隧道工程-工程地质勘测及超前预报

隧道工程地质环境 隧道工程地质调查与勘测围岩的工程性质超前地质预报主要内容 隧道与地面结构的不同点隧道工程地质调查的内容超前地质预报的方法学习重点 地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同并相互作用的结构体系，即地下结构＝支护结构＋周边围岩；地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身—地层，故称为地层压力或围岩压力。在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。概述 地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。所以说，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题，它包括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、标志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如施工程序和方法、支护结构的类型、数量和架设时间等)。 隧道工程地质调查与勘测隧道勘测的基本内容1.隧道工程调查调查隧道穿越地段的地质、地貌、环境生态等自然条件，它们与隧道工程有着密切的关系；2.隧道线路确定通过多种方案的比选，确定隧道的平面、纵断面线形；3.隧道洞口位置选择 自然地理概况调查1.地形资料地形图1/50000～1/25000主要用于线路规划1/5000～1/1000主要用于隧道方案的比选重要的长大隧道也可以考虑采用航空照片或卫星照片2.地质资料地质图和说明书。1/200000～1/50000比例尺的地质图长大隧道还应参考航空照片以及遥感资料隧道工程地质调查与勘测 隧道工程地质调查与勘测自然地理概况调查3.工程资料以往的施工记录和工程报告总结4.气象资料气温、气压、降水、水温、地温等从气象台站和各种资料期刊、汇编、年鉴等处获得 隧道工程地质调查与勘测自然地理概况调查5.用地及环境资料用地：工程用地和施工用地调查既有建筑：居民住宅、通讯设施、排水设施、交通设施等环境资料：自然环境，文物古迹、自然保护区、居民环境等，6.灾害资料隧道所在地区历史上的暴雨、台风、地震、滑坡等发生的规模、频度 地质调查1.调查内容(1)工程地质特征(2)水文地质特征(3)不良地质和特殊地质现象(4)地震烈度(5)有害气体和放射性物质隧道工程地质调查与勘测 地质调查2.调查步骤(1)地形地质的初步调查(2)地质详查3.调查手段(1)传统手段：钻探法(2)物探：电阻与弹性波法(3)其他技术：遥感隧道工程地质调查与勘测 地质调查4.地下水调查地下水对隧道施工与运营都会产生较大的影响和危害5.应提供的资料(1)概述(2)地形地质说明(3)设计及施工时应注意的问题及对进一步调查的建议(4)相关图纸隧道工程地质调查与勘测 地质调查6.应交付的相关图纸⑴线路地形图(比例1/2000～1/5000)；⑵洞口附近地形图(比例1/500)，沿线路中线每侧各100米的范围进行；⑶地质平面图；⑷地质纵断面图(比例1/500～1/2000)；⑸洞口附近地质纵断面图(比例1/200)以及洞口附近地质横断面图若干。隧道工程地质调查与勘测 环境调查1.自然环境调查动、植物的生态状况：种类、密度、分布、季节性变化地表水、地下水状况2.地物调查土地利用状况：用途、面积范围等文物古迹、风景区等已有构建物：通讯设施、民房、地下管网等3.生活环境调查废气、噪声、振动、地面下沉等，对居住环境、自然资源和已有地物的影响隧道工程地质调查与勘测 气象调查◆降雨:年、月平均、日最大、小时最大降雨量◆降雪:最大降雪日、最大积雪量、积雪期、最大日降雪量、雪密度、雪温◆气温、地温：年平均气温、绝对最高最低气温、日温差；冻结期、冻结深度、多年冻土深度、水温◆风向、风速：频率分布(年间、月间、日间)◆雾：发生日数(频度、滞留时间及其能见度)◆洪水：洪水量、水位、时期隧道工程地质调查与勘测 围岩的工程性质隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体在隧道开挖和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质也有所变化。 一、岩体的变形特性1、压密阶段(OA)2、弹性阶段(AB)3、塑性阶段(BC)4、破裂和破坏阶段(CD)围岩的工程性质 围岩的工程性质二、循环荷载作用下岩体的变形特性对于弹性材料，其加载和卸载曲线相同。岩体属于非线性材料，如果卸载点超过了其屈服点，则卸载曲线和加载曲线不重合，形成塑性回滞环。如果经过多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次加载的最大荷载一样，则每次加载、卸载曲线都各自形成一个塑性回滞环，如图所示。 围岩的工程性质三、岩体的强度岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向异性。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的70～80％，结构面发育的岩体，仅有5～10％。和抗压强度一样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态，包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等；同时还受剪切破坏方式所制约。 四、岩体的构造—力学特性岩体是由下述几部分构成的：a)不同尺寸和类型的岩块；b)结构面；c)岩块间的充填物。围岩的工程性质 从岩体构造—力学特性上看，大体上可分为无裂隙岩体和裂隙岩体两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂隙岩体中的。裂隙岩体的地质构造特征是结构面的存在。岩石只是岩体构成的一部分，它的性质不能代表岩体的物性，这一点是必须明确的。由上述条件决定的岩体构造－力学特性是它的非连续性、非均质性、各向异性和突变性。围岩的工程性质 五、岩体的破坏准则理论和试验研究都表明，多数岩石在初始应力状态下处于弹性阶段，而在开挖成洞后，洞室周围岩体将产生松弛或进入塑性状态。围岩的工程性质 弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前，只有可恢复的弹性变形，达到屈服极限以后，变形由可恢复的弹性变形和不可恢复的永久变形(塑性变形)两部分组成，弹性变形按弹性理论计算，塑性变形按塑性理论计算。材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态。当应力的数值等于屈服极限时，材料屈服，开始产生塑性变形，而就是单向应力状态下的屈服条件，也称作“塑性条件”，它是判断是否达到塑性状态的准则。目前，在实际设计中，采用最多的是摩尔—库仑破坏准则。 围岩的工程性质六、岩体的流变特性流变包括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变随时间增长，即所谓蠕变；另一种则是作用的应变不变，而应力随时间而衰减，即所谓松弛。 七、岩体结构分类及其破坏特征工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型：Ⅰ.整体结构、块状结构Ⅱ.层状结构、板状结构Ⅲ.碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构Ⅳ.散体结构围岩的工程性质 超前地质预报:是地质勘察工作在施工阶段的延续，是在复杂地质情况工程安全事故多发条件下，为满足施工安全的需要而新兴的一门学科，是工程地质学的一部分，是覆盖物理探测、地质、钻探、试验等专业的一个综合学科。超前地质预报 超前地质预报施工地质超前预报:就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的地质理论和灾害发生规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况及成灾可能性做出预报。超前地质预报是隧道信息化的重要组成部分，施工阶段应将超前地质预测、预报纳入正常的施工工序中，根据工程地质、水文地质变化及时调整施工方法和采取相应的技术措施 1、超前地质预报的产生与发展在复杂地区修建长大隧道，由于地质条件的复杂性，经常遇到一些突发地质灾害，而目前国内外地质勘察的精度都满足不了施工过程中对不良地质情况的准确预见，造成了许多重大地质灾难。甚至成为制约地下工程建设工期及能否安全使用的关键。实例：日本东海道干线旧丹拿隧道（长7.84km）1981年开工后曾遇到高压涌突水，致使该隧道建设工期达16年之久；日本的万之濑川引水隧道（8.2km），在施工中出现严重涌突水，致使5次改变施工方案，延误工期近2年；而国内的一些煤矿瓦斯爆炸、隧道塌方事故也多见报道，例如宜万铁路的马鹿箐隧道、野三关隧道岩溶突水事故等。超前地质预报 2、超前地质预报工作的重要作用复杂地区修建长大隧道，由于不良地质发育的不确定性，在施工中进行超前地质预测预报工作，既是保证施工安全的需要，也是保证工期、节约工程造价的需要。（1）作为一项安全施工措施，可以降低地质灾害发生的机率，确保隧道施工安全。由于进行预报，可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，能够提前了解开挖面前方围岩的地质情况，并在施工中有针对性地采取预防措施，因此，能够有效地控制突泥、涌水、涌砂、坍方等地质灾害的发生，从而避免或减少由此造成人员及设备的损伤等。超前地质预报 （2）进行超前地质预报能够作为动态设计基础资料的获取手段，保证设计的质量。通过地质预报，可以获得开挖面前方存在的特殊地质现象，以及岩层的物性和力学参数，为设计支护参数的合理变更提供必要的依据。（3）确保质量，控制投资。有了地质预报，能够及时了解隧道围岩存在的地质情况，提前对软弱岩层进行预加固，合理变更施工参数，确保隧道连续挖进，赢得施工时间。（4）为编制竣工文件提供地质依据。虽然引入超前地质预报系统对保证隧道的施工安全起了一定的作用，但对不良地质体的确切位置的定位与确定不良地质发育的立体空间等方面还有一定的不足，这些还需要工程技术人员做进一步的努力。超前地质预报 目前国内外超前地质预报手段分为：常规地质法、超前导坑预报法、超前钻探预报法、物探方法四种。1）常规地质法：包括地质素描法、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析法、地质作图法、数码成像、技术位移向量分析法等；2）超前导坑预报法：包括平行导坑法、正洞导坑法；3、超前地质预报的具体方法及认识超前地质预报 3）超前钻探预报法：包括深孔水平钻探、5～8m加深炮孔探测及孔内摄影；4）物探方法：包括地震波反射法、声波反射法、地质雷达、红外探测、跨孔CT、高分辨率电法、声监测法、电测法、核磁共震法、陆地声纳法、TRT真地震反射成像技术、水平声波剖面法(HSP)、TST超前预报技术、地震负视速度法、TGP12超前预报技术等。超前地质预报 1、TSP超前地质预报技术TSP超前地质预报系统是专门为隧道与地下工程超前地质预报研制开发的设备，它为方便快捷地预报掌子面前方100～350m范围内的地质情况提供了一种强有力的方法和工具。预报原理：TSP(TunnelSeismicPrediction)超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。超前地质预报 数据采集时通过依次激发隧洞一边侧墙等间隔炮孔，产生以波形式向周围方向的能量传递，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，该过程所需时间约1小时。然后利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。超前地质预报 TSP超前探测原理地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道 优缺点分析（1）适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。（2）预报距离长，能预报掌子面前方100～350m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。（3）对隧道施工干扰小，它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过40分钟左右。（4）提交资料及时，在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，就可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空间位置，计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。 优缺点分析（5）预报准确性，其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的，由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。（6）预报精度高，它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的，如采样间隔取80μs，弹性波速度为5000m/s，则能预报出的地质体的宽度为0.4m。（7）预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显，而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意，因其计算软件针对面状异常体设计，对点状异常体（如小溶洞等）反应不明显。 2负视速度法铁一院从上世纪90年代初就开始了进行专门的研究工作，并称为“负视速度法”。他的工作原理与TSP预报系统是完全一样的，差的是商业化和一些巧妙的设计和强大计算功能的软件。它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情况。在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。超前地质预报 反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。该法具有明显的方向特征，可有效区分掌子面前方反射信号与周围干扰信息，提高了识别物性界面的精确度，能对其进行较为准确的定位，预报距离可达100ｍ以上。 3.国产TGP12（SWS）仪器和处理系统TGP12（SWS）仪器和处理系统是TSP系统的一种，比较TSP202/203，TGP12在以下方面作出了改进：1)处理系统中文界面，操作方便，程序的对比功能设置有利于分析对比；2)处理系统有自动、手动处理两种方式，适应研究复杂隧道地质条件的需要；3)仪器的三分量接收器在孔中采用黄油耦合，简单速度快，既经济、又少影响隧道施工的时间。超前地质预报 4、地质雷达作为TSP超前地质预报的补充，对TSP预报的异常点，比如确定异常体的规模、性质、危害性有困难时采用地质雷达作为补充手段。根据《铁路工程不良地质勘察规程》（TB10027-2001）与设计要求，灰岩地段铺轨前应用物探方法探明隧底隐伏岩溶洞穴，主要采用地质雷达。地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的脉冲发射到地下介质中，通过接收反射信号达到探测地下目标的目的，雷达系统向被探测物发射电磁脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时的长短差别，确定探测目标的形态及属性，结合工程地质理论分析达到对埋藏目标（地质体）的探测与判断。超前地质预报 雷达探测原理示意图影响雷达探测因素采用探地雷达在隧道内开展工作，要比地面雷达探测难度大得多，不仅现场工作环境差，而且探测的对象是隧道的顶部、边墙、隧底及掌子面。探测工作又往往是在施工过程中，相互影响干扰的情况是难免，所以需要双方相互理解和密切配合。在隧道内进行雷达探测，主要受以下几方面的干扰和影响： （1）高压风管、通风管、水管、供电线、运输线（轨道和运行或停滞的电瓶车）即三管两线。（2）初期支护和二次衬砌中的钢筋网、锚杆、小导管、钢拱架，及现场机具等金属物。（3）虚渣、堆积物和爆破松动圈及各种不均匀体。（4）岩层含水和隧道内流水。上述干扰和影响必然会给数据采集和资料处理解释工作带来极大的难度。 对适用情况的认识（1）隧道内的环境条件如洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响探测结果（2）就目前的技术水平而言，地质雷达采用高频率的天线作为隧道砼衬砌质量无损检测的手段仍是比较合适的。（3）地质雷达在地表探测5～30m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空隙等)反射信号还是比较明显的，也是一种比较理想的手段；灰岩地区隧道铺底前采用中～低频率的天线作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手段仍是大家经常采用的。（4）由于雷达探测距离短，难与隧道每天开挖10～15m的速度相适应。但发现异常现象，应用地质雷达多种频率、反复探测来得到异常体的规模及形态，效果明显。 常用超前地质预报方法的适用范围虽然目前超前地质预报手段很多，但能够在施工中广泛应用并为广大工程技术人员较为认可的有：地震波反射法（TSP）、地质雷达、红外探测、超前钻孔（炮孔的加长探测），同时由于每种预报方法在不同的地质条件下的实际预报效果差距很大，应用中一般根据隧道的地质条件分段选用不同的手段组合进行综合地质预报。 只有认识到预报的影响因素，才能有针对性的制定技术方案。经过多年的实践，人们认识到由地质预报的精确程度受下列因素影响：一是地质体的成因类型。一般是沉积岩地区的预报的准确度较高；小体积侵入岩，非层状喷出岩预报准确度最低；没有被破坏的褶皱、大的断层带预报较准；小断层及侵入接触带预报准确度低。二是地区的地质构造发展史。经历构造作用次数越多、作用越强烈，地质构造越复杂，预报准确度越低。三是地表岩石风化和覆盖程度。岩石风化和地表覆盖严重，覆盖层厚，地质构造在地面看不清，预报不准。四是对预报地区地质规律的掌握的程度和从事这项工作人员的经验丰富程度，这直接影响预报成效。地质预报方案选择的影响因素 地质预测预报坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探相结合、地质方法与物探方法相结合、多种物探方法相结合、地球物理方法与超前水平钻探相结合，辅助导坑与主洞探测相结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿于施工全过程。地质预测预报工作的方法、手段和内容应根据勘测设计预测的地质灾害分级确定。根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，分为以下四级，详细影响因素见下表。 施工地质分级ABCD严重较严重一般轻微地质复杂程度(含物探异常)岩溶发育程度极强，厚层块状灰岩，大型溶洞、暗河，岩溶密度每平方公里＞15个，最大泉流量＞50L/s，钻孔岩溶率＞10%。强烈，中厚层灰岩夹白云岩，地表溶洞落水洞密集、地下以管道水为主，岩溶密度每平方公里5~15个，最大泉流量10~50L/s，钻孔岩溶率5~10%。中等，中薄层灰岩，地表出现溶洞，岩溶密度每平方公里1~5个，最大泉流量5~10L/s，钻孔岩溶率2~5%。微弱，不纯灰岩与碎屑岩互层，地表地下以溶隙为主，最大泉流量＜5L/s，钻孔岩溶率＜2%。。涌水涌泥程度特大（日出水10万t以上）、大型突水（日出水1~10万t）、突泥，高水压。中小型突水（日出水1000~1万t）、突泥。小型涌水（日出水100~1000t）、涌泥。日出水小于100t涌突水可能性极小。断层稳定程度大型断层破碎带、自稳能力差、富水，可能引起大型失稳坍塌。中型断层带，软弱，中~弱富水，可能引起中型坍塌。中小型断层，弱富水，可能引起小型坍塌。中小型断层，无水，掉块。 施工地质分级ABCD严重较严重一般轻微地应力影响程度高应力，严重岩爆（拉森斯判据＜0.083，即岩石点荷载强度与围岩最大切向应力的比值），大变形。高应力，中等岩爆（拉森斯判据0.083~0.15），中~弱变形。弱岩爆（拉森斯判据0.15~0.20），轻微变形。无岩爆（拉森斯判据＞0.20），无变形。瓦斯影响程度瓦斯突出：煤的破坏类型为Ⅲ（强烈破坏煤）、Ⅳ（粉碎煤）、Ⅴ（全粉煤）类，瓦斯放散初速度≥10，煤的坚固系数≤0.5，瓦斯压力≥0.74Mpa。高瓦斯：全工区的瓦斯涌出量≥0.5m3/min。低瓦斯：全工区的瓦斯涌出量＜0.5m3/min。无。(地质因素)对隧道施工影响程度危及施工安全，可能造成重大安全事故。存在安全隐患。可能存在安全问题。局部可能存在安全问题。诱发环境问题的程度可能造成重大环境灾害。施工、防治不当，可能诱发一般环境问题。特殊情况下可能出现一般环境问题。无。 A级预报：采用地质素描、隧道地震超前预报仪（TSP）、单点声波反射仪（HSP）、地质雷达、红外探水、超前水平钻探等手段综合预测。首先以长距离TSP和一种或几种短距离物探方法相结合进行预测，同时进行多孔超前钻探探查。局部复杂地段，开展多种短距离物探探测等多种方法综合预测。B级预报:采用地质素描、TSP，辅以红外探水、地质雷达，进行必要的单孔超前水平钻。当发现局部地段较复杂时，则按A级要求实施。C级预报：以地质素描为主。对重要的地质（层）界面、断层或物探异常可采用TSP进行探明，必要时红外探水和单孔超前钻探。D级预报：采用地质素描。 地质预报方法对隧道地质条件的适用效果地质素描：是隧道施工地质工作的中枢，应用最广泛，在A、B、C、D四级预报中都要进行。但在非地质专业的管理者中，目前还没有认识到他在综合分析地质工程问题中的地位。这体现在目前的超前地质预报招标中单价无限制下调，只是目前技术指南的要求才开展这项工作。隧道-只要是地下工程目前都要选择此技术进行全隧道覆盖性测量；是施工地质的基础性和最终成果性资料，可作为长大隧道防灾资料归档。 地质预报方法对隧道地质条件的适用效果地质雷达：地质雷达开始引进预报工作中时，主要对断层、褶皱、煤层、采空区、岩溶等不良地质进行探测，经过长期实践，目前主要在灰岩岩溶发育地区应用广泛，成为溶洞预报的主要手段，并取得了很好的效果，在A、B级预报中都可选择。目前灰岩隧道要选择此技术进行灰岩段覆盖性测量；采空区、富水断层等局部不良地质段一般也考虑进行地质雷达设计，地质简单隧道一般不选择。同时在灰岩地区要进行地质雷达探底工作，防止隐伏岩溶洞穴对工程与运营的安全。 地质预报方法对隧道地质条件的适用效果超前钻孔：钻孔目的是确认物探探测预测的开挖面前方的地质异常体，由于消耗时间、成本高，目前在A、B级可选择。根据经验，超前钻探一般在岩溶、断层附近、采空区积水段、褶皱核部及其他一些不良地质发育段应用。 地质预报方法对隧道地质条件的适用效果红外探测：红外探测目的是探测开挖面前方的地质异常体，目前主要应用在探水方面，因为我们首次在煤科院引进铁路系统时候就用在了岩溶突水的探测方面，后来总结也是在探水方面探讨。目前在地层探水地段在A、B、C级都可选择。根据经验，红外探测一般在可溶岩与非可溶岩过渡带、富水断层附近、采空区积水段、褶皱富水区应用，其他一般应用在岩溶发育地段来作为保证施工安全的辅助措施。