隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势_李术才

STATE OF ART AND TRENDS OF ADVANCED GEOLOGICAL PREDICTION IN TUNNEL CONSTRUCTION
LI Shucai1，LIU Bin1，SUN Huaifeng1，NIE Lichao1，ZHONG Shihang1， SU Maoxin1，LI Xiu2，XU Zhenhao1
Abstract：Advanced geological prediction has been an essential part in tunnel construction and has played an important role in aspects of informative construction，disaster prevention and safety guarantee in tunneling engineering. The state of the art and the trends of advanced geological prediction in drilling and blasting tunneling and TBM tunneling are summarized according to the available data. Great progress has been made in the advanced geological prediction in drilling and blasting tunneling with the emergence of a set of special methods， technologies and equipments， such as the reflection seismic method， the electromagnetic method and the electrical
(1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China； 2. College of Geology Engineering and Geomatics，Changan University，Xian，Shaanxi 710054，China)
第 33 卷 第 6 期 2014 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.33 No.6 June，2014
隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势
李术才 1，刘 斌 1，孙怀凤 1，聂利超 1，钟世航 1，苏茂鑫 1，李 貅 2，许振浩 1
[1-8]
：(1)
隧道建设重点向地形地质条件复杂的西部山区和岩 溶地区转移，深长隧道工程大量涌现，如已经开工 的成兰铁路，隧线比近 50%，单洞超过 10 km 隧道 13 座，最长隧道 28.4 km，最大埋深 1 900 m；(2) 由 于跨区域交通的需求，东部地区正在建设或者规划 一批跨海隧道或越江隧道工程，如已经建成的厦门 翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道，正在规划的 烟台——大连跨海隧道等；(3) 相对于钻爆法施工， 国际上公认隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM) 施工方法具有“掘进速度快、施工扰动小、成洞质 量高、综合经济社会效益高”等显著优势，随着钻 爆法人力成本的快速增加，未来我国将越来越多地 采用掘进机施工方法。据不完全统计，未来我国可 用掘进机开挖的隧道超过 6 000 km，掘进机的需求 量超过 200 台。
第 33 卷
第6期
李术才等：隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势
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resistivity method，which gradually led to achieve quantitative detection and form a method of comprehensive advanced geological prediction. The comprehensive advanced geological prediction based on the fusion of multiple geophysical information and the method of combined inversion was considered an appropriate way for suppressing the multiple solutions and enhancing the reliability of advanced prediction. The methods of induced polarization and nuclear magnetic resonance have shown great prospects in the quantitative detection of water because of the sensitivity response of its parameters. Due to the particularity and complexity in the environment of TBM tunnel construction，some special detecting technologies did not meet the requirements of engineering practice which are at the preliminary stage of study and there have been no reliable and effective technologies for advanced prediction available generally. The latest developments in our group regarding three kinds of advanced prediction technology in drilling and blasting tunneling and its applicability to TBM tunnelling were described here. A system of comprehensive advanced geological prediction with four stages was proposed based on the theory of constrained joint inversion. The future studies are considered to be in the following four directions：(1) the further development of comprehensive quantitative detection during tunnel construction；(2) the technologies and equipments of advanced geological prediction in TBM tunnelling；(3) the theory and technology of precision probing at drilling；(4) the real time advanced prediction and construction disaster monitoring. Key words：tunnelling engineering；advanced geological prediction during tunnel construction；state of the art； development trends；quantitative detection technology；advanced geological prediction in TBM tunnel 随着深长山岭隧道
言
程的建设，对工程地质勘察提出了更高的要求。然 而由于山高洞长、地形地质条件复杂以及地表勘察 技术手段有限，在施工前期难以对工程区域的工程 地质情况有全面准确的掌握，加之断层、溶洞、破 碎岩体等不良地质体具有较强的隐蔽性，很难做到 对隧道沿线不良地质情况的准确揭示。 通常， 断层、 破碎带、岩溶含水体等不良地质体是主要的灾害赋 存源，在隧道施工扰动下有可能诱发突水突泥、塌 方等严重的地质灾害，给隧道施工带来严重的生命 财产损失。 为了更加有效地掌握隧道施工期间掌子面前方 的地质情况，实现减少或杜绝施工期地质灾害、保 障生产安全的目的，从 20 世纪 70 年代开始人们注 重隧道施工过程中超前地质探测理论、技术研究及 工程实践工作。超前导洞、超前钻探方法最先被用 来勘探掌子面前方的地质情况，由于其经济和时间 成本都很高，人们逐步研发了无损地球物理超前探 测技术，包括地震发射类、电磁类、直流电法类等， 并大量应用于工程实践。隧道施工期间地球物理超 前地质探测技术并非地表地球物理勘探技术的简单 移植或改造，严格来讲，隧道探测环境是三维全空 间，地震波场、电磁场、电场等地球物理场的时空 分布与地表半空间探测环境大不相同，隧道掌子面 前方异常体的地球物理响应规律需开展针对性研
收稿日期：2013–10–21；修回日期：2013–12–27 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036002，2014CB046901)；国家重大科研仪器设备研制专项(51327802) 作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987 年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事地下工程灾害防治 及应用地球物理方面的教学与研究工作。E-mail：lishucai@
我国将于几十年内在铁路公路交通、 水利水电、 能源矿山、市政工程以及其他领域修建大量的隧道 (洞)工程。据预测，2008～2020 年，仅铁路领域新 建隧道将达到 10 000 km，我国已成为世界上隧道 修建规模和难度最大的国家。随着隧道建设科技的 进步和规划建设重点的转移，今后我国隧道工程建 设的主要技术挑战和趋势体现在 3 个方面
(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 长安大学 地质工程与测绘工程学院，陕西 西安 710054)
摘要：超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节，对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。在 收集整理国内外研究资料的基础上，总结钻爆法和 TBM 施工隧道的超前地质预报技术的研究现状。钻爆法施工 隧道超前预报技术取得较大进展，涌现出一批专用的反射地震类、电磁类和电法类超前探测地球物理方法、技术 与设备，逐步形成定量化探测思想和综合超前预报技术。认为基于多元地球物理信息融合与联合反演理论的综合 超前地质预报技术是压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径；激发极化技术和核磁共振技术则由于其 参数对水量的响应敏感性在定量探测水量方面显示出较好的应用前景。 同时， TBM 施工环境具有其特殊性和复杂 性，少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要，总体上处于初步研究阶段，尚没有可用、可靠、有效 的超前预报技术。结合课题组的研究特色，介绍 3 种自主研发的钻爆法隧道超前预报技术的最新进展及其用于 TBM 环境的可行性， 提出了四阶段全过程的隧道综合超前地质预报体系， 初步形成基于约束联合反演理论的综合 预报方法，在钻爆法施工隧道定量化超前预报方面进行有益探索。最后，对隧道施工超前地质预报的发展趋势及 其中的关键问题进行预测，认为以下 4 个方向是今后研究的重点和趋势：(1) 隧道施工定量化超前预报理论与技 术的发展深化；(2) TBM 施工隧道超前地质预报技术与装备；(3) 钻孔精细超前探测理论与技术；(4) 实时超前地 质预报与施工灾害监测技术。 关键词：隧道工程；隧道施工超前地质预报；研究现状；发展趋势；定量化探测技术；TBM 施工环境超前地质预报 中图分类号：U 45 文献标识码：A DOI:10.13722/ki.jrme.2014.06.003 文章编号：1000–6915(2014)06–1090–24