隧道超前地质预报

隧道超前地质预报
1隧道超前地质预报及其目的与意义
隧道超前地质预报，就是利用一定的技术和手段探测、收集隧道所在地区岩体的有关资料，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。

在隧道建设中，一个突出的问题就是“如何爱护围岩，如何保护围岩”。

要达到这个目的，在隧道施工之前，必须充分认识和了解围岩，进行超前地质预报。

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。

超前地质预报为隧道掘进施工中隧洞地质监测的重要组成部分，它包括隧洞围岩描述、水文地质监测、施工地质测绘、围岩变形监测、围岩类别判别、仪器现场量测、不良地质体预报及相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作，并及时提供超前地质预报成果资料。

如何在隧道掘进前应用不同的超前地质预报技术，对掌子面前方地质情况做进一步地探查，是当前隧道工程施工的迫切需求。

这不但可以弥补现有的地表勘察方法的不足，而且还可大大降低各种地质灾害发生的机率。

施工中通过超前预报，可及时发现异常情况，预报掌子面前方不良对象（断裂、溶洞、破碎带等）的性质、规模，不良地质体的位置、产状及围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为防止隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害与事故及时提供信息，使施工单位提前做好施工准备，保证施工安全同，同时还可节约大量资金。

所以隧洞超前预报对于安全、科学施工，提高施工效率，缩短施工周期，避免事故损失，节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。

隧道施工期地质超前预报由来很久，国外如英、法、日、德等国家均将此列为隧道工程建设的重要研究内容。

在勘察设计阶段，依靠区域地质资料、卫星遥感手段、大面积调绘、钻探以及物探方法等综合勘察手段，可查明重要的地质问题，确定影响较大的地质构造和主要不良地质体，对隧道设计施工起到宏观指导作用。

但是由于隧道围岩地质条件的复杂性、多变性，在勘察阶段要准确无误地确定工程岩体的状态、特征，并准确预测隧道施工中可能引发的地质灾害的位置、规模及性质是十分困难的。

在隧道施工阶段，重视和加强地质超前预报，最大限度地利用地质理论和先进的地质超前预报技术，预测施工掌子面前方的地质情况，对于安全施工、提高工效、缩短施工周期、避免事故损失具有重大意义。

施工地质超前预报是一项系统性工作，需纳入施工工序。

我国隧道施工期地质超前预报研究始于上世纪50年代末。

但真正应用于隧道工程建设（包括其他地下工程），是在上世纪70年代末以我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷施工进度和掌子面地质性状做出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用，现在已取的了很大的进步。

自上世纪八十年代以来，在大瑶山隧道、大秦线军都山隧道、朔黄线长梁山隧道、西康线秦岭隧道、渝怀线圆梁山隧道、新原高速公路雁门关隧道等施工中陆续开展了地质超前预报工作，并贯穿于隧道施工的全过程，取得了较好的效果。

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2页 2 隧道超前地质预报方法
超前地质预报方法有多种，归纳起来可分为两大类：直接方法、间接方法。

（1）所谓直接方法，就是通常所说的地质法和钻探法。

例如在隧道勘测设计阶段，对隧道沿线进行地质调查，观察地表岩层露头，钻孔勘探，从而获得地质信息，作为隧道预设计的依据。

在开挖过程中，实验地质跟踪调查推断法，通过观测已开挖的围岩状况，进行地质描述，做出施工记录，推断前方围岩状况，或进行超前钻探，即在掌子面进行钻孔取芯，直接获得前方短距离地质信息。

（2）所谓间接法，就是使用地球物理技术进行勘探，亦称为物探法。

目前，国内外采用的物探预报方法主要有地面电测深法、地面浅层地震法、地震反射波预报法（包括TSP 、TRT 等）、洞内地质雷达法、洞内瞬变电磁法等。

前面两种方法主要用于勘察设计阶段，所得到的资料相对较粗，后三种方法主要在施工阶段对掌子面前开展探测和预报，其精度比前者高。

物探方法具有操作方便，预测范围大，速度快、精度高、费用省，有利于提高隧道掘进的进度。

随着计算机技术和软件正、反演技术的发展，物探方法在隧道地质超前预报中的准确性和适用性愈来愈广范。

但由于物探方法是一种非直接采集地质信息方法，其多解性始终存在，所以，在用物探法进行地质预报时，应使用两种以上不同物性方法进行相互印证和判断，同时与地质调查和钻探资料或其他直接资料相结合进行综合分析研究，才能保证其准确性和可靠性。

从广义上讲，凡是通过各种手段，在隧道施工之前，预报出的地质信息，都应称为超前预报。

从狭义上讲，只是在施工过程中，对掌子面进深向的围岩，提前预报出的地质信息，使施工者及时调整开挖方法，和呈报上级更改设计，以做到安全施工，确保工程质量。

隧道施工超前地质预报的主要内容包括地层岩性、褶皱、断层、岩脉、破碎带、长大节理、地下水状况、地应力状况、岩性和围岩类别等。

预报的重点是断层、岩脉、破碎带、溶洞、暗河、煤系地层及其它不良地质体在掌子面前方的出露位置和对施工的影响。

地质超前预报包括隧道所在地区地质分析与宏观预报、隧道洞身及围岩不良地质体超前地质预报和重大施工地质灾害临近警报。

（1）隧道所在地区地质分析与宏观地质预报：预报开挖面前方的围岩级别、稳定性，随时提出修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。

（2）隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报：预报掌子面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施。

预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。

（3）重大施工地质灾害临警预报：针对掌子面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。

复杂隧道综合超前地质预报内容如图2.1所示。

图2.1 复杂隧道综合超前地质预报内容 既有资料收集 地质观察
岩组划分
地质素描 岩溶观察
断层描述 结构面调查
成灾先兆特征
结构面调查
隧道施工地质超前预报方法主要有以下几种：传统地质分析法、超前导坑预报法、超前水平钻孔法、物探法以及特殊灾害地质所采用的相关预测方法。

过去的超前地质预报主要有超前导坑、超前钻孔等方法，这些方法工期长、费用高，其应用渐渐受到较大限制。

物探（地球物理勘探）是间接、无损的勘探手段，可得到较大范围内地质体的物理性质资料。

近年来，随着技术的不断发展，仪器设备的改进，在一些长大深埋隧道的超前地质预报中，物探方法得以推广应用，并取得了较好效果。

目前利用物探进行超前地质预报的方法较多，有地质雷达法、瑞雷面波法、声波法、TSP法等。

2.1地质分析法
工程地质跟踪与推断法是隧道地质超前预报最基本的方法，通过对地表和隧道内的工程地质调查与分析，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。

工程地质调查与推断法可以随时进行，不干扰施工，其他预报方法的解释应用，都是在地质资料分析判断基础上进行的。

通过收集分析地质资料，地表详细调查，隧道内地质编录、素描、数码照相、超前风钻、涌水量预测等方法，了解隧道所处地段的地质条件，运用地质学理论，对比、论证、推断，预报特长隧道施工前方的工程地质、水文地质情况。

通过对洞内掌子面涌水量动态变化的长期观测记录，掌握地下水初期涌水量、衰减涌水量和稳定涌水量的变化规律，综合分析地层、断层等构造以及基岩裂隙水运动特点，查明地下水的补给、径流及排泄途径，预报未开挖段水文地质情况。

对隧道开挖前涌水量的定量预测，往往与隧道开挖实际涌水量有一定的差距，应进行对比分析，总结经验，提高预报水平。

如地质素描（数码成象）是一种常用地质超前预报方法，对洞顶及洞壁：采用数码相机或数码摄像机对洞壁、洞顶、洞底等按里程连续拍摄图像，采用计算机对图像进行拼接，并将地质成果（如产状、断层、褶皱、突水点、突泥点、塌方点、不良地质等）反映在图像成果上（包括正洞、超前平导和辅助导坑洞壁地质及掌子面地质素描）；对掌子面：对于地层变化点、构造点等进行数码成象，并将地质成果（如产状、断层、褶皱、突水点、突泥点、塌方点、不良地质等）反映在图像成果上。

在隧道埋深较浅、地质构造简单的条件下，这种预报方法有很高的准确性。

该方法与其他物探方法相结合，可以取得更好的效果。

但是在地质条件比较复杂地区和深埋隧道的情况下，该方法工作难度较大，预报只能做定性分析，准确性还有待于提高。

2.2超前水平钻孔法
用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示隧道掌子面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、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，适用于已经基本认定的主要不良地质区段。

常用有单孔水平钻探、多孔水平钻探、多孔CT、孔内数码成象等。

隧道超前水平钻探超前水平钻孔出水情况超前水平钻孔法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据隧道中线水平方向上的钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。

钻孔数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。

一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色与气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断。

超前水平钻孔法可以直观地反映岩体的大致情况，施工管理人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工。

该方法也存在着不足之处：一是对复杂地质条件的预报效果较差，很难预测到正洞掌子
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