铁道部课题项目建议书——高风险岩溶隧道不良地质预报方法、设备-与灾害控制研究.doc

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铁道部科技计划项目
课题建议书

项 目 名 称：高风险岩溶隧道不良地质预报方法、设备
与灾害控制研究
课题建议单位：铁道部工程设计鉴定中心
山东大学
课题承担单位：铁道部工程设计鉴定中心

二〇〇九年四月
目 录
1、立项意义及背景 1
2、立项必要性 4
3、前期研究工作基础 5
3.1 研究内容 5
3.2 关键技术 8
3.3 考核目标 9
4、解决的关键技术问题及达到的目标 12
4.1 基本思路 12
4.2 技术路线 17
4.3 技术路线细化 21
5、主要研究内容及研究方法 22
5.1 工作内容 23
5.2 进度安排 25
5.3 组织管理 28
5.4 任务分工 28
5.5 仪器设备 28
6、年度计划及年度目标 30
7、主要参研单位和研究人员 30
8、经费预算 30

1、立项意义及背景
近年来，随着湖北省高速公路的迅速发展，在地形、地貌及地质条件复杂的西部地区修建铁路、公路、水电等长大隧道工程将会遇到更多的岩溶和不良地质灾害。三峡翻坝高速公路位于长江三峡低台原岩溶地区，穿越中－上寒武统和震旦系灯影组碳酸盐岩地层分布区，线路多条特长隧道面临较大的岩溶突水、突泥等地质灾害。
本项目主要以三峡翻坝高速公路的三条岩溶长隧（季家坡隧道、鸡公岭隧道和天鹅岭隧道）为依托，重点针对岩溶隧道施工中可能遇到的突水、突泥等问题开展地质灾害预防与控制的系统研究。据岩溶隧道初勘和详勘报告，季家坡岩溶隧道全长约3400m，最大埋深约488m。隧道区沿走向NE50°的纵张裂隙带及走向325°～350°的横张裂隙岩溶发育，它们与隧道走向接近，极有可能导致大型岩溶突水、突泥等地质灾害。鸡公岭隧道全长约4500m，最大埋深约311m，天鹅岭隧道全长约3600m，最大埋深约210m，隧道与其右侧岩溶洼地下岩溶管道相交，岩溶洼地与其正南方向一冲沟相连，雨季大量地表水通过水沟汇入洼地，对隧道的稳定及施工极为不利。上述三条岩溶隧道有很大一部分洞线在季节变化带或包气带中穿行，如何开展不良地质预测预报和灾害控制，防护和预测洞穴充填物塌落、跨越干溶洞等技术是课题重点解决的关键技术问题。
岩溶地区因其特殊的地质条件，在施工中经常出现地质灾害，如突水、突泥、坍塌、岩爆和有害气体等。灾害一旦发生，将致使工程提高成本、延误工期、降低质量。一旦造成人员伤亡，在国内外将产生恶劣的社会影响。如在翻坝高速公路区修建的宜万铁路马鹿菁隧道和野三关隧道都出现过重大突水突泥灾害。宜万铁路野三关隧道2007年8月5日发生特大涌水，死亡10人，马鹿箐隧道2006年1月发生涌水，死亡11人。同时，隧道内大量的涌水、涌砂和涌泥，使岩体内部应力状态发生改变，导致地下水渗流场和补排关系发生变化，从而引起成水资源的衰减和枯竭、地表塌陷和沉降、导水质污染等一些环境问题，给沿途居民的正常的生产和生活带来严重影响和重大损失。
经验表明，公路岩溶隧道由于岩溶介质的高度不均一性，往往难以在设计阶段完全查清隧洞沿线地质灾害的所有细节，必须在施工阶段进一步借助施工超前预报查明隧道前方的不良地质和岩溶水情况，以避免造成突水、突泥等重大工程灾害。
本课题拟结合三条依托岩溶隧道，开展岩溶发育规律、岩溶突水前兆、突水靶段等级及其界定、不良地质和裂隙水超前预报方法、理论研究和仪器开发、隧道突水机理、临突模型及最小安全距离、灾害预测预警、应急预案和现场应用研究等方面研究，并期望取得突破进展。本项研究将对我国在高风险岩溶区修建大型地下工程时预防和控制大型地质灾害起到积极的作用。
2、总体目标
针对本项目依托工程所处地质环境及施工中面临的主要问题，为确保隧道施工过程的安全，本课题系统开展高风险岩溶隧道不良地质预报与灾害控制研究，项目总体研究目标如下：
（1）依托工程的岩溶地质规律和隧道灾害防治关键技术攻关。
完成依托工程所处三峡地区低台原面岩溶和不良地质的研究报告，重点查明大型岩溶洞穴和岩溶水体的分布情况，形成此类地质情况岩溶隧道地质灾害探测和治理的技术指南。
提供一套较为成熟可靠的施工期灾害超前预报综合技术及控制方法，研发出能够用于隧道远距离水体探测的瞬变电磁仪和激发激化仪(探测距离达到60m)，完善三维空间正反演理论和开发相应的处理软件，实现含水体位置与涌水量的准确探测，并为依托工程的物探工作提供技术支持。
研制可用于突水前兆多元信息采集的监测系统，开展突水前兆信息演化规律研究，建立隧道突水前兆信息识别模型，基于典型含水构造潜在的突水模式，建立相应的突水力学模型，给出突水判据，为依托工程地质灾害分级标准与风险评估体系的建立提供科学依据。
完成岩溶地区地质灾害分级标准及其风险评估体系，建立临灾快速反应预警预案和治理技术体系，实现大型、特大型突水、突泥灾害的快速预警控制，确保施工安全。
完成岩溶突水治理浆材的优选研究，提供实用的成套洞穴和岩溶裂隙水封堵与排导技术，为依托工程建设提供一套实用有效的施工期突水灾害治理和控制方法。
（2）岩溶隧道地质灾害防治技术指南的编制。
结合依托工程开展施工预报方法、理论和仪器开发，突水、突泥前兆监测方法与理论，灾害预警和应急预案以及注浆封堵技术的系统研究，最终形成一套行之有效的防灾减灾科学技术体系。为依托工程安全和顺利施工提供地学和技术保障，全面总结和分析我国公路、铁路和水利等工程建设经验。
重点归纳我国隧道建设经验，特别是西部地质岩溶类型及其发育规律的研究，针对每种类型提出用于隧道建设的规范性的岩溶水流域分析理论和方法。
综合岩溶流域分析、现代岩溶勘察技术以及施工预报和控制技术，为我国岩溶隧道地质灾害防治建立一套规范性方法体系。
3、研究内容、关键技术及考核目标
3.1 研究内容
（1）长江三峡低台原面岩溶发育规律研究
1）三峡低台原面形成历史与岩组岩性研究。
① 三峡地区低台原面地形地貌特征及形成历史；
② 三峡地质上元古-下原古生代碳酸盐岩岩组的层序学研究；
③ 三峡上元古-下元古生代碳酸盐岩的岩溶发生学研究。
2）低台原面岩溶流域演化规律。
① 依托工程区域岩溶发育的基本特征；
② 依托工程区域岩溶流域的演化机制。
3）三峡低台原面含水构造和突水构造分析，开展突水、突泥靶段等级圈定研究。
① 位置的确定；
② 突水、突泥量预测；
③ 风险等级评估。
4）峡谷区卸荷裂隙的形成机理研究。
① 我国卸荷裂隙形态的调研与分析；
② 卸荷裂隙形成机理的数值模拟。
（2）高风险岩溶隧道地质缺陷施工综合预报方法研究
1） 研究综合地质灾害超前预报技术（地质、物探和岩体力学相结合）；
2）不同地质灾害的各种物探方法的选择、搭配及互相配合的最佳效果研究（常用物探设备与超前钻、钻孔电视等辅助设备）；
3）反射类物探方法对探查对象空间定位方法和精度的改进研究。
（3）高风险岩溶隧道含水构造的定位定量预报方法研究
1）对目前探查地下水有较好效果的物探方法（瞬变电磁法、复合式激发极化法等）现有技术和手段进行理论和试验研究，主要包括：
① 瞬变电磁法
a) 适用于隧道超前预报的三维全空间正反演方法的研究；
b) 瞬变电磁数据精细处理与解释方法研究；
c) 瞬变电磁法对各种水体病害响应的物理与数值模拟实验研究；
d) 瞬变电磁仪器改进及其专用后处理软件的优化研究；
e) 隧道主要干扰因素对瞬变电磁信号响应特征的影响研究；
f) 瞬变电磁接收探头屏蔽效果及抗干扰能力试验研究。
② 复合式激发极化法
a) 适用于隧道超前预报的三维全空间正演计算方法的研究；
b）适用于隧道超前地质预报的电极布置方式的优选；
c）适用于隧道超前预报的三维全空间的快速有效的反演方法研究；
d) 开展二次时差参数与涌水量关系的模型试验研究，为含水构造涌水量的预测奠定试验基础；
e）在隧道施工中的干扰因素及资料解释时消除方法的研究；
f) 复合式激发极化法仪器及电极的改进；
g）直流电阻率法、时域激电法、频域激电法等多参数联合解译软件的开发。
2）综合物探法对探查到的含水构造空间精细定位技术的研究；
3）地质方法与最佳物探方法相结合的岩溶裂隙水预报系统研究；
4）地面补充勘查与隧道内地质预报相配合的方法和原则研究。
（4）高风险岩溶隧道突水前兆信息演化规律与破坏机理研究
1）研究岩溶地区隧道突水前兆信息特征及其演化规律
① 研究岩体在水力耦合条件下破裂突水的多场前兆信息特征及其耦合演化规律，包括声场、电场、温度场、渗流场、应力场和位移场的信息演化特征；
② 研制新型固流耦合相似材料和突水模型试验装置，通过对不同含水构造开展相似模型试验研究，分析不同突水条件下岩体破裂的前兆信息特征及其破坏模式；
③ 基于相似模型试验，对突水前兆信息进行系统分析，建立隧道突水信息识别模型和突水监测理论体系，研制突水前兆多元信息采集的监测系统。
2）突水通道形成机理的研究
① 研究岩溶地区常见含水构造模式，从地质角度分析其岩溶构造形成机理及其相应的突水模式；
② 研究裂隙岩体突水通道发育生长过程，分析含水单裂纹扩展、相邻裂纹贯通直至最后突水通道的形成机理。
3）地质缺陷渗透失稳突水的灾变机理与突变模型研究
① 对岩溶隧道突水实例进行调研分析，系统归纳典型的突水类型，基于岩土力学和岩溶学分析其灾变机理；
② 以典型含水构造系统势能为目标函数，引入辅助函数建立典型突水模式的突变模型，并分析其灾变演化路径。
③ 针对不同充填物类型，建立相应的渗透失稳力学模型，并对突水量和涌泥量进行预测。
（5）高风险岩溶隧道灾害风险评估及快速预警机制研究
1）建立有效的灾害预警机制和临灾快速反应机制；
2）通过对施工中出现的不良地质体前兆的研究，建立正确预测地质灾害类型、规模及风险评估的方法；
3）基于岩溶裂隙发育的特征和规律、超前预报成果及岩溶隧道突水机理研究，建立岩溶隧道突水风险评估标准及有效预警方案。
（6）高风险岩溶隧道注浆施工工艺及材料优化研究
1）研究不同含水构造潜在突水模式的治理方法，提出相应有效快速的施工工艺和工法；
2）研究岩溶突水治理浆材的合理选型，开展水泥、特种水泥和化学浆液等注浆材料的优化研究；
3）研究化学浆液的加固和封堵性能，对浆液的扩散半径、加固强度和封堵参数等技术指标进行量化分析。
3.2 关键技术
（1）流域分析理论和技术方法在三峡低台原区和西部岩溶隧道建设中的应用。
（2） 岩溶地下水位判别技术与方法及其在依托岩溶隧道工程建设中的应用。
（3）地质方法和物探方法最佳组合的地质缺陷和岩溶裂隙水超前预报系统，综合物探方法探查结构的可视化图象处理软件与解译理论体系的建立。
（4）新型固流耦合相似材料和突水多元信息采集系统的研发，突水模型架内置含水构造和地质缺陷的实现方法。
（5）岩溶突水、突泥前兆特征及其多场耦合演化规律与失稳突水、突泥机理的内在联系，系统失稳灾变的演化路径的力学描述。
（6）岩溶洞穴、岩溶水的治理措施及岩溶隧道施工工艺和方法。
（7）合理的灾害预警系统和风险控制措施，对大型和特大型突水、突泥灾害实现有效控制。
3.3 考核目标
（1）确保依托工程的安全和顺利施工。
（2）建立峡谷低台面地质比较成熟的流域分析理论、方法与技术。
（3）为峡谷低台面岩溶隧道建设提供一套可靠的施工期灾害超前预报综合技术及控制方法，并在几种主要预报方法的理论方面取得突破性进展。
（4）研制突水前兆信息监测系统，实现突水前兆多元信息的并行采集与综合处理，并建立隧道突水信息识别模型和突水前兆实时监测理论体系。
（5）提供实用的成套溶穴及岩溶裂隙水封堵与排导技术；发展和完善2种较好探水物探设备。
（6）按课题提交成果报告，发表学术论文10篇，出版专著1部，成功申报专利3项，并预计研究成果达国内领先水平，部分达国际先进水平。
4、技术路线
4.1 基本思路
中生古长江西流先注入四川盆地，形成巨原侏罗系和百垩湖盆沉积，再向西流至南部亚洲大陆南缘和西南缘的古特梯斯海洋。在至今约5000万年的下第三纪始新世，喜马拉雅山开始抬升，中国大陆形成西高东低的地貌格局，长江开始穿越现今三峡一带的低山区，转向东流。江汉平原底部的始新世陆相沉积见证了这一地貌格局的根本性转变。在第三纪至第四纪约5000万年的时间里，在喜马拉雅山运动三个幕次的接连作用下，三峡地区间歇性地隆起，在现今三峡地区形成深约2000m的“穿山”式深切峡谷。三峡两侧以及台面以下的几级长江阶地发育的鄂西期、山原期、山盆期三组台面记录了这一隆起和“切穿”的全过程。
我国半个世纪的岩溶地质学时间表明，岩溶流域是岩溶水赋存和岩溶作用进行的基本自然单元，是由3个层次的子系统(个体含水形态或个体岩溶形态；含水构造或地下岩溶组合形态；含水层或可溶岩组)构成的一种复杂原系统。每级子系统又由若干组分构成。岩溶个体形态(个体含水形态)和组合形态(含水构造)是引发隧道地质灾害的元凶。但要查明其三维空间分布，必须对流域系统全部4个层次及其组分的关联进行系统分析。对岩溶流域这类巨系统的结构、物质流、能量流和信息流进行系统分析称为“岩溶流域分析”。我国岩溶地质工作者已在岩溶流域分析的理论、方法和技术方面积累了相当成熟的经验，并逐步成功应用于水资源的开发和水电、铁路、公路等工程的建设中。
应用岩溶流域分析技术查明工程区域岩溶地质规律，并将分析结果应用于物探方法的实测资料解译、探测精度以及正、反演等研究中，以此提高物探理论、技术和方法，尤其是在对大型地质缺陷体的准确预测预报方面。同时，结合施工揭露围岩岩溶特征，开展突水机理的仪器研制、力学模型以及突水判据等研究，并研制出突水前兆信息监测系统。在施工过程中，跟踪隧道地质调查、超前预报以及突(涌)水治理情况，应施工方要求开展原位注浆试验，提供岩溶裂隙水的综合治理技术和地质灾害预警方向案，为避免大型地质灾害的发生建立快速反应体系及有效治理方案。
本项研究的特点是把流域分析法、综合预报技术以及突水实监测理论等最新研究方法应用于山原峡谷型岩溶的低台面隧道地质灾害的预报与控制，其创新之处在于地质和岩土力学的交叉渗透，从解决生产的关键技术出发，经理论研究和技术开发，回到实用技术的具体实践中。
4.2 技术路线
以系统科学思想为指导，运用岩溶发生学、岩土力学、裂隙岩体水力学、地球物理探测及能量突变等理论的最新成就，借助现场试验、室内试验、物理模拟试验和数值实验相配合手段，在分析三峡地区低台原面岩溶流域的结构、物质流、能量流和信息流的基础上，建立预测隧道掌子面前方灾害靶段(地质缺陷和突水构造)位置的综合物探方法和以瞬变电磁和激发激化法为主的探查岩溶裂隙水的综合预报方法；从理论上揭示岩溶隧道不同含水构造的突水机理，建立隧道突水信息识别模型及其监测方法和岩溶隧道地质缺陷突水的力学模型，基于不同突水模式的试验研究及其突水前兆信息演化规律，研制突水前兆多元信息监测系统，从而形成岩溶裂隙水的综合治理技术体系和地质灾害预警系统，制定高风险岩溶区域地质灾害快速反应体系及有效治理方案，达到解决依托工程实际问题的目标。

图1 技术路线图
4.3 技术路线细化
以已有地质勘察资料及野外地质调查资料、隧道揭露情况为基础资料，建立流域分析法在岩溶隧道中的应用理论，分析峡谷低台原区卸荷裂隙的形成机理，建立岩溶地下水位辨别技术与方法，预测灾害靶段，如潜在涌水点的位置和隧洞施工期和运营期涌水量及其动态变化等。
在此基础上，开展物探方法对隧道建设过程中地质缺陷探查有效性的理论研究，分析各种物探方法的优缺点及其适用性，并有针性地与超前钻、钻孔电视等辅助设备配合使用。其中，对于TSP、陆地声纳、探地雷达等在探查裂隙、断层等方面已证明为有效的方法，以强调加强与地质的结合、加强正反演问题计算方法的研究和采用减小或避免现场电磁场等干扰的工作方式为手段，提高其预报成功率及其准确性；基于施工方提供的物探资料，以现场准确测定岩体多层波速为切入口，特别是研究并突破弹性波类方法为基础的现场实测倾斜各层岩体波速的理论、技术和软件，提高确定被探测物体空间位置的精度。对探查溶洞等已有实效的陆地声纳、探地雷达等方法，进一步提高其资料解释及处理水平。使它们能更加准确地预测工作面前方地质缺陷的类型、大小和位置。同时进一步研究和重点突破地质缺陷是否含水的物探技术方法。通过对各种方法的理论研究和工程实用中发现的问题，对反映地下水灵敏的电磁类方法进行改进和试验，并开发相关的应用软件；解决复合式激发极化法和瞬变电磁法在隧道中应用的理论和正反演计算方法的问题，以达到瞬变电磁对含水构造的空间位置和复合式激发极化法对含水构造水量大小的准确预报的目的，并以求预报距离超过60m；从而达到对高风险岩溶隧道含水构造的空间定位和含水体定量的准确预报。
基于三峡地区低台原面岩溶发育规律研究成果和施工方超前地质预报的探测结果，确定依托工程区域岩体的结构特征及其地质缺陷和含水构造的位置和大小，以现场试验、室内试验、相似模型试验和数值实验为手段，通过对现场突水、突泥实例宏观前兆规律的系统总结，研究岩溶地区岩体中含水构造在水力耦合条件下破裂突水的前兆信息特征及其演化规律，从而建立隧道突水信息识别模型、岩体突水破裂模式及突水地质灾害的实时监测理论体系，研发岩溶突水前兆多元信息并行采集的监测系统；基于对岩溶隧道大型突水实例的系统分析，研究岩溶含水构造模式及其突水通道的形成机理及地质缺陷渗透失稳突水的灾变机理与突变模型，开展岩溶管道充填物渗透失稳突水涌泥机理及涌水量的预测研究；同时，基于层状灰岩的结构特征，进行岩溶地区隧道防突水最小安全厚度影响参数研究（包括含水构造特征、地下水补给条件、施工开挖等）。
综合三峡地区低台原面岩溶发育规律、地质缺陷及隧道区域含水构造的分析结果和隧道中潜在涌水点分布及涌水量大小的预测，配合施工方开展突水前兆实时监测工作，并考虑适用于该工程区域的岩溶隧道突水的灾变机理与突变模型，对依托工程区域的隧道分段进行突水等级划分，从而进行隧道突水风险评估和制定相应的有效预警方案；针对不同突水等级情况下的隧道岩体结构，并依靠有经验的专家和施工单位开展对岩溶裂隙水的封堵和排导措施的研究资料，应施工方需求，可在隧道内选择代表性区域作为试验段，进行注浆堵水治理现场原位试验，同时在室内进行模拟试验和数值实验，研究临突信息监测与岩裂隙水的封堵技术，开展与突水等级对应的最佳注浆施工工艺研究和注浆施工材料比选优化工作。为避免钻深孔及注浆前建止浆墙及混凝土达到有效强度约近三天左右的现状，还需要研究快速建止浆墙的新方法、材料及工艺，以将时间缩短到一天。在所开展研究的基础上，最终形成高风险岩溶隧道不良地质预报与灾害控制系统，为隧道建设和施工提供科学依据和治理措施。
5、实施方案
5.1 工作内容
（1）资料的收集与调研
进行国内外相关资料的收集与调研，进行项目可行性研究，制定研究计划和实施大纲，为进一步的研究做准备。具体实施步骤如下：
相关资料的系统收集与调研：相关岩溶隧道工程的施工与科研报告和依托工程概况资料(基础地质资料、钻孔勘探地质资料以及野外地质调查资料等等)。
组织由业主、专家以及拟研究人员参加的项目论证会，对项目的可行性和研究计划进行深入讨论。
在相关资料系统分析的基础上，进一步完善研究计划，编制具体的实施大纲。
（2）初步编制三峡地区低台原面岩溶发育规律地质报告，启动物探理论研究和突水前兆信息模型试验研究计划。具体实施步骤如下：
现场工作组进场，由经验丰富的岩溶专家带队，全面开展地表区域性岩溶地质调查工作，重点查明地表岩溶洼地、落水洞以及溶槽等岩溶形态的发育规模与分布状况。
基于地表地质调查工作，系统分析三峡地区低台原面的地形、地貌特征及其形成历史，编制岩溶发育规律地质报告的相关部分。
动态跟踪隧道施工揭露围岩岩溶发育状况，描绘围岩卸荷裂隙的发育形态，分析其力学形成机理，重点研究岩溶流域演化规律及其与岩溶隧道的关系，编制地质日志。
分析施工方超前地质预报结果，推断岩溶裂隙水与不良地质的存在形态，分析其与地表岩溶形态的水力联系，对突水、突泥地质灾害进行风险评估，以确保施工安全。
基于上述研究，全面研究依托工程的地形地貌、地质构造、地层岩性以及岩溶水文地质条件，系统分析依托工程低台原面含水构造与突水构造的发育特征与分布规律，初步建立突水靶段识别的风险评估体系。
初步编制三峡地区低台原面岩溶发育规律地质报告，启动物探理论研究和突水前兆信息模型试验研究计划。
（3）全面开展物探理论研究，构建突水前兆信息模型试验平台，并率先开展含水构造和地质缺陷的物探模型试验。具体实施步骤如下：
基于前期类似岩溶隧道的物探结果进行系统整理分析，进行各种物探方法综合试验及实测分析、软件开发和仪器改造的研究工作，探讨综合预报方法的预报原则与使用方法。
针对探查地下水较好的两种物探方法，开展瞬变电磁法三维空间定位和复合式激发极化法含水构造定量的理论分析及其正反演计算方法研究。
开展瞬变电磁与复合式激发激化用于隧道超前预报的三维全空间正反演计算方法研究，提高仪器探头现场应用的抗干扰能力，并对其后处理软件进行优化。
基于依托工程的岩溶发育规律，开展地质法与最佳物探方法相结合的岩溶裂隙水预报系统研究，并就地面补充勘察、辅助物探设备(超前钻、钻孔电视等)与隧道内地质预报相配合的方法和原则进行详细研究。
追踪依托工程的超前预报工作，并协助施工方进行物探结果的解释与解译，在高风险地段，指导施工方有针对性地选择合理的物探手段和预报流程，确保施工的安全。
结合岩溶地质报告与超前预报结果，初步开展隧道分段灾害风险评估和有效预警机制研究，建立临灾快速反应体系。对于已探查到的含水构造和不良地质，可配合施工方开展原位注浆试验。
初步构建突水前兆信息模型试验平台，研制高强PVC型试验模型架，并实现内置水体与地质缺陷体的布设，采用原型材料开展不同物探手段的模型试验，并与数值模拟结果进行对比，开展综合物探法对探察到的含水构造空间精细定位技术的研究。
总结分析上述研究成果，提出岩溶隧道地质缺陷最佳综合预报方法和含水构造的定位定量预报方法，形成综合预报方法技术体系，编制相应研究报告。
（4）开展突水前兆信息演化规律模型试验，研制新型固流耦合相似材料和多元信息并行采集的实时监测系统，基于是不同突水模式和类别的系统归纳，建立突水前兆实时监测理论和失稳突水的突变模型。具体实施步骤如下：
归纳岩溶隧道主要突水模式和突水类别，基于层状岩体失稳突水和岩溶管道渗透失稳编制相应的模型试验方案。
以沙-石蜡为骨料开展新型固流耦合相似材料的研究，满足力学相似和渗透相似，能实现层状完整岩体失稳的突水和地质缺陷式突水的物理模拟。
以应力、位移、温度和渗压为监测目标，研制基于光纤技术的突水前兆多元信息采集的实时监测系统，并在模型试验成功应用的基础上，进一步进行改造和调试，为投入现场应用奠定实践基础。
开展突水的物理模拟试验，并对监测信息进行筛选和识别，初步建立信息识别模型，为突水实时监测理论体系的建立提供试验依据。
基于突水实例的整理分析，提出岩溶突水的基本力学原理，并就突水通道的形成机理和灾变演化路径进行系统研究，尤其是岩溶管道充填物渗透失稳的力学机理。
通过非地质缺陷式突水和地质缺陷式突水的物理试验，提出防突关键体理论研究，建立相应的突变力学模型与失稳的突水判据，并就相应的突水量和突泥量进行预测。
（5）结合依托工程岩溶发育规律、灾害风险分析以及突水前兆信息演化规律的研究，提出地质灾害风险评估和快速预警机制。具体实施步骤如下：
基于岩溶裂隙发育的特征和规律、超前预报成果及岩溶隧道突水机理研究，初步建立岩溶隧道突水风险评估标准及有效预警方案系统。
总结施工中出现的不良地质体前兆信息及其变化特征，与模型试验相对应，为建立正确预测地质灾害类型、规模及风险评估的方法提供工程依据。
基于依托工程探明或已揭露的地质灾害实况，编制突水突泥预警演练方案，配合项目部开展现场救援、逃生等内容的预警演练。
跟踪施工进展，当进入划分的高风险地段或物探异常区时，现场工作组讨论实施综合预报手段和超前钻的必要性，并提交预警报告。
依据施工揭露地质灾害实况，对初步建立的隧道分段灾害风险评估和有效预警机制进行修正，建立临灾快速反应体系，尤其是针对大型突水、突泥地质灾害。
当依托工程中发生大型突水、突泥地质灾害时，启动快速预警方案，全力配合项目部实施现场救援工作。
（6）完善岩溶裂隙水封堵与排导技术相关研究，提出有效的治理岩溶洞穴、岩溶水的治理措施及岩溶隧道施工工艺和方法，直接为依托工程服务。具体实施步骤如下：
收集依托工程已有注浆封堵实例的相关资料，总结我国交通和水利等领域封堵裂隙水的经验，提出封堵、排导与围岩稳定和环境保护相协调的治理原则。
针对依托工程岩溶发育特征，开展岩溶突水治理浆材的优选试验研究，对比超细水泥、水泥-水玻璃、尿醛树脂等常见注浆材料的封堵效果，重点分析化学浆材的流动性、渗透性、抗冲刷性以及固结体的强度、水质毒理特征。
对施工揭露的出水点，应施工方要求，可开展岩溶裂隙水封堵注浆技术的工业性试验，对注浆材料、注浆工艺、注浆设备和排导措施提出针对性实施方案。
通过物探手段已查明的潜在含水构造和岩溶洞穴，分析其相应突水、突泥模式的治理方法，提出快速有效的施工工艺和工法，直接为依托工程服务。
研究快速建止浆墙的新方法、材料与工艺，解决当前钻孔过深及注浆前建止浆墙及混凝土达到有效强度时间过长的问题。
在室内浆材优选试验和现场原位注浆封堵工业性试验的研究基础上，完善岩溶裂隙水封堵与排导技术，建立岩溶裂隙水综合治理系统。
（7）完善整体研究内容，编制研究总报告。具体实施步骤如下：
补充试验，通过试验完善理论模型，完成全部的试验结果分析、数值分析工作。
项目理论提高和技术完善阶段，编写出版论文及专著。
编制研究总报告，进行成果评审鉴定工作。
5.2 进度安排
本课题的研究进度安排如下：
时间
进度
整体研究计划(工作实施内容)
现场工作
理论研究
试验研究
08年12月~09年2月
编制项目实施大纲；
收集相关资料：岩溶隧道资料、依托工程资料等。
成立课题小组；
理论研究专项讨论；
确定理论研究方案；资料的调研和收集。
编制试验方案；
初步完成室内试验设备与模型试验系统的改造与设计工作。
09年2月~09年4月
工作组进场，购置用品；
野外地质洞内调查；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
岩溶流域分析；
地下水位辨别技术；
综合物探预报技术；
防突关键体原理。
模型架与模具加工；
购置和研发传感器；
新型固流耦合相似材料和监测系统的研制。
09年4月~09年6月
初步编制岩溶地质报告；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计；
突水、突泥靶段的圈定；
初步划分隧道风险等级。
岩溶发育规律分析；
瞬变电磁正反演；
碳酸岩岩溶发生学；
突水、突泥量预测；
固流耦合相似理论。
完成光纤监测系统的研制和调试工作；
层状岩体突水试验；
购置激电仪等物探试验仪器，准备相关试验。
09年6月~09年8月
初步编制岩溶地质报告；
突水、突泥靶段的修正；
建立隧道灾害风险等级；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
卸荷裂隙形成机理；
地质灾害风险评估；
瞬变电磁正反演；
激发激化正演；
突水通道形成机理。
改装试验系统；
注浆材料优选试验；
岩样破裂室内试验；
购置激电仪等物探试验仪器，准备相关试；
09年8月~09年10月
完善岩溶地质报告；
修正隧道灾害风险等级；
突(涌)水治理技术指导；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
碳酸岩岩组层序学；
突水前兆数值模拟；
水体探测数值模拟；
物探仪器性能优化；
层状岩体突水模拟。
岩样破裂突水试验(应力、位移和声发射)；
水体探测物理模拟；
地质缺陷突水物理模拟(岩溶管道渗透失稳)。
09年10月~09年12月
编制相应中期报告；
工业性注浆试验；
原位物探试验(选作)；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
编制相应中期报告；
物探干扰因素去噪；
反射类物探方法；
突水实时监测技术；
地质缺陷突水模型。
编制相应中期报告；
地质缺陷探测试验；
化学浆液指标测试；
地质缺陷突水物理模拟(断层破碎带)。
09年12月~10年2月
岩溶洞穴等治理(选作)；
裂隙水封堵试验(选作)；
建立有效预警体系；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
临突快速反应机制；
探头与电极的改造；
探查精细定位技术；
突水前兆信息演化规律(单信息与双信息)。
浆材水质毒理测试；
化学浆液封堵试验；
激发激化物理模拟；
二次时差参数与涌水量关系的模型试验。
10年2月~10年4月
代表性地段示踪试验；
富水段不同岩组取样；
灾害预警预演提案；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
揭露洞穴形成机理；
探头与电极的改造；
探查精细定位技术；
突水前兆信息演化规律(多元信息)。
示踪试验试剂测试；
渗透注浆模拟试验；
物探天线改造试验；
研制现场突水监测装置(前兆多元信息采集)。
10年4月~10年6月
示踪试验路径分析；
突水前兆监测(已探明)；
筹备灾害预警预演；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
封堵与排导技术；
直流电阻率法分析；
实、频域激电法分析；
现场突水监测方法；
突水失稳动力机制。
岩溶管道充填物渗透失稳突泥物理模拟；
探头改造效果测试；
研制突水前兆信息的光纤监测系统。
10年6月~10年8月
前期灾害治理技术总结；
突水前兆监测(已探明)；
突水(泥)灾害预警演练；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
灾害预警技术方法；
突水信息识别模型；
物探图象处理技术；
复合式激发极化仪多参数解译软件开发。
岩组岩样力学试验；
岩组化学成分测试；
电极改造效果测试；
时域和频域激电装置性能测试试验。
10年8月~10年10月
前期物探资料整理分析；
突水前兆信息整理分析；
突水(泥)灾害预警演练；
施工跟踪、物探指导；
围岩揭露情况统计。
智能综合物探方法；
突水实时监测理论；
风险评估专家系统；
复合式激发极化的研制与应用。
整体试验方案；
突水试验结果整理；
物探试验结果整理；
复合式激发极化性能测试试验。
10年10月~10年12月
现场材料总结；
补充、完善现场工作；
现场工作成果系统汇总；
编制相关结题报告；
结题汇报，成果鉴定。
理论研究材料总结；
补充、完善理论工作；
理论成果系统汇总；
编制相关结题报告；
结题汇报，成果鉴定。
编制试验研究报告；
补充、完善试验工作；
试验成果系统汇总；
编制相关结题报告；
结题汇报，成果鉴定。

4.3 当前科研进度
已经落实三峡翻坝高速公路季家坡隧道、鸡公岭隧道和天鹅岭隧道等三条特长隧道作为项目的依托工程，该工程现刚开工不久，项目实施期限和三峡翻坝公路修建实践正好吻合。由三峡翻坝高速公路建设指挥部统一组织对施工、设计、监理及科研单位的工作进行协调，对各单位之间的工作配合、工作职责进行具体安排。
科研单位已根据目前隧道施工情况和年度计划制定了详细的科研进度计划，项目实施进度符合工程实际进度，在具体实施过程中，还可根据工程实际动态调整项目进度计划，以达到指导工程、保证施工安全的目的。
5.3 组织管理
5.3.1 组织机构
本项目专门成立高风险岩溶隧道不良地质预报与灾害控制课题组，参加本项工作人员共15人，常住现场3人，包括1名现场负责人，其中高级职称10人，中级职称4人；课题组成员所学专业涵盖物探、隧道工程、地质工程、岩土工程、工程力学、地理信息等专业，是一支全面的、具有丰富地质灾害预报与控制经验的科研队伍。项目部负责人由陈军高级工程师担任，课题组下设两个研究小组，即技术组与工作组，组长由具有丰富预报经验和地质分析的专业技术人员担任。
遇到重大工程地质灾害问题，组织相关院士、专家、教授进行方案论证，提出合理可行的防治措施及施工方案。
5.3.2 管理职责
1) 项目负责人岗位责任制
① 全面负责项目的总体规划；
② 从宏观上组织实施研究计划，协调各部门的关系；
③ 对重大事项进行决策、处理；
④ 定期检查各部的工作状况，掌握研究工作的总体进度。
2) 项目技术组负责人岗位责任制
① 在项目负责人的领导下，全面负责研究内容的技术问题；
② 组织课题组成员进行依托工程中地质灾害问题的分析讨论；
③ 参加业主和施工单位等有关方面组织的重要技术会议；
④ 掌握和了解研究工作中存在的技术问题，提出处理意见；
⑤ 签发课题工作技术文件及课题阶段性报告。
3) 项目工作组负责人岗位责任制
① 负责工作组的现场日常工作；
② 负责工作组现场工作仪器设备的管理工作；
③ 负责工作组采集原始记录资