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隧道超前地质灾害预报综述


第 18 卷 第 4 期 2007 年 12 月

中国地质灾害与防治学报 T he Chinese Journal of Geological Hazard and Control

Vol. 18 No. 4 Dec. 2007

隧道超前地质灾害预报综述
毛正君 , 倪万魁 , 付晓刚
1 1 2

( 1 长安大学 地测学院, 陕西 西安 710054; 2 长安大学 环工学院, 陕西 西安 710054) 摘要: 隧道 超前地质灾 害预报在 隧道施工中 是十分重 要的环节。文 章对隧道超 前地质灾 害预报内容、 原则、 形式、 方 法、 流程方面的研究现状进行了论述。着重对隧道超前地质灾 害预报的 各种方法进 行了分析对 比。隧道超 前地质灾 害预报的方法 各有优缺点和局限性, 应该取长补短, 综合分析, 根据实际 情况确定应 该采取的方 法及其组 合。在隧道 超前地质灾害预报工作中, 必须处理好与施工单 位的关系。 关键词: 隧道; 超前地质灾害预报; 预报方法; 综述 文章编号: 1003 8035( 2007) 04 079 03 - 中图分类号: P642 2 文献标识码: A

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引言
在国外隧道超前地质灾害预报工作是重要且不

报与短距离超前地质灾害预报相结合、 物探先行钻探 验证 的隧道超前地质灾害预报方法选择原则。 规范 是指在编制标书时就设计好了隧道施工 期间的超前地质灾害预报工作内容及方法, 在施工期 间有专门从事超前地质灾害预报工作的技术人员和 用于超前地质灾害预报的工作设备、 仪器及制定了完 善的管 理制度和应对 突发地质灾害的 措施 。 全 程 是指隧道超前地质灾害预报工作必须贯穿于隧道 施工的全过程。 适宜 是指在不同的围岩条件下采 用不同的隧道超前地质灾害预报方法。 及时 是指 隧道超前地质灾害预报工作必须体现出及时性, 以便 随时指导施工开挖。
[ 6]

可或缺的施工工序。重视隧道超前地质灾害预报工 作已成为管理部门和广大工程技术人员的共识。我 国自 20 世纪 80 年代在南岭山脉大瑶山隧道、 北京军 都山隧道和其它一些隧道的施工中, 才开始其研究和 试验工作 。本文从隧道超前地质灾害预报内容、 原 则、 形式、 方法、 流程方面对其进行了论述。着重对隧 道超前地质灾害预报的各种方法进行了分析对比。
[ 1]

1

隧道超前地质灾害预报内容
超前地质灾害预报包括如下内容: 断层、 岩脉

及破碎带的预报。预报其位置、 规模、 富水性及充填 物的状态等; 对可能构 成不稳定块体的大 裂隙预 报。预报长、 大的夹泥或不夹泥、 延展长度达隧道跨 度 1 2 的大节理、 易开裂的层 面及其未查明的 含水 性 ;
[ 2]

3

隧道超前地质灾害预报形式
超前地质灾害预报形式有 :
[ 4]

长距离超前地质

灾害预报单。在分析已有设计资料的基础上, 对设计 资料进行补充地质调绘, 并汇同物探测试等工作, 预 报掌子面前方 80~ 200m 左右( 甚至更远处) 的地质灾 害情况并提出施工措施建议, 以书面形式提出长距离 超前地质灾害预报单。 短距离超前地质灾害预报 单。通过掌子面地质素描、 有害气体的量测及针对性 的地面调绘并辅以相应物探测试等工作, 再结合长距 离预报单, 预报掌子面前方 15~ 30m 的地质灾害情况 并提出施工措施建议, 以书面形式连续向施工单位提 交短距离超前地质灾害预报单( 一式两份) 。
收稿日期: 2006 11 16; 修回日期: 2006 11 27 - - 作者简介: 毛正 君 ( 1983 ) , 男, 宁 夏固 原 人, 在 读 硕 士研 究 生, 主要从事地质灾害方面的研究。

查明并预测隧道内有害气体含量、 成分及动
[ 3]

态变化 ; 水文地质预报。包括地下水类型、 补给 形式, 可能突水、 涌水的位置以及水量的大小; 围岩 类别预报。预报开挖面前方的围岩类别是否与设计 吻合, 并判断其稳定性 。 地应力及岩爆预报。预 报地应力的高低、 隧道轴线方向与地应力最大水平挤 压应力轴之间关系及岩爆的可能位置、 级别 。
[ 5] [ 4]

2

隧道超前地质灾害预报原则
在隧道超前地质灾害预报工作中, 坚持 规范、 全

口头

程、 适宜、 及时 的总原则, 以及 以地质方法为基础, 地质方法与物探方法相结合、 长距离超前地质灾害预

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中国地质灾害与防治学报 ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO

2007 年

通知。根据已经获得的超前地质灾害信息以口头形 式向施工单位主管技术领导做出说明, 以作为施工组 织安排的参考依据。

仪器探测法。短距离超前地质灾害预报又称为跟踪 预报, 是长距离超前地质灾害预报的深化和映证。其 主要的预 报方法有掌子面编录预测 法、 地质雷 达法 等。 按照探测原理可 分为直接法、 间接法及 其它方 法。直接法有地质法和钻孔探测法。间接法亦称物 探法, 主要有隧道地震超前预报系统( TSP) 、 水平声波 剖面( HSP) 法、 陆地声纳法、 地质雷达( GPR) 法和红外 探水法等。其它方法有超前导坑法、 断层参数预测技 术和掌子面地质编录预测法等。隧道超前地质灾害 预报方法的原理及优缺点见表 1。

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隧道超前地质灾害预报方法

隧道超前地质灾害预报方法可根据预报距离或 [7] 探测原理分类 。按照预报距离可分为长距离和短 距离超前地质灾害预报两类。是超前地质灾害预报 工作步骤中的先、 后两步。各有不同预报距离, 采用 不同的方法和技术手段, 承担不同的任务, 具有不同 [5] 的精度 。长距离超前地质灾害预报采用的预报方 法主要有工程地质调查法、 断层参数预测法和 TSP 等

表 1 隧道超前地质灾害预报 方法原理及优缺点 [1][ 2] [7][ 8] [9] Table 1 The theories and advantages disadvantages of tunnel advanced geological hazards prediction methods
方法 原理 通过调查与分析地表和隧道内的工程地质条件, 了解隧道 所处 地段的地质结构特征, 推断前方的地质情况 预报工作面前方隐伏断层的位置和破碎带厚度( 宽度) , 并 且通 过断层产状与隧道走向和 隧道断面 高度及宽 度资料 预测其 影 响隧道的长度 优缺点 不占用施工时间, 在隧道 埋深较浅、 造不太复 杂的 情况 构 下有很高的准确性, 但对 人员要求高, 在构造比 较复 杂地 区和隧道埋深较大的情况下, 工作难度较大, 准确性较差 预报距离长、 对隧道施工干扰小、 节约投资费用、 用范围 适 广, 但靠有限之 见 预报 范围有限, 特别是在 地层岩 性变 化极为复杂的隧道中预报的难度很大 可以随时掌握隧道掌子 面的地层 产状、 岩性、 造等 的变 构 化情 况, 但 在构造 比较复 杂地区 和隧道 埋深较 大的情 况 下, 该方法工作难度较大, 准确性较差 适用范围广、 预报距离长、 对隧道施工干扰小、 节约 投资费 用、 提交资料及时。但精度低, 且因探测对象复杂 多变, 各 种杂波干扰严重, 有效波的识别与分离困难 不占用开挖工作面的工 作时间, 对施 工干扰小, 减少 了高 频衰减, 提高了对前方反射面的空间定位精度, 分 辨率高, 但探测精度低, 且因探测 对象复杂多 变, 各种杂 波干 扰严 重, 有效波的识别与分离 十分困难, 因 而有时难 以获 得好 的结果

地质调查法

断层参数 预测法

参考勘察设计资料, 通过掌子面已揭露地质体( 岩层、 不良 地质 掌子面编录推测法 体等) 进行地质观测与编录。对掌子面前方一定范围内可 能出 现的不良地质体及位置进行有依据的推断

TSP 探测法

是一种用于超前预报隧道 开挖面前 方地质情 况变化 的地下 反 射地震波技术。它利用地震波的反射原理进行不良地质探测 是弹性波反射法的一 种。探测时不 占用掌 子面。将 发射源 和 接收换能器布设在隧道 两侧的浅 孔中, 发、 位置均 在平行 于 收 隧道地面的同一水平面上, 从而构成一 水平声波剖面 。 在该 剖面内向空间激发并接 收振动( 声波) 信号, 采用时 域、 频域 中 的 时差、 差与地 质相结 合的 方法确 定反射 面的空 间方位 并 频 投影 到该剖面上。即可确定反射面的出露里程及性质 利用无线电波检测地下不 良地质介 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。主 要用于探测地下水、 断层及其影响带等

水平声 波剖面法

地质雷达法

操作简便, 准确性较高, 但探测距离短, 有效波识别 及其成 果解译较困难 仪器为国产设 备, 价格 便宜, 工作 费用 较低; 仪器 设备 轻 便, 操作简单; 工作时间 短, 预报距 离长。但信 噪比 较低; 缺乏速度参数, 对夹层确 定厚度的人 为因素大, 多层 情况 下探 测效果 更差; 实际工 作中并 不能做 到真正 的垂直 反 射。沿岩面传播的表面波和 前方地质 界面反射 回的 各种 转换波实际上还是会被接收器所接收, 因而波现象 往往很 复杂 仪器小巧轻便, 操作简 单, 不 占用 施工 时间, 资料 分析 简 洁、 快速、 直观。但探测距离短, 可知前方 30m 范围内有没 有地下水。至于水量大小、 水体宽度及具体位置无法确定

陆地 声纳法

在隧道掌子面上用锤击方式产生弹性波, 并在激震点旁用 检波 器接收。弹性波向掌子面前方深处传播, 遇到断层、 大节 理、 岩 脉、 溶洞及其它不良地质界面会产生反射。由检波器接收 到这 些反射波, 就能反映前方的不连续面

红外探水法

通过接收岩体红外辐射场强, 根据围岩红外辐射场强的变 化值 来确定掌子面前方或洞 壁四周是 否有隐伏 的含 水体。能预 测 隧道外围空间及掘进面 前方 30m 范围内是 否存在隐 伏地下 水 体或含水构造

第4期
续表 方法 钻孔探测法 原理

毛正君, 等: 隧道超前地质灾害预报综述

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优缺点 预报距离长, 在允许占用 施工时间条 件下工作 条件 好、 工 作量较少但占用施工时间, 施工费用高 比较直观, 精度高, 预报距离长。但成本高, 构造条 件复杂 地区准确度不高

钻孔探测又可分 为利用 TB 上配 备的 超前钻 机、 M 超前 水平 钻 及超深风钻孔等 分为超前平行导坑及超 前正洞导 坑。前者是 利用与 隧道平 行 的导坑进行资料收集。后者布置在正洞中。导坑先行施 工, 对 导坑揭露出的地质情况 进行收集 整理。并据 此对主 体工程 的 施工地质条件进行预报 分为钻速测试、 压水试验、 地应力现场测量( 试) 3 种。钻速测试 是让钻机在钻进过程中保持压力不变, 测试钻进速度。根 据钻 进速度的不同来确定软 弱层的位 置。压水试 验是通 过现场 压 水试验来测定岩体的单位吸水量, 从而了解岩体的破碎情 况和 裂隙的充填情况。 分为地应力场的数值模拟预测法、 三维网络模拟法 2 种。 前者 是为了对隧道整体原始地 应力状态 以及二次 应力场 的发育 分 布规律进行宏观预测而 进行反演 分析和研 究。后者 是对块 体 危岩的预报

超前导坑法

现场测试法

钻速测试设备简单, 操作 简单, 不占 开挖时 间。但钻 速测 试在硬岩破碎带中钻速变化不大, 预测效果不佳。 压水试 验所需设备简单、 操作方便, 但测试时间较长 三维网络模拟法可较为准确的定位块体危岩的空 间位置, 为锚固支护提供很好的参考, 避免了支护的盲目 性。但在 预报模型的选择及叠加断层的确定上, 需要与其它 一些方 法配合

数值模拟法

5

隧道超前地质灾害预报流程

5 1 研究直接资料。直接资料包括基础地质资料、 地表地质调查资料、 掌子面地质素描。基础地质资料 主要有区域性地质资料、 隧道勘测资料、 隧道设计资 料。根据基础地质资料可以宏观了解隧道所在地的 工程地质和水文地质情况。根据地表地质调查获得 的地面水系分布、 露头岩石的岩性、 地层产状等, 推断 隧道处的地质状况, 作为施工时的参考。在隧道开挖 过程中, 不间断地进行掌子面地质素描是判断围岩类 别的最直接资料。 5 2 分析间接资料。间接资料指通过物探技术获取 的地质信息。对于采用物探技术必须长短结合, 使其 相互映证, 提高超前地质灾害预报的准确性。同时还 应该结合直接地质信息进行预报工作( 图 1) 。 5 3 根据前两步获取的直接及间接地质信息, 如果 可以确定掌子面前方无不良地 质及特殊地质 现象。 则不实施超前钻探。否则, 需要进行超前钻探。 5 4 对采用各种超前预报获得的资料进行归纳、 分 析、 对比, 提出最终预报结论和隧道施工建议。 配合程度影响较大。必须处理好与施工单位的关系, 使隧道超前地质灾害预报工作达到事半功倍的效果。
参考文献: [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] 张志龙, 等. 公路隧道施工超 前地质预报技术方 法研究 现状综述[ J] . 公路交通科技, 2005, ( 9) : 126- 128. 孙广 忠, 等. 军都 山隧 道快 速 施工 超前 地 质预 报 指南 [ M] . 北京: 中国铁道出版社, 1990. 26- 46. 任光明, 等. 深埋长隧道 有害气体 的预测与防 治[ J] . 中 国地质灾害与防治 学报, 2001. ( 4) : 64- 67. 李勇, 等. 隧道 施工 地 质超 前预 报 方法 [ J] . 地 质 与资 源, 2004, ( 2) : 119- 122. 徐则民, 等. 长大隧道岩爆 灾害研究进展[ J] . 自然灾害 学报, 2004, ( 2) : 16- 24. 刘录刚. 超前地质 预报在 雁门关 隧道 施工中 的综 合应 用[ J] . 西部探矿工程, 2004, ( 4) : 111- 113. 图1 隧道超前地质灾害预报流程图 [9, 10] prediction procedure

Fig. 1 Tunnel advanced geological hazards

6

结语
隧道超前地质灾害预报是隧道施工中十分重要

的一个环节。有效的隧道超前地质灾害预报将保证 施工安全。在隧道超前地质灾害预报工作中必须注 意两点: 首先, 超前地质灾害预报的方法各有优缺点 和局限性, 应该取长补短, 综合分析, 根据实际情况确 定应该采取的方法及其组合, 从而提高预报 的准确 度。其次, 隧道超前地质灾害预报准确度受施工单位

( 下转第 87 页)

第4期



洪, 等: 江苏省矿山地质环境质量的模糊评价

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Fuzzy evaluation for quality of mining geological environment in Jiangsu Province
LIU Hong , ZHANG Hong bin ( 1 Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 2 Transportation College, Southeast University , Nanjing
1 2

210018, China; 210018, China)

Abstract: Mine geological environment evaluat ion is a complex systemic work, because there are lots of influence factors, it is difficult to confirm the factor s value by uniform standard, there is not yet a standard evaluat ion method by now. This paper taking the topography and terrain features, rock and soil body engineering geological propert ies, exploitation mineral resources kind, exploitation method, the destroy of natural landscape, history landscape, geological remains, the destroy of water resource, the destroy and occupy of land resource, the vulnerability of geological hazard, the harm degree of geological hazard, exploitation, management plan of mine resource, the difficult degree of the mine ecology environment resume and renovate et ac, 11 influence indexes of mine geological environment as evaluation factors, by using fuzzy evaluation method, construct math model and subordinate matrix, divide the mine geological environment of Jiangsu Province into 4 grades: good, rather good, rather poor and poor, the result provides the foundation for the protection and renovate of the mine geological environment in Jiangsu Province. Key words: Fuzzy evaluation; mining geological environmental quality; evaluation factors; Jiangsu Province ( 上接第 81 页)
[ 7] [ 8] 何小新, 等. 隧道掘进超前地质预报技术的比 较与选择 [ J] . 矿山机械, 2005, ( 8) : 6- 8. 陈建峰. 隧道 施工 地质超 前预 报技术 比较 [ J] . 地下空 间, 2003, ( 1) : 5- 8. [ 10] [ 9] 齐传生, 等. 圆梁山隧道 综合超前 地质预报技 术[ J] . 铁 道勘察, 2004, ( 5) : 52- 56. 李国锋, 等. 特殊地质公路 隧道动态设计施工技术[ M] . 北京: 人民交通出版社, 2005. 19- 105.

Review on advanced geological hazards prediction of tunnel
MAO Zheng jun , NI Wan -kui , FU Xiao gang 1 1 2

( 1 College of Geology Engineering and Geomatics, Chang an University, Shaanx i Xi an 710054, China; 2 College of Environment Science and Engineering, Chang an University, Shaanxi Xi an 710054, China)

Abstract: The tunnel advanced geological hazards prediction is an extremely important procedure in tunnel construction. In this paper, it has made profound elaboration on the content , the principle, the form, the method and the procedures of the tunnel advanced geological hazards prediction. Specially, it makes the analysis and comparison of the tunnel advanced geological hazards prediction methods. Each of the tunnel advanced geological hazards predict ion method has both the strong and the weak points and limitation. According to the actual situation, in choosing methods, it should apply the strong points and avoid the weak points, then take the comprehensive analysis. In the work of the tunnel advanced geological hazards predict ion, it should deal well with the relation of the construct ion departments. Key words: tunnel; advanced geological hazards prediction; prediction method; review


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