深埋长隧洞主要工程地质问题与勘察和施工方法

深埋长隧洞

主要工程地质问题与勘察和施工方法

耿克勤

目录一、前言二、深埋长隧洞主要不良工程地质问题三、TBM对深埋长隧洞地质条件适应性分析与对策

四、深埋长隧洞的勘察思路和方法

五、施工方法的选择

六、结束语七、建议一、前言所谓深埋特长隧洞是指埋深超过400m，长度10km以上的隧洞。随着我国水利水电工程的发展，深埋长隧洞大量出现，单洞长度已由20世纪80年代的10多千米发展到现在的80多千米;隧洞埋深最大已接近3000m，隧洞工程地质条件日趋复杂，不良工程地质问题已成为工程的重要制约因素。因此，勘察、认识与评价这些问题和采取正确的工程对策已十分重要。铁路隧洞的建设水平始终处于隧洞工程建设的前列。高速铁路需要平缓的坡度和顺直的路线,当穿越高山时往往需要建设长隧洞。目前世界上已建、在建的长度超过20km的隧洞见表1。表1世界上已建、在建的深埋长隧洞

瑞士圣哥达隧洞洞内施工图

瑞士圣哥达铁路隧道横剖面图12345南水北调西线工程共分三期。第一期工程从雅砻江的支流达曲、泥曲和大渡河的支流杜柯河、麻尔曲、阿柯河调水，总调水量40亿m3。由“五坝七洞一渠”串联而成，坝高63～123m，输水线路总长260.3km，其中隧洞长244.1km，明渠16.1km，渡槽0.12km。第一期工程河流示意图

“五坝”即引水河流的五座引水枢纽，为达曲的阿安、泥曲的仁达、杜柯河的上杜柯、麻尔曲的亚尔堂、阿柯河的克柯引水枢纽；引水枢纽的坝高分别为115m、108m、104m、123m、63m。调水量分别为7亿m3、8亿m3、11.5亿m3、11.5亿m3、2亿m3。

“七洞”即利用线路通过的支流使隧洞自然分为七段，为长13.6km的达曲～泥曲段、长73km的泥曲～杜柯河段、长33.2km的杜柯河～结壤段、长3km的结壤～麻尔曲段、长55.4km的麻尔曲～阿柯河段、长15.5km的阿柯河～若果郎段、长50.4km的若果郎～贾曲段，七段隧洞总长244.1km，最长洞段73km，穿越雅砻江和大渡河的分水岭，位于泥曲～杜柯河之间。大丫口子上坝坝址

引水隧隧洞中心线工工程地质剖面面图金顶水电站引引水长隧洞洞1-1/工程地质剖面面图金顶水电站引引水长隧洞洞2-2/工程地质剖面面图2深埋长隧洞主主要不良工程程地质问题深埋长隧洞可可能存在的工工程地质问题题主要有：围围岩大变形、、塌方、岩爆爆、高外水压压力、突水、、突泥和涌水水、高地温、、岩溶、膨胀胀岩、有害气气体、有害水水质、放射性性危害等。如如二十世纪七七十年代修建建的瑞士圣哥哥达铁路隧道道，施工期间间曾遭遇到多多次大涌水、、塌方灾害，，地温也高达达30.7℃，施工期间致致死310人，至残877人，工程承包包商因此工程程而破产。值值得注意的是是，在高地应应力条件下，，甚至某些中中硬岩也存在在发生严重塑塑性变形的可可能。2.1大断层带围岩岩失稳及涌水水问题断层破碎带是是诸多问题的的关键所在，，大变形、塌塌方、突涌水水、高外水压压力、岩溶、、有害气体等等，往往与断断层有直接或或间接的关联联。对于深埋埋长隧洞穿越越宽大的区域域性断层概率率很高，这些些断层是关系系到工程成败败的关键地质质因素。例如天津引滦滦入津隧洞F1~F10断层交汇带和和F9～F11断层交汇带，，宽度分别为为220m和150m，涌水量50～100m3·s-1，大塌方十余次次，是该工程程最大的难点点。万家寨引引黄入晋工程程摩天岭断层层曾塌方卡住住TBM机头，工程处处理3个多月。南水水北调东线穿穿黄工程，隧隧洞中断层规规模虽然不大大，但股状压压力涌水，是是该隧洞最主主要的工程问问题。隧洞活断层工工程抗断在已已建工程中尚尚未见到，但但规划中的南南水北调西线线等几个长大大隧洞工程，，已将断裂活活动性问题作作为主要工程程地质问题之之一进行研究究。考虑到强强烈的破坏性性，具有短时时间形成较大大错距的区域域性活断层应应尽力绕避，，而以蠕变变变形为主的活活断层在工程程技术上是可可以克服的。。我国西部地地区策划的水水利水电深埋埋长隧洞，遇遇到的大断层层带具有以下下几个主要特特点：(1)断层规模更加加巨大，其延延伸长度逾数数百千米，断断层破碎带及及影响带宽度度几十至数百百米，甚至达达到1000m以上。这些断断层往往是不不同地质构造造单元的分界界性断裂，切切割深，具多多期活动性。。这些断层无无论对钻爆法法和TBM法施工困难和和风险均很大大。(2)大的断层往往往为地下水的的逸流与储存存创造了有利利条件;特别是在碳酸酸盐岩地区断断层带富水性性高，隧洞围围岩失稳与突突水突泥危害害性大。(3)一般浅埋隧洞洞地下水活动动强烈，受大大气降水和地地表水影响显显著，涌水的的突发生强。。而深埋隧洞洞因受地应力力影响，岩体体的渗透性和和富水均较弱弱，地下水活活动性也随之之减弱，使隧隧洞涌水量变变小。但是值值得注意的是是深埋隧洞滞滞后涌水也是是一种常见的的现象。例如万家寨引引黄入晋工程程北干线1号隧洞斜穿一一条灰岩的挠挠曲断裂破碎碎带，长约700m的洞段开挖后后7个月之内涌水水量很小，进进行衬砌作业业是很容易的的，7～18个月期间隧洞洞涌水量由24m3·h-1逐渐增大；几几次强力抽水水产生的负压压真空使隧洞洞涌水量猛增增至480m3·h-1，从而使隧洞洞衬砌作业发发生严重困难难。这个实例例说明隧洞穿穿过富水性强强的地段时，，及时衬砌封封堵围岩是非非常重要的。。(4)我国西部地区区活动性断层层多，规模大大，由于隧洞洞线路多与之之垂直布置，，而无法避开开。这些断层层往往对地形形地貌、地层层分布和水文文地质条件起起控制作用，，隧洞穿过此此种构造地段段难度相对较较大。此外，，现代活动性性断层的变形形分蠕变和错错断两种;前者对隧洞产产生缓慢的破破坏;后者对工程危危害性大。为为此，查明隧隧洞地区活动动性断层的分分布与变形速速率是很重要要的。总之，，施工时时应具备对大大断层的超前前探测与超前前处理的能力力。2.2岩溶及突水突突泥问题该问题在灰岩岩地区十分突突出。我国天天生桥二级发发生隧洞岩溶溶突水突泥影影响工期达2年之久。万家家寨引黄入晋晋工程南干线线6号隧洞具有松松散充填物的的古岩溶，致致使多处TBM隧洞发生沉陷陷变形。未充充填岩溶洞给给TBM掘进带来很大大风险，在掘掘进过程中，，时刻关注着着前方的每一一变化，以防防TBM发生下沉事故故。岩溶目前对灰岩地地区岩溶的勘勘察能够从宏宏观上查明岩岩溶的发育情情况。而对大大量岩溶洞的的分布位置、、规模和充填填物的性质还还是要在施工工中去发现去去处理。所以以对岩溶问题题施工中的超超前探测与处处理是非常重重要的。表2我国部分隧道道及矿山水文文地质灾害一一览表2.3高地应力条件件下软质围岩岩变形隧着地下工程程向深部发展展，软质围岩岩变形及其稳稳定性控制越越来越突出。。高地应力条条件下软质岩岩工程性质十十分复杂，其其主要原因是是：(1)它既有与岩石石本身有关的的地层、岩性性、矿物成分分、水理性质质、岩体结构构及强度等多多方面的内容容，也有应力力和应力变化化引发围岩状状态和性质改改变的许多内内容。(2)对高地应力条条件的软质岩岩目前还没有有完善的定义义。按围岩强强度应力比(S)的概念：式中：为岩石石饱和单轴抗抗压强度(MPa)，为岩体完整整系数，为围围岩最大主应应力(MPa)。在隧洞围岩压压力集中部位位，当围岩S<4时会出现应力力超限，形成成塑性区，围围岩稳定性差差;当S<2时，围岩变形形显著，围岩岩不稳定。随随着地下工程程向深部发展展，围岩S值可能更小，，变形将更加加严重。(3)目前人们对深深部地应力情情况了解的很很少，特别是是地下洞室开开挖后，三维维的地应力变变化情况很难难了解清楚。。(4)深埋地下洞室室软质岩变形形往往具有变变形量大，变变形期长、变变形形态复杂杂等特点，因因而也带来了了“支护难””。万家寨引引黄入晋总干干线6号隧洞N2红土洞段，因因土层含水量量偏高(19%左右)，在埋深80～100m条件下，TBM管片衬砌后很很快被压裂，，管片之间最最大错距达90mm。后来，对管管片进行了拆拆除和人工衬衬砌。围岩变形折断断的钢支撑2.4岩爆岩爆是是在一一定的的地层层岩性性、地地质构构造、、岩体体结构构、地地应力力场和和深埋埋洞室室施工工开挖挖临空空条件件变化化造成成瞬间间围岩岩压力力集中中，改改变了了围岩岩周围围的应应力状状态和和性质质等条条件下下产生生的。。通过过发发生生岩岩爆的的工程程实例例分析析认为为：岩爆(1)地下洞洞室多多分布布在构构造活活动(水平及及垂直直升降降运动动)比较强强烈的的地区区。我我国西西部地地区发发生岩岩爆的的实例例最多多。(2)据国内内外工工程实实例统统计，，发生生在岩岩浆岩岩中的的岩爆爆约占占70%，新鲜鲜坚硬硬的变变质岩岩和沉沉积岩岩中约约占30%。岩爆爆岩体体的纵纵波速速度多多在5000～6000m·s-1，甚至至更高高一些些。(3)在大型型压性性断层层下盘盘的隧隧洞工工程发发生强强烈岩岩爆的的实例例较多多。岩爆(4)在构造造活动动强烈烈地形形高差差悬殊殊的地地区，，分布布在边边坡应应力集集中带带中的的隧洞洞也容容易发发生岩岩爆，，如岷岷江的的太平平释等等。(5)隧洞埋埋深虽虽然不不是岩岩爆发发生的的唯一一条件件，但但众多多实例例显示示，埋埋深大大的隧隧洞产产生岩岩爆的的强度度和频频率往往往较较高。。(6)岩爆多多发生生在干干燥无无水岩岩体完完整的的洞段段。岩爆(7)据秦岭岭隧道道经验验，钻钻爆法法隧洞洞岩爆爆发生生的频频率和和危害害性均均较TBM法严重重，TBM法施工工岩爆爆危害害程度度可以以大大大降低低。现现在采采用的的双护护盾TBM,对岩爆爆有很很强的的适应应能力力。根根据我我国目目前策策划的的深埋埋长隧隧洞特特点来来看，，岩爆爆问题题不可可避免免，施施工中中必须须有应应对强强烈岩岩爆的的能力力。2.5隧洞地地温问问题当隧洞洞中原原始地地温达达到28℃℃时，施施工中中就要要采取取适当当的降降温措措施;当地温温达到到35℃℃,湿度80%时就会会对作作业人人员的的健康康和安安全产产生危危害，，同时时使机机械效效率降降低和和劳动动生产产率下下降。。随着隧隧洞工工程向向深部部发展展，地地温危危害的的报导导日趋趋增多多。我我国计计划兴兴建的的锦屏屏二级级水电电站引引水隧隧洞，，在勘勘探平平硐中中，由由于受受地下下水深深循环环的影影响，，在1200m埋深处处，洞洞温仅仅12℃℃～13℃℃，出现现地温温负异异常现现象。。初步步分析析，在在我国国西部部地区区许多多深埋埋长隧隧洞由由于地地势高高，气气温低低，山山顶地地区积积雪覆覆盖时时间长长，地地表水水及地地下水水温度度很低低，因因此将将会存存在与与锦屏屏类似似的地地温负负异常常带。。高地温温与此同同时，，由于于西部部地区区地壳壳活动动、火火山活活动、、温泉泉和放放射性性元素素含量量较高高的地地层的的存在在，也也会出出现高高地温温异常常带。。也可可以一一说不不同地地区的的地温温梯度度在空空间上上变化化是很很大的的，而而简单单地用用每百百米升升高3℃来计算算深埋埋隧洞洞的地地温，，其可可信度度差。。总之之，深深埋长长隧洞洞施工工中应应具备备解决决高地地温的的能力力。表3地下工工程高高地温温问题题2.6有害气气体问问题天然形形成的的有害害气体体一般般赋存存于产产生这这些气气体的的源岩岩和岩岩体的的孔隙隙裂隙隙中，，也有有少量量溶于于地下下水中中。当当地下下洞室室开挖挖后，，有害害气体体在地地应力力的作作用下下就会会迅速速或缓缓慢地地向地地下洞洞室(低压区区)中释放放和溢溢出。。通过过实践践人们们认识识到有有害气气体有有时运运移距距离很很大，，所以以在许许多不不含有有害气气体源源岩的的地层层中开开挖洞洞室也也会遇遇到有有害气气体问问题。。有害气气体有害气气体的的种类类多种种多样样，其其中危危害大大的主主要有有煤层层瓦斯斯(CH4)、石油油天然然气(nCH4)、一氧氧化碳碳(CO)、二氧氧化碳碳(C02)、二氧氧化硫硫(S02)、硫化化氢(H2S)等。在在地质质勘察察时，，首先先要查查明隧隧洞及及其附附近地地区是是否存存在生生成有有害气气体的的源岩岩；并并且要要注意意有无无将有有害气气体引引向隧隧洞区区的地地质构构造条条件。。在施施工中中及时时封闭闭围岩岩、加加强通通风和和监测测是十十分重重要的的。隧洞施施工通通风布布置图图2.7膨胀岩岩问题题我国北北方(包括西西北地地区)膨胀岩岩主要要分布布在二二叠、、三叠叠、侏侏罗、、白垩垩及第第三系系中。。岩性性为富富含蒙蒙脱石石和石石膏的的泥岩岩、砂砂质泥泥岩、、粘土土岩等等。通通过工工程实实践认认识到到，尽尽可能能地减减少对对围岩岩的扰扰动和和采取取防水水结构构设计计，使使围岩岩的含含水量量不发发生较较大的的变化化，是是可以以减少少甚至至避免免膨胀胀岩的的危害害。这这种方方法和和措施施是能能够有有效地地防止止膨胀胀岩干干燥活活化作作用的的发生生，从从而抑抑制了了膨胀胀岩膨膨胀作作用的的发挥挥。例例如万万家寨寨引黄黄入晋晋工程程7号隧洞洞工程程已成成功地地解决决了膨膨胀岩岩的危危害。。2.8放射性性元素素危害害问题题在我国国一些些地区区(如新疆疆天山山地区区)放射性性矿藏藏比较较多，，有侵侵入型型、火火山热热液充充填型型、沉沉积型型等。。在放放射性性元素素含量量高的的地区区应进进行专专门性性的勘勘察工工作，，以解解决以以下几几个问问题:(1)放射性性矿层层及富富集区区(高于本本底值值区)的分布布；(2)对施工工人员员和输输水水水质的的影响响作出出评价价；(3)对放射射性超超标的的隧洞洞弃碴碴提出出避免免二次次污染染环境境的堆堆放要要求。。2.9隧洞高高外水水压力力问题题地下水水作用用于隧隧洞衬衬砌上上压力力称外外水压压力。。深埋埋隧洞洞往往往具较较大的的外水水压力力，致致使隧隧洞衬衬砌破破坏。。例如如引黄黄入晋晋工程程7号隧洞洞，地地下水水位水水头为为60～300m，隧洞洞开挖挖中的的涌水水量均均不大大，但但在外外水压压力实实测值值超过过60m的洞段段，TBM衬砌管管片有有的发发生挤挤压破破坏;引滦入入津隧隧洞工工程，，在外外水压压力几几十米米水头头的情情况下下，使使约4000m城门洞洞型隧隧洞底底板衬衬砌产产生鼓鼓起破破坏。。地下水地下水对对隧洞衬衬砌的不不利影响响是显而而易见的的，而外外水压力力的量值值目前还还不易计计算准确确。在工工程处理理方法上上采取堵堵排结合合的办法法是可行行的，只只排(打排水孔孔)不堵(接触灌浆浆与固结结灌浆)往往造成成大面积积地下水水位的下下降，恶恶化水文文地质条条件和生生态环境境。3TBM对深埋长长隧洞地地质条件件适应性性分析与与对策由于深埋埋长隧洞洞地质条条件的多多样性和和复杂性性，目前前还没能能够适应应各种地地质条件件的所谓谓万能TBM,就我国目目前使用用的基岩岩掘进机机(双护盾TBM、单护盾盾TBM和开敞式式TBM)对地质条条件的适适用性可可分三种种情况：：TBM掘进(1)适用性好好：可以以说完整整---比较完整整的基岩岩隧洞、、甚至比比较破碎碎但具有有较高承承载力的的基岩隧隧洞均适适合TBM掘进，其其工作效效率大大大高于钻钻爆法，，引黄入入晋隧洞洞曾创造造月进尺尺逾千米米的世界界记录。。(2)适用性较较差：TBM穿过具有有严重不不良地质质问题的的洞段往往往需要要进行超超前探测测和处理理，否则则会发生生掘进事事故和质质量事故故，造成成隧洞进进行缺陷陷处理。。TBM掘进(3)基本不适适用：一一般指使使用TBM时会发生生严重的的机械和和工程质质量事故故的地段段。上述述基本不不适用TBM的隧洞段段应采用用人工开开挖法施施工代替替。参观瑞士士圣哥达达隧洞TBM掘进TBM掘进机钻钻头国内正在在施工的的引黄入入晋隧洞洞，最长长洞段43km。已竣工工的引大大入秦工工程，洞洞径5.53m，洞长11.65km，埋深51～330m。秦岭铁铁路隧洞洞长18km，直径9～10m，开敞式式TBM施工。14.17m南水北调调西线深深埋长隧隧洞，高高寒缺氧氧，不适适于重体体力劳动动，应尽尽力减少少空气污污染，采采用TBM法施工是是适宜的的。本工工程采用用双护盾盾掘进机机开挖。。TBM对地质条条件适应应性分析析与对策策大致分分3个部分：：第一，地地质人员员应查明明或基本本查明深深埋长隧隧洞工程程地质条条件与问问题，要要求在隧隧洞工程程地质剖剖面中分分段加以以阐明。。对主要要不良地地质问题题的危害害作出评评价。TBM掘进第二，设设计人员员根据隧隧洞各种种条件，，确定隧隧洞设计计指标，，提出施施工方法法和TBM选型的主主要要求求，同时时提出改改善不良良地质条条件的措措施方法法等。第三，承承包商根根据设计计文件，，选择适适应大部部分隧洞洞地质条条件的TBM机型，确确定隧洞洞施工方方案，并并在施工工中不断断改进完完善施工工方案和和对策措措施。4深埋长隧隧洞的勘勘察思路路和方法法深埋长隧隧洞工程程勘察特特点与难难点⑴地面海拔拔高，交交通困难难，勘探探设备甚甚至技术术人员难难以到达达洞线位位置；⑵常规勘察察技术难难以适应应隧洞工工程发展展需要。。对于埋埋深1000～3000m以及高应应力、高高水头条条件下的的隧洞工工程，尚尚缺乏适适宜的勘勘探试验验设备；；深埋长隧隧洞工程程勘察特特点与难难点⑶随深度增增加，隧隧洞工程程地质问问题更为为复杂，，可借鉴鉴的工程程实例不不多，而而分析和和评价理理论还不不够完善善，分析析评价方方法尚需需探索；；⑷采用TBM施工是深深埋长隧隧洞工程程发展趋趋势。相相对于钻钻爆法而而言，TBM施工对勘勘察成果果的精度度要求更更高；深埋长隧隧洞工程程勘察特特点与难难点⑸勘察经费费不足，，勘察工工作量和和勘察方方法选择择受到限限制；⑹鉴于上述述因素，，深埋长长隧洞洞洞身围岩岩地层岩岩性、构构造等较较难查清清，其物物理力学学参数的的获得相相对困难难，对于于工程地地质问题题的分析析评价合合理性和和准确性性相对不不高。因因此，不不论从哪哪个角度度讲，大大埋深超超长隧洞洞的勘察察设计具具有一定定的难度度。勘察技术术思路前期工程程地质勘勘察的基基本目的的应该是是侧重于于掌握基基本地质质资料，，把握工工程地质质条件的的总体规规律。随随着勘察察阶段的的不断深深入，也也应侧重重于上述述规律和和基本条条件的进进一步落落实。具具体工程程部位的的某些地地质问题题可到隧隧洞施工工时具体体研究解解决。建建议在不不同勘察察设计阶阶段应采采用不同同的勘察察技术和和方法，，具体见见表2表2不同勘测测阶段采采用的主主要勘察察方法4.1遥感地质质方法遥感是区区域地质质勘察的的一个重重要手段段，随着着遥感手手段和解解译技术术的不断断提高，，对了解解地层岩岩性、地地质构造造、滑坡坡、泥石石流、冰冰川、雪雪线、新新构造及及水文地地质等起起到事半半功倍的的效果，，特别是是交通不不便的地地区地质质遥感更更为重要要。目前前按获获得得遥感信信息数据据方法的的不同，，可分为为卫星遥遥感和航航测遥感感，前者者一般在在规划和和项目建建议书勘勘察阶段段使用，，成图比比例尺1:5万~1:20万。后者者多在可可研和初初设阶段段使用，，成图比比例尺1:5000~1:10000。卫星遥感感影像目前常用用的卫星星遥感影影像种类类主要是是可见光光、红外外和雷达达图像，，产品一一般有3~4个处理级级，如LANDSAT、SPOT有四级，，客户可可以根据据自己的的需要和和处理能能力选择择。雷达达图像具具有全天天候，分分辨率较较高的优优点，尤尤其是森森林覆盖盖地区其其优越性性更为明明显，缺缺点是费费用高，，现成的的数据少少。卫星遥感感影像市场上提提供的可可见光卫卫星产品品最为丰丰富，地地面分辨辨率有0.6m、1m、2.5m、5m、10m、15m、20m等，大体体相当于于1:5000~1:100000精度。测测绘和调调查应充充分利用用已有资资料和航航空航天天数据信信息，目目前法国国的SPORT5数据精度度已达到到2.5m，美国的的快鸟已已经对我我国开放放，其数数据精度度已达到到0.61m；几套数数据联合合运用可可以提出出非常丰丰富的高高质量的的基础信信息，通通过地质质解译和和调绘可可完成地地质测绘绘成果。。4.2物探、化化探及放放射性探探测物探包括括综合物物理测井井和地面面物理探探测(如电磁法法、地震震波法、、地质雷雷达等);化探(即化学物物理探测测)可通过对对氛气、、汞气、、氖气的的探测帮帮助地质质人员了了解地下下地质情情况;放射性勘勘察需由由核专业业单位完完成。物探目前常用用地面物物探方法法中，大大地电磁磁测深法法具有1200~1500m的探测能能力，其其它方法法一般不不超过500m。在当前前物探技技术条件件下，当当隧洞埋埋深大于于1500m时，通过过物探了了解到一一些重要要地质现现象与界界面随深深度的变变化“趋趋势”就就算达到到目的。。物探不能认为为探测深深度达不不到隧洞洞高程就就没有意意义，可可以通过过随深度度变化趋趋势和规规律推测测地质现现象的深深部特征征，如与与钻探等等其它勘勘探分析析手段结结合起来来其准确确性更高高，还是是能够解解决不少少工程地地质问题题。大地电磁磁测深法法深埋长隧隧洞物探探勘察适适宜采用用综合手手段，以以便不同同方法之之间相互互补充和和验证，，并采取取点、线线、面相相结合和和定性与与半定量量结合的的物探布布置原则则。大地地电磁测测深法探探测深度度大，地地形适应应性强，，是深埋埋长隧洞洞工程地地面物探探的主要要方法。。综合物探探此外，可可根据地地层的弹弹性、电电性和放放射性特特征，选选择浅层层地震勘勘探和电电测深、、高密度度电法、、瞬变电电磁法、、综合测测井以及及放射性性勘探作作为辅助助手段。。如安康康铁路秦秦岭隧洞洞、南水水北调西西线输水水隧洞等等工程均均采用了了综合物物探方法法进行勘勘察，取取得了丰丰富的成成果。4.3可控源音音频大地地电磁法法可控源音音频大地地电磁法法(CSAMT)是电磁法法的一种种，它的的主要特特点是用用人工控控制的场场源做频频率测深深。CSAMT法使用可可控制的的人工场场源,测量参数数为电场场与磁场场之比而而得出的的卡尼亚亚电阻率率;同时,基于电磁磁波的趋趋肤深度度原理,利用改变变频率进进行不同同深度的的电测深深。CSAMT法优点因此,CSAMT法在工作作中具有有如下优优点:工作效率率高,一次发射射可以同同时接收收7道电场和和1道磁场;抗干扰能能力强;勘探深度度范围大大,一般可达达1～2km;横向分辨辨率高,可灵敏地地发现断断层;高阻屏蔽蔽作用小小,可穿透高高阻层。。电磁法电磁法作作为一种种重要的的勘探地地球物理理方法，，应用领领域广泛泛，分支支众多。。金属矿矿产勘探探是电磁磁法的传传统应用用领域。。随着我我国经济济的发展展，电磁磁法的应应用领域域已经拓拓展到地地下水勘勘探、工工程勘探探、海洋洋资源勘勘探等众众多领域域，特别别是近几几年地球球深部构构造和地地球动力力学研究究的兴起起，为我我国电磁磁法发展展提供了了良好的的契机。。频率域电电磁测深深法目前，我我国电磁磁勘探技技术，无无论在仪仪器还是是软件方方面都得得到了长长足的发发展。硬硬件方面面，仪器器灵敏度度高，且且小型轻轻便；软软件方面面，三维维反演技技术逐渐渐成熟，，并在实实际资料料处理中中取得了了很好的的效果。。.电磁法种类类繁多，按按其勘探方方式可分为为电磁测深深法和电磁磁剖面法，，而电磁测测深法又包包括时间域域方法和频频率域方法法。而应用用最广泛，，发展最快快的是频率率域电磁测测深法。电磁法发展展历史1、20世纪50年代，法国国的Cagniard和前苏联的的Tikhonov提出了大地地电磁法（（MT）；2、20世纪60年代的Berdichevski等（1969），提出了了音频大地地电磁法（（AMT）；3、1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控控源音频大大地电磁法法（CSAMT）。MT和AMT大地电磁（（MT）和音频大大地电磁（（AMT）测深的实实质系测量量由于太阳阳风或太阳阳黑子活动动及赤道区区的闪电雷雷击在地球球表面产生生的各种频频率的水平平电场和水水平磁场，，然后通过过阻抗与电电阻率的关关系计算视视电阻率从从而了解地地下电性结结构。该方方法采用天天然场源，，不受高阻阻屏蔽的影影响，设备备轻便，勘勘探深度能能达到数百百公里；其其缺点是场场源不可控控制并且信信号微弱，，易受自然然环境的影影响，尤其其是在矿山山、城区附附近很难开开展工作，，因此主要要用于深大大构造研究究。CSAMT可控源音频频大地电磁磁（CSAMT）测深，通通过人工发发射电磁波波解决了场场源微弱和和多变性问问题，增强强了信噪比比，但同时时也引入了了场源的影影响，电磁磁场不满足足无源区齐齐次方程，，且带有发发射机，增增加了野外外工作的难难度。国际市场上上的电磁测测深仪器主主要有以下下几类：（1）加拿大凤凤凰公司（（phoenix）的V-5，V5-2000，V-6电磁系统，，这三套系系统能做天天然场和人人工源，目目前，国内内主要用来来采集天然然场信号，，用于深部部研究；（（2）美国EMI公司的MT-24，EH4系统，其中中MT-24仅做天然场场观测，主主要研究深深部构造，，EH-4能做天然场场和人工源源，其勘探探深度有限限，用于浅浅部研究（（小于1km）；测深仪器（3）美国的LIMS仪器系统，，用于深部部构造研究究，据称周周期可达2、3万秒。（4）德国Metronix公司，MMS-04大地电磁系系统。我国国廊坊物化化探所自行行研究生产产的CLEMP分布式被动动源电磁系系统。目前前国内引进进的测深仪仪器主要有有：MT-24，V-5，V5-2000，EH-4等。这些仪仪器在固体体矿产、水水资源、油油气田勘探探等方面发发挥了重要要作用。CSAMT方法在地下下构造、含含水岩体的的探测中都都能发挥很很好的作用用。对深埋埋隧道而言言,可以在宏观观上查明地地层岩性、、地质构造造(断层、岩溶溶)及其赋水性性,为钻孔布置置及隧道设设计、施工工提供地球球物理依据据。CSAMT法在深埋长长隧道勘察察中对活动动断层和隐隐伏断层的的探测是最最为有效的的方法,在南水北调调西线工程程和西南地地区公路工工程中进行行大量实际际应用,效果显著。。勘探深度度范围大，，一般可达达1--1.5km。2004年对南水北北调引水隧隧洞西线一一期工程中中玛柯河-贾曲段千米深,长20km深埋长隧洞洞采用CSAMT法进行了地地质结构面面、岩性特特征、赋水水性等地球球物理勘探探、工程地地质勘查,以查清勘探探区影响引引水隧洞工工程建设的的不良地质质体和不良良地质构造造。结合其他补补充物探手手段及地面面工程地质质勘察结果果对20km深埋长隧洞洞围岩介质质的结构特特征进行了了解释,指出了可能能影响工程程的断层、、破碎带及及异常区。。EH-4野外工作图图片4.4钻孔及综合合测井法一些深埋长长隧洞工程程地形交通通条件很差差，但应尽尽量创造条条件，布置置必要的钻钻孔和综合合测井工作作。其重要要作用有:(1)了解深部地地层岩性及及岩体状况况，(2)了解地下水水位、有害害水质及有有害气体等等，(3)通过地应力力测试了解解地应力量量值、方向向；4.4钻孔及综合合测井法(4)了解恒温层层深度、地地温增温梯梯度及地温温随深度的的变化情况况等，(5)了解深部岩岩体物理力力学参数，，(6)通过岩芯状状况(如饼状岩芯芯)分析岩爆的的可能性，，(7)判断隧洞围围岩分类等等。深钻孔因此，即使使是深埋隧隧洞工程，，钻探仍是是不可替代代的勘察手手段之一。。目前，在在隧洞工程程勘察中深深钻孔的应应用已经达达到较高水水平。如瑞瑞士圣哥达达隧洞的法法意多标段段打了7个钻孔，长长度在200m到1070m。赛德润标标段的两个个倾斜、弯弯曲的钻孔孔长达2000m。又如精伊伊霍铁路北北天山隧洞洞最大钻孔孔深度约800m，平均钻孔孔间距约2~3km，其钻孔一一般为垂直直孔。深钻孔意大利都灵灵和法国里里昂—蒙彼利埃之之间计划修修建一条高高速铁路，，有一座长长约54km穿越阿尔卑卑斯山山麓麓的铁路隧隧道，埋深深超过1000m的有22km，埋深超过过1500m的有10km，3.5km以上埋深超超过2000m。布置20个钻孔，其其中有3个深度超过过1000m，平均钻孔孔间距小于于3km。赛德润标段段的地质剖剖面图，两两个倾斜钻钻孔长达2000m圣哥达隧洞洞施工交通通竖井800m深，直径8.7m4.5深埋长探硐硐深埋长探洞洞勘察方法法日益受到到工程界的的重视，例例如秦岭隧隧道(双线)，曾在一条条线上打了了18km长的贯通探探铜。锦坪坪二级水电电工程在可可研阶段曾曾打了4.2km和3.6km的地质探铜铜，对一些些疑难地质质问题有了了明确的认认识，为该该工程打下下良好的基基础。深埋埋长探洞的的布置，可可选择在隧隧洞进出口口、施工支支洞和有重重要地质问问题的部位位。对深埋埋长探洞以以往多采用用钻爆法施施工，今后后可探讨用用小型TBM开挖深埋长长探洞的可可能性。长探洞国内外公路路、铁路长长隧洞工程程普遍采用用超长探洞洞平导施工工方案，即即小直径平平导洞超前前于主洞施施工，其重重要目的之之一就是勘勘探前方地地质条件，，降低或避避免严重地地质灾害风风险。长距离的输输水隧洞一一般为单线线，采用全全线平导超超前勘探可可能性不大大。但仍可可以结合前前导洞以及及交通洞、、通风洞（（井）等辅辅助工程进进行勘察或或超前勘探探，一洞多多用。长探洞瑞士辛普伦伦铁路隧长长19.8km，穿越阿尔尔卑斯山，，施工时采采用全线平平导方案，，超前探明明了地质条条件，并发发挥了运输输、排水、、通风等作作用，为主主洞施工奠奠定了基础础。锦屏二二级引水发发电洞布置置5km的勘探洞，，获得了到到大量难得得的技术资资料，长期期为各方引引用。黄河河大柳树水水利枢纽工工程右岸发发电洞完成成了1.2km的勘探洞，，长期争议议的发电洞洞成洞条件件问题得到到了较好解解决。4.6对重大地质质问题的专专门性勘察察试验研究究对深埋长隧隧洞设计、、施工有重重大影响的的地质问题题可在可研研一初设阶阶段进行专专门性的勘勘察试验研研究。例如如万家寨引引黄入晋工工程曾对岩岩溶、膨胀胀岩、含水水隧洞水文文地质条件件及涌水量量，湿陷性性黄土和N2红粘土工程程性质等进进行了专题题勘察试验验研究，起起到重要作作用。专题勘察试试验研究我国西部部地区深埋埋长隧洞可可根据具体体情况开展展深大断裂裂、活动性性断裂、岩岩溶、软岩岩变形、隧隧洞涌水与与高外水压压力、高地地温、有害害气体等的的深入研究究，以期较较好地解决决工程的难难点，为工工程打下良良好的基础础。4.7施工期超前前地质预测测与预报限于深埋长长隧洞的特特点和难点点，前期勘勘察较难查查清与其相相关的所有有工程地质质问题。所所以，施工工中进行超超前探测和和预报十分分重要，是是施工过程程中不可缺缺少的一个个环节。地质超前预预报方法在隧洞施工工过程中进进行超前地地质预报，，各种方法法都有其长长处和短处处。地球物物理探测资资料具有多多解性，单单纯以物探探方法提出出的预报，，与实际地地质情况可可能有较大大误差。因因此，在地地质条件复复杂的隧洞洞中，应综综合运用多多种预报方方法，互相相印证、取取长补短。。地质综合分分析法地质综合分分析法是超超前预测报报的核心方方法，其它它直接和间间接方法是是地质综合合分析法的的辅助手段段。除地质质综合分析析预报方法法外，针对断层破破碎带、围围岩类别方方面可供选选择的预报报方法有以以下几种：：TSP203超前地质预预报系统、、HSP水平声波剖剖面法、地地质雷达法法、水平超超前钻孔和和勘探洞等等；针对突涌水水及高外水水压问题的的预报方法法主要有：：TSP203超前地质预预报系统、、红外探水水法、地质质雷达法和和水平超前前钻孔等。。TSP203超前地质预预报系统有有效探测深深度达150~200m，可作为中中长期预报报手段；水水平钻孔、、勘探洞、、红外探测测和地质雷雷达探测深深度一般不不超过50m，适宜进行行短期预测测预报。在在钻爆法施施工的隧洞洞中采用各各种超前探探测技术较较为有利，，而在开敞敞式TBM施工中进行行超前预报报要比护盾盾式TBM施工更容易易一些。地质超前预预报的常用用方法及其其优缺点地质超前预预报可以预预测掌子面面前的一些些内容:如断层构造造及断层破破碎带,煤层、瓦斯斯、天然气气、硫化氢氢赋存条件件,采空区状况况,岩溶、空洞洞、裂隙及及其规模和和充填情况况,地下水赋存存状态及可可能突水、、涌水的位位置以及水水量的大小小和软弱围围岩及不同同类别围岩岩的界面等等。地质超前预预报方法目前常见的的地质超前前预报方法法可归为两两类,一类属破坏坏法,另一类属非非破坏法。。破坏法是是指用破坏坏的方法凿凿开隧道直直接取样,它包括地质质法、超前前平行导坑坑法和超前前水平钻孔孔法;非破坏法也也就是物理理方法,利用岩石的的物理性质质来判别,它包括有声声测法、电电测法和波波反射法。。波反射法法也可以分分为电磁波波反射法和和地震波反反射法。地质法受各种条件件的限制,不同的隧道道施工地质质超前预报报方法有各各自的优点点,也存在各自自的缺点。。地质法是是指用地质质锤、放大大镜和地质质罗盘等野野外地质工工具直接观观察岩石的的岩性,并判断周围围的岩性。。地质法有有可靠的理理论基础,不占或很少少占用施工工时间,适用性强,成本低,操作简便,但靠有限之之“见”预预报范围很很有限,特别是在地地层岩性变变化极为复复杂(如强烈褶皱皱地层)的隧道中预预报的难度度很大。超前平行导导坑法超前平行导导坑法是在在要开挖的的隧道附近近开挖一平平行的小断断面导坑,该法具有地地质法的优优点,但投资大,且隧道与导导坑间距过过大、地层层变化复杂杂时准确率率明显降低低,因此适用于于设计间距距较小、地地层受构造造变动小的的平行隧道道工程。超前水平钻钻孔法超前水平钻钻孔法是用用钻探设备备向掌子面面前方钻探探,从而直接揭揭示隧道掌掌子面前方方地层岩性性、构造、、地下水、、岩溶洞穴穴充填物及及其性质、、岩石(体)的可钻性、、岩体完整整程度等资资料,还可通过岩岩芯试验获获得岩石强强度等定量量指标,是最直接有有效的地质质超前预报报方法,但一次钻探探距离短,费用高且占占用施工时时间长。声测法和电电测法声测法是利利用声波在在岩石中的的传播规律律来判别岩岩石性质的的一种方法法。声测法法占用施工工时间短,但预报距离离受孔深限限制,一般小于15m。电测法是根根据岩石与与电阻的关关系来推断断其性质的的一种方法法,可以分为电电位法和电电阻率法。。电测法简简便、成本本低,但必须是以以各层间电电阻值有一一定的差别别为前提。。地质雷达法法地质雷达(GroundPenetratingRadar,简称GPR)是利用无线线电波检测测地下介质质分布和对对不可见目目标或地下下界面进行行扫描,以确定其内内部形态和和位置的电电磁技术。。其分辨率率高、无损损伤、探测测和数据处处理速度快快、机动灵灵活、操作作方便、抗抗干扰能力力强,可对隧道一一定范围内内进行全方方位探测,但是其预报报距离较短短,只能预报掌掌子面前方方40-50m处的工程地地质、水文文地质条件件,而较准确预预报的距离离只有十几几米。TSP隧道地震波波法TSP法(TunnelSeismicPrediction)是由瑞士Amberg测量技术公公司为隧道道及地下工工程施工期期地质超前前预报而研研制开发的的,它的预报范范围是地质质雷达的4-12倍,预报费用是是超前水平平钻探的1/10-1/20。它有以下下优点:TSP隧道地震波波法(1)适用范围广广,即适用于极极软岩至极极硬岩的任任何地质情情况。(2)预报距离长长,理论上能预预报掌子面面前方500m,考虑地震波波干扰等因因素能准确确预报掌子子面前方100～350m。(3)对隧道施工工干扰小,它只要求在在接收信号号时为减少少噪音干扰扰作短暂停停工。TSP隧道地震波波法(4)探测时间短短,一次完整的的探测仅仅仅需要45分钟,加上探测前前的准备工工作和探测测以后系统统清除所用用的时间也也不过2小时,另外探测前前的准备工工作可以在在施工的同同时执行。。(5)节约投资费费用,据国外隧道道施工经验验估计,采用TSP法比不进行行预报节省省费用是全全部工程的的15%。(6)提交资料及及时,在现场采集集数据的第第二天即可可提交正式式成果报告告。TSP测量量原原理理TSP测量量原原理理TSP测量量结结果果TSP202在圣圣哥哥达达隧隧道道中中超超前前探探测测结结果果TSP隧道道地地震震波波法法由于于TSP有如如上上诸诸多多优优点点,所以以它它的的出出现现解解决决了了工工程程界界对对超超前前预预报报的的诸诸多多难难题题,从而而代代表表了了当当今今世世界界隧隧道道施施工工超超前前预预报报的的最最先先进进技技术术。。TSP从上上世世纪纪90年代代初初问问世世以以来来,已经经在在数数百百项项大大型型工工程程中中应应用用并并取取得得了了全全世世界界的的认认可可。。在瑞瑞士士的的Vereina铁路路隧隧道道中中,它准准确确的的预预测测出出隧隧道道里里程程(TM)1430m处存存在在不不稳稳定定的的蛇蛇纹纹岩岩层层;在日日本本的的Gorigamine高速速铁铁路路隧隧道道中中成成功功的的预预测测出出掌掌子子面面前前方方岩岩性性由由坚坚硬硬的的英英安安岩岩过过渡渡到到稍稍软软弱弱的的凝凝灰灰岩岩再再到到软软弱弱的的页页岩岩的的位位置置。。在在开开挖挖至至黑黑色色页页岩岩之之前前提提前前进进行行了了隧隧道道支支护护,有效效地地避避免免了了隧隧道道坍坍塌塌事事故故的的发发生生;还有有在在日日本本的的Kazunogawa水电电隧隧洞洞工工程程中中,准确确的的预预报报出出基基准准点点前前方方112m处一一个个14m宽的的断断层层带带,并有有泉泉水水出出现现;而在在南南韩韩的的Anmin公路路隧隧道道中中准准确确预预报报出出隧隧道道掌掌子子面面前前方方不不同同于于开开挖挖段段风风化化岩岩层层的的较较坚坚硬硬岩岩层层和和断断层层构构造造的的位位置置。。国外外采采用用TSP探测测的的隧隧道道工工程程的的重重要要统统计计数数据据地质质超超前前预预报报综综合合分分析析法法基基本本流流程程图图4.8数值值模模拟拟分分析析计算算机机数数值值模模拟拟分分析析为为隧隧洞洞工工程程勘勘察察提提供供了了一一种种全全新新的的分分析析手手段段，，国国内内外外一一些些知知名名隧隧洞洞工工程程，，如如引引黄黄入入晋晋输输水水隧隧洞洞、、安安康康铁铁路路秦秦岭岭隧隧洞洞、、瑞瑞士士的的伯伯伦伦纳纳隧隧洞洞、、圣圣哥哥达达隧隧洞洞等等工工程程，，针针对对不不同同的的地地质质问问题题进进行行了了数数值值模模拟拟分分析析。。数值值模模拟拟分分析析在以以下下几几方方面面进进行行数数值值模模拟拟分分析析具具有有重重要要意意义义：：⑴模拟分析原地地应力场，可可以利用浅孔孔和少量的原原位应力测量量资料分析预预测全洞线深深层地应力场场特征；⑵模拟计算应力力重分布后的的围岩应力场场，分析预测测松弛圈范围围，预测岩爆爆、围岩变形形等问题，国国内外有很多多成熟的计算算软件可供利利用；数值模拟分析析⑶根据《水工隧洞设计计规范》推荐的外水压压力折减系数数法估算作用用在衬砌上的的外水压力，，对隧洞区渗渗流场的数值值模拟分析，，预测隧洞外外水压力、估估算隧洞涌水水量及两者在在各时期、不不同工况和衬衬砌形式的变变化，可以为为工程设计提提供丰富的资资料，该法较较适宜于施工工开挖阶段的的应用；⑷模拟分析隧洞洞地温场，预预测隧洞地温温及其变化；；数值模拟分析析⑸设计所需围岩岩物理力学指指标原则上应应通过试验、、原位测试取取得，但在埋埋深很大的情情况下，大量量的试验与测测试较为困难难，实际上能能够得到的主主要是浅层的的试验测试成成果。因此，，比较经济可可行的方法是是利用少量深深层资料与浅浅层资料的相相关分析、专专家经验系统统分析来确定定隧洞围岩物物理力学指标标。5．施工方法的的选择目前隧洞开挖挖施工的方法法很多,可以据据地质质条件、隧洞洞尺寸和其他他因素选择合合适的施工方方法。选择常常规钻爆法还还是机械开挖挖,主要取决于地地质条件。常规钻爆法最最常用的是新新奥地利隧洞洞施工法(简称新奥法),机械开挖最常常用的是隧洞洞掘进机(TBM)施工方法