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1、隧道施工地质超前预报技术,目录,一、概述二、预报分类及工作方法简介三、隧道施工地质超前预报主要技术方法四、隧道地质灾害预报五、涌水预测预报六、若干问题讨论七、典型实例,一、概述,定义 严格意义而言，广义的隧道地质超前预报指采用隧道洞内外地质调查、掌子面素描，根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果，或采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学、概率学、计算机科学等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报，根据判断和预报结果提出应采取的地质灾害预防和处理
2、措施建议。因此，隧道地质超前预报包括隧道工程可行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的预报。隧道工程预可行性研究及可行性研究阶段的地质超前预报根据所收集资料对隧道施工可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的地质灾害的预判断。,隧道工程勘察设计阶段的的地质超前预报根据勘察资料及研究成果，对隧道施工可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的判断，并反映在隧道工程设计文件中。隧道工程施工阶段的地质超前预报根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果，结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道施工
3、掌子面前方可能遇到的不良地质体及因此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的预测。应该指出的是，涌水量及涌水水压预测预报是隧道地质超前预报的重要内容之一。狭义的隧道地质超前预报指隧道施工期地质超前预报。,2.目的和意义 隧道工程设计的基本依据是地质勘察资料，而隧道施工的依据主要是设计文件。大量的隧道工程建设实践表明，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，由此而来的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌沙、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，给隧道施工造成极大的危害。因此，在隧道施工期间，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件（情况）进行及时准确
4、的预测，是提前采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失、保证隧道施工的安全的需要，同时也是当今环境生态保护给隧道工程建设提出的重要研究课题1。一般而言，隧道在勘测设计各阶段，对隧道地质背景（条件）进行的地质调查、勘探，是对隧道地质条件的预估和预评价。对地质条件单一的短隧道而言，这一工作已足以提供设计与施工所需，无须在施工期实施超前预报工作，或只需在施工阶段采用地质法进行常规地质预报工作，完成施工地质资料的收集，建立隧道工程完整地质资料。,随着近年来我国国民经济的飞速发展和隧道工程技术的进步和铁路隧道工程建设在从前所谓的地质禁区的修建，隧道修建长度越来越长，在复杂地质条件下
5、修建的隧道越来越多，遇到的隧道工程地质问题越来越复杂。因此，对于：（1）深埋长大隧道；（2）地质复杂的隧道；（3）水下隧道；（4）可能存在大断层、岩溶、大量涌水涌泥、岩爆、废弃矿巷、瓦斯突出等严重工程地质灾害的隧道；（5）可能因开挖造成环境生态破坏的隧道；（6）覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道等等。则应进行地质超前预报特别是施工期地质超前预报。这主要是由于：(1)勘测设计阶段的地质工作量投入所限；(2)勘测设计阶段的地质预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握；(3)复杂长隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响；,(4)人为作用（施工开
6、挖）引起地质的变化只有在施工期才能显现出来；(5)施工期需要对地质的掌握不能只是停留在定性评价上，要有定量的评价；(6)作为地质工作的全过程的组成部分，是隧道施工根据实际地质、水文条件变化及时调整施工方法和采取相应技术措施的需要，是完善设计地质资料、优化施工方案、指导施工决策和保证施工人员和设备的安全的需要，也是隧道运营阶段地质灾害治理的依据。在我国，由于可行性研究阶段和勘察阶段投入的限制，依据既有地质资料和有限的钻孔地质资料、水文地质资料、物探资料及钻孔岩芯岩石物理力学试验资料所做出的施工设计与实际不符的情况不在少数，特别是在火成岩地区的隧道工程更是如此。即便在国外，尽管可行性研究和勘察工作
7、深度远较国内深，且勘察阶段进行了大量的地球物理勘探，但设计与实际不符的情况仍在所难免。,3.隧道施工地质超前预报技术的现状 隧道地质超前预报由来已久，国外如英、法、日、德等均将此列为隧道工程建设的重要研究内容，在隧道可行性研究和勘察设计阶段主要采用钻探和大量的地球物理勘探方法（主要是地震反射法）开展地质预报工作，在隧道施工期主要采用水平超前钻探、TSP（地震反射）地质超前预报仪、TRT（地震反射层析成像）地质超前预报仪、高精度地震折射法等来实施地质超前预报工作。对施工掌子面前方含水体位置预报方面，国外曾提出过岩体温度预测法，但未见有成功预报报道。目前中铁西南科学研究院有限公司和山东大学联合正利
8、用国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金资助项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”（50539080）开展岩体温度法隧道施工掌子面前方含水体位置预测。在我国，隧道施工期地质超前预报研究始于五十年代，时任铁二院川黔铁路凉风垭隧道施工设计配合组地质工程师的陈成宗先生根据隧道施工掌子面地质情况，开展了对掌子面前方地质情况的预测预报，预报,距离亦可达到近30m；70年代，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作出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，真正开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。目前我国隧道
9、施工期地质超前预报主要采用超前平行导坑法、地质法、地球物理探测方法（TSP、HSP、地震反射负视速度法、地质雷达、陆地声纳法等，有的还利用PIT桩完整无损检测仪等）和以地质法为基础结合物探的综合方法，在重点铁路隧道和大型水工隧洞采用超前水平钻探结合物探的方法。现代科学技术的发展，极大地推动了行业技术的进步。隧道地质超前预报的发展，一样离不开现代科学技术发展的支持，仪器设备的发展、计算机处理软件的成功开发，为隧道地质超前预报提供了强大的技术支撑。应该说，在地质法、导坑法和超前水平钻孔（导坑）法隧道施工期地质超前预报中，基本沿用了地质工作中地质素描（描述）、地面地质调查及相关分析方法，前二者仅仅采
10、用了地质工作中最简单的工具：罗盘、铁锤和放大镜等；后者则采用了地质勘察工作中最常用的工具：钻机和钻速测定仪等。当然在超前平行导坑（隧道）和超前导坑的施工中不可避免的使用了隧道施工机具。,在超前钻孔声波测井及跨孔声波透射法隧道施工期地质超前预报中，钻孔施工主要利用了钻孔凿岩台车，声测孔也可利用超前水平钻孔；预报实施采用了孔中发射和接收换能器、声波信号采集系统-声波探测仪及声波信号储存系统-便携式计算机。波反射法隧道施工期地质超前预报广泛应用了现代化测试仪器：信号采集系统-声波探测仪、地震仪、面波仪、地质雷达探测仪、TSP-202、TSP-203和高分辩地质探测仪（GDS）及信号储存系统-便携式计
11、算机。在超前钻孔声波测井及跨孔声波透射法和波反射法隧道施工期地质超前预报中，实现了信号采集系统的计算机控制和信号储存计算机化，改变了早期探测原始波形、波谱照相储存、数据现场判读、记录的状况。计算机成图软件的迅速发展，实现了隧道掌子面地质素描图、探测原始波形及波谱图、计算分析图件的计算机化。,计算机成图软件的迅速发展，实现了隧道掌子面地质素描图、探测原始波形及波谱图、计算分析图件的计算机化。专用软件的开发，更大大加快了探测数据分析处理的速度和精确度。国外进口的地震仪、面波仪、地质雷达探测仪、TSP-202、TSP-203均带有专用软件；铁道部第一勘测设计院也研制了高分辩地质探测仪专用软件；中铁西
12、南科学研究院有限公司（原铁道部科学研究院西南分院）结合智能工程声波仪研制成功开发了时域反射子波分析软件、频域反射谱分析软件和跨孔声波CT软件，极大的提高了系统的分辨率和数据分析处理的速度，使跨孔声波法隧道施工期地质预报实现了由探测结果的平面展示到立体展示的转变。波反射成像软件的成功开发，更使探测结果显示更加形象化。即便如此，目前所有隧道施工期地质超前预报的方法亦仅是对施工掌子面前方地质界面（不良地质体带）位置的预报，对不良地质体带成灾的预报仍然是预报人员根据对施工掌子面前方地质界面性质即不良地质体带的分析研究作出的判断；对隧道内涌水水压的预测几乎未予开展，涌水水量则开展了隧道总涌水量和分段隧道
13、涌水量的计算预测预报。,4.预报的主要内容(1)断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；(2)软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质；(3)岩溶发育位置、规模及其性质；(4)不同岩类间接触界面位置；(5)在采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；(6)工程地质灾害可能发生的位置和规模；(7)隧道围岩级别变化及其分界位置；(8)不同风化程度的分界位置；(9)不良地质体（带）的成灾可能性；(10)隧道涌水位置、水压及水量；(11)隧道围岩级别变化及其分布。,二、预报分类及工作方法简介,1.分类简述 严格地说，隧道施工期超前地质预报可分为不良地质体（带）的位置、规模及其性质及其成灾可能性预报和隧道
14、洞内总涌水量、分段涌水量及涌水水压预报。对不良地质体（带）的位置、规模及其性质及其成灾可能性的预报，分类方法多种多样，归纳起来主要有以下几种：（1）作用分类：根据预报工作的作用或预报所要开展的工作来进行划分。（2）距离分类：根据隧道施工地质预报的距离来进行划分。（3）精度分类：根据对预报工作结果的精度要求来进行划分。（4）手段分类：根据预报工作所采用的手段来进行划分。（5）方法分类：主要根据预报采用的方法进行划分。（6）内容分类：主要根据预报工作内容来进行划分。（7）学科分类：按预报采用的学科来进行划分，主要用于隧道洞内总涌水量、分段涌水量及涌水水压预报。,2.工作方法 需要引起重视的是，尽管
15、在各级领导的重视和众多专家的呼吁下，隧道地质超前预报工作已经得到了广泛的重视并作为施工工序的一个重要组成部分在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施，但片面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质超前预报、忽视隧道施工期地质工作的现象仍普遍存在，由于缺乏地质工程师仅仅靠几个毫无地质基础知识的经过仪器操作和分析软件使用培训人员便开展隧道施工地质预报的情况亦不罕见。长此下去，要提高隧道施工地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能。因此有必要就隧道地质超前预报工作方法作一阐述。开展隧道地质预报，应包括预可研和可行性研究阶段的资料收集，设计阶段整理分析和研究勘察阶段钻探、物探及试验等成果，施
16、工阶段熟悉设计文件、资料和图纸；地表补充地质调查；洞内地质调查和掌子面地质素描，选择合理的地球物理探测方法开展施工掌子面超前探测；探测成果分析。,施工地质超前预报工作方法(1)资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸(2)补充地质调查(3)洞内地质调查和掌子面地质素描(4)物探方法的选择和现场实施掌子面探测(5)探测成果分析(6)隧道工程岩体分级(7)预报报告的内容及报告的提交 通过资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸和补充地质调查，确定隧道施工地质超前预报重点段，减少预报的盲目性和预报经费使用的有效性。洞内地质调查和掌子面地质素描是隧道施工过程中的地质工作，是隧道
17、工程全过程地质工作的重要一环，其不仅是开展隧道施工地质超前预报的需要，也是对隧道设计地质资料的补充和完善，更为隧道运营阶段隧道病害整治提供完整的隧道地质资料。,物探方法的选择：各种地球物理探测方法均有成熟的理论基础，针对不同的地质体，有其各自的优势和劣势，界面预报采用波反射法，地质体预报采用波成像法，只有选择合理适用的物探方法，才能有效地完成探测工作。隧道工程岩体分级：施工地质超前预报阶段，根据隧道掌子面围岩岩体体积节理数、岩石体声波测试结果，可确定围岩岩体完整性系数；根据隧道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；但要确定岩石单轴饱和抗压强度，必须取样进行岩石单轴抗压强度试验，且岩体
18、的初始地应力状态无法确定。因此，目前的施工地质超前预报不可能提出提出预报掌子面到掌子面前方第一界面间围岩段隧道工程岩体的分级，只能给出建议级别；对第一界面与第二界面间及其后界面间工程岩体的分级更无从谈起。要准确提出预报掌子面带掌子面前方第一界面间围岩段的围岩级别，应在施工地质预报合同中明确规定并开展相应的岩石单轴抗压强度试验和岩体初始地应力测试工作。,预报报告的内容及报告的提交 报告包括预报简报和预报总报告。隧道地质超前预报具有很强的时效特性，预报简报应在实施洞内施工掌子面探测后次日提交给施工、设计等有关各方，以便于针对预报提出的问题制定相应的对策和措施，确保施工的安全和顺利；总报告应在隧道贯
19、通后、合同约定时间内提交。预报简报应包括以下内容：（1）工程概况；（2）地质预报采用的方法原理；（3）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图；（4）探测区、点布置图；（5）结合隧道勘察设计资料、补充地质调查结果、洞内地质调查结果进行的探测分析结果（包括文字、探测典型波形图、波谱图和成果图等）；,（6）预报结论及下步施工措施建议（围岩加固、初期支护、超前支护、永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议）。预报总报告应包括以下内容：（1）工程概况；（2）地质预报采用的方法原理；（3）隧道地质展示图（包括掌子面素描图）；（4）隧道地质纵剖面图；（5）典型预报（包括预报掌子面地质描述，探测区、
20、点布置图，探测典型波形图，波谱图和成果图，预报结论及下步施工措施建议，验证结果）；（6）预报与施工验证对比表；（7）结论（包括预报准确率统计结果）。,三、隧道施工地质超前预报主要技术方法,1.地质法 地质法是隧道地质超前预报采用的一种基本方法。在隧道的预可研和可行性研究阶段、勘察设计阶段均采用地质法进行。在隧道施工阶段主要根据隧道施工期掌子面地质条件，如岩体结构面产状及其发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等的变化趋势，结合地表地质调查结果，采用相关分析（包括结构面统计分析、构造相关分析等）进行超前预报，主要预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间的接触界面特别是火成岩与沉积岩间的接触界面、
21、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。地质法隧道施工期地质超前预报是最早开展的，也是任何其它隧道施工期地质超前预报方法的基础。,地质法隧道施工地质超前预报程序框图,2.超前水平钻孔法 采用超前水平钻孔进行隧道施工期掌子面前方地质超前预报是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石（体）的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料。目前国内采用这种方法进行隧道施工期地质超前预报主要在水工隧道（洞）工程中，国外已较为普遍。采用此方法不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况，而且可以起到
22、探水的作用。3.超前导坑法 利用已有隧道地质资料进行与已有隧道平行的施工隧道的地质预报是隧道施工期地质预报的一种常用方法，根据超前施工的平行隧道或导坑所遇地质情况推测隧道将遇到怎样的地质情况则是隧道施工期地质预报的一种重要方法，特别是当两平行隧道间距较小时预报效果更佳。超前导坑法是我国隧道施工早期采用的隧道施工期地质超前预报方法。,超前水平钻孔法(左)、超前导坑法（右）隧道施工地质超前预报程序框图,4.波反射法 这种方法主要利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面（断层、软弱夹层等）距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预
23、报。近十多年来，声波反射法（HSP）、地震波反射法（包括负视速度法和TSP）、电磁波反射法（雷达）已广泛应用于隧道施工期地质超前预报之中。5.成像法 声波CT层析成像法：近年来，随着计算机技术的广泛应用和声波CT专用软件的成功开发，在原有跨孔声波测试基础上开发的岩土声波CT层析成像法已开始应用于隧道施工期地质超前预报，尽管受探测钻孔施作的限制，但在一定范围内的岩溶洞穴、管道的探测中已发挥了重要的作用。,波反射法隧道施工地质超前预报程序框图（左）及原理（右）,主要几种波反射法隧道施工地质超前预报原理,反射图谱,波反射层析成像法：波反射层析成像法是近年来发展起来的一种隧道施工期地质预报方法，采用反
24、射地震层析成像（TRT，美国NSA工程公司）已成功地进行隧道掌子面前方岩脉、岩溶洞穴、废弃矿巷、富水破碎带和断层的预报，应用反射电磁波成像等波反射层析成像法进行隧道施工掌子面前方地质预报亦有所报道。6.红外探水法 此法对施工掌子面前方岩体含水有反映，但对水量大小无反映。中铁隧道集团与西南交通大学联合开展正常地温场中存在斜交含水柱体的红外探测数字模拟测量分析研究，得出施工掌子面前方围岩岩体含水与否的红外探测判定值。7.电法 近年来，针对浅埋隧道，根据裂隙岩体含水和不含水条件电阻率的不同，采用高密度电法进行地面探测，据以对隧道施工可能遇到的岩体破碎带及其含水状态进行预报。,成像法隧道施工地质超前预
25、报原理声波CT层析成像法（上）TRT三维地震反射（下）,应该指出的是，受各种条件的限制，不同的隧道地质超前预报方法有各自的优点，也有各自的缺点。地质法有牢固的理论基础，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）的隧道中预报的准确率更是如此；超前平行导坑（隧道）法具有地质法的优点，但投资大，且两隧道间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，适用于设计间距较小、地层受构造变动少的平行隧道工程；超前水平钻孔（导坑）法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
26、指标等资料，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，但费用高且占用施工时间长；声测法占用施工时间短但预报距离受孔深限制，一般小于15m；波反射法占用施工时间短，预报距离长（30m），但属于间接方法。因此，根据隧道工程具体情况，在隧道施工阶段采用针对性较强的一种或几种方法结合地质法开展隧道地质超前预报工作是大势所趋。,四、隧道地质灾害预报,1.地质灾害类型按隧道地质灾害的特性，可将隧道施工期地质灾害划分为：(1)围岩的变形、失稳破坏(2)隧道涌水(3)隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）(4)岩爆(5)有害气体突出、燃烧、爆炸(6)高地温(7)地表生态环境灾害(地表塌陷、
27、地表水源枯竭等)2.地质灾害成因(1)围岩的变形、失稳破坏主要是由围岩的固有属性、结构体和岩体结构面的性状和应力条件不利引起。,(2).隧道涌水 隧道的开挖，破坏或改变了隧道所在地区水文地质条件，隧道成为新的地下水排泄的通道的结果。隧道施工揭穿含水构造，直接导致了隧道洞内的涌水灾害的发生（揭穿型隧道涌水）；而隧道周边与含水构造（体）间隔离岩体厚度的过薄或含水构造（体）水压上升，则导致了隧道施工期的突破型涌水；由于涌水速度的降低，涌水中携带的泥砂沉积堵塞涌水通道，当通道地下水位上升水压力达到一定值时，水突破堵塞造成重新涌水，即形成隧道施工期隧道洞内的间歇型涌水。隧道洞内涌水主要发生在：（a）导水
28、断层破碎带；（b）充水岩溶（洞穴、溶管及暗河等）；（c）充水废弃矿巷；（d）富水节理密集发育破碎岩体地段；（e）富水地层。(3).隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）隧道洞内泥砂石流主要是由于隧道施工开挖揭穿饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉，过饱水或饱水,断层泥、断层泥夹极破碎岩块、岩溶泥砂充填物、岩脉风化或蚀变物坍塌和涌突所引起。严重者甚至导致隧道地表塌陷、地表水源枯竭等灾害的发生。隧道洞内泥砂石流主要发生在：（a）饱水含泥断层破碎带；（b）充填饱水岩块粘土砂型岩溶；（c）饱水全风化型岩脉、全蚀变岩脉出露位置；（d）过饱水或饱水断层泥分布位置；（e）饱水断层泥夹极破碎岩
29、块分布位置；（f）饱水泥砂充填物岩溶。(4).岩爆 岩爆是坚硬脆性岩体变形破坏的一种特殊形式，是储存在岩体中的应变能突然释放的表现（岩体开裂、弹射）。主要发生在深埋高应力区隧道或隧道段坚硬完整具脆性岩体中，地面地形强烈变化处的坚硬脆性岩体中亦可能发生岩爆。发生岩爆的岩体，主要是火成岩中的花岗岩、闪长岩、花岗闪长岩、片麻岩等及沉积岩中的石灰岩。,(5)有害气体突出、燃烧、爆炸 隧道施工期有害气体主要为瓦斯和硫化氢气体，前者主要与煤系地层和废弃煤矿巷道有关，后者与碳酸盐岩中的臭大理岩相关。值得指出的是，瓦斯并不仅仅在煤系地层中出现，在深埋隧道还原环境条件下炭质泥页岩中，也存在瓦斯溢出的可能性。在煤
30、系地层上下地层岩体破碎时，其往往储存在上下地层岩体的裂隙之中。(6)高地温一般而言，仅处于活动断层带、地温异常区、高地应力区和深埋隧道可能遇到高地温灾害。(7)地表生态环境灾害(地表塌陷、地表水源枯竭等)地表生态环境灾害主要是由于隧道洞内涌水涌泥砂（隧道洞内泥石流）引起，如地表水源枯竭、大面积农田失水、植被枯死和地面塌陷等。地表生态环境灾害主要发生在岩溶地区，因隧道洞内大量岩溶涌水、涌泥造成；在其他地区，由于隧道上方主干断层带极破碎围岩的连续失稳坍塌亦可造成地表塌陷，隧道洞内大量涌水可造成地下水位下降致使地表水源枯竭、大面积农田失水、植被枯死。,3.地质灾害预报(1)围岩的变形、失稳破坏 如前
31、述，围岩的变形、失稳破坏主要是由围岩的固有属性、结构体和岩体结构面的性状和应力条件不利引起。因此，对围岩的变形、失稳破坏的预报，主要是对软岩地层（软夹层）、断层破碎带、大范围岩溶充填物、岩体节理裂隙不利组合和内存内存坍塌物的废弃矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报。对软岩地层（软夹层）、断层破碎带、大范围岩溶充填物及内存内存坍塌物的废弃矿巷在隧道掌子面前方出现位置、性质及规模的预报，可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行。对由于岩体节理裂隙不利组合造成的围岩的变形、失稳破坏，预报或采用地质法进行，通过对岩体节理裂隙产状测量、地质作图（结构面赤平投影、极射赤平投影）确定岩体节理裂
32、隙不利组合在隧道周边出现的位置、不稳块体失稳方向；或采用块体平衡理论、有限元方法进行块体稳定性计算，确定隧道围岩不稳块体出现的部位。,(2)隧道洞内泥砂石流（涌泥涌沙）如前述，隧道洞内泥砂石流主要与隧道施工掌子面前方存在的饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉有关。因此，对隧道洞内泥砂石流的预报是对隧道施工掌子面前方存在的饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉位置的预报。可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行隧道施工掌子面前方界面预报，再结合地质法对界面性质进行确定，根据饱水断层破碎带、充填岩块粘土砂型岩溶、全风化型岩脉、全蚀变岩脉的位置、
33、规模，预报隧道洞内泥砂石流可能发生的位置和规模。(3)岩爆 研究表明，岩爆主要发生在坚硬脆性岩体（花岗岩、闪长岩、石灰岩、白云岩等）中，且通常发生在与最大主应力（1）倾向相垂直的隧道断面处，与岩体的完整性密切相关，岩体完整性越好，岩爆发生的可能性越大。目前岩爆的预报仍处于经验预报阶段，主要根据隧道的埋深、隧道地表地形变化、围岩岩性、隧道位置最大主应力来预测隧道出现岩爆的可能性,采用地质力学宏观分析法实质上是通过地应力测试，确定最大主应力及其方向，根据最大主应力量级、倾向与隧道轴线的关系预测岩爆的发生与否。岩石能量分析法以弹性应变能指数为判据，确定岩爆的发生与否及岩爆的强弱（指数5严重岩爆）。能
34、量冲击性指标法以能量冲击性指标为判据，确定岩爆的发生与否及岩爆的强弱（指标2有严重岩爆）。邹成杰等33根据隧道围岩单轴抗压强度或抗拉强度，利用简单经验公式，计算岩爆系数预测岩爆发生的可能性或强弱。可以认为，无论是地质力学宏观分析法，还是岩石能量分析法、能量冲击性指标法、岩爆系数法，仍然属于经验方法。大量的工程实践证明，隧道岩爆除与隧道埋深、岩体强度、岩体完整性、岩体脆性及围岩所处地应力场有关，还与隧道上方地形变化息息相关，地表地形突变引起地下岩体应力局部集中是浅埋隧道岩爆发生的主要原因。因此，隧道上方地表地形陡变位置也是岩爆预报应关注的重点。,(4)有害气体 对隧道洞内瓦斯、硫化氢的预报目前主
35、要采用产气地层位置、废弃煤矿巷道分布位置预测预报和浓度监测来进行。地层位置及废弃煤矿巷道分布位置预报可以采用前述任何一种隧道地质超前预报方法进行；由于有害气体既可在岩体裂隙中富集，也可沿岩体中的节理裂隙运动，因此浓度监测包括瓦斯浓度监测等不仅应在煤层等产生有害气体的地层分布位置进行，还应在产生有害气体的地层两侧一定距离范围内进行监测，特别是当产生有害气体的地层两侧岩体节理裂隙发育时更应如此。（5）地温 可以说，隧道施工期的地温预报目前基本未予开展，地温预报仍停留在根据勘察资料进行活动断裂构造分析、地温异常区的划定及按地温梯度计算的研究探讨阶段。当今社会是一个以人为本的社会，开展隧道洞内围岩体温
36、度监测预报势在必行。隧道围岩岩体温度监测是开展地温预报的最直接的有效技术方法，同时可兼顾隧道施工掌子面前方含水体分布位置预测预报的需要。,（6）涌水预报 隧道的开挖，破坏或改变了隧道所在地区水文地质环境，隧道成为地下水新的排泄通道。据不完全统计，我国既有隧道80%在施工期遭遇过隧道涌水灾害，运营隧道渗漏水灾害亦可说严重。从大瑶山隧道施工期竖井因涌水被淹、娄山关铁路隧道施工期因施工开挖切断岩溶管道造成隧道雨季涌水达130000m3/d、贵昆线梅花山隧道1991年雨季更因隧道衬砌背后水压过大造成隧道边墙衬砌倒塌（12m）及开裂（12 m）21等可见一斑。因此，隧道涌水预测预报在隧道地质超前预报中占
37、据着极为重要的位置。遗憾的是，目前各种地质超前预报方法中，对水的预报仍缺乏有效的手段。目前对隧道涌水位置预报采用的技术方法包括：（1）界面位置结合地质分析法；（2）红外探测仪探水法；（3）地质雷达探水法；（4）岩体温度监测法。（5）钻孔探水法。,界面位置结合地质分析法，采用的是钻探法外的各种地质预报方法，确定施工掌子面前方界面位置，根据隧道洞内外地质调查结果，分析确定界面及界面前方介质导、储水的可能性，预测界面及界面前方发生涌水的可能性。红外探测仪、地质雷达探测对围岩岩体是否含水有效，但不能确定含水量大小。岩体温度监测法对含水体位置确定应有明显的效果，但目前对地温场、施工对岩体温度的影响及岩体
38、温度传导特性对岩体温度监测的影响仍缺乏系统的研究，也缺乏实践。钻孔探水是直接探水，对基岩孔隙裂隙水效果明显。但对岩溶水、与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水，钻孔探水有较大的钻孔涌水风险，渝怀铁路圆梁山隧道进口正洞354+362掌子面在进行超前水平钻探地质预报过程中，因钻孔揭穿前方底部沉积含粘土质粉砂充水岩溶，发生了钻孔涌水涌砂，最大射程达30米左右，淤积物为含粘土质粉细砂，淤积厚度达2米多，长度100余米。,五、涌水预测预报,1.涌水水压预测 关于隧道、矿坑涌水水压预测问题，矿山工作者在矿坑顶底板涌突水方面有所研究，隧道工作者刚有涉足，因此在水压预测方面，无论是在理论上还是实践过程
39、中，均不是很成熟。主要的研究方法有两种：一是现场实测；二是根据深孔钻探资料，在静水头中乘以一个水头损失系数(或折减系数)。我国水工建筑物荷载设计规范(DL5077-1997)指出，作用于混凝土衬砌有压隧洞的外水压强标准值为 Pek=cwHc 式中，c作用于衬砌上的外水压强标准值；w外水压力折减系数；Hc 隧洞埋深。对于处于基岩裂隙水和孔隙水中的隧道涌水水压预测，可以采用下式计算：P=H 式中，P涌水水压；折减系数；H隧道涌水点与地下水位高程差；水的容重。,显然，隧道涌水水压与折减系数、隧道埋深也即隧道涌水位置与地下水位间的高程差紧密相关；折减系数与隧道围岩岩体的渗透系数相关，岩体的渗透系数越大
40、，折减系数越小。中铁西南科学研究院有限公司对隧道衬砌外水压力折减系数与围岩渗透系数相关关系的研究证实了该结论。,对于岩溶隧道，由于岩体渗透系数各向异性非常显著，采用水压力折减系数显然出入极大。对于与地表连通的岩溶管道、暗河及溶洞岩溶涌水，涌水压力为：P=H 式中，P涌水水压；H隧道涌水点与地下水位高程差；水的容重。对于与地表不连通的岩溶管道、溶洞岩溶涌水，涌水压力为：P=H 式中，P涌水水压；H隧道涌水点岩溶水位高程差；水的容重。H是一个难以确定的额定变量，需要对与地表不连通的岩溶管道、溶洞岩溶充水高水位进行确定，即对与地表不连通的岩溶管道、溶洞顶界进行探测确定。,2.涌水水量预测预报（1）水
41、均衡法 水均衡法经多座隧道实践，预测涌水量较符合实际，尤其是对地质结构相对简单的向斜岩溶盆地。修正后的水均衡法预测岩溶涌水量表达式43为：Q=Qg+Qd 其中：岩溶水静储量Qg=V 动储量Qd=Qjs+Qbs+Qys 降雨渗入量Qjs=LA 表水渗入量Qbs=bQb式中：-岩石给水度（线岩溶率）V-隧道开挖围岩体积 Qys-远水或相邻含水层补给量-降雨入渗系数（0.020.5）L-隧道岩溶段长度 A-隧道岩溶段集水面积 b-表水入渗系数(0.11)Qb-表水量(包括河水等)。,（2）数学模拟系统分析法 数学模拟系统分析法的关键是建立合理的水文地质概念模型，进而建立岩溶水系统数学模型，进行涌水时
42、间与涌水量的预测。鉴于岩溶水系统的复杂性，岩溶管道分布的随机性，该方法在边界条件的把握上受到一定的限制。在对大瑶山隧道中段岩溶涌水研究中，我们根据该段地质结构、水化学、同位素和水动力条件等多重信息，通过建立水文地质概念模型，进而建立岩溶水系统数学模型，进行涌水量预测，取得了较好的效果。其数学模型如下：（X，Y，Z）=，t0初始条件：H（X，Y，Z；t）|t=0=Ho(X，Y，Z)边界条件：第一类边界，水头降为已知 H（X，Y，Z；t）|B1=H1(X，Y，Z；t),第二类边界，流量交换边界式中：Qk岩溶含水体系于（Xk,Yk,Zk）处存在的源汇项 岩溶含水体系区域 q(X，Y，Z；t)流量交换
43、边界强度，补给时，q0；排泄时，q0 n流量边界的外法向方向 H水位降 X，Y，Z坐标轴 KX，KY，KZ分别为X、Y、Z方向上的渗透系数 s储水系数 f流态系数,(3)三重孔隙介质-岩溶水文地质化学动力学计算法由于三重空隙介质中存在不同的流态，使得渗透系数的表达式也不相同，为此提出折算渗透系数的概念，将紊流态的水流如同层流态一样，其流动规律在形式上可以用线性定律表示为，从而将三类空隙介质中存在的不同流态(层流与紊流)耦合在同一基本微分方程(57)式中，该方程为达西非达西流的控制方程：式中：H水头 HL折算渗透系数 源汇强度 s单位储水系数 x.y.z空间坐标(L)t时间变量(T)。,对于层流
44、情况：(n=1)时(n=2)时 式中：K1管道的渗透系数()d管道内径(L)流体的重率()流体动力粘度()n空隙率(无量纲)K2裂隙的渗透系数()b裂隙宽度(L)。对非线性流情况：,式中：KL1管道的折算渗透系数()KL2裂隙的折算渗透系数()g重力加速度()d管道内直径(L)f摩擦系数(无量纲)V渗透流速()b裂隙宽度(L)J水力坡度(无量纲)利用钻孔资料(主要包括岩溶发育率、岩芯描述)和抽水试验资料，计算隧道临空面围岩的折算渗透系数：式中：g重力加速度9.8m/s2 d岩溶管道或溶孔内直径（根据钻孔岩芯资料进行统计分析）f磨擦系数（或粘度系数）取值0.9，无量纲 v渗透速度(m/d)。,将
45、KL代入V=KLJ中，确定隧道开挖围岩临空面处岩溶水渗流速度。这里需要指出，J为水力梯度，J=H/L(H为水头损失，为地下水迳流途径)，因含水层主要为承压含水量，Jsin(为岩层倾角)。进一步利用公式Q=nAV计算隧道开挖涌水量。其中，n为岩溶发育率，A为临空面或过水断面面积（A=隧道开挖长度L临空面宽度D）。于是，隧道分段涌水量计算公式为：Q=DLKLsin 上式中：为岩溶发育率 D为临空面宽度 L为隧道开挖长度 KL折算渗透系数 为岩层倾角。隧道总涌水量为,六、若干问题探讨,1.地质工作在隧道地质超前预报中的作用 Leopold Muller 教授曾经说过：“过去、现在以至将来，许多经验教
46、训告诉我们，地质学是所有应用地质学的不可缺少的基础”50。只有宏观把握整个隧道工程所处地质环境，确定隧道施工地质预报重点段，才能最大限度地提高有限的预报经费利用率，提高预报准确率，达到隧道地质超前预报的目的。隧道工程地质平面图、纵断面图及隧道工程设计地质说明是集隧道工程可行性研究、勘察和设计三阶段全部有关隧道施工将可能遇到的地质情况研究的成果的总结，熟悉图纸，了解隧道施工将穿越的地层岩性、地层产状及地层分布，构造分布、规模及其性质，有利于宏观的把握隧道施工可能将遇到的特殊地质如涌水、瓦斯、采空区、岩溶涌水涌泥涌沙泥石流等的分布位置及规模，据此初步确定隧道施工地质预报的重点段。洞外补充地质调查主
47、要是对特殊地层如大段软弱地层、煤层、膏岩层分布的调查确定，构造产状、分布、规模及性质的调查确认，对特殊地表地质现象如隧道洞口滑坡分布及规模、岩堆分布及规模、地表岩溶发育分布等的调查，根据地表调查结果推测特殊地层构造等在隧道高成位置的展布，加深对隧道施工可能将遇到的特殊地质如涌水、瓦斯、采空区、岩溶涌水涌泥涌沙泥石流等的分布位置及规模的宏观把握，确定隧道施工地质预报的重点段。,洞内地质调查包括掌子面和边墙地质素描（岩性及其产状，构造产状、展布及其性质，渗、滴、涌水状况，岩石体的风化变质状况等）、节理裂隙统计（产状、间距、张开充填状况、展布及延伸等）、必要的测试试验（岩石、岩体声速测试和岩石强度试
48、验等）。根据构造相关性分析、节理玫瑰花图、极射投影图、遍有节理计算、块体稳定计算相关计算，确定隧道掌子面前方围岩的变形趋势及失稳破坏型式，软层、煤层的分布与规模，构造破碎带的发育分布及性质和规模，岩溶发育分布及充填性质和隧道围岩岩体强度脆性及地应力状态等；根据隧道洞内必要的测试试验、岩体节理裂隙发育状况确定围岩级别变化确定。众所周知，物探方法是建立在波的传播理论基础上，波传播理论是建立在同一介质为各向同性均匀介质的基础上的，在各向同性介质中，地球物理探测结果是唯一的。地质体极为复杂，在经历了长期地史时期和构造运动变动后，不同地层、岩性受构造运动的影响程度不一，即便同种岩体不同部位节理裂隙发育程
49、度也不完全一致，这就导致了同种地质体介质的非均匀性（或称各向异性）。,地质体的各向异性，决定了采用地球物理探测方法进行隧道地质超前预报的结果的多解性，排除这种多解性，需要有对宏观地质背景的微观把握。采用除层析成像法外的所有地球物理探测方法进行隧道地质超前预报，其最终结果均是施工掌子面前方地质界面的位置，反射界面前方介质的性质的判定，尽管可以参考介质波阻抗、反射系数及波幅变化特征，但更重要的是需要结合对探测界面前方隧道施工将遇到的地质条件的宏观把握和参与施工地质预报人员丰富的地质经验，地质工程师的参与，无疑将起极为重要的作用。任何依赖近乎傻瓜照相机似的地质超前预报仪、靠几个毫无地质基础知识和地质
50、工作经验的经过仪器使用操作培训的高中生便可进行隧道地质超前预报的想法都是不现实和错误的。隧道地质预报准确率大高低，与参与预报工作人员对隧道施工掌子面前方地层岩性、构造等的分布、界面产状及其变化、不同波在不同介质预报中的传播特性的掌握程度紧密相关。详细的地质工作，可以推测界面间介质的性质并大致给出不同波在该介质中的传播速度，推断界面产状的变化趋势并推测界面在掌子面前方出露的大致位置，为探测结果的分析提供参考依据，提高预报的准确率。,随开挖进行不良地质体带位置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模等的记录，需要地质工程师的工作，决非几个毫无地质基础知识和地质工作经验的经过仪器使用操作培训的高中生便
