隧道监测及地质超前预报技术

报告目录？监控和预报--隧道施工地质灾害一三？预报--隧道地质超前预报技术与方法二？监控--隧道监控量测技术方法★勘察设计阶段：查明工程地质条件、评价主要工程地质问题。宏观、整体★隧道施工阶段：方案实施，验证勘察成果。具体、局部、细微

1.隧道施工地质灾害类型及其危害局部的、随机的不良地质洞段成为施工最大的安全隐患。主要施工地质灾害：★塌方★岩溶、突水突泥★高低温★瓦斯★围岩大变形★岩爆

1.1隧道塌方

★在隧道施工中经常发生的一种事故，会造成停工、人员伤亡、设备损坏等后果。★多发生在围岩类别低，岩体质量差，含水丰富，断层、岩脉破碎带，特殊岩土体等处已施工初期支护未塌方段为ZK71+692～800段和ZK71+837～888.8段。隧道洞内塌方体初步估算约2500m3，塌落体主要为粒径10～100cm的单个块石和碎块状炭质灰岩，分析塌方的主要原因是地质突然恶化，ZK71+810.5附近为一小型破碎构造带，围岩自稳能力差，地下水量大，开挖时未及时支护，造成局部坍塌，并影响前后掌子面连锁反应，从而造成大塌方。2011年7月18日，大连胜利路附近正在施工的一条隧道发生坍塌事故，12名施工人员被困。

2008年12月16日，大岗山主厂房第Ⅰ层厂

塌方1200m3，处理1.5年图深溪沟排水洞K0+294.8m实际开挖断面图塌方事故多发，工期延长1年，投资增加近一半2007年11月20日8:40，高阳寨隧道岩崩约3000m3。亡35人1.2岩溶、突水突泥

★常见于降雨量较大、地存在表水体、地下水丰富的地区施工的隧道。★出现涌水的地方不一定会有岩溶，但是出现岩溶的地区多数伴有突水突泥。

★发生突水后，会造成停工、设备冲毁、人员伤亡等。

国内外隧道突涌水灾害

★日本青函隧洞（2130m）火山角砾岩、凝灰岩断裂带，突水量10.08×104m3/d，水压2.16MPa，死亡34人，伤残1300余人，经5个多月才控制，工期推迟10年★日本旧丹那隧洞(7.804km)，6次大的突水涌泥，最大突水量达19.35×104m3/d，涌泥量7000余立方，水压达1.14~4.12MPa，造成严重伤亡，工期长达16年之久★京广线大瑶山隧洞，突水量3万m3/d★成昆线沙木拉达隧洞，最大达5.2万m3/d多次突水，停工32d★襄渝铁路大巴山隧洞，中断3月，最后采取绕避★大秦线军都山隧洞★成昆线上的红庙隧洞，因突水难以整治而改线★衡厂夏线衡韶段，发生14次大型涌泥突水，约100万m3，地表陷穴40多处。工期延长近2年，造价增加50%★渝怀铁路圆粱山隧洞★水柏铁路何家寨隧洞，22次大涌水、泥砂，延迟半年，增加投资数千万元★宜万铁路五爪观隧道，长3724m，单面坡。隧道进口附近发育五爪观暗河。在陡崖上，以悬挂泉形式溢出“五爪水泉”，供五爪观电站发电用水，也为兰草谷景区景点之一

2006年1-21日凌晨6点，宜万铁路马鹿箐隧洞掌子面拱顶突水崩溃，13人被堵在洞内，2人被冲出洞外生还，11人遇难。溶腔内水压力为0.8～1.2MPa，泄水量为1000～5000m3/h

泄水洞位置水文地质特征示意图图

马鹿箐泄水洞溶腔界面示意图（单位：cm）“+978”溶洞横断面示意图马鹿箐隧道+978高压突水突泥溶腔

溶洞边壁支溶洞

支溶洞出口掌子面揭示溶洞

大岗山3#胶带机洞工程地质纵剖面图

大岗山09年8月5日3#胶带机洞突水塌方后出口情况

突水突泥段示意图1.3高地温

在火山带的地区修建隧道或深部地下工程，会遇到比较高温高热，地层可能会喷出热水或者有害气体，使人烫伤或中毒，严重者死亡。

表1列举了国内外部分深埋长隧道的地温值及穿越的主要地层岩性。地温值与隧道所在地区的地层岩性、地质构造、近期岩浆活动等因素都有密切关系。此外,地温值还与地下水的状态有关,很多已建成的隧道原预测温度很高,但实际施工时发现并不高,如西康铁路秦岭隧道。1.4瓦斯爆炸★一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生激烈氧化反应。当隧道里的甲烷浓度超过16%时，它不会燃烧和爆炸；但是当浓度超过40%时，可以使人因严重缺氧而窒息或死亡。

★瓦斯气体主要赋存、聚集于岩体内的裂隙、孔隙内，因岩体内裂隙、孔隙的发育具随机性，故瓦斯溢出的时间和部位都具有明显的随机性。★其他：氡、氦等放射性气体1.5围岩大变形★围岩变形量超过了设计变形量，造成施工困难，就认为发生了围岩大变形。

★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。

★发生在软岩地层（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矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报。破碎带围岩大变形1.6岩爆

★因开挖卸荷致使洞壁应力重分布，储存在岩体内部的弹性应变能突然释放，发生爆裂松脱、剥落弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害★硬脆性围岩、高地应力条件岩爆岩爆区？隧道施工过程中存在各种地质灾害因素在孕育有一定风险环境的隧道工程中，就有可能发生各类风险事故，从而对承载体系带来各种各样的损失监控量测超前预报为什么要对隧道进行监控和预报？报告目录隧道施工地质灾害类型及其危害一三隧道地质超前预报技术与方法二隧道监控量测技术方法2.隧道监控量测技术方法2.1监控量测的内容必测项目和选测项目必测项目洞内观察与地质素描净空变化量测拱顶下沉量测地表下沉量测必测项目和选测项目选测项目

围岩内部位移监测；喷砼应力监测；围岩压力监测；钢拱架应力监测；二衬应力监测；锚杆或锚索内力及抗拔力

量测项

目围岩种类必测项目选测项目洞内观察净空收敛拱顶下沉地表下沉衬砌应力围岩内位移锚杆轴力钢支撑应力接触压力混凝土应变洞内弹性波硬岩◎○○○△△△△△△△软岩◎◎◎○△◎◎△△△△土砂◎◎◎◎◎○○○○△△◎必须实施、○可以实施、△必要时实施2.2监控量测的方法2.2.1必测项目1、目测观察获得与围岩稳定状态有关的直观信息⑴掌子面地质层岩性、结构面产状、有无断层，围岩类别，自稳情况，地下水的影响情况等⑵对初期支护效果：喷层有无裂缝，裂缝的部位、长度、宽度、深度2、周边收敛量测收敛：隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映。1）量测目的⑴判断隧道空间的稳定性；⑵根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机；⑶指导现场的施工。

2）量测设计⑴收敛量测的间距与测线

必测项目量测断面间距和每断面测点数量围岩级别断面间距（m）每断面测点数量净空变化拱顶下沉V～VI5～101～2条基线1～3点IV10～301条基线1点III30～501条基线1点⑵量测频率：量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离按位移速度位移速度（mm/d）量测频率≥52次/d1～51次/d0.5～11次/2～3d0.2～0.51次/3d＜0.21次/7d按距开挖面距离(注：b为隧道开挖宽度)量测断面距开挖面距离（m）量测频率(0～1)b2次/d(1～2)b1次/d(2～5)b1次/2～3d＞5b1次/7d3）量测仪器收敛计：机械式的收敛计、数显式收敛计例：QJ-85型坑道周边收敛计；JSS30A型数显收敛计；SWJ－IV型隧道隧道收敛计。3、拱顶下沉量测

埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测比收敛量测更为重要

量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。

1、围岩内部位移量测1）隧道围岩内部位移量测的主要目的是：⑴了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。⑵判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。⑶根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。2）量测仪器：多点位移计3）测量原理

2.2.2选测项目中国地质大学（武汉）2、锚杆轴力量测1）量测目的⑴把握锚杆实际工作状态及轴向力⑵结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限⑶修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果2）量测方法和仪器

锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为电测式和机械式两类。电阻应变式和机械式是通过量测锚杆不同深度处的应变（或变形），然后按有关计算方法转求应力。钢弦式则是通过测定不同深度处传感器受力后的钢弦振动频率变化，转求应力。3、围岩压力及两层支护间压力量测

围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试1）目的：了解围岩压力的量值及分布状态；判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。2）量测仪器与原理

液压式测力计和电测式测力计。弦测法原理钢弦式压力盒布置图4、钢支撑应力量测

了解钢支撑的实际工作状态，从钢支撑的性能曲线确定在此压力作用下所具有的安全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。1）量测目的⑴了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。⑵根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和支护结构的稳定性。⑶了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。2）量测元件

钢弦式表面应变计

钢弦式钢筋应力计

5、混凝土应力量测了解混凝土层的变形特性以及应力状态；掌握喷层所受应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定状况；判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度；检验二次衬砌设计的合理性，积累资料。2.3监测预报实例A隧道监控量测周报月报B隧道监控量测周报隧道施工监控量测的意义确定隧道围岩变形状态提出围岩变形失稳预警确定隧道支护结构受力变形状态为隧道支护参数变更提供依据为确定隧道支护与开挖工作面间合理距离提供依据为什么要对隧道进行监测?

量测项

目围岩种类必测项目选测项目洞内观察净空收敛拱顶下沉地表下沉衬砌应力围岩内位移锚杆轴力钢支撑应力接触压力混凝土应变洞内弹性波硬岩◎○○○△△△△△△△软岩◎◎◎○△◎◎△△△△土砂◎◎◎◎◎○○○○△△◎必须实施、○可以实施、△必要时实施报告目录隧道施工地质灾害类型及其危害一三隧道地质超前预报技术与方法二隧道监控量测技术方法隧道施工地质预报工作方法(1)资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸

a.预可研和可行性研究阶段资料收集

b.勘察成果整理分析

c.熟悉设计文件、资料和图纸(2)补充地质调查

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

3.隧道地质超前预报技术与方法(3)洞内地质调查和掌子面地质素描

a.洞内地质调查

b.掌子面地质素描(4)物探方法的选择和现场实施掌子面探测

a.物探方法的选择(物探方法与地质法的结合)b.掌子面探测(5)探测成果分析(6)隧道工程岩体分级

工程岩体分级标准（GB50218—95）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、岩体含水情况、和初始应力状态作为修正参数来进行。(6)隧道工程岩体分级根据岩体基本质量指标的大小将工程岩体分为五级：

BQ=90+3RC+250KV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程岩体的最终级别：

[BQ］=（90+3RC+250KV）—100（K1+K2+K3）式中RC—岩石单轴饱和抗压强度（MPa）

KV—岩体完整性指数；

K1—地下水影响修正指标；

K2—主要软弱结构面产状影响修正指标；

K3—初始应力状态影响修正指标；(7)预报报告的内容

1）工程概况；2）地质预报采用的方法原理；3）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图；4）探测区、点布置图；5）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、波谱图和成果图等）；6）预报结论及下步施工措施建议（围岩加固、初期支护、超前支护、永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议）

(8)验证

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、提高预报准确率的需要，也是完成预报工作的要求。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，以利下一步工作的开展。

3.隧道地质超前预报技术与方法

地质综合分析是系统性的工作，工程性质、工程区基本地质条件决定手段和方法。

主要方法

地质分析法

物探法

水平钻孔法3.1、地质分析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接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。

★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。对物探和钻孔超前探测资料的任何解释和应用，都离不开施工过程中观测和收集的地质判断★地质分析法主要有：

1）地质投影法

2）地质层序法

3）工程地质类比法

4）地质编录法3.2、综合物探法

物理探测技术的发展优点:直观、高效、缺点：反映某种物理现象对物理现象反映出的异常进行定性、定量鉴别，则是物探方法的关键。

中国地质大学（武汉）3.2、综合物探法

（1）地质雷达法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走时计算反射界面距隧道施工掌子面的距离。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。

（1）地质雷达法

地质雷达工作原理示意图

地质雷达工作原理示意图地质雷达

雷达测试

实例1

某隧道右线YK84＋948～YK84＋978里程段的超前地质预报中（FD－MT－R17，2007-08-29），指出围岩YK84＋968～YK84＋972里程段存在节理蚀变带或破碎带，含有一定基岩裂隙水，并建议施工时应控制进尺和炸药量。

开挖结果表明，此段围岩存在较明显的节理蚀变带，且含水量较大，出现水如雨下的情况。

YK84＋948～YK84＋978地质雷达波形图YK84＋968～YK84＋972里程存在水平强反射同相轴，推测该处围岩存在节理蚀变带或破碎带，并含有一定基岩裂隙水，施工时应注意，并应控制进尺和炸药量。现场照片右线YK84＋968～YK84＋972里程段实例2

某隧道右线出口YK68+397~YK68+388里原设计围岩级别为Ⅲ级，无断层存在；预报围岩级别为IV级偏下～V级。建议对此段围岩按V类复合式衬砌施工，并应特别加强锚杆超前支护以防止拱顶和侧墙发生掉块、塌方事故。

预报结果经开挖证实。

在YK68+391～YK68+388里程即掌子面前方6～9米的范围内,存在两条由左向右逐渐变浅的强反射面，判断为掌子面顶部倾向掌子面前方的构造破碎带与隧道的两次相交位置，破碎带内节理裂隙发育，含水量大，局部存在股状水流。

右线出口YK68+397～YK68+372里程段波形图雷达成像应用实例3a.隧道顶部岩层厚度探测(h=△t·V/2)b.隧道掌子面前方地质情况预报武汉地铁雷达探测现场图片雷达在湖北翻坝高速公路隧道探测现场雷达在湖北翻坝高速公路隧道探测现场TSP（TunnelSeismicPrediction，隧道地震勘探）设备是由瑞士安伯格公司开发、生产的，是当前国内外最先进的隧道隧洞长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。它与其它超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测距离远（可达隧道隧洞掌子面前方300～500米,有效预报距离100～150米），分辨率高（最高分辨率为1米），抗干扰能力强（基本不受干扰），影响施工很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅用45分钟）。

（2）地震波反射法（TSP/TGP）该设备主要用于超前预报隧道掌子面前方不良地质的性质、位置和规模，最大探测距离为掌子面前方300~500m，设备限定的有效预报距离为掌子面前方100m，最高分辨率为≥1m地质体。

（2）地震波反射法（TSP/TGP）TSP/TGP测量原理图-探测过程见动画中国地质大学（武汉）TSP隧道断层平面图（3）地震波反射层析成像法

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TRT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10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地质情况的三维反射层析成像。

左图:三维地震反射层析成像原理(据D.R.Hanson等)右图:日本斧山某隧道掌子面前方TRT反射层析平面图（据D.R.Hanson等）

（3）地震波反射层析成像法3.3、超前探孔法

超前探孔是地质综合分析最直接的手段，它通过钻探取心编录，对掌子面前方探孔揭露出的地层岩性、构造、围岩类别、含水性、岩溶洞穴等的位置、规模能做出较准确的判断。3.3、超前探孔法

优缺点

属直接揭示法，特别是取芯超前钻孔法，一目了然。占用隧道施工掌子面时间长。费用高。可以起到探水的作用，但如无防突装置或防突装置质量出现问题，遇高压水时具有极大的风险性。探测结果只是一孔之见。遇软弱、岩溶岩层取芯困难。富水区、高压富水区实施超前钻孔，应安装防突水装置，亦可安装孔口管，接上高压球阀、连接件和压力表，进行耐压试验。3.3、超前探孔法

富水区实施超前钻孔法地质预报，应安装防突水装置，亦可安装孔口管，接上高压球阀、连接件和压力表，进行耐压试验。在高压富水区，应设置避难场所、规定避灾逃生路线。发现岩壁松软、片帮、冲洗液突增、顶钻现象应停钻，情况紧急时应组织人员立即撤离。

中国地质大学（武汉）主要预报方法的优缺点方法名称适用条件优点缺点地质调查分析法任何地质条件方便快捷，结论可靠，性价比高需要专业地质工程师，且工作量大TRT法软弱夹层、断层、破碎带、含水带等空间观测、地震侧移成像、工作效率高，操作简单，成图直观不能分析围岩波速，偏移图像中存在虚假成分等