施工地质灾害监测与警报技术

1、隧道施工地质灾害监测与警报技术隧道施工中的地质灾害监测与警报，是隧道隧洞施工地质工作的核心任务和落脚点。所 以，可以这样说，所有的其他隧道施工地质工作，包括长期、短期超前地质预报，围岩稳定 性评价等，归根结底都是为它服务、围绕它进行的。它在隧道隧洞施工地质工作中，占有突 出重要的位置。隧道施工中的重大地质灾害有塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和 岩爆等，一般的、经常性的小型施工地质灾害还有片帮、掉块等。第一节塌方监测与警报塌方是隧道隧洞施工中最经常出现的重大地质灾害，约占各类重大地质灾害出现机率的 80%以上，因此，塌方是隧道隧洞施工地质灾害防范的重点。引起塌方的主要不良地质有断 层破碎

2、带、岩溶陷落柱。一、断层破碎带塌方断层破碎带塌方是最常见的塌方，占塌方的绝大部分。断层破碎带塌方的监测，主要是断层破碎带的准确定位和定性和发生塌方可能性的判断 和警报。断层破碎带的准确定位准确定位采取的主要技术手段是长期、短期超前地质预报。采取的主要方法有：地面地 质调查或复查法、断层参数预测法、TSP超前地质预报系统的仪器探测法和掌子面编录预测 法、地质雷达仪器探测法等。断层破碎带的准确定性断层破碎带的准确定性采取的主要技术手段有临近前兆预测法和断层破碎带判断法。断层破碎带的集中主要临近前兆节理组数的急剧增加。临近断层破碎带时，节理组数可多达612组；临近断层破碎带时：一般有下列3种前兆：出

3、现牵引褶曲或牵引褶皱；有时会出现由弧形节理组成的小型施卷构造或反倾节理；一般岩石强度都明显降低；逆断层为主的断层破碎带附近会出现压裂岩和碎裂岩(多数情况下出现夹泥或铁锈染压裂岩、碎裂岩)，平移断层为主的断层破碎带附近会出现以节理为代表的节理密度明显增加。隧道内的断层破碎带识别与辨认隧道内的断层及断层破碎带识别与辨认，与地面地质调查和复查技术中对断层识别 相似，主要是依据识别断层的标志，即除地貌标志以外，地面地质调查中识别断层的地层标 志、岩石标志、构造标志和矿物标志等，均适合于隧道隧洞内断层的识别，甚至表现得比地 面还要清晰、明显、易于观测，这里不再赘述。发生塌方的可能性的判断和警报断层破碎带

4、塌方的判断和警报，主要包括断层破碎带塌方影响因素的正确分析、断层破 碎带围岩级别的准确鉴定和塌方即将发生前兆的及早发现。影响断层破碎带塌方的地质因素分析影响断层破碎带塌方的地质因素主要有：断层上下盘岩性和岩石力学性质、断层的力学 性质、断层复合与复合特征、断层破碎带厚度、断层破碎带物质组成和固结程度、断层破碎 带的围岩结构，断层破碎带的产状及其与隧道的空间关系、地下水、地应力影响共8个方面。断层上下盘岩性和岩石力学性质在影响断层破碎带塌方的其他地质因素相同的前提下，断层破碎带稳定性降低的顺序 是：上下盘为相同岩性硬岩（如灰岩）上下盘为不同岩性硬岩（如砂岩与灰岩）上下盘为相同性（如页岩）或不同岩

5、性软岩（如页岩与泥岩）上下盘为不同岩性的软、硬岩（如砂岩与碳质页岩）组合。软岩与硬岩呈断层接触的断层破碎带， 大多位于软岩一侧，而且，常常是硬岩为含 水层，软岩为隔水层。这种断层上下盘岩石 组合最不利于由断层破碎带组成的围岩的 稳定，相当多的断层破碎带塌方属于这种类 型（图1）。（2）断层的力学性质以张拉正断层为主的断层破碎带，主要 由断层角砾岩组成，其角砾特点是：胶结疏 松，多为泥质胶结，易于风化，棱角明显，杂乱图1某隧道进口小塌方警报示意图 无章，大小悬殊。所以以张性正断层为主的断层 破碎带最易造成塌万。以压冲逆断层为主的断层破碎带，主要由断层泥、碎糜岩、构造透镜体、片理化揉皱化 岩石组成

6、，尽管岩石也很破碎，但由于角砾之间结合较紧密，相对以正断层为主的断层破碎 带来说，造成塌方的难度稍大。以扭性平移断层为主的断层破碎带，主要由厚度不大的碎糜岩和分布较宽的劈理带岩石 组成。所以与前两者相比，造成塌方的难度更大。所以，从断层力学性质角度看断层破碎带稳定性降低的顺序是： 扭性平移断层为主的断层破碎带 压冲逆断层为主的断层破碎带 张滑正断层为主的断层破碎带。（3）断层复合与复合特征地质力学断层复合有两种情况，一是同一条断层复合，即断层多期活动；二是两条或两条以上断 层交汇复合。不论哪种断层复合，对断层破碎带的稳定性影响都极为明显。复合式断层破碎带的稳定性远远小于一般断层破碎带的稳定性。

7、复合式断层破碎带塌方 是另一种最常见的断层破碎带塌方。断层多期活动自然界中的断层，绝大多数都具有多期活动特征，具有复杂的力学性质和多变的位移方 式，而且，在多期活动中，必有一期为主期活动，断层明显具有主期活动的性质和特征。对于围岩稳定性的影响来说，其断层破碎带稳定性降低的顺序是： 一期活动断层破碎带 以扭性平移断层为主的多期活动断层破碎带 以压冲逆断层为主的多期活动断层破碎带 以张拉正断层为主的多期活动断层破碎带以压冲逆断层为主或以张拉正断层为主，而且最后一期活动表现为张拉正断层的断层破 碎带。两条或两条以上断层交汇两条或两条以上断层交汇常常使断层破碎带的岩石更加破碎、松散，断层破碎带的厚度图

8、2某隧道大塌方警报示意图1 一断层破碎带 2 黑云母变粒岩3一混合花岗岩（宽度）也常常扩大23倍，稳定性更是随之降低很 多。因此，不论什么力学性质的断层破碎带交汇处， 都是围岩最不稳定的区段和最易塌方的区段（图2）。（4）断层破碎带的厚度断层破碎带的厚度（宽度）是直接影响断层破 碎带稳定性的地质因素。断层破碎带宽度（厚度） 越大，越容易造成塌方。而断层破碎带的宽度（厚 度），又取决于断层的规模、断层的力学性质和断 层的复合特征。断层的规模（断距）越大，断层破碎 带越宽（越厚）。相同规模断层的破碎带，张性正断 层的破碎带最窄（最薄），扭性平移断层的破碎带较 宽（较厚），压性逆断层破碎带最宽（最厚

9、）。一般情况下，对于破碎带宽度（厚度）来说，多期活动断层大于一期活动的断层；两条或 两条以上断层交汇大于一条多期活动断层，更大于一期活动断层。（5）断层破碎带的物质组成、固结程度断层破碎带的物质组成，主要指的是断层角砾之间的胶结物及其含量。从胶结物来看，泥质、铁质胶结的断层破碎带最常见，稳定性也最差;钙质和硅质胶结 的断层破碎带较少见，稳定性也较好。从含量看，泥质和铁质胶结物含量越多，断层破碎带 稳定性越差，越容易塌方，所以断层角砾岩的结构为泥夹石，比石夹泥或不含泥的结构更易 造成塌方。断层破碎带的固结程度占大多数的泥质、铁质胶结的断层破碎带固结程度很差，少数的钙质、硅质胶结的断层 破碎带固结

10、程度较好。张性正断层断层破碎带固结程度差，扭性平移断层和压性逆断层破碎 带固结程度稍好。多期活动断层比一期活动断层破碎带固结差，两条或两条以上断层交汇的 断层破碎带固结程度最差甚至无固结。显然，固结程度越差，断层破碎带的稳定性也越差。（6 ）断层破碎带的围岩结构断层破碎带的岩体结构主要有三种：碎石状压碎结构、角砾碎石状（石夹泥或泥夹石）松 散结构和泥、砂、角砾混杂状松软结构。前者，多为扭性平移断层和规模较小的压性逆断层、 张性正断层的断层破碎带岩体结构，稳定性较差。中间者，多为规模很大的、以压冲逆断层 为主、张拉正断层为主的多期活动断层或者两条及两条以上断层交汇形成的断层破碎带岩体 结构，稳定

11、性很差。后者，则多为规模宏大的、以压冲逆断层为主、张滑正断层为主的多期 活动断层或者两条及两条以上规模很大的断层交汇形成的断层破碎带岩体结构，稳定性极 差。（7）断层破碎带的产状及其与隧道空间关系它主要包括断层破碎带的走向与隧道中心线的夹角和断层破碎带的倾向倾角与隧道的 空间关系。断层破碎带的走向与隧道隧洞中心线的夹角在断层破碎带宽度厚度相同的条件下，夹角越大越稳定，越小越不稳定。在断层破碎带 几乎与隧道平行的情况下，既使断层破碎带宽度很窄（例如，只有1m），也会给隧道施工造 成很大威胁（例如，经常掉块）。断层破碎带在隧道隧洞中的位置、倾向倾角及其空间关系在断层破碎带走向与隧道中心线夹角较小的

12、条件下，破碎带位于拱顶不稳定，位于侧壁 时较稳定。（8）地下水、地应力的影响地下水影响对断层破碎带的稳定性起着至关重要的影响，即有无地下水参与，断层破碎 带的稳定性可相差12个级别。在高地应力地区，特别是水平构造应力明显地区开挖的隧道和轴线与最大压应力轴垂直 的隧道，地应力对断层破碎带能否塌方的影响也很大，一般可使断层破碎带的围岩级别提高 12级。断层破碎带围岩级别的评定断层塌方的监测与警报，必须在断层识别和影响断层塌方地质因素分析的基础上，落实 到断层塌方判断的终极目标一一即对断层破碎带围岩级别的准确评定上。评定一般参考条件 如下：（1）压性逆断层为主或张拉正断层为主的断层破碎带宽度（厚度）

13、大于5m，涉及的隧道长 度大于10m的区段，在有地下水的明显参与的条件下，为V级围岩；特别是软岩断层破碎 带和软、硬岩组合形成的断层破碎带所涉及区段，更是如此。压性逆断层为主或张拉正断层 为主的断层破碎带宽度（厚度）大于10m、涉及的隧道长度大于20m的区段，既使没有地下水 的明显参与，亦为V级围岩。（2）平移断层为主的断层破碎带（宽、厚度和涉及隧道长度不限），压性逆断层为主或张性 正断层为主的断层破碎带宽度（厚度）小于5m、涉及的隧道长度小于10m的区段，在有地下 水参与条件下，这类断层破碎带涉及的区段可定为W级围岩。若无地下水参与，或破碎带宽 厚度小于3m，涉及隧道长度小于5m的硬岩区段，

14、围岩级别甚至可定为III级。（3）特殊断层破碎带涉及的区段应根据情况定级。硬岩断层破碎带以张拉正断层为主或以压冲逆断层为主断层，或者两条两条以上断层交汇，断层破碎 带规模宏大、宽度（厚度）大于50m、涉及隧道长度大于100m，破碎带围岩结构多为泥砂角 砾状松软结构，且有地下水明显参与。软岩断层破碎带或软、硬岩组合形成的断层破碎带以张拉正断层为主或以压冲逆断层为主断层，或者两条一两条以上断层交汇，断层破碎 带规模宏大，宽度（厚度）大于30m、涉及隧道长度大于50m，破碎带围岩结构多为泥砂角砾 状松软结构，且有地下水明显参与。塌方即将发生前兆的及早发现大规模塌方的临近前兆主要有：（1）顶板岩石开裂

15、，裂缝旁有岩粉喷出或洞内无故尘土飞扬；（2）支撑拱架变形或发生声响；（3）拱顶岩石掉块或裂缝逐渐扩大；（4）干燥围岩突然涌水等。发现上述征兆，立即采取紧急处理措施。二、岩溶陷落柱塌方在我国北方煤系地层中和在下伏的中奥陶统灰岩中修建隧道时，岩溶陷落柱是较常见的 不良地质，在我国南方也偶有所见，由它造成的塌方，在塌方总数中虽然占有较小的比例， 但也应给予的认真对待。同断层一样，陷落柱塌方的监测，主要是对陷落柱的准确定位、准确定性和塌方可能性 的准确判断和警报。（一）准确定位采取的主要技术手段是长期、短期超前地质预报，主要有地面地质调查复查技术和仪器 探测技术。（二）准确定性岩溶陷落柱的定性技术包括

16、岩溶陷落柱的前兆和隧道内的识别。隧道遇岩溶陷落柱的前兆由于陷落柱对周围岩层的重力牵引作用，常常造成周围岩层微向陷落柱的内倾现象。 这个特征，对煤系地层等软岩来说，表现得更明显，有时影响范围可达1520m(图163)。图16-3陷落柱围岩产状变化示意图由于陷落柱对周围岩层的重力牵引作用，常常在周围岩层中形成大量的内倾裂隙或 小断层。这种现象，对于脆性岩层来说，表现明显(图164)。由于陷落柱导入地下水，常常使周围岩层潮湿软化或涌水量加大。由于地下水的风化作用，常常使周围岩层发生氧化，如岩层疏松、光泽变暗等。隧道中的岩溶陷落柱的识别岩溶陷落柱的总体形态多为上细下粗的圆锥体，少数为上、下等粗的圆柱体

17、。高度有限，少数也有塌至地表的。物质组成，由上覆岩层的碎块组成。岩块棱角显著，形状不规则，杂乱无章，大小混杂。容易与正断层破碎带的断层角砾岩相混，但成分比断层复杂。大多干燥无水，各别陷落柱在边缘可见淋水或小股涌水。与围岩接触面参差不齐，但界线明显；周围岩层产状正常，而且陷落柱两侧围岩层 位一致，无错动，也无牵引现象。陷落柱轴线多与层面垂直，岩层倾斜，陷落柱也对映倾斜。(三)岩溶陷落柱塌方可能性的判断与警报影响陷落柱塌方的地质因素分析陷落柱规模越大，越易塌方；陷落柱多为干型，少数有湿型，后者易塌方；陷落柱中，泥质越多，越易塌方；沿陷落柱边缘，有时淋水或涌水现象，当有地下水参与时，易塌方。陷落柱涉

18、及区段围岩级别评定规模大于隧道断面三分之一的湿性岩溶陷落柱，围岩多为V级，少数W级；少数规模小于隧道断面三分之一，干型陷落柱围岩多为w级m级。岩溶陷落柱塌方即将发生前兆的及早发现岩溶陷落柱塌方的前兆与断层破碎带塌方前兆相同。关键在于及早发现并及时采取紧急 处理措施。三、塌方的防治措施做好长期、短期超前地质预报工作，对塌方区段或塌方体准确定位和定性。做好塌方监测、判断和临近警报。断面较小的单线隧道或小断面隧洞遇到以V级围岩出现的塌方区段和塌方体，一般 采用超前锚杆超前支护或超前小导管预注浆加固围岩，放小炮、尽量减少震动，正短台阶分步开挖，挂网锚喷、架立钢格栅（注意格栅之间的纵向连接）进行施工支护

19、等措施来通过。断面较小的单线隧道或小断面隧洞遇到以W级围岩出现的塌方区段和塌方体，或断 面很大的双线隧道或大断面隧洞遇到以V W级围岩出现的塌方区段和塌方体，则一般采 用长管棚超前支护，放小炮、控制爆破，侧壁导坑分步开挖，挂网锚喷、架立工字钢钢拱（加 密钢拱之间的纵向连接）进行施工支护等措施来通过。第二节突水监测与警报突水是隧道施工中仅次于塌方的最常见的地质灾害之一，特别在我国降雨量较大地区施 工的隧道更为常见。造成突水突泥最为常见的不良地质是断层（断层裂隙水）、大型溶洞和暗 河（岩溶水），煤系地层中的采空区（老窖积水）和金属、非金属矿山老积水。一、突水突泥的主要地质类型（一）断层突水断层突水

20、虽然属于较常见突水类型，但多数规模较小（多为大、中、小股涌水级，少数 可达到小型突水级）。造成断层裂隙型突水的主要地质条件有：1，压冲逆断层为主或扭性平移断层为主的断层，其 上盘为脆性、厚度很大、裂隙很发育的含水透水岩层（如 砂岩、石英岩等），下盘为塑性、裂隙很不发育的隔水岩层 （如页岩、泥岩、片岩等），这样断层及其上下盘组合，常常 发生各种级别的涌水或小型突水（图165）。硬岩中发育的张滑正断层为主断层或扭性平移断层为主断层，其断层破碎带在地表与处于低洼地貌的地表水体沟通，或在地下与暗河、大型 溶洞沟通，也可以发生各种级别的涌水或小型突水（图16-6）。（二）溶洞暗河型突水溶洞暗河型突水多发

21、生在我国南方岩溶发育地区施工的隧道隧洞，突水的规模一般都很 大，可达中型一大型突水级。这种突水造成的危害很大，是重点防范的对象。例如，渝怀铁最大涌水量达400m3儿，形成大型突水。路彭水隧道施工中，施工平导与暗河相遇，（三）采空区突水图16-6新保纳嗟道进口小型突水警报示意图1页岩;2断层；3始见突水点；4石英砂岩采空区突水，即老窑或老崆积水造成 的突水，发生在煤系地层施工的隧道隧 洞，或者在各种金属矿山施工的隧道隧 洞，前者较为常见。二、突水的监测与警报隧道隧洞突水的监测主要是查明地下水源体（溶洞、暗河、老窖、老崆和大型 断层破碎带）的位置和地下水源体的性 质，判断突水的可能性并及早发出警报

22、。（一）查明地下水源体的位置它主要通过溶洞、暗河、老窑老崆和断层破碎带的地表地质调查复查方法、断层 参数预测法和仪器探测法来解决（如前述）。（二）查明地下水源体的性质主要依据各种突水水源体赋存的地质条件来判断。（1）溶洞、暗河赋存于石灰岩和白云岩等可溶性岩石（岩层）中，老窑赋存与煤系地层中，老 崆与金属、非金属矿产地有密切关系，断层水则必须与断层共存。这是查明水源体性质 的关键。（2）溶洞暗河赋存的具体构造是：石灰岩、白云岩中的断层破碎带、较紧密背斜构造的 核部和石灰岩、白云岩与泥岩、页岩、泥灰岩的接触界面；老窑与煤层有关；老崆与金属非 金属矿层或矿体有关；断层水则与断层破碎带是否与其他水源体

23、沟通，是否在断层上下盘形 成含水层与隔水层的有利组合有关。上述是查明水源体性质的重要条件。其次是依据临近各种水源体时的不同前兆来判断水源体的性质（下述）。（三）发生突水可能性的判断与警报主要依据临近各种水源体前兆和具体的涌水量测量来实现。临近各种水源体前兆（1）临近断层水源体前兆各种临近断层的前兆（见本章第一节）下盘泥岩、页岩等隔水岩层明显湿化、软化，或出现淋水现象。其他水流痕迹的出现。（2 ）临近大型溶洞水体前兆临近各种水源体前兆出现较多的铁锈染或夹泥的裂隙。小溶洞出现的频率增加。（3）临近暗河前兆出现大量铁锈染裂隙或小溶洞。大量出现的小溶洞含有河沙。钻孔中的涌水量剧增，且夹有泥砂或小砾石。

24、（4）临近老窑积水的前兆（老崆积水与其相似）煤壁或顶板渗出水珠，或出现煤层发潮松软。顶板淋水或底板涌水。煤层中出现暗红色水锈或渗水中挂红。-掌子面空气变冷或发生雾气。有嘶嘶的水声。涌水量测量与预报隧道隧洞施工中，预报涌水量的方法很多，下面介绍一种简单易懂、易于操作的、很实 用的预报方法一一炮眼水喷射距预报法。（1）基本原理工作面前方水源的潜在涌水量，与爆破前工作 面上炮眼流量密切相关，炮眼水的流量又与流速密 切相关；炮眼水的流速还与炮眼水的喷射距有一定 比例关系，可以用公式：S=v2y / g来表示。式中，S 代表炮眼水的水平喷射距，v代表炮眼水的流速（射 速），y代表炮眼距隧道隧洞底面距离，

25、g代表重力 加速度。炮眼水的水平喷射距和炮眼水的流速（射速）可 以测得。这样，我们就可以由炮眼水的喷 射距间接预报工作面爆破（开挖）以后的涌水量。炮眼水喷射距与炮眼水流量和水源潜在涌水量 的关系，还可以用曲线图来表示（图167）。（2）工作方法和步骤堵死其余所有炮眼，只留一个喷射距最远的炮 眼。量测水平喷射距。换算成y： 1m条件的水平喷射距。依据水平喷射距计算涌水量。预报开挖后的涌水量（涌水级别）。（3）一般情况下，可以用喷射距概略预测涌水级别喷距S12m，相当涌水量大于400m3/h，为大型突水级。应立刻停止施工，从速查明 情况，尽快采取应急处理措施。三、突水的防治措施做好断层水和溶洞、暗

26、河、老窖水的超前预报的定位、定性工作和临近前兆、涌水量监测和警报工作。隧道隧洞开挖接近水源体时，施钻大口径超前孔，探放地下水，切勿盲目放炮。岩溶发育地区的断层破碎带承压水以排为主，堵排结合，即当涌水量减小后，以深 孔预注浆超前固结围岩，来防治地下水。岩溶发育地区的暗河及大溶洞水、煤系地层中的老窖水和金属非金属矿山的老崆水， 采取以排为主，截排结合的方法防治突水，必要时开挖旁洞、涵洞，将水引入泄水洞。岩溶突水地段，采取超前小导管预注浆超前支护，短台阶开挖、工字钢钢拱强施工 支护方案通过。第三节突泥监测与警报造成突泥的主要不良地质为位于我国南方岩溶发育地区的溶洞和淤泥带一、溶洞突泥监测在我国南方岩

27、溶发育地区形成的大溶洞既可以积水，也可以泥水混杂。后者最为常见， 是溶洞突泥的主要形成机制。溶洞突泥的监测与警报溶洞突水相似，这里不再赘述。二、淤泥带突泥的监测淤泥带的监测与警报同样包括淤泥带的准确定位和定性，突泥灾害发生可能性的准确判 断。（一）淤泥带的准确定位淤泥带全部位于我国南方岩溶发育地区，而且多数赋存断层中，只有少数淤泥带赋存在 陡倾的具有层间滑移特征的石灰岩或白云岩的具有层间滑动的岩层界面中。所以，淤泥带突 泥的监测的关键，是对淤泥带的定位，特别是对赋存淤泥带断层的定位。淤泥带的定位主要采用地表地质调查和地表地质体投射技术，以及仪器探测手段。（二）淤泥带的准确定性淤泥带定性首先要注

28、意其发育的地区和赋存的构造。除此之外，还要注意淤泥带的如下特征：在物质、成分组成上，以具有大量的黄泥和碎石的特征与围岩容易区分。淤泥带的规模在剖面上向下逐渐变小，到一定深度消失，所以距地表较近的隧道较多 遇到，而埋深大的隧道较少见。淤泥带的物质成分在剖面上也有变化。一般地表或地表下一定深度由黄池碎石组成，往深处碎石含量减少，黄泥含量增多，再往深处逐渐变为黄泥，最后又常以稀黄泥和地 下水为主。地下水位以上的淤泥带多呈干固状态，而地表水位以下的淤泥带则变成能够流动的黄 泥。（三）突泥灾害发生可能性的判断与溶洞暗河突水发生可能性判断方法和步骤相似，这里不再赘述。三、突泥的防治措施做好超前地质预报的定

29、位、定性工作和突泥前兆的监测和警报工作。隧道隧洞开挖临近淤泥带时，施钻大口径超前孔探放。如果淤泥流动小，来势不大，则以堵为主，以深孔预注浆超前固结围岩，放小炮， 小心施工，并配合强支护（工字钢支撑、厚喷混凝土）通过，如果淤泥流动快，来势很猛， 同溶洞、暗河、老窖水、老崆水防治一样，以排为主，截排结合。第四节 瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出监测与警报瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出，是在煤系地层中施工的隧道可以遇到的地质灾害，而且后果 很严重，应当引起足够的重视。一、瓦斯爆炸监测（一）瓦斯的特征一般瓦斯指的是甲烷（CH4），又称沼气。它是一种无色、无味、无臭、无毒的气体，比 重0.554，比空气轻，因此常常聚集在

30、隧洞的顶部。瓦斯本身并不助燃，但当与空气混合到一定程度，并遇火源的时，就能燃烧或爆炸；瓦 斯含量为5%6%到14%16%时，可发产生爆炸；含量为8%时，最易爆炸；含量为9.5% 时，爆炸威力最猛。当空气中的瓦斯的浓度超过16%时，它就既不会燃烧，也不会爆炸;但浓度超过40%（氧 气含量下降到12%以下）时，可以使人因严重缺氧而窒息。（二）影响瓦斯含量的地质因素影响瓦斯含量的地质因素主要有煤的变质程度、围岩和煤层本身的渗透性、地质构造、 地下水活动。一般情况下，煤变质程度高、围岩透气差、压冲逆断层下盘和地下水活动差是 有利于瓦斯含量增高的地质因素；反之，则瓦斯含量低。（三）瓦斯爆炸过程瓦斯爆炸是

31、由瓦斯燃烧引起的。瓦斯与火接触，并不立刻燃烧，当其吸取相当热量以后 才能燃烧；温度越高，燃烧越快。瓦斯燃烧以后，遇到障碍（隧道壁或掌子面）而受到压缩，才能由燃烧转为爆炸。瓦斯爆 炸时会产生高温，向四周扩散时的爆炸温度高达1 850C ；瓦斯爆炸时，体积可扩大4倍以 上，瓦斯爆炸后，隧道内的空气几乎完全无氧，一氧化碳迅速增加，有时可达百分之几。（四）瓦斯爆炸必备条件其一，是瓦斯含量达到爆炸的浓度界限。其二，是要有火源。二、煤与瓦斯突出的监测.（一）瓦斯释放的类型在隧道掘进过程中，瓦斯从煤系地层中释放的类型主要有三种。瓦斯涌出：瓦斯从煤层或其他煤系地层中均匀散出、速度慢、时间长。瓦斯突出：高量、高

32、压瓦斯从煤层或构造裂隙中较短时间或较长时间地喷出。煤与瓦斯突出：煤与高量、高压瓦斯在很短时间内(几分钟几秒钟)突然大量喷出， 随巨大声响和强大的冲击波。喷出的粉煤、碎煤可由几吨到几千吨。决定煤与瓦斯突出的主要因素它包括内因和外因两个方面。内因内因主要包括高地应力、高量高压瓦斯、特殊构造部位和构造煤。高地应力我国地应力较高的地区，主要位于我国南方，特别是我国东南地区。高地应力的存在， 为煤与瓦斯突出准备了动力。几乎绝大部分煤与瓦斯突出的地质灾害，都出现在我国南方煤 系地层中施工的隧道。高量、高压瓦斯绝大多数煤与瓦斯突出事故发生在高量、高压瓦斯的煤系地层中施工的隧道隧洞。特殊的构造部位在煤系地层施

33、工的隧道隧洞，发生煤与瓦斯突出的主要地点是特殊的构造部位。因为， 只有这些部位才能赋存高量、高压瓦斯。它们是：煤层厚度突然变厚的“煤包”，煤层产状 拐弯处，压冲逆断层下盘，封闭性好的背斜构造核部，小断层或两条以上断层交会处等(图 168)0构造煤所谓构造煤，指的是被断层或层间滑动压碎或磨碎的粉煤，碎煤。它们为煤与瓦斯突出 准备了充足的物源。外因(1)穿层掘进：在煤矿又称石门掘进，是隧道隧洞最常见的开挖方式，因而，也最易产生 煤与瓦斯突出。快速掘进：它使高量、高压瓦斯不易缓慢释放，从而形成突然喷出。煤与瓦斯突出的临近前兆根据前人的工作经验，主要有以下几种：掌子面岩层发生鼓裂；瓦斯含量突然增大或忽

34、高忽低；工作面有移动感；工作面发出瓦斯强涌出的嘶嘶声，同时带有煤尘；工作面附近，时常听到沉雷声或闷雷声。三、瓦斯爆炸的防治措施加强通风，降低瓦斯浓度。瓦斯含量的检测：工作面瓦斯含量1%时，不准放炮；含量2%时，人员必须撤离工 作面。主风流处瓦斯含量必须0. 5%，总回风处瓦斯含量必须0. 75%o禁绝一切火源。四、煤与瓦斯突出的防治措施关键在于正确地监测与判断，并要及时发出煤与瓦斯突出的临近警报。在有煤与瓦斯突出的危险地段进行施工时，要放慢掘进速度，以便增加高压、高量瓦 斯涌出的时间，避免由快速掘进造成突出的外部因素。在临近断层、“煤包”、煤层产状变化地段时，特别在发现煤层结构松散、破碎或构造

35、 煤出现时，更应放慢速度，并提前打大口径超前钻孔，排放瓦斯，已达到降低瓦斯含量和卸 压的目的。临近突出地段，要特别注意加强通风。在较长的瓦斯隧道隧洞施工时，应加设附助导 洞，以便排放瓦斯。第五节岩爆监测与警报岩爆也是影响隧道施工的一种地质灾害。它本质上是岩体中积累的高弹性应变能，因地 下工程的开挖，破坏了原有地应力的平衡，并在隧道隧洞两壁或拱顶某些部位产生局部应力 集中，当其超过了岩石的抗剪强度时，高弹性应变能突然释放，岩体急剧破坏而产生的一种 施工地质现象。一、隧道岩爆现象岩爆是指隧道开挖过程中，在已挖空的导坑拱顶、工作面和两壁上的一种完整的岩体突 然爆裂现象。爆裂后，可产生两种后果：一是碎

36、裂的岩块或岩片随即弹射出来，伴有烟状粉末的飞散，同时发出巨大声响。这种 情况多发生在导坑（洞）顶部和扩大的牛角弯处，而两壁和工作面较少见，弹射的岩片小而有 力。二是岩体爆裂后，经过一段时间，石块才由岩体中弹出或自由落下，无粉尘、声音也小。 这种情况亦常见于导坑（洞）顶部，但也可发生在工作面或两壁，弹射或下落的岩块较大，弹 射的力量也小。二、隧道岩爆形成的因素它主要包括地质因素（内因）和其他因素（外因）。（一）地质因素（内因）高地应力地区。绝大多数隧道岩爆发生在区域高应力地区（例如我国南方地区）和其 他局部高应力地区，特别是水平应力占主导，即口：水平或接近水平，且6 /6 3 1.5的 地区。这

37、是因为，岩爆产生的主导因素是地壳中早已存在的构造应力，简言之，没有高构造 应力，就不会发生隧道岩爆。一定埋深的隧道。绝大多数隧道岩爆发生在地下200m700m的深度。这是因为， TOC o 1-5 h z 地壳中的岩体，大多处于三维挤压应力状态下（6 16 26j3），而产生的岩爆的地应力场呈6 l水平、6 2水平、6 3直立 状态，这样，隧道上复岩层的重力与6 3轴一致，又由于“静 予示 岩压力”原理，6 、6 2、6 3的大小都随着隧道埋深的增加而增大，可能是隧道埋深只有200m700m的深度条件才符合 =061 / 6315的岩爆产生的应力比条件（图1612）。 坚硬、脆性的岩石。岩爆绝

38、大多数产生于隧道掘进到|脆性岩石段，例如，花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩类，硅I质灰岩、石灰岩、白云岩等沉积岩类，石英岩、斜长角岗岩、，大理岩、花岗片 麻岩等变质岩类。这是因为，只有脆性岩石图&一应力与-y y EK才容易发生脆性形变，才容易爆裂，才容易形成可供弹射的岩石碎块。与主压地应力6 1方位垂直或接近垂直的隧道。大多数岩爆产生于这种轴向的隧道 中。从产生岩爆的地应力状态（见图1612）看出，只有隧道轴向垂直或近于垂直最大主压应 力轴6 l时，在隧道断面才容易在拱顶形成爆裂的岩块（这是岩爆产生的主要部位），也只有 这样，两壁爆裂的岩块才容易向隧道内弹射。朔黄铁路寺铺尖隧道发生的小型岩爆，

39、就属于 这种成因类型。（二）其他因素（外因）凹凸不平的隧道岩体表面超挖或欠挖的隧道岩体表面容易产生岩爆。这个道理很简单，因为这样的岩体表面形成 很多缺欠和折角处，由固体力学的基本原理知道，这些位置容易产生局部应力集中，所以也 是容易产生岩爆的地点。完整或基本完整的岩体爆裂和弹射的岩块都产生于这种具有整体或巨块状结构的围岩岩体中。这是因为，在同 样的地应力条件下，这种完整或基本完整的岩体容易积累很大的地应力，形成很高的弹性形 变能，而哪些碎裂的岩体，特别夹泥的碎裂岩体，对地应力有松弛作用，不容易积累地应力， 当然也无法积累直接引起岩爆的弹性形变能。干燥的围岩隧道隧洞岩爆几乎全部发生的干燥围岩条件

40、下。这是因为，地下水的存在，可以像夹泥 的碎裂岩石一样，起到松弛地应力的作用，使地应力不容易积累，也不容易集中。总之，从岩爆形成因素看，高地应力、一定的埋深，脆性岩石和垂直于隧道隧洞的最大 主压应力轴是岩爆产生的四大主因，几乎缺一不可。三、岩爆的监测的方法、步骤收集隧道隧洞所在地区的地应力和地应力场资料，或直接进行地应力测量，确定所 在地区是否处于高地应力地区。依据隧道隧洞的埋深，隧道隧洞轴向与区域地应力场主压应力轴(6 J的方位关系， 确定有无发生岩爆的可能。依据隧道隧洞穿过岩层的岩性，确定哪些属脆性围岩，判断可能发生岩爆的岩层及 其在隧道中的位置。依据围岩的干燥程度和岩体的完整程度，确定岩爆发生的具体地点。四、岩爆的防治措施岩爆的防治方法，主要是针对岩爆产生的主导因素一一高地应力，特别是最大水平构造 应力。主要方法有：超前钻孔卸压法在可能发生岩爆