隧道施工地质超前预报技术

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1、!（摘（!（第 % 卷 第 ! 期地下空间F91 % ?9EAGH6 %文章编号：!#$%!& %）!#(#)隧道施工地质超前预报技术比较陈建峰（同济大学地下建筑与工程系，上海*）要：在隧道开挖过程中，对掌子面前方岩性进行比较准确的预报，可有效地防止工程事故、加快施工进度以及保证工程质量。目前常用的地质超前预报方法可归为破坏法和非破坏法两类，各有其优缺点，其中非破坏法中的 +,- +./01 ,023425 -60725829/）隧道地震波预报技术具有预报距离长、预报费用低和探测时间短等独特优越性。据此，本文对 +,- 技术原理和数据采集、处理系统作了介绍，并归纳和总结了其在国内外隧道工程中的

2、成功应用情况。关键词：隧道；超前预报；地震波；+,-中图分类号：:)(; % = %前言隧道设计与施工之前，要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察，但由于岩体的复杂性，使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入。由于对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。如何解决这一难题，备受世界各国隧道工程界的关注，隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。隧道施工地质超前预报，就是利用一定的技

3、术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和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或成灾可能性做出预报。我国目前正在进行的大规模的基础设施建设中，包括有大量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）建设，其中有不少隧道处在复杂岩性、构造、高地应力地区，有些地区甚至被专家称为“地质博物馆”。在我国隧道施工中由于对施工前方地质条件的不了解造成的隧道坍塌、突水等事故时有发生。因此普文献标识码：遍在隧道施工中采用地质超前预报技术，特别是采用国际先进的地质超前预报技术对提高我国隧道施工技术水平大有裨益。本文对隧道地质超前预报的一些常用方法作了比较，对先进的 +,- 隧道地震波预报技术

4、的原理、数据采集处理系统以及在国内外的应用情况作了介绍。 +,- 技术在我国还处于引进和消化阶段。 地质超前预报的常用方法及其优缺点地质超前预报可以预测掌子面前的一些内容：如断层构造及断层破碎带，煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件，采空区状况，岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等。目前常见的地质超前预报方法可归为两类，一类属破坏法，另一类属非破坏法。破坏法是指用破坏的方法凿开隧道直接取样，它包括地质法、超前平行导坑法和超前水平钻孔法；非破坏法也就是物理方法，利用岩石的物理性质来判别，它包括有声测法、电测法和波反射

5、法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。受各种条件的限制，不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点，也存在各自的缺点。地质收稿日期：#!#% 修改稿）作者简介：陈建峰（!*I#），男，讲师，工学博士，研究方向：土体工程、边坡与环境工程。基金项目：上海市重点学科建设项目资助来3!3A地下空间第 卷!法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性，并判断周围的岩性。地质法有可靠的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操作简便，但靠有限之“见”预报范围很有限，特别是在地层岩性变化极为复杂（如强烈褶皱地层）的隧道中预报的难度很大。超前平行导坑法是在要开挖的隧

6、道附近开挖一平行的小断面导坑，该法具有地质法的优点，但投资大，且隧道与导坑间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，因此适用于设计间距较小、地层受构造变动小的平行隧道工程。超前水平钻孔法是用钻探设备向掌子面前方钻探，从而直接揭示隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石（体）的可钻性、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的地质超前预报方法，但一次钻探距离短，费用高且占用施工时间长。声测法是利用声波在岩石中的传播规律来判别岩石性质的一种方法。声测法占用施工时间短，但预报距离受孔深限制，一般小于 !#。电测法是根据岩石与电阻的关系来推断其性

7、质的一种方法，可以分为电位法和电阻率法。电测法简便、成本低，但必须是以各层间电阻值有一定的差别为前提。波反射法常见的有地质雷达法和 $%& 隧道地震波法：地质雷达（()*+, &-+-.(/.0+1 2/,/(，简称 &2）是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术 。其分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强，可对隧道一定范围内进行全方位探测，但是其预报距离较短，只能预报掌子面前方 34 5 4# 处的工程地质、水文地质条件，而较准确预报的距离只有十几米。$%& 法（$*+-6 %-07#08 &(-,08

8、.0)+）是由瑞士 9#:;-(1 量测技术公司为隧道及地下工程施工期地质超前预报而研制开发的 ，它的预报范围是地质雷达的 3 5 ! 倍，预报费用是超前水平钻探的 ! = !4 5! = 4。它有以下优点 ：（!）适用范围广，即适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。（4#。（）对隧道施工干扰小，它只要求在接收信号时为减少噪音干扰作短暂停工。（3）探测时间短，一次完整的探测仅仅需要 3分钟，加上探测前的准备工作和探测以后系统清除所用的时间也不过 小时，另外探测前的准备工作可以在施工的同时执行。（）节约投资费用，据国外隧道施工经验估计，采用 $%& 法比不进行预报节省费用是全部工程的! 。（A）提

9、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。由于 $%& 有如上诸多优点，所以它的出现解决了工程界对超前预报的诸多难题，从而代表了当今世界隧道施工超前预报的最先进技术。! $%& 技术原理和数据采集、处理系统$%& 探测系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中施以微型爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回（见图 !） ，反射信号经接收传感器转换成电信号并放大。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掌子面的距离

10、确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。$%& 探测系统分数据采集系统和处理系统两部分。$%& 采集系统由记录仪、接收仪和启爆装置等组成（见图 ） 。通常要求采用两个接收仪和 3个爆破孔组成，接收仪孔和爆破孔分别布置在掌子面附近两面的边墙上。接收仪是用来接收地震信号的仪器，安装在一个被水泥或两节环氧树脂夹固定在岩层上的管套里面。启爆装置是由一个常规的带有发射回路的外部触发盒的爆破器组成。$%& 处理系统由窗口式软件 $%&B0+ 组成，其对现场采集的数据进行处理。主要的处理步骤有 ：（!）提取反射波$%& 记录的各种波当中，只有那些从掌子面前方和隧道旁边反射过来的携带

11、了岩石性质的波才:!表示反射界更强，然增大，%#!#!22) 年第 - 期陈建峰：隧道施工地质超前预报技术比较!有用。这些有用的反射波可以通过滤波器能从其它波里分离出来。（!）分离 波和 # 波把 $、 和 & 方向上的记录转换成 波、# 波和 #( 波。 波为压缩波（纵波）， 波为剪切波（横波），其中 #( 波表示质点在垂直面内运动的横波，# 波表示质点在水平面内运动的横波。（)）提取反射面运用图像处理和分割，提取 波和 # 波反射面。反射界面岩石的性质可以通过以下几个方面判断： 出现较高的反射振幅、较大的反射系数和较小的弹性阻抗，表示反射界面的岩石密度和波速较高。波形中央出现正的反射振幅，

12、面的岩石是坚硬的。如果是负的反射振幅，表示反射界面是软弱岩石。#如果 # 波反射比 波反射这表示反射界面富含水。$(* +(, 增大或突常常由于流体的存在而引起。%若 ( 下降，则表明裂隙或空隙度增大。图 -.# 探测的原理图 !.# 洞内数据采集示意图（/）!0 或 )0 结果显示地震数据处理完以后，可以在 !0 或 )0 窗口里面察看选择的反射面。!0 窗口是一个水平分开的窗口，显示了两个面板：侧视图和顶视图或岩石属性。)0 窗口用事先确定的隧道剖面显示从参考系位置到掌子面已经开挖的隧道以及所选择的反射面位置，并显示接收器和发射孔的位置。.# 的应用在国外隧道工程中的应用情况.# 从上世纪

13、 12 年代初问世以来，已经在数百项大型工程中应用并取得了全世界的认可。在瑞士的 (343567 铁路隧道中，它准确的预测出隧道里程（.8）-/)29 处存在不稳定的蛇纹岩层；在日!#表 .=地下空间第 /2 卷!本的 !#$%&$() 高速铁路隧道中成功的预测出掌子面前方岩性由坚硬的英安岩过渡到稍软弱的凝灰岩再到软弱的页岩的位置。在开挖至黑色页岩之前提前进行了隧道支护，有效地避免了隧道坍塌事故的发生；还有在日本的 *&+,(%&-& 水电隧洞工程中，准确的预报出基准点前方 ./ 处一个 .0宽的断层带，并有泉水出现；而在南韩的 1($( 公路隧道中准确预报出隧道掌子面前方不同于开挖段风化岩层

14、的较坚硬岩层和断层构造的位置。在国内某隧道工程的应用情况该高速公路隧道位于云南省境内，全长 2333多米，其设计时速为 435 6 7，采用上下行分离的双洞单向行车双车道隧道。隧道岩层属上三迭一碗水组 82. 地层，由于受哀牢山大断裂及次一级构造的影响，断层、褶皱和节理裂隙发育，岩性复杂。隧道围岩岩性可概括为硬质岩和软质岩两类。硬质岩有板岩、弱变质灰岩、超基性侵入岩体；软质岩有炭质板岩、砂岩、凝灰岩和泥岩。采用引进的 89: 仪器对掌子面 */;4 波、9? 波的时间剖面、深度偏移剖面和反射面以及岩石物性参数等一系列成果图。表 . 为原设计、89: 预报与实际开挖岩性的对照。原设计、89: 预

15、报与实际开挖岩性对照地质概况原设计围岩分类地质概况预报结果围岩分类地质概况实际开挖围岩分类里程类别里程类别里程类别硬岩层，岩体完整*/;4 3=0 */;4 3;2!硬岩层局部富水*/;4 3=0 */;4 3;2硬岩层，局部富水*/;4 3=0 */;4 3;2软弱岩层，*/;4 3;2软弱岩层，*/;4 3;2富水硬岩层，节理发育硬岩层，富水 */;4 302*/;4 302 */;4 320*/;4 320 */;4 323#富水硬岩层，节理发育硬岩层，富水，有破碎带 */;4 302*/;4 302 */;4 320*/;4 320 */;4 323#软弱岩层，*/;4 3;2软弱岩层

16、，*/;4 323软弱岩层，*/;4 323岩体破碎 */; ABB#节理发育 */;4 3/.节理发育 */;4 3/.硬岩层软弱岩层软弱岩层，富水硬岩层，*/;4 3/. */;4 3.3*/;4 3.3 */;4 330*/;4 330 */; ABB*/; ABB硬岩层软弱岩层软弱岩层，富水硬岩层，*/;4 3/. */;4 3.3*/;4 3.3 */;4 330*/;4 330 */; ABB*/; ABB节理发育硬岩层， */; A4B*/; A4B节理发育硬岩层， */; A4B*/; A4B硬岩层，岩体完整*/; ABB */; A20!富水硬岩层，节理发育 */; A43*

17、/; A43 */; A0;#C富水硬岩层，节理发育 */; A43*/; A43 */; A0;#硬岩层，*/; A0;硬岩层，*/; A0;富水 */; A20富水 */; A20#可以看到，实际开挖结果与 89: 预报结果比较一致，而与原勘测设计的结果有一定出入。（下转第 .4 页） ：!& !$ ：0 -! ： !& ： -% -1 !$ %* /. ： /! $- ,-/ -/ ：!01! 0 1- !1地下空间第 -/ 卷参考文献：! 顾金才，明治清，沈俊，等 锚固洞室洞周应变分布特征模型试验研究#岩土力学，!$%，（()）!* + !, - 张向阳，姚正伦，顾金才，等 软岩洞室中

18、支护方法研究#地下空间，!$，（.）/,. + /.* / 李德芳，张友良，陈从新 边坡加固中预应力锚索地梁内力计算# 岩土力学，-*，（-）!%* + !%- , 李斯海 深基坑开挖与支护过程的平面有限元模拟#岩石力学与工程学报，!$，（,）/,- + /,. . 张晗旭 应用有限单元法探讨预应力岩锚的作用#河海大学学报，!$，（/）： + -$ 1 朱维申，张玉军，邱祥波 小湾水电站坝前堆积体三维有限元加固分析 # 岩石力学与工程学报，-*，!$（,）：,.$ +,1/ % 张玉军，朱维申 三峡工程船闸高边坡锚固方案的平面有限元计算#岩土工程学报，!$%，（!）： + %, & 赵海燕，黄

19、金枝 深基坑支护结构变形的三维有限元分析与模拟#上海交通大学学报，-*!，（,）1!* + 1!/ $ 杜成斌，任青文 用于接触面模拟的三维非线性接触单元#东南大学学报，-*!，（,）： + $1 !* 高俊合，于海学，赵维炳 土与混凝土接触面特性的大型单剪试验研究及数值模拟 # 土木工程学报，-*，（,）：+ ,1 ! 胡黎明，濮家骝 土与结构物接触面物理力学特性试验研究#土木工程学报，-*!，（,）,/! + ,/. !- 孙钧，汪炳槛 地下结构有限元法解析2上海：同济大学出版社，!$& !（上接第 & 页）结语隧道地质超前预报技术对于隧道施工安全、施工质量和进度极为重要。目前常见的地质超

20、前预报方法可归为破坏法和非破坏法两类。受各种条件的限制，不同的隧道施工地质超前预报方法各有优缺点。其中非破坏法中的 34 隧道地震波预报技术具有适应范围广、预报距离长、预报费用低、探测时间短和对隧道施工干扰小等优越性，是目前世界上在该领域先进的科技成果。我国对这一技术目前正处于引进和消化阶段。本文对 34 技术的原理以及数据采集和处理系统作了介绍，列举、验证了 34 在国外隧道和我国某一公路隧道施工中的成功应用事例。参考文献：! 李晓红 0 隧道新奥法及其测量技术2 北京：科学出版社，-*-0! - 56789: 28;: 38?=A(8 BCD E)89;C=F 2;(;G !$ 2 #(8 -*! / 齐传生 0 34-*- 隧道地震波超前地质预报系统的应用# 世界隧道，!$ 年第 ! 期，4/1 + ,*0, H89D ;CC8G，8C ;G 498D=?C=: ;8;D FI C8 J;?8 # 3(8G8G=:，5)9=G !$1，4-, + /*0. 56789: 28;: 38?=A(8 BCD FICL;98 2;(;G !$ 2 #(8 -*!