隧道施工地质灾害及其超前预报课件

1、隧道施工地质灾害及其超前预报隧道施工地质灾害及其超前预报中铁西南科学研究院 何发亮教授级高级工程师、硕士研究生导师隧道施工地质灾害及其超前预报l 众所周知，经历了众多隧道地质超前预报成功与失败和大量众所周知，经历了众多隧道地质超前预报成功与失败和大量隧道工程实践之后，在各级领导的重视和众多专家的呼吁下，隧隧道工程实践之后，在各级领导的重视和众多专家的呼吁下，隧道地质超前预报工作作为施工工序的一个重要组成部分已经在许道地质超前预报工作作为施工工序的一个重要组成部分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施；以地质法为基多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施；以地质法为基础，以地球物理

2、探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法，础，以地球物理探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法，也已成为隧道工程界的共识并得到广泛的认同。尽管如此，但片也已成为隧道工程界的共识并得到广泛的认同。尽管如此，但片面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质超前预报；面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质超前预报；忽视隧道施工期地质工作；由于缺乏地质工程师，仅仅靠几个毫忽视隧道施工期地质工作；由于缺乏地质工程师，仅仅靠几个毫无地质基础知识的经过仪器操作和分析软件使用培训人员便开展无地质基础知识的经过仪器操作和分析软件使用培训人员便开展隧道施工地质预报等现象仍普遍存在。如此下去，要提高隧道

3、施隧道施工地质预报等现象仍普遍存在。如此下去，要提高隧道施工地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能。工地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能。l 隧道施工地质灾害及其超前预报l 隧道施工地质超前预报是在隧道施工地质超前预报是在隧道洞内外地质调查、掌子面素隧道洞内外地质调查、掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、描结果的基础上，根据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；采用地球物理探测手段对隧道施工掌洞内外构造相关分析结果；采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学等各学科知子面进行探测，运用地质学、数学

4、、物理学、逻辑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。预报。隧道施工地质灾害及其超前预报l开展隧道施工地质灾害及其超前地质预开展隧道施工地质灾害及其超前地质预报的必要性报的必要性 l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害 l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法 l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害及其超前预报l开展隧道

5、施工地质灾害及其超前地质预报的必开展隧道施工地质灾害及其超前地质预报的必要性要性l(1)(1)勘测设计阶段的地质工作量投入所限勘测设计阶段的地质工作量投入所限, ,勘察精度不够勘察精度不够, ,致使设致使设计与实际不符的情况时有发生计与实际不符的情况时有发生, ,由此造成的地质灾害给隧道施工由此造成的地质灾害给隧道施工和运营带来极大的危害；和运营带来极大的危害；l (2)(2)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；观把握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握；l (3)(3)复杂长隧

6、道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响；复杂长隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响；l (4)(4)人为作用（施工开挖）引起地质的变化只有在施工期才能显人为作用（施工开挖）引起地质的变化只有在施工期才能显现出来；现出来；l (5)(5)施工期需要对地质的掌握不能只是停留在定性评价上，要有施工期需要对地质的掌握不能只是停留在定性评价上，要有定量的评价；定量的评价；l (6)(6)作为地质工作的全过程的组成部分，是积累经验提高隧道施作为地质工作的全过程的组成部分，是积累经验提高隧道施工地质超前预报准确率和水平的需要，是建立隧道工程完整地质工地质超前预报准确率和水平的需要，是建立隧道工程完整

7、地质资料的需要资料的需要 。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害l(1)(1)围岩的变形、失稳破坏围岩的变形、失稳破坏l a.a.软岩软岩( (软质岩、断层泥、粘土质岩溶充填物软质岩、断层泥、粘土质岩溶充填物) )变形失稳坍方变形失稳坍方l b.弱岩（节理密集发育岩体、断层及其影响带破碎岩体、结构弱岩（节理密集发育岩体、断层及其影响带破碎岩体、结构面不利组合构成的不稳定块体）失稳坍方、塌落面不利组合构成的不稳定块体）失稳坍方、塌落l(2)(2)隧道涌水隧道涌水l a.节理密集发育岩体富水节理密集发育岩体富水l b.断层及其影响带破碎岩体地下水储存运移通道断层及其影响

8、带破碎岩体地下水储存运移通道l c.充水岩溶（溶隙、溶缝、溶管、溶洞、地下岩溶暗河等）充水岩溶（溶隙、溶缝、溶管、溶洞、地下岩溶暗河等）隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害l(3)(3)隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）l a.a.饱水断层破碎带含粘土破碎岩坍塌饱水断层破碎带含粘土破碎岩坍塌l b.b.饱水全、强风化岩脉坍塌饱水全、强风化岩脉坍塌l c.c.饱水饱水粘土质、粘土夹块石岩溶充填物坍塌、揭穿粘土质、粘土夹块石岩溶充填物坍塌、揭穿l(4)(4)岩爆岩爆l a.a.深埋隧道中脆性、高强度、完整性极好岩体深埋隧道中脆性、高强度、完整性极好岩

9、体l b.b.浅埋隧道地表地形突变位置脆性、高强度、完整性极好岩浅埋隧道地表地形突变位置脆性、高强度、完整性极好岩 体体隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害l(5)(5)有害气体突出、燃烧、爆炸有害气体突出、燃烧、爆炸l主要是与煤层、炭质泥岩、炭质页岩有关的瓦斯气体突出、燃烧、主要是与煤层、炭质泥岩、炭质页岩有关的瓦斯气体突出、燃烧、爆炸爆炸l(6)(6)高地温高地温l(7)(7)地表生态环境灾害地表生态环境灾害( (地表塌陷、地表水源枯地表塌陷、地表水源枯竭等竭等) )l主要与隧道洞内坍方、主要与隧道洞内坍方、泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水有关泥砂石流（涌泥涌沙）、涌水

10、有关隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法l(1)(1)资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸l a.a.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资料收集l b.b.勘察成果整理分析勘察成果整理分析l c.c.熟悉设计文件、资料和图纸熟悉设计文件、资料和图纸l(2)(2)补充地质调查补充地质调查l 通过前述工作，确定隧道施工地质预报重点段，确保有限经通过前述工作，确定隧道施工地质预报重点段，确保有限经费的有效使用费的有效使用l(3)(3)洞内地质调查和掌子面地质素描洞内地质调查

11、和掌子面地质素描l a.a.洞内地质调查洞内地质调查l b.b.掌子面地质素描掌子面地质素描l 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法l(3)(3)物探方法的选择和现场实施掌子面探测物探方法的选择和现场实施掌子面探测l a.a.物探方法的选择物探方法的选择(物探方法与地质法的结合物探方法与地质法的结合)l b. b.掌子面探测掌子面探测l(4)探测成果分析探测成果分析l(5)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级l 工程岩体分级标准（工程岩体分级标准（GB 5021895）以岩体完整性、岩石质）以岩体完整性、岩石质量作为分级的基本参数，以主要结构面状态、岩体含

12、水情况、和量作为分级的基本参数，以主要结构面状态、岩体含水情况、和初始应力状态作为修正参数来进行。初始应力状态作为修正参数来进行。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法l(5)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级l根据岩体基本质量指标的大小将工程岩体分为五级：根据岩体基本质量指标的大小将工程岩体分为五级：l BQ=90+3RC+250KVl根据地下水、主要软弱结构面产状、岩体初始地应力状态对岩体根据地下水、主要软弱结构面产状、岩体初始地应力状态对岩体基本质量指标进行修正，根据修正后的岩体基本质量指标确定工基本质量指标进行修正，根据修正后的岩体基本质量指标确定

13、工程岩体的最终级别：程岩体的最终级别：l BQ=（90+3RC+250KV）100（K1+K2+K3）l式中式中 RC岩石单轴饱和抗压强度（岩石单轴饱和抗压强度（MPa）l KV岩体完整性指数；岩体完整性指数；l K1地下水影响修正指标；地下水影响修正指标；l K2主要软弱结构面产状影响修正指标；主要软弱结构面产状影响修正指标；l K3初始应力状态影响修正指标；初始应力状态影响修正指标；隧道施工地质灾害及其超前预报l(5)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级l显然，在隧道地质超前预报特别是施工地质超前预报阶段，根据显然，在隧道地质超前预报特别是施工地质超前预报阶段，根据围岩岩体体积节理数（围岩岩体

14、体积节理数（JV）、岩石体声波测试可确定围岩岩体完）、岩石体声波测试可确定围岩岩体完整性系数整性系数KV；根据估计的岩石单轴抗压强度可确定；根据估计的岩石单轴抗压强度可确定RC；根据隧；根据隧道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；岩体的道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；岩体的初始地应力状态无法确定。因此，只能提出隧道工程岩体的建议初始地应力状态无法确定。因此，只能提出隧道工程岩体的建议分级级别分级级别。隧道施工地质灾害及其超前预报l(6)预报报告的内容及报告的提交预报报告的内容及报告的提交l a.预报报告的内容预报报告的内容l预报报告应包括以内容：预报报告应包括以内

15、容：l（1）工程概况；）工程概况；l（2）地质预报采用的方法原理；）地质预报采用的方法原理；l（3）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图；）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图；l （4）探测区、点布置图；）探测区、点布置图；l （5）结合隧道勘察设计资料、补充地质调查结果、洞内地质调）结合隧道勘察设计资料、补充地质调查结果、洞内地质调查结果进行的探测分析结果（包括文字、探测典型波形图、波谱查结果进行的探测分析结果（包括文字、探测典型波形图、波谱图和成果图等）；图和成果图等）；l（6）预报结论及下步施工措施建议（围岩加固、初期支护、超）预报结论及下步施工措施建议（围岩加固、初期支护、超

16、前支护、永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议）前支护、永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议） l b.报告的提交报告的提交(及时及时)隧道施工地质灾害及其超前预报l(7)验证验证l 施工开挖验证是隧道地质超前预报的重要施工开挖验证是隧道地质超前预报的重要的一环，是改进探测布置、提高预报准确率的的一环，是改进探测布置、提高预报准确率的需要，也是完成预报工作的要求。需要，也是完成预报工作的要求。l 具体而言，应随开挖进行不良地质体带位具体而言，应随开挖进行不良地质体带位置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模等的记录，并与预报结论进行

17、对比（列表对等的记录，并与预报结论进行对比（列表对比），从中分析成功和失败的原因，以利下一比），从中分析成功和失败的原因，以利下一步工作的开展。步工作的开展。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l(1)地质法地质法l(2)超前（平行）导坑（隧道）法超前（平行）导坑（隧道）法l(3)超前水平钻孔法超前水平钻孔法l(4)超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法l(5)声波声波CT层析成像法层析成像法l(6)波反射法波反射法(地震、声波、超声波、电磁波地震、声波、超声波、电磁波)l (7)波反射层析成像法波反射层析成像法 隧道施工地

18、质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法地质法地质法 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进行。在隧可研和可行性研究阶段、勘察设计阶段均采用地质法进行。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（包括结构面统计分征，结合地表地质调

19、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型式等。接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。l 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，也是任何其它隧道施工期地质超前预报方法的基础。它隧道施工期地质超前预报方法的基础。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施

20、工地质灾害预报方法l超前（平行）导坑（隧道）法超前（平行）导坑（隧道）法l 利用已有隧道地质资料进行与已有隧道平行的施工利用已有隧道地质资料进行与已有隧道平行的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。预报效果更佳。l 超前导坑法是我国隧道施工早期采用的隧

21、道施工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。期地质超前预报方法。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法超前水平钻孔法l 采用超前水平钻孔进行隧道施工期掌子面前方地质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最直接的方超前预报是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法。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掌子面前方岩石（体）的强度指察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石（体）的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整

22、程度指标及标、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。目前国内采用这种地下水状况等诸多方面的直接资料。目前国内采用这种方法进行隧道施工期地质超前预报主要在水工隧道（洞）方法进行隧道施工期地质超前预报主要在水工隧道（洞）和长大铁路、公路工程中，国外已较为普遍。采用此方和长大铁路、公路工程中，国外已较为普遍。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。到探水的作用。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法超前钻孔声波

23、测井及跨孔声波透视法l 采用声波探测技术，利用凿岩台车在隧道施工掌子采用声波探测技术，利用凿岩台车在隧道施工掌子面加接钻杆施作微倾角超前钻孔，通过孔中测井或跨面加接钻杆施作微倾角超前钻孔，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。况）的超前预报。l 受钻孔施作等的限制，该方法目前已发展为声波受钻孔施作等的限制，该方法目前已发展为声波CTCT法。法。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预隧道施工地质灾害预报方法报方法l超前钻孔声波测井及跨孔超前钻孔声波测井及跨孔声波透视法声波透视法l大瑶山隧道大瑶山隧道

24、DK1994+650掌子掌子面面跨孔声波透视法跨孔声波透视法地质预报地质预报 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l声波声波CT层析成像法层析成像法l 声波层析成像法移植于混凝土声波声波层析成像法移植于混凝土声波CTCT层析成像层析成像(Computer (Computer Tomography,Tomography,简称简称CTCT成像或成像或) )。混凝土声波。混凝土声波CTCT层析成像国外始层析成像国外始于于7070年代，该方法借助医学界射线断层扫描的基本手段，结合年代，该方法借助医学界射线断层扫描的基本手段，结合其物理力学性质的相关分析，采用射

25、线走时和振幅来重构混凝土其物理力学性质的相关分析，采用射线走时和振幅来重构混凝土内部声速值及衰减系数的场分布，通过像素、色谱、立体网络的内部声速值及衰减系数的场分布，通过像素、色谱、立体网络的综合展示，以期达到直观反映混综合展示，以期达到直观反映混凝土内部结构图像之目的。凝土内部结构图像之目的。 l 近年来，随着计算机技术的广泛应用和声波近年来，随着计算机技术的广泛应用和声波CTCT专用软件的成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功开发，在原有跨孔声波测试基础上开发的岩土声波CTCT层析成像层析成像法已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法已开始应用于隧道

26、施工期地质超前预报，尽管受探测钻孔施作的限制，但在一定范围内的岩溶洞穴、管道的探测中已发挥了重的限制，但在一定范围内的岩溶洞穴、管道的探测中已发挥了重要的作用。要的作用。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l声波声波CT层析成像法层析成像法l圆梁山圆梁山361+764左墙脚溶管探测成像图左墙脚溶管探测成像图 智能工程声波仪钻孔钻孔发射换能器接收换能器隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法波反射法波反射法l 主要利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反主要利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射

27、，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。期地质超前预报。l 近十多年来，声波反射法（近十多年来，声波反射法（HSPHSP）、地震波反射法（包括负）、地震波反射法（包括负视速度法和视速度法和TSPTSP）、电磁波反射法（雷达）已广泛应用于隧道施）、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。工期地质超前预报之中。l 应该指出的是，波反射法隧道地质超前预报实际上是对隧道应该指出的是，波反

28、射法隧道地质超前预报实际上是对隧道施工掌子面前方不良地质体分布界面位置的预报，不良地质体性施工掌子面前方不良地质体分布界面位置的预报，不良地质体性质的预报必须结合隧道施工地质工作成果和预报人员丰富的地质质的预报必须结合隧道施工地质工作成果和预报人员丰富的地质工作经验来实现。工作经验来实现。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法TSPTSP法法l左图：左图： TSPTSP法工作原理法工作原理l右图：右图： 纵波深度偏移剖面纵波深度偏移剖面 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法HSPHSP法法l左图：左图： HSPH

29、SP法工作原理法工作原理l右图：右图： HSPHSP法时域频域分析法时域频域分析隧道施工地质灾害及其超前预报l HSP HSP法武隆隧道充填岩溶前方界线探测成果图法武隆隧道充填岩溶前方界线探测成果图隧道施工地质灾害及其超前预报l地质雷达法采用的是连续扫描电磁波反射曲线的叠加，利用电磁地质雷达法采用的是连续扫描电磁波反射曲线的叠加，利用电磁波在隧道掌子面前方岩体中的传播、反射，根据测到的反射脉冲波在隧道掌子面前方岩体中的传播、反射，根据测到的反射脉冲波走时计算反射界面距隧道施工掌子面的距离。波走时计算反射界面距隧道施工掌子面的距离。l地质雷达被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预报地质雷

30、达被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预报距离短，易受隧道洞内机器、管线的干扰，目前多用于岩溶洞穴、距离短，易受隧道洞内机器、管线的干扰，目前多用于岩溶洞穴、含水带和破碎带的探测预报。含水带和破碎带的探测预报。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报方法隧道施工地质灾害预报方法l地震波反射层析成像法地震波反射层析成像法 l采用在掌子面背后一定距离隧道周边安设成组的三维接收传感器，采用在掌子面背后一定距离隧道周边安设成组的三维接收传感器，传感器的布置视隧道几何形态和传感器的布置视隧道几何形态和TRT数据采集系统基本形式预先数据采集系统基本形式预先确定。按预定型式在岩石表面安设

31、确定。按预定型式在岩石表面安设10个以上带前置放大功能的加个以上带前置放大功能的加速度传感器，由地震源发射的信号及隧道掌子面前方界面反射回速度传感器，由地震源发射的信号及隧道掌子面前方界面反射回来的信号采用用标准来的信号采用用标准24道地震仪采集，直达波及隧道掌子面前方道地震仪采集，直达波及隧道掌子面前方异常体边界反射回来的反射波由接收传感器接收。数据采集后，异常体边界反射回来的反射波由接收传感器接收。数据采集后，在地震仪顶部计算机进行数据传输和处理，完成隧道掌子面前方在地震仪顶部计算机进行数据传输和处理，完成隧道掌子面前方地质情况的三维反射层析成像。地质情况的三维反射层析成像。 隧道施工地质

32、灾害及其超前预报l左图左图:三维地震反射层析成像原理三维地震反射层析成像原理(据据D.R.Hanson等等)l右图右图:日本斧山某隧道掌子面前方日本斧山某隧道掌子面前方TRT反射层析平面图反射层析平面图（据（据D.R.Hanson等）等） 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报l围岩的变形、失稳破坏预报围岩的变形、失稳破坏预报l 围岩的变形、失稳破坏主要是由围岩的固有属性、结构体和围岩的变形、失稳破坏主要是由围岩的固有属性、结构体和岩体结构面的性状和应力条件不利引起。因此，对围岩的变形、岩体结构面的性状和应力条件不利引起。因此，对围岩的变形、失稳破坏的预报，主要

33、是对软岩地层（软夹层）、断层破碎带、失稳破坏的预报，主要是对软岩地层（软夹层）、断层破碎带、大范围岩溶充填物、岩体节理裂隙不利组合和内存坍塌物的废弃大范围岩溶充填物、岩体节理裂隙不利组合和内存坍塌物的废弃矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报。矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报。l 对软岩地层（软夹层）、断层破碎带、大范围岩溶充填物及对软岩地层（软夹层）、断层破碎带、大范围岩溶充填物及内存内存坍塌物的废弃矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及内存内存坍塌物的废弃矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报，可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行。规模的预报，可以采用前

34、述任何一种隧道地质超前预报方法进行。l 对由于岩体节理裂隙不利组合造成的围岩的变形、失稳破坏，对由于岩体节理裂隙不利组合造成的围岩的变形、失稳破坏，预报或采用地质法进行，通过对岩体节理裂隙产状测量、地质作预报或采用地质法进行，通过对岩体节理裂隙产状测量、地质作图（结构面赤平投影、极射赤平投影）确定岩体节理裂隙不利组图（结构面赤平投影、极射赤平投影）确定岩体节理裂隙不利组合在隧道周边出现的位置、不稳块体失稳方向；或采用块体平衡合在隧道周边出现的位置、不稳块体失稳方向；或采用块体平衡理论、有限元方法进行块体稳定性计算，确定隧道围岩不稳块体理论、有限元方法进行块体稳定性计算，确定隧道围岩不稳块体出现

35、的部位。出现的部位。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报隧道涌水隧道涌水l 隧道的开挖，破坏或改变了隧道所在地区水文地质环境，隧隧道的开挖，破坏或改变了隧道所在地区水文地质环境，隧道成为地下水新的排泄通道。据不完全统计，我国既有隧道道成为地下水新的排泄通道。据不完全统计，我国既有隧道80%在施工期遭遇过隧道涌水灾害，运营隧道渗漏水灾害亦可说严重。在施工期遭遇过隧道涌水灾害，运营隧道渗漏水灾害亦可说严重。从大瑶山隧道施工期竖井因涌水被淹、娄山关铁路隧道施工期因从大瑶山隧道施工期竖井因涌水被淹、娄山关铁路隧道施工期因施工开挖切断岩溶管道造成隧道雨季涌水达施工开挖

36、切断岩溶管道造成隧道雨季涌水达130000m3/d、贵昆线、贵昆线梅花山隧道梅花山隧道1991年雨季更因隧道衬砌背后水压过大造成隧道边墙年雨季更因隧道衬砌背后水压过大造成隧道边墙衬砌倒塌（衬砌倒塌（12m）及开裂（）及开裂（12 m）等可见一斑。因此，隧道涌水）等可见一斑。因此，隧道涌水预测预报在隧道地质超前预报中占据着极为重要的位置。遗憾的预测预报在隧道地质超前预报中占据着极为重要的位置。遗憾的是，目前各种地质超前预报方法中，对水的预报仍缺乏有效的手是，目前各种地质超前预报方法中，对水的预报仍缺乏有效的手段。段。l 目前对隧道涌水位置预报采用的技术方法包括：目前对隧道涌水位置预报采用的技术方

37、法包括：l（1）界面位置结合地质分析法；）界面位置结合地质分析法；l（2）红外探测仪探水法；）红外探测仪探水法；l（3）地质雷达探水法；）地质雷达探水法；l（4）岩体温度监测法。）岩体温度监测法。l（5）钻孔探水法。）钻孔探水法。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报隧道涌水隧道涌水l界面位置结合地质分析法界面位置结合地质分析法:采用的是钻探法外的各种地质预报方法采用的是钻探法外的各种地质预报方法确定施工掌子面前方界面位置，根据隧道洞内外地质调查结果，确定施工掌子面前方界面位置，根据隧道洞内外地质调查结果，分析确定界面及界面前方介质导、储水的可能性，预测界面及界

38、分析确定界面及界面前方介质导、储水的可能性，预测界面及界面前方发生涌水的可能性。面前方发生涌水的可能性。l红外探测仪、地质雷达红外探测仪、地质雷达:探测对围岩岩体是否含水有效，但不能确探测对围岩岩体是否含水有效，但不能确定含水量大小。定含水量大小。l岩体温度监测法岩体温度监测法:对含水体位置确定应有明显的效果，但目前对地对含水体位置确定应有明显的效果，但目前对地温场、施工对岩体温度的影响及岩体温度传导特性对岩体温度监温场、施工对岩体温度的影响及岩体温度传导特性对岩体温度监测的影响仍缺乏系统的研究，也缺乏实践。测的影响仍缺乏系统的研究，也缺乏实践。l钻孔探水钻孔探水: :直接探水，对基岩孔隙裂隙

39、水效果明显。但对岩溶水、直接探水，对基岩孔隙裂隙水效果明显。但对岩溶水、与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水，钻孔探水与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水，钻孔探水有较大的钻孔涌水风险。渝怀铁路圆梁山隧道进口正洞有较大的钻孔涌水风险。渝怀铁路圆梁山隧道进口正洞354+362掌子面在进行超前水平钻探地质预报过程中，因钻孔揭穿前方底掌子面在进行超前水平钻探地质预报过程中，因钻孔揭穿前方底部沉积含粘土质粉砂充水岩溶，发生了钻孔涌水涌砂，最大射程部沉积含粘土质粉砂充水岩溶，发生了钻孔涌水涌砂，最大射程达达30米左右，淤积物为含粘土质粉细砂，淤积厚度达米左右，淤积物为含粘土质粉细砂，

40、淤积厚度达2米多，长米多，长度度100余米。余米。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报l隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）l隧道洞内泥砂石流主要与隧道施工掌子面前方存在的隧道洞内泥砂石流主要与隧道施工掌子面前方存在的饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变（风化）岩脉有关。因此，对隧道洞内岩脉、全蚀变（风化）岩脉有关。因此，对隧道洞内泥砂石流的预报是对隧道施工掌子面前方存在的饱水泥砂石流的预报是对隧道施工掌子面前方存在的饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、断层

41、破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉位置的预报。可以采用前述任何一种隧道全蚀变岩脉位置的预报。可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行隧道施工掌子面前方界面预报，地质超前预报方法进行隧道施工掌子面前方界面预报，再结合地质法对界面性质进行确定，根据饱水断层破再结合地质法对界面性质进行确定，根据饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉的位置、规模，预报隧道洞内泥砂石流可能发变岩脉的位置、规模，预报隧道洞内泥砂石流可能发生的位置和规模。生的位置和规模。 隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工

42、地质灾害预报岩爆岩爆l 研究表明，岩爆主要发生在坚硬脆性岩体（花岗岩、闪长岩、研究表明，岩爆主要发生在坚硬脆性岩体（花岗岩、闪长岩、石灰岩、白云岩等）中，且通常发生在与最大住应力（石灰岩、白云岩等）中，且通常发生在与最大住应力（1）倾向）倾向相垂直的隧道断面处，与岩体的完整性密切相关，岩体完整性越相垂直的隧道断面处，与岩体的完整性密切相关，岩体完整性越好，岩爆发生的可能性越大。好，岩爆发生的可能性越大。l 目前岩爆的预报仍处于经验预报阶段，主要根据隧道的埋深、目前岩爆的预报仍处于经验预报阶段，主要根据隧道的埋深、隧道地表地形变化、围岩岩性、隧道位置最大主应力来预测隧道隧道地表地形变化、围岩岩性

43、、隧道位置最大主应力来预测隧道出现岩爆的可能性。出现岩爆的可能性。l 采用地质力学宏观分析法实质上是通过地应力测试，确定最采用地质力学宏观分析法实质上是通过地应力测试，确定最大主应力及其方向，根据最大主应力（大主应力及其方向，根据最大主应力（1）量级、倾向与隧道轴）量级、倾向与隧道轴线的关系预测岩爆的发生与否。线的关系预测岩爆的发生与否。l 岩石能量分析法以弹性应变能指数岩石能量分析法以弹性应变能指数Wet，为判据，确定岩爆，为判据，确定岩爆的发生与否及岩爆的强弱（的发生与否及岩爆的强弱（Wet5严重岩爆）。严重岩爆）。lWet=SP/Stl式中：式中：SP弹性应变能；弹性应变能；l St耗散

44、的应变能。耗散的应变能。隧道施工地质灾害及其超前预报l隧道施工地质灾害预报隧道施工地质灾害预报岩爆岩爆l 能量冲击性指标法以能量冲击性指标能量冲击性指标法以能量冲击性指标Aef为判据，确定岩爆的为判据，确定岩爆的发生与否及岩爆的强弱（发生与否及岩爆的强弱（Acf2有有严重岩爆）。严重岩爆）。lAcf=A1/A2l式中：式中：A1应力应变峰值前曲线所包围的面积；应力应变峰值前曲线所包围的面积；l A2应力应变峰值后曲线所包围的面积。应力应变峰值后曲线所包围的面积。l 邹成杰等根据隧道围岩单轴抗压强度或抗拉强度，利用简单邹成杰等根据隧道围岩单轴抗压强度或抗拉强度，利用简单经验公式，计算岩爆系数经验

45、公式，计算岩爆系数预测岩爆发生的可能性或强弱。预测岩爆发生的可能性或强弱。l 可以认为，无论是地质力学宏观分析法，还是岩石能量分析可以认为，无论是地质力学宏观分析法，还是岩石能量分析法、能量冲击性指标法、岩爆系数法、能量冲击性指标法、岩爆系数法，仍然属于经验方法。法，仍然属于经验方法。l 大量的工程实践证明，隧道岩爆除与隧道埋深、岩体强度、大量的工程实践证明，隧道岩爆除与隧道埋深、岩体强度、岩体完整性、岩体脆性及围岩所处地应力场有关，还与隧道上方岩体完整性、岩体脆性及围岩所处地应力场有关，还与隧道上方地形变化息息相关，地表地形突变引起地下岩体应力局部集中是地形变化息息相关，地表地形突变引起地下岩体应力局部集中是浅