隧隧道施工地质灾害隐患的探查、预报新技术及集成系统(课件)
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将隐患变成明示 将危险消灭在出现之前 ——隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患的
探查、预报新技术及集成系统
不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者
近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达1000km以上 ，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量 的煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复 杂的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出 越来越高的要求。
2007年8月，国家自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器 和设备研究”通过立项评审。
以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。
对物探预报手段的要求
（1）综合物探要达到的目标：
➢ 应当基本不遗漏掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的重大隐患，包 括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等；
历史：
上世纪70年代起，陆续有零星的试验工作
上世纪80年代初，我国铁道科学研究院围绕大瑶山隧道提出科研课 题未受重视，科研项目流产，大瑶山隧道突水淹没隧道和竖井，
80年代中期，大秦铁路隧道“处处冒烟”告急，铁道科学研究院于 1986年在南岭隧道开始试验，1987年再次提出系统研究用物探技术作隧 道施工时掌子面前方不良地质预报的可行性研究报告，1988年第1次讨 论性评审，1989年作为部列可行性研究项目，1990年可行性研究通过部 组织的评审，“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列为不重点科研 项目。
一处坍方，坍深约3.5m
图中G为钢质拱架 W为地下水 K为坍体中未填实的空洞
隧道坍方至地面产生的塌陷洞
锦屏二级电站辅助洞涌水
园梁山隧道突泥
被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车
被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿
2#溶洞充填物
电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水
1991年-1995年铁道部组织了11个单位、设了6个子课题，经过5年的 攻关，采取了近乎苛刻的管理方法——设定了两个阶段，每阶段定了 “评考”的工程.经过3个阶段，3次每次3天的专家评审，最终选定地震 反射负视速度法（后又称隧道VSP）和陆地声纳作为主要方法，探地雷 达等作为辅助方法。第2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分 成两组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断 层和溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻 关成果1995年通过铁道部鉴定。
➢ 预报的地质体空间定位要有足够的精度，误差应 ＜ 5%； ➢ 要能对涌水量作出定量或半定量的估算。因为施工需对于小、中、大涌水分 别制定引排或超前注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措施; ➢ 要能预报岩体的破碎或完好情况。若围岩情况将有突变，施工方要作好施工 措施变更预案，设计方也要作设计的变更，地质预报应从资料方面给于必要的 支援；
90年代中，水利水电部门用探地雷达进行了掌子面前方地质预报。
90年代中，瑞士Amberg公司推出TSP，其原理与负视速度法相同，但 采用一点接收，多点放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一点 或几个炮点激震多点接收的方式，强调物探概念和地质。
当时由于技术能力、经费、工程问题和试验工程选择困难的原因，未 将水的探查预报作为主要研究内容。
2005年12月国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙水与 不良地质情况超前预报和治理”课题开题。超前预报部分物探技术以重 点研究开发陆地声纳法、瞬变电磁法和探地雷达为主；
2007年6月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础 设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备” 完成招标审查，课题物探部分为陆地声纳法、瞬变电磁法和复合激发极 化法；
物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要 做安全的“守护神”。
隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质 体，主要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些强风 化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，还有岩爆等， 作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。 岩爆等或许明年会议涉及。
位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+249前后发生坍方，坍方 落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。
2000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地 质复杂，岩溶、突水突泥问题严重。“隧道施工时掌子面前方不良地质预 报”问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，在浓厚的盲 目宠洋的气氛中，以真正解决工程问题为目标在经费困难的情况下再次投 入研究。钟世航开始研究推广用探地雷达在应急的探水手段，并将陆地声 纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；2003年，李貅和钟世航开始研 究用瞬变电磁法作为主要的探水手段；2005年赵永贵引进和试验美国 TRT法……
➢ 要适应TBM（全断面掘进机）和钻爆法的施工，TBM长达几十米，机械占 据了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。
➢ 要少占用开挖时间，少干扰施工。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路 隧道月开挖可达200~250m，双车道公路隧道月开挖可达100~150m，过多地占 用开挖时间，过多地干扰施工，将会影响施工方与预报方的配合。
对每一种物探方法的要求
➢ 要有特长，在综合物探系统中要能独挡一面，例如弹性波类方法 主要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和 完整程度给于一定判定；电磁类方法主要探查含水层；激发极化类方 法要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。
➢ 要探查一定远的距离，与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法 应能探查200m左右,预报100m以上;预报特定目标的方法，也应当探 查50m以远。
➢ 要能较准确地作被探查地质体的空间定位。 ➢ 现场采集时间短，停止掌子面施工工作不超过1小时，对边墙施工
干扰不超过2小时。
目前，弹性波反射系列的方法，已投入应 用的如地震反射负视速度法（隧道VSP）、 陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反 射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、日 本HSP、美国提出的TRT等。它们都要在隧 道中钻孔设检波器和用炸药爆炸激振。探地 雷达也是目前使用较多的方法。
探查、预报新技术及集成系统
不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者
近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达1000km以上 ，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量 的煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复 杂的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出 越来越高的要求。
2007年8月，国家自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器 和设备研究”通过立项评审。
以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。
对物探预报手段的要求
（1）综合物探要达到的目标：
➢ 应当基本不遗漏掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的重大隐患，包 括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等；
历史：
上世纪70年代起，陆续有零星的试验工作
上世纪80年代初，我国铁道科学研究院围绕大瑶山隧道提出科研课 题未受重视，科研项目流产，大瑶山隧道突水淹没隧道和竖井，
80年代中期，大秦铁路隧道“处处冒烟”告急，铁道科学研究院于 1986年在南岭隧道开始试验，1987年再次提出系统研究用物探技术作隧 道施工时掌子面前方不良地质预报的可行性研究报告，1988年第1次讨 论性评审，1989年作为部列可行性研究项目，1990年可行性研究通过部 组织的评审，“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列为不重点科研 项目。
一处坍方，坍深约3.5m
图中G为钢质拱架 W为地下水 K为坍体中未填实的空洞
隧道坍方至地面产生的塌陷洞
锦屏二级电站辅助洞涌水
园梁山隧道突泥
被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车
被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿
2#溶洞充填物
电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水
1991年-1995年铁道部组织了11个单位、设了6个子课题，经过5年的 攻关，采取了近乎苛刻的管理方法——设定了两个阶段，每阶段定了 “评考”的工程.经过3个阶段，3次每次3天的专家评审，最终选定地震 反射负视速度法（后又称隧道VSP）和陆地声纳作为主要方法，探地雷 达等作为辅助方法。第2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分 成两组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断 层和溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻 关成果1995年通过铁道部鉴定。
➢ 预报的地质体空间定位要有足够的精度，误差应 ＜ 5%； ➢ 要能对涌水量作出定量或半定量的估算。因为施工需对于小、中、大涌水分 别制定引排或超前注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措施; ➢ 要能预报岩体的破碎或完好情况。若围岩情况将有突变，施工方要作好施工 措施变更预案，设计方也要作设计的变更，地质预报应从资料方面给于必要的 支援；
90年代中，水利水电部门用探地雷达进行了掌子面前方地质预报。
90年代中，瑞士Amberg公司推出TSP，其原理与负视速度法相同，但 采用一点接收，多点放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一点 或几个炮点激震多点接收的方式，强调物探概念和地质。
当时由于技术能力、经费、工程问题和试验工程选择困难的原因，未 将水的探查预报作为主要研究内容。
2005年12月国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙水与 不良地质情况超前预报和治理”课题开题。超前预报部分物探技术以重 点研究开发陆地声纳法、瞬变电磁法和探地雷达为主；
2007年6月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础 设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备” 完成招标审查，课题物探部分为陆地声纳法、瞬变电磁法和复合激发极 化法；
物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要 做安全的“守护神”。
隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质 体，主要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些强风 化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，还有岩爆等， 作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。 岩爆等或许明年会议涉及。
位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+249前后发生坍方，坍方 落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。
2000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地 质复杂，岩溶、突水突泥问题严重。“隧道施工时掌子面前方不良地质预 报”问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，在浓厚的盲 目宠洋的气氛中，以真正解决工程问题为目标在经费困难的情况下再次投 入研究。钟世航开始研究推广用探地雷达在应急的探水手段，并将陆地声 纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；2003年，李貅和钟世航开始研 究用瞬变电磁法作为主要的探水手段；2005年赵永贵引进和试验美国 TRT法……
➢ 要适应TBM（全断面掘进机）和钻爆法的施工，TBM长达几十米，机械占 据了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。
➢ 要少占用开挖时间，少干扰施工。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路 隧道月开挖可达200~250m，双车道公路隧道月开挖可达100~150m，过多地占 用开挖时间，过多地干扰施工，将会影响施工方与预报方的配合。
对每一种物探方法的要求
➢ 要有特长，在综合物探系统中要能独挡一面，例如弹性波类方法 主要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和 完整程度给于一定判定；电磁类方法主要探查含水层；激发极化类方 法要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。
➢ 要探查一定远的距离，与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法 应能探查200m左右,预报100m以上;预报特定目标的方法，也应当探 查50m以远。
➢ 要能较准确地作被探查地质体的空间定位。 ➢ 现场采集时间短，停止掌子面施工工作不超过1小时，对边墙施工
干扰不超过2小时。
目前，弹性波反射系列的方法，已投入应 用的如地震反射负视速度法（隧道VSP）、 陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反 射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、日 本HSP、美国提出的TRT等。它们都要在隧 道中钻孔设检波器和用炸药爆炸激振。探地 雷达也是目前使用较多的方法。