隧道监测及地质超前预报技术.pptx

报告目录报告目录？监控和预报？监控和预报-隧道施工地质灾害隧道施工地质灾害一三？预报？预报-隧道地质超前预报技术与方法隧道地质超前预报技术与方法二？监控？监控-隧道监控量测技术方法隧道监控量测技术方法勘察设计阶段：勘察设计阶段：查明工程地质条件、评查明工程地质条件、评价主要工程地质问题。宏观、整体价主要工程地质问题。宏观、整体隧道施工阶段：隧道施工阶段：方案实施，验证勘察成方案实施，验证勘察成果。具体、局部、细微果。具体、局部、细微 1.1.隧道施工地质灾害类型及其危害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局部的、随机的不良地质洞段成为施工最大的施工最大的安全隐患。主要施工地质灾害：安全隐患。主要施工地质灾害：塌方塌方 岩溶、突水突泥岩溶、突水突泥 高低温高低温 瓦斯瓦斯 围岩大变形围岩大变形 岩爆岩爆 1.1 1.1 隧道塌方隧道塌方 在隧道施工中经常发生的一种事在隧道施工中经常发生的一种事故，会造成停工、人员伤亡、设备故，会造成停工、人员伤亡、设备损坏等后果。损坏等后果。多发生在围岩类别低，岩体质量差，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，特含水丰富，断层、岩脉破碎带，特殊岩土体等处殊岩土体等处已施工初期支护未塌方段为已施工初期支护未塌方段为ZK71+692800 段和段和ZK71+837888.8 段。隧道洞内塌方体初步估算约段。隧道洞内塌方体初步估算约2500m3，塌落体主要为塌落体主要为粒径粒径10100cm 的单个块石和碎块状炭质灰岩，分析塌方的主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，要原因是地质突然恶化，ZK71+810.5附近为一小型破碎构造带，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。坍塌，并影响前后掌子面连锁反应，从而造成大塌方。2011年年7月月18日，大连胜利路附近正在施工的一条日，大连胜利路附近正在施工的一条隧道发生坍塌事故，隧道发生坍塌事故，12名施工人员被困。名施工人员被困。2008年12月16日，大岗山主厂房第层厂 塌方1200m3，处理1.5年图图 深溪沟排水洞深溪沟排水洞 K0+294.8mK0+294.8m实际开挖断面图实际开挖断面图塌方事故多发，工期延长塌方事故多发，工期延长1 1年，投资增加近一半年，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 1.2 岩溶、突水突泥岩溶、突水突泥 常见于降雨量较大、地存在表水体、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。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。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、发生突水后，会造成停工、设备冲毁、人员伤亡等。人员伤亡等。国内外隧道突涌水灾害国内外隧道突涌水灾害 日本青函隧洞（青函隧洞（2130m）火山角砾岩、凝灰岩断裂带，突水量10.08104m3/d，水压2.16MPa，死亡34人，伤残1300余人，经5 5个多月才控制个多月才控制，工期推迟推迟1010年年 日本旧丹那隧洞旧丹那隧洞(7.804km)，6次大的突水涌泥，最大突水量达19.35104m3/d，涌泥量7000余立方，水压达1.144.12MPa，造成严重伤亡，工期长达长达1616年之久年之久 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32 d 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 宜万铁路宜万铁路五爪观隧道，长五爪观隧道，长3724m3724m，单面坡。，单面坡。隧道进口附近发育五爪观暗隧道进口附近发育五爪观暗河。在河。在陡崖上，以悬挂泉形式溢出陡崖上，以悬挂泉形式溢出“五爪水泉五爪水泉”，供五爪观电站发电，供五爪观电站发电用水，也为兰草谷景区景点之一用水，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0.81.2MPa，泄水量为10005000m3/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”溶洞横断面示意图溶洞横断面示意图马鹿箐隧道马鹿箐隧道+978高压突水突泥溶腔高压突水突泥溶腔 溶洞边壁溶洞边壁 支溶洞支溶洞 支溶洞支溶洞 出口掌子面揭示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 突水突泥段示意图突水突泥段示意图1.3 1.3 高地温高地温 在火山带的地区修建隧道或深部地下工程，会遇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。气体，使人烫伤或中毒，严重者死亡。表表1 1列举了国内外部分深埋长隧道的地温值及穿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层岩性、地质构造、近期岩浆活动等因素都有密切关系。此外切关系。此外,地温值还与地下水的状态有关地温值还与地下水的状态有关,很很多已建成的隧道原预测温度很高多已建成的隧道原预测温度很高,但实际施工时发但实际施工时发现并不高现并不高,如西康铁路秦岭隧道。如西康铁路秦岭隧道。1.4 1.4 瓦斯爆炸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下产生激烈氧化反应。当隧道里的甲烷浓度超过16%16%时，它不会燃烧和爆炸；但是当浓度超过时，它不会燃烧和爆炸；但是当浓度超过40%40%时，可以使人因严重缺氧而窒息或死亡。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。斯溢出的时间和部位都具有明显的随机性。其他：氡、氦等放射性气体其他：氡、氦等放射性气体1.5 1.5 围岩大变形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。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、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。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。模的预报。破碎带围岩大变形破碎带围岩大变形1.6 1.6 岩爆岩爆 因开挖卸荷致使洞壁应力重分布，储存在岩体内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、高地应力条件硬脆性围岩、高地应力条件岩爆岩爆岩爆区岩爆区？隧道施工隧道施工过程中存过程中存在各种地在各种地质灾害因质灾害因素素在孕育有一定在孕育有一定风险环境的隧风险环境的隧道工程中，就道工程中，就有可能发生各有可能发生各类风险事故，类风险事故，从而对承载体从而对承载体系带来各种各系带来各种各样的损失样的损失监控监控量测量测超前超前预报预报为什么要对隧道进行监控和预报？为什么要对隧道进行监控和预报？报告目录报告目录隧道施工地质灾害类型及其危害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监控量测技术方法2.2.隧道监控量测技术方法隧道监控量测技术方法2.12.12.12.1监控量测的内容监控量测的内容监控量测的内容监控量测的内容必测项目和选测项目必测项目和选测项目必测项目必测项目必测项目必测项目洞内观察与地质素描洞内观察与地质素描 净空变化量测净空变化量测 拱顶下沉量测拱顶下沉量测 地表下沉量测地表下沉量测必测项目和选测项目必测项目和选测项目选测项目选测项目 围岩内部位移监测；围岩内部位移监测；喷砼应力监测；喷砼应力监测；围岩压力监测；围岩压力监测；钢拱架应力监测；钢拱架应力监测；二衬应力监测；二衬应力监测；锚杆或锚索内力及抗拔力锚杆或锚索内力及抗拔力 量测量测 项项 目目围岩围岩种类种类必测项目必测项目选测项目选测项目洞洞内内观观察察净净空空收收敛敛拱拱顶顶下下沉沉地地表表下下沉沉衬衬砌砌应应力力围围岩岩内内位位移移锚锚杆杆轴轴力力钢钢支支撑撑应应力力接接触触压压力力混混凝凝土土应应变变洞洞内内弹弹性性波波硬岩硬岩软岩软岩土砂土砂必须实施、必须实施、可以实施、可以实施、必要时实施必要时实施2.2 2.2 监控量测的方法监控量测的方法2.2.12.2.1必测项目必测项目1 1、目测观察、目测观察 获得与围岩稳定状态有关的直观信息获得与围岩稳定状态有关的直观信息掌子面地质层岩性、结构面产状、有无断层，围岩掌子面地质层岩性、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类别，自稳情况，地下水的影响情况等对初期支护效果：对初期支护效果：喷层有无裂缝，裂缝的部位、喷层有无裂缝，裂缝的部位、长度、宽度、深度长度、宽度、深度2 2、周边收敛量测、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。边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映。1 1）量测目的）量测目的 判断隧道空间的稳定性；判断隧道空间的稳定性；根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌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；施作的合理时机；指导现场的施工。指导现场的施工。2 2）量测设计）量测设计 收敛量测的间距与测线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必测项目量测断面间距和每断面测点数量 围岩级别围岩级别断面间距断面间距（m m）每断面测点数量每断面测点数量净空变化净空变化拱顶下沉拱顶下沉V VVIVI5 510101 12 2条基线条基线1 13 3点点IVIV101030301 1条基线条基线1 1点点IIIIII303050501 1条基线条基线1 1点点量测频率：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 按位移速度按位移速度位移速度位移速度（mm/dmm/d）量测频率量测频率552 2次次/d/d1 15 51 1次次/d/d0.50.51 11 1次次/2/23d3d0.20.20.50.51 1次次/3d/3d0.20.21 1次次/7d/7d按距开挖面按距开挖面距离距离(注：注：b b为隧道开挖宽度为隧道开挖宽度)量测断面距量测断面距开挖面距离开挖面距离（m m）量测频率量测频率(0(01)1)b b2 2次次/d/d(1(12)2)b b1 1次次/d/d(2(25)5)b b1 1次次/2/23d3d5 5b b1 1次次/7d/7d3 3）量测仪器）量测仪器收敛计：机械式的收敛计、数显式收敛计收敛计：机械式的收敛计、数显式收敛计例：例：QJ-85QJ-85型坑道周边收敛计；型坑道周边收敛计；JSS30AJSS30A型数显收敛计；型数显收敛计；SWJSWJIVIV型隧道隧道收敛计。型隧道隧道收敛计。3 3、拱顶下沉量测、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。本的资料。1 1、围岩内部位移量测、围岩内部位移量测1 1）隧道围岩内部位移量测的主要目的是：）隧道围岩内部位移量测的主要目的是：了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。区的范围。根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。2 2）量测仪器：多点位移计）量测仪器：多点位移计3 3）测量原理）测量原理 2.2.22.2.2选测项目选测项目中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉）2 2、锚杆轴力量测、锚杆轴力量测1 1）量测目的）量测目的把握锚杆实际工作状态及轴向力把握锚杆实际工作状态及轴向力结合位移量测，判断围岩发展趋势，分结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限析围岩内强度下降区的界限修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果2 2）量测方法和仪器）量测方法和仪器 锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为电测式电测式和和机机械式械式两类。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。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，转求应力振动频率变化，转求应力 。3 3、围岩压力及两层支护间压力量测、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间的接触压力的测试1 1）目的：了解围岩压力的量值及分布状态；）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。的稳定性和安全度。2 2）量测仪器与原理）量测仪器与原理 液压式测力计液压式测力计和和电测式测力计电测式测力计。弦测法原理弦测法原理 钢弦式压力盒布置图钢弦式压力盒布置图4 4、钢支撑应力量测、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。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 1）量测目的）量测目的了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。设计提供依据。根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和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。支护结构的稳定性。了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。工安全。2 2）量测元件）量测元件 钢弦式表面应变计钢弦式表面应变计 钢弦式钢筋应力计钢弦式钢筋应力计 5 5、混凝土应力量测、混凝土应力量测 了解混凝土层的变形特性以及应力状态；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，以及安全程度；检验二次衬砌设计的合理性，积累资料。积累资料。2.32.3监测预报实例监测预报实例A隧道监控量测周报月报隧道监控量测周报月报B隧道监控量测周报隧道监控量测周报隧道施隧道施工监控工监控量测的量测的意义意义确定隧道围岩变形状态确定隧道围岩变形状态提出围岩变形失稳预警提出围岩变形失稳预警确定隧道支护结构受力变形状态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为确定隧道支护与开挖工作面间合理距离提供依据理距离提供依据为什么要对隧道进行监测为什么要对隧道进行监测?量测量测 项项 目目围岩围岩种类种类必测项目必测项目选测项目选测项目洞洞内内观观察察净净空空收收敛敛拱拱顶顶下下沉沉地地表表下下沉沉衬衬砌砌应应力力围围岩岩内内位位移移锚锚杆杆轴轴力力钢钢支支撑撑应应力力接接触触压压力力混混凝凝土土应应变变洞洞内内弹弹性性波波硬岩硬岩软岩软岩土砂土砂必须实施、必须实施、可以实施、可以实施、必要时实施必要时实施报告目录报告目录隧道施工地质灾害类型及其危害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监控量测技术方法隧道施工地质预报工作方法隧道施工地质预报工作方法(1)(1)资资料料收收集集、勘勘察察成成果果整整理理分分析析、熟熟悉悉设设计计文文件、资料和图纸件、资料和图纸 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 b.b.勘察成果整理分析勘察成果整理分析 c.c.熟悉设计文件、资料和图纸熟悉设计文件、资料和图纸(2)(2)补充地质调查补充地质调查 通通过过前前述述工工作作，确确定定隧隧道道施施工工地地质质预预报报重重点点段段，确确保有限经费的有效使用保有限经费的有效使用 3.3.隧道地质超前预报技术与方法隧道地质超前预报技术与方法(3)(3)洞内地质调查和掌子面地质素描洞内地质调查和掌子面地质素描 a.a.洞内地质调查洞内地质调查 b.b.掌子面地质素描掌子面地质素描(4)(4)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 a.a.物物探探方方法法的的选选择择(物物探探方方法法与与地地质质法法的的结结合合)b.b.掌子面探测掌子面探测(5)(5)探测成果分析探测成果分析(6)(6)隧道工程岩体分级隧道工程岩体分级 工工程程岩岩体体分分级级标标准准（GB5021895GB5021895）以以岩岩体体完完整整性性、岩岩石石质质量量作作为为分分级级的的基基本本参参数数，以以主主要要结结构构面面状状态态、岩岩体体含含水水情情况况、和和初初始始应应力状态作为修正参数来进行。力状态作为修正参数来进行。(6)(6)隧道工程岩体分级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：指标确定工程岩体的最终级别：BQ=（90+3RC+250KV）100（K1+K2+K3）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）KV岩体完整性指数；岩体完整性指数；K1地下水影响修正指标；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；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；初始应力状态影响修正指标；(7)(7)预报报告的内容预报报告的内容 1）工程概况；）工程概况；2）地质预报采用的方法原理；）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；）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；）探测区、点布置图；5）结结合合隧隧道道勘勘察察设设计计资资料料、补补充充地地质质调调查查结结果果、洞洞内内地地质质调调查查结结果果进进行行的的探探测测分分析析结结果果（包包括括文文字字、探测典型波形图、波谱图和成果图等）；探测典型波形图、波谱图和成果图等）；6）预预报报结结论论及及下下步步施施工工措措施施建建议议（围围岩岩加加固固、初初期期支支护护、超超前前支支护护、永永久久支支护护措措施施等等，必必要要时时给给出出掌掌子面前方岩体分级建议）子面前方岩体分级建议）(8)(8)验证验证 施施工工开开挖挖验验证证是是隧隧道道地地质质超超前前预预报报的的重重要要的的一一环环，是是改改进进探探测测布布置置、提提高高预预报报准准确确率率的的需要，也是完成预报工作的要求。需要，也是完成预报工作的要求。具体而言，应随开挖进行不良地质体带位置、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）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，从中分析成功和失败的原因，以利下一步工作的开展。工作的开展。3.3.隧道地质超前预报技术与方法隧道地质超前预报技术与方法uu 地质综合分析是系统性的工作，工程性质、工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。程区基本地质条件决定手段和方法。主要方法主要方法 地质分析法地质分析法 物探法物探法 水平钻孔法水平钻孔法 3.13.1、地质分析法、地质分析法 在隧道的预可研和可行性研究阶段、勘察设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。性及失稳破坏型式等。地质法地质法:隧道施工期地质超前预报是最早开展的，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也是任何其它隧道施工期地质超前预报方法的基础。础。对物探和钻孔超前探测资料的任何解释和应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：地质分析法主要有：1 1）地质投影法）地质投影法 2 2）地质层序法）地质层序法 3 3）工程地质类比法）工程地质类比法 4 4）地质编录法）地质编录法3.23.2、综合物探法、综合物探法 物理探测技术的发展物理探测技术的发展物理探测技术的发展物理探测技术的发展 优点优点优点优点:直观、高效、直观、高效、直观、高效、直观、高效、缺点：反映某种物理现象缺点：反映某种物理现象缺点：反映某种物理现象缺点：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，对物理现象反映出的异常进行定性、定量鉴别，对物理现象反映出的异常进行定性、定量鉴别，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则是物探方法的关键则是物探方法的关键则是物探方法的关键 。中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉）3.23.23.23.2、综合物探法、综合物探法、综合物探法、综合物探法 （1）地质雷达法）地质雷达法地地质质雷雷达达法法采采用用的的是是连连续续扫扫描描电电磁磁波波反反射射曲曲线线的的叠叠加加，利利用用电电磁磁波波在在隧隧道道掌掌子子面面前前方方岩岩体体中中的的传传播播、反反射射，根根据据测测到到的的反反射射脉脉冲冲波波走走时时计计算算反反射射界面距隧道施工掌子面的距离。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。带的探测预报。（1 1）地质雷达法）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 地质雷达工作原理示意图地质雷达工作原理示意图地质雷达地质雷达 雷达测试雷达测试 实例实例1 某隧道右线某隧道右线YK84948YK84978里程段的里程段的超前地质预报中（超前地质预报中（FDMTR17，2007-08-29），），指出围岩指出围岩YK84968YK84972里程段存在节理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。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带，且含水量较大，出现水如雨下的情况。YK84948YK84978地质雷达波形图地质雷达波形图YK84968YK84972里里程程存存在在水水平平强强反反射射同同相相轴轴，推推测测该该处处围围岩岩存存在在节节理理蚀蚀变变带带或或破破碎碎带带，并并含含有有一一定定基基岩岩裂裂隙隙水水，施施工工时时应应注注意意，并应控制进尺和炸药量。并应控制进尺和炸药量。现场照片现场照片 右线右线YK84YK84968968YK84YK84972972里程段里程段实例实例2 某某隧隧道道右右线线出出口口YK68+397YK68+388里里 原原设设计围岩级别为计围岩级别为级，无断层存在；级，无断层存在；预预报报围围岩岩级级别别为为IV级级偏偏下下V级级。建建议议对对此此段段围围岩岩按按V类类复复合合式式衬衬砌砌施施工工，并并应应特特别别加加强强锚锚杆杆超超前前支护以防止拱顶和侧墙发生掉块、塌方事故。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。预报结果经开挖证实。在在YK68+391YK68+391YK68+388YK68+388里里程程即即掌掌子子面面前前方方69米米的的范范围围内内,存存在在两两条条由由左左向向右右逐逐渐渐变变浅浅的的强强反反射射面面，判判断断为为掌掌子子面面顶顶部部倾倾向向掌掌子子面面前前方方的的构构造造破破碎碎带带与与隧隧道道的的两两次次相相交交位位置置，破破碎碎带带内内节节理理裂裂隙隙发发育育，含含水水量量大大，局局部部存存在在股股状状水水流。流。右线出口右线出口YK68+397YK68+372里程段波形图里程段波形图雷达成像应用实例雷达成像应用实例3a.隧道顶部岩层厚度探测隧道顶部岩层厚度探测(h=tV/2)b.隧道掌子面前方地质情况预报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（Tunnel Seismic Prediction，隧隧道道地地震震勘勘探探）设设备备是是由由瑞瑞士士安安伯伯格格公公司司开开发发、生生产产的的，是是当当前前国国内内外外最最先先进进的的隧隧道道隧隧洞洞长长期期超超前前地地质质预预报报设设备备，也也是是当当前前超超前前地地质质预预报报技技术术中中的的最最重重要要手手段段。它它与与其其它它超超前前地地质质预预报报的的设设备备相相比比，最最大大优优点点是是：探探测测距距离离远远（可可达达隧隧道道隧隧洞洞掌掌子子面面前前方方300500米米,有有效效预预报报距距离离100150米米），分分辨辨率率高高（最最高高分分辨辨率率为为1米米），抗抗干干扰扰能能力力强强（基基本本不不受受干干扰扰），影影响响施施工工很很少少（钻钻孔孔和和测测试试在在侧侧壁壁进进行行，洞洞内内探探测时间仅用测时间仅用45分钟）。分钟）。（2 2）地震波反射法（）地震波反射法（TSP/TGPTSP/TGP）该设备主要用于超前预报该设备主要用于超前预报隧道掌子面前方不良地质隧道掌子面前方不良地质的性质、位置和规模，最的性质、位置和规模，最大探测距离为掌子面前方大探测距离为掌子面前方300500m，设备限定的有，设备限定的有效预报距离为掌子面前方效预报距离为掌子面前方100m，最高分辨率为，最高分辨率为1m地质体。地质体。（2 2）地震波反射法（）地震波反射法（TSP/TGPTSP/TGP）TSP/TGP TSP/TGP测量原理图测量原理图-探测过程见动画探测过程见动画中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉）TSP隧道断层平面图隧道断层平面图（3 3）地震波反射层析成像法）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的三维接收传感器，传感器的布置视隧道几何形态和态和TRT数据采集系统基本形式预先确定。按预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定型式在岩石表面安设10个以上带前置放大功能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子面前方界面反射回来的信号采用用标准24道地道地震仪采集，直达波及隧道掌子面前方异常体边界震仪采集，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，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完成隧道掌子面前方地质情况的三维反射层析成像。像。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)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反射层析平面反射层析平面图（据图（据D.R.Hanson等）等）（3）地震波反射层析成像法）地震波反射层析成像法3.33.3、超前探孔法、超前探孔法 超前探孔是地质综合分析最直接的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、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置、规模能做出较准确的判断。3.33.3、超前探孔法、超前探孔法 优缺点优缺点 属直接揭示法，特别是取芯超前钻孔法，一目了然。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。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。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。探测结果只是一孔之见。遇软弱、岩溶岩层取芯困难。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，富水区、高压富水区实施超前钻孔，应安装防突水装置，亦亦 可安装孔口管，接上高压球阀、连接件和压力表，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。进行耐压试验。3.33.3、超前探孔法、超前探孔法 富水区实施超前钻孔法地质预报，应安装防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。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、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顶钻现象应停钻，情况紧急时应组织人员立即撤离离。中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉）主要预报方法的优缺点主要预报方法的优缺点方法名称方法名称适用条件适用条件优点优点缺点缺点地质调查分地质调查分析法析法任何地质条件任何地质条件方便快捷，结论可靠，方便快捷，结论可靠，性价比高性价比高需要专业地质工程师，需要专业地质工程师，且工作量大且工作量大TRTTRT法法软弱夹层、断层、软弱夹层、断层、破碎带、含水带破碎带、含水带等等空间观测、地震侧移成空间观测、地震侧移成像、工作效率高，操作像、工作效率高，操作简单，成图直观简单，成图直观不能分析围岩波速，偏不能分析围岩波速，偏移图像中存在虚假成分移图像中存在虚假成分等等隧道地震波隧道地震波探测法（以探测法（以TSPTSP为例）为例）块裂岩体，破碎块裂岩体，破碎带、大溶洞等；带、大溶洞等；富集高深度瓦斯富集高深度瓦斯地层不可使用地层不可使用集成化程度高，操作简集成化程度高，操作简单、成果直观，可获得单、成果直观，可获得丰富飞围岩地质信息丰富飞围岩地质信息预报成本高，对近隧道预报成本高，对近隧道轴向与水平界面无法探轴向与水平界面无法探测，对地下水反应不甚测，对地下水反应不甚灵敏灵敏地质雷达地质雷达任何岩体任何岩体分辨率高，可反映围岩分辨率高，可反映围岩内部特征，对含水带、内部特征，对含水带、破碎带有较高识别能力破碎带有较高识别能力需占用施工时间，易受需占用施工时间，易受洞内环境干扰，波相识洞内环境干扰，波相识别需要较丰富工作经验别需要较丰富工作经验超前钻孔超前钻孔任何岩体任何岩体结论直观、可靠；在减结论直观、可靠；在减小岩溶涌水危害方面效小岩溶涌水危害方面效果明显果明显钻进速度慢、占用施工钻进速度慢、占用施工时间多，费用较高时间多，费用较高 图图 地质超前探测方法组合模式地质超前探测方法组合模式深圳大运中心场馆效果图照片1-1 体育馆岩溶地面塌陷坑(发生于2008年1月21日)照片 体育场 人工挖孔桩50#孔所揭示的溶洞大运中心 物探及分析解释 高密度电法分析解译8484条剖面，条剖面，63km63km9898个异常点段个异常点段（6767处异常）处异常）4141个松软土层、破碎带异常个松软土层、破碎带异常 1414个溶洞异常个溶洞异常 6 6个土洞异常个土洞异常 6 6个土（溶）洞异常个土（溶）洞异常大运中心 地质雷达分析解译3131条剖面，条剖面，13.7km13.7km异常反射异常反射4747个个 土（溶）洞异常土（溶）洞异常1919个个 地层扰动异常地层扰动异常2828个个大运中心 层析成像分析解译弹性波弹性波CTCT孔孔2424对对异常反射异常反射2121处处 松软土层松软土层 6 6处处 有充填土洞有充填土洞1919处处 半充填无充填的溶洞半充填无充填的溶洞5 5处处大运中心 验证性钻探结果验证性钻孔验证性钻孔5050个个,进尺进尺1408m1408m 土洞土洞 2020个个 溶洞溶洞7 7个个 准确率准确率70%70%松软土层松软土层8 8个个应用实例应用实例 沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施公路第施公路第28合同段大水井隧道地质超合同段大水井隧道地质超前预报前预报word例实例实4东京湾海底隧道2009年4月21 日贯通，全长15.1 km，海底隧道9.1km。川崎和木更津两市之间路程将100km缩短到30km。由8 台直径14.14 m 的超大型泥水式土压平衡盾构施工。盾构掘进机,