项工作基本处于停滞状态。工作基本处于停滞状态。“七五七五”期间，地矿部岩溶地质研究所在期间，地矿部岩溶地质研究所在“隐伏岩溶探测方法的研究隐伏岩溶探测方法的研究”项目中，在国内首次系统成功地应用重力项目中，在国内首次系统成功地应用重力垂直梯度测量技术探测浅埋

16、溶垂直梯度测量技术探测浅埋溶(土土)洞等隐伏岩溶地质体，从而开辟了我洞等隐伏岩溶地质体，从而开辟了我国隐伏岩溶探测的新途径国隐伏岩溶探测的新途径. 当地下浅部存在局部密度不均匀体时，地球重力位将发生畸变，当地下浅部存在局部密度不均匀体时，地球重力位将发生畸变，重力及其梯度也随之畸变。重力等位面的畸变为利用重力垂直梯度测重力及其梯度也随之畸变。重力等位面的畸变为利用重力垂直梯度测量技术探测隐伏岩溶或其它局部密度不均匀体提供了有利的物理条件量技术探测隐伏岩溶或其它局部密度不均匀体提供了有利的物理条件. 由于溶由于溶(土土)洞的重力异常较微弱，提高仪器观测精度及降低野外观洞的重力异常较微弱，提高仪器

17、观测精度及降低野外观测误差，是重力垂直梯度测量技术探测溶测误差，是重力垂直梯度测量技术探测溶(土土)洞成败的关键。实测重力洞成败的关键。实测重力垂直梯度值观测质量的好坏，除受重力仪观测精度影响外，还与仪器垂直梯度值观测质量的好坏，除受重力仪观测精度影响外，还与仪器高差选择合理与否有关。高差选择合理与否有关。3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法5、遥感信息技术、遥感信息技术 地质现象在彩红外图象上往往呈现出环形或线性构造等影像特征地质现象在彩红外图象上往往呈现出环形或线性构造等影像特征。由于岩溶作为一种地质现象与地质活动有关，因此，线性或环形构。由于岩溶作为一

18、种地质现象与地质活动有关，因此，线性或环形构造等与岩溶虽然不是一一对应关系，但对岩溶的存在有一定的控制作造等与岩溶虽然不是一一对应关系，但对岩溶的存在有一定的控制作用。对于分析岩溶分布规律来说，解译线性和环形构造是十分必要的用。对于分析岩溶分布规律来说，解译线性和环形构造是十分必要的。 1991年遥感技术首次在南昆铁路施工阶段得到应用，并取得较好年遥感技术首次在南昆铁路施工阶段得到应用，并取得较好效果。随着遥感图像分辨率的不断提高效果。随着遥感图像分辨率的不断提高(从最初的从最初的80m到目前的到目前的lm)，使，使遥感技术用于隧道施工洞外预测预报和监测更趋成熟。特别是铁道专遥感技术用于隧道施

19、工洞外预测预报和监测更趋成熟。特别是铁道专业设计院提出的业设计院提出的“隧道遥感富水程度估算经验公式，使遥感技术从定隧道遥感富水程度估算经验公式，使遥感技术从定性判释转化为定量数据，为遥感技术应用开辟了一条新的途径，是一性判释转化为定量数据，为遥感技术应用开辟了一条新的途径，是一种很有应用前途的方法。种很有应用前途的方法。 3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法6、放射性测量、放射性测量(测氧知、测氧知、Hg、CO2、S02等等) 董兆祥、刘洪福及P.Theodorsson，Tadeusz、Andrzej、Przylibski等在采用放射性法探测岩溶、采空区、

20、陷落柱方面取得了好的效果。因此，根据氛气异常的峰值状态可确定岩溶及陷落柱的位置与范围。测氛方法以其经济、简捷、快速、易于操作等优势在确定地下岩溶陷落柱的位置与范围方面具有广阔的应用前景。 3.2.1 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法岩溶地质灾害探测方法8、综合方法、综合方法 国内外在探测岩溶方面，己有许多学者提出要通过组合(综合)的方法进行岩溶探测以提高预报精度和解释的唯一性. 地面地面(洞外洞外)岩溶地质灾害探测方法评价岩溶地质灾害探测方法评价 3.2.2 洞内掌子面岩溶探测方法洞内掌子面岩溶探测方法 1）长距离超前地质预报）长距离超前地质预报 长距离超前地质预报包括长距离超前地质预

21、报包括:隧道地震预报隧道地震预报(TSP、VSP、TRT)、隧道、隧道电性预报、水平超前钻探等电性预报、水平超前钻探等2）短距离超前地质预报）短距离超前地质预报 地质雷达法、地质雷达法、BEAM法、水平声波剖面法、陆地声纳法、红外探法、水平声波剖面法、陆地声纳法、红外探水法、超前平行导坑水法、超前平行导坑(隧道隧道)法、水平钻速法、充电法、自然电位法、隧法、水平钻速法、充电法、自然电位法、隧道及井巷电磁导弹超前预报技术、掌子面地质编录预测法。道及井巷电磁导弹超前预报技术、掌子面地质编录预测法。 洞内掌子面岩溶探测方法评价洞内掌子面岩溶探测方法评价 3.2.3岩溶隧道超前地质预报方法评价岩溶隧道

22、超前地质预报方法评价 纵览以上隧道超前地质预报的各种方法，虽然分为地面(洞外)与掌子面(洞内)的预报方法，但根据地球物理勘探技术及参数特点，各种方法各有其特点及局限性，且各地的岩溶地质条件不同，以物性参数差异为前提的探测使优选预报方法的基础。据以上特点，隧道超前地质预报所采用的方法及参数多样性是隧道预报永恒的特点，多参数组合形式是预报的高级阶段，参数优化组合是预报的必然趋势。多种方法与参数的综合集成是预报的必然趋势。 齐岳山隧道岩溶超前预报综合集成齐岳山隧道岩溶超前预报综合集成 齐岳山隧道全长齐岳山隧道全长I0528m，其中进口段约，其中进口段约4000米的工程地质和水文米的工程地质和水文地质

23、极其复杂，地质构造为齐岳山背斜，隧道穿越二、三叠系灰岩地地质极其复杂，地质构造为齐岳山背斜，隧道穿越二、三叠系灰岩地层，全部位于可溶岩地段。该区域发育有大、小鱼泉及得胜场三条暗层，全部位于可溶岩地段。该区域发育有大、小鱼泉及得胜场三条暗河，穿越河，穿越9条较大断层。预测隧道正常涌水量约为条较大断层。预测隧道正常涌水量约为17.6万万m3/d，最大涌，最大涌水量约为水量约为74.3万万m3/d。主要地质灾害问题为岩溶、突泥、涌水、瓦斯。主要地质灾害问题为岩溶、突泥、涌水、瓦斯及天然气。围岩级别变化频繁，断面形式较多，施工难度极大，不可及天然气。围岩级别变化频繁，断面形式较多，施工难度极大，不可预

24、见因素较多预见因素较多.采用了采用了TSP203、地质雷达、红外探水、超前钻探、地质雷达、红外探水、超前钻探多种多种手段对岩溶进行了预报。手段对岩溶进行了预报。 齐岳山隧道岩溶超前预报综合集成齐岳山隧道岩溶超前预报综合集成超前预报效果对比分析超前预报效果对比分析一、溶腔位置预测一、溶腔位置预测从从2005年年1月月1日至日至2006年年1月月1日一年间，齐岳山隧道平导与正洞共穿日一年间，齐岳山隧道平导与正洞共穿越宽度大于越宽度大于0.5米溶腔米溶腔12处，其中处，其中TSPZO3超前地质预报系统准确预报超前地质预报系统准确预报出出2次，准确率为次，准确率为16.7%;而多功能超前水平钻机准确的预报出而多功能超前水