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1、,深埋长隧洞主要工程地质问题与勘察和施工方法,耿克勤,目 录,一、前言二、深埋长隧洞主要不良工程地质问题三、TBM对深埋长隧洞地质条件适应性分析与对策 四、深埋长隧洞的勘察思路和方法 五、施工方法的选择 六、结束语七、建议,一、前言,所谓深埋特长隧洞是指埋深超过400m，长度10km以上的隧洞。随着我国水利水电工程的发展，深埋长隧洞大量出现，单洞长度已由20世纪80年代的10多千米发展到现在的80多千米;隧洞埋深最大已接近3000m，隧洞工程地质条件日趋复杂，不良工程地质问题已成为工程的重要制约因素。因此，勘察、认识与评价这些问题和采取正确的工程对策已十分重要。,铁路隧洞的建设水平始终处于隧洞
2、工程建设的前列。高速铁路需要平缓的坡度和顺直的路线,当穿越高山时往往需要建设长隧洞。目前世界上已建、在建的长度超过20km的隧洞见表1。,表1 世界上已建、在建的深埋长隧洞,瑞士圣哥达隧洞洞内施工图,瑞士圣哥达铁路隧道横剖面图,1,2,3,4,5,南水北调西线工程共分三期。第一期工程从雅砻江的支流达曲、泥曲和大渡河的支流杜柯河、麻尔曲、阿柯河调水，总调水量40亿m3。由“五坝七洞一渠”串联而成，坝高63123m，输水线路总长260.3km，其中隧洞长244.1km，明渠16.1km，渡槽0.12km。,第一期工程河流示意图,“五坝”即引水河流的五座引水枢纽，为达曲的阿安、泥曲 的仁达、杜柯河的
3、上杜柯、麻尔曲的亚尔堂、阿柯河的克柯引 水枢纽；引水枢纽的坝高分别为115m、108m、104m、123m、63m。调水量分别为7亿m3、8亿m3、11.5亿m3、11.5亿m3、2亿m3。,“七洞”即利用线路通过的支流使隧洞自然分为七段，为 长13.6km的达曲泥曲段、长73km的泥曲杜柯河段、长33.2 km的杜柯河结壤段、长3km的结壤麻尔曲段、长55.4km的 麻尔曲阿柯河段、长15.5km的阿柯河若果郎段、长50.4km 的若果郎贾曲段，七段隧洞总长244.1km，最长洞段73km，穿越雅砻江和大渡河的分水岭，位于泥曲杜柯河之间。,大丫口子上坝址引水隧洞中心线工程地质剖面图,金顶水电
4、站引水长隧洞1-1/工程地质剖面图,金顶水电站引水长隧洞2-2/工程地质剖面图,2 深埋长隧洞主要不良工程地质问题,深埋长隧洞可能存在的工程地质问题主要有：围岩大变形、塌方、岩爆、高外水压力、突水、突泥和涌水、高地温、岩溶、膨胀岩、有害气体、有害水质、放射性危害等。如二十世纪七十年代修建的瑞士圣哥达铁路隧道，施工期间曾遭遇到多次大涌水、塌方灾害，地温也高达30.7，施工期间致死310人，至残877人，工程承包商因此工程而破产。值得注意的是，在高地应力条件下，甚至某些中硬岩也存在发生严重塑性变形的可能。,2.1 大断层带围岩失稳及涌水问题,断层破碎带是诸多问题的关键所在，大变形、塌方、突涌水、高
5、外水压力、岩溶、有害气体等，往往与断层有直接或间接的关联。对于深埋长隧洞穿越宽大的区域性断层概率很高，这些断层是关系到工程成败的关键地质因素。,例如天津引滦入津隧洞F1F10断层交汇带和F9F11断层交汇带，宽度分别为220m和150m，涌水量50100m3s-1，大塌方十余次，是该工程最大的难点。万家寨引黄入晋工程摩天岭断层曾塌方卡住TBM机头，工程处理3个多月。南水北调东线穿黄工程，隧洞中断层规模虽然不大，但股状压力涌水，是该隧洞最主要的工程问题。,隧洞活断层工程抗断在已建工程中尚未见到，但规划中的南水北调西线等几个长大隧洞工程，已将断裂活动性问题作为主要工程地质问题之一进行研究。考虑到强
6、烈的破坏性，具有短时间形成较大错距的区域性活断层应尽力绕避，而以蠕变变形为主的活断层在工程技术上是可以克服的。我国西部地区策划的水利水电深埋长隧洞，遇到的大断层带具有以下几个主要特点：,(1)断层规模更加巨大，其延伸长度逾数百千米，断层破碎带及影响带宽度几十至数百米，甚至达到1000m以上。这些断层往往是不同地质构造单元的分界性断裂，切割深，具多期活动性。这些断层无论对钻爆法和TBM法施工困难和风险均很大。,(2)大的断层往往为地下水的逸流与储存创造了有利条件;特别是在碳酸盐岩地区断层带富水性高，隧洞围岩失稳与突水突泥危害性大。,(3)一般浅埋隧洞地下水活动强烈，受大气降水和地表水影响显著，涌
7、水的突发生强。而深埋隧洞因受地应力影响，岩体的渗透性和富水均较弱，地下水活动性也随之减弱，使隧洞涌水量变小。但是值得注意的是深埋隧洞滞后涌水也是一种常见的现象。,例如万家寨引黄入晋工程北干线1号隧洞斜穿一条灰岩的挠曲断裂破碎带，长约700m的洞段开挖后7个月之内涌水量很小，进行衬砌作业是很容易的，718个月期间隧洞涌水量由24 m3h-1逐渐增大；几次强力抽水产生的负压真空使隧洞涌水量猛增至480 m3h-1，从而使隧洞衬砌作业发生严重困难。这个实例说明隧洞穿过富水性强的地段时，及时衬砌封堵围岩是非常重要的。,(4)我国西部地区活动性断层多，规模大，由于隧洞线路多与之垂直布置，而无法避开。这些
8、断层往往对地形地貌、地层分布和水文地质条件起控制作用，隧洞穿过此种构造地段难度相对较大。此外，现代活动性断层的变形分蠕变和错断两种;前者对隧洞产生缓慢的破坏;后者对工程危害性大。为此，查明隧洞地区活动性断层的分布与变形速率是很重要的。总之，施 工时应具备对大断层的超前探测与超前处理的能力。,2.2 岩溶及突水突泥问题,该问题在灰岩地区十分突出。我国天生桥二级发生隧洞岩溶突水突泥影响工期达2年之久。万家寨引黄入晋工程南干线6号隧洞具有松散充填物的古岩溶，致使多处TBM隧洞发生沉陷变形。未充填岩溶洞给TBM掘进带来很大风险，在掘进过程中，时刻关注着前方的每一变化，以防TBM发生下沉事故。,岩溶,目
9、前对灰岩地区岩溶的勘察能够从宏观上查明岩溶的发育情况。而对大量岩溶洞的分布位置、规模和充填物的性质还是要在施工中去发现去处理。所以对岩溶问题施工中的超前探测与处理是非常重要的。,表2 我国部分隧道及矿山水文地质灾害一览表,2.3 高地应力条件下软质围岩变形,隧着地下工程向深部发展，软质围岩变形及其稳定性控制越来越突出。高地应力条件下软质岩工程性质十分复杂，其主要原因是：(1)它既有与岩石本身有关的地层、岩性、矿物成分、水理性质、岩体结构及强度等多方面的内容，也有应力和应力变化引发围岩状态和性质改变的许多内容。,(2)对高地应力条件的软质岩目前还没有完善的定义。按围岩强度应力比(S)的概念：式中
10、：为岩石饱和单轴抗压强度(MPa)，为岩体完整系数，为围岩最大主应力(MPa)。在隧洞围岩压力集中部位，当围岩S 4时会出现应力超限，形成塑性区，围岩稳定性差;当S 2时，围岩变形显著，围岩不稳定。随着地下工程向深部发展，围岩S值可能更小，变形将更加严重。,(3)目前人们对深部地应力情况了解的很少，特别是地下洞室开挖后，三维的地应力变化情况很难了解清楚。(4)深埋地下洞室软质岩变形往往具有变形量大，变形期长、变形形态复杂等特点，因而也带来了“支护难”。万家寨引黄入晋总干线6号隧洞N2红土洞段，因土层含水量偏高(19%左右)，在埋深80100m条件下，TBM管片衬砌后很快被压裂，管片之间最大错距
11、达90mm。后来，对管片进行了拆除和人工衬砌。,围岩变形折断的钢支撑,2.4 岩爆,岩爆是在一定的地层岩性、地质构造、岩体结构、地应力场和深埋洞室施工开挖临空条件变化造成瞬间围岩压力集中，改变了围岩周围的应力状态和性质等条件下产生的。通过 发 生 岩爆的工程实例分析认为：,岩爆,(1)地下洞室多分布在构造活动(水平及垂直升降运动)比较强烈的地区。我国西部地区发生岩爆的实例最多。(2)据国内外工程实例统计，发生在岩浆岩中的岩爆约占70%，新鲜坚硬的变质岩和沉积岩中约占30%。岩爆岩体的纵波速度多在50006000ms-1，甚至更高一些。(3)在大型压性断层下盘的隧洞工程发生强烈岩爆的实例较多。,
12、岩爆,(4)在构造活动强烈地形高差悬殊的地区，分布在边坡应力集中带中的隧洞也容易发生岩爆，如岷江的太平释等。(5)隧洞埋深虽然不是岩爆发生的唯一条件，但众多实例显示，埋深大的隧洞产生岩爆的强度和频率往往较高。(6)岩爆多发生在干燥无水岩体完整的洞段。,岩爆,(7)据秦岭隧道经验，钻爆法隧洞岩爆发生的频率和危害性均较TBM法严重，TBM法施工岩爆危害程度可以大大降低。现在采用的双护盾TBM,对岩爆有很强的适应能力。根据我国目前策划的深埋长隧洞特点来看，岩爆问题不可避免，施工中必须有应对强烈岩爆的能力。,2.5 隧洞地温问题,当隧洞中原始地温达到28时，施工中就要采取适当的降温措施;当地温达到35
13、,湿度80%时就会对作业人员的健康和安全产生危害，同时使机械效率降低和劳动生产率下降。,随着隧洞工程向深部发展，地温危害的报导日趋增多。我国计划兴建的锦屏二级水电站引水隧洞，在勘探平硐中，由于受地下水深循环的影响，在1200m埋深处，洞温仅1213，出现地温负异常现象。初步分析，在我国西部地区许多深埋长隧洞由于地势高，气温低，山顶地区积雪覆盖时间长，地表水及地下水温度很低，因此将会存在与锦屏类似的地温负异常带。,高地温,与此同时，由于西部地区地壳活动、火山活动、温泉和放射性元素含量较高的地层的存在，也会出现高地温异常带。也可以一说不同地区的地温梯度在空间上变化是很大的，而简单地用每百米升高3来
14、计算深埋隧洞的地温，其可信度差。总之，深埋长隧洞施工中应具备解决高地温的能力。,表3 地下工程高地温问题,2.6 有害气体问题,天然形成的有害气体一般赋存于产生这些气体的源岩和岩体的孔隙裂隙中，也有少量溶于地下水中。当地下洞室开挖后，有害气体在地应力的作用下就会迅速或缓慢地向地下洞室(低压区)中释放和溢出。通过实践人们认识到有害气体有时运移距离很大，所以在许多不含有害气体源岩的地层中开挖洞室也会遇到有害气体问题。,有害气体,有害气体的种类多种多样，其中危害大的主要有煤层瓦斯(CH4)、石油天然气(nCH4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、二氧化硫(S02)、硫化氢(H2S)等。在地质勘
15、察时，首先要查明隧洞及其附近地区是否存在生成有害气体的源岩；并且要注意有无将有害气体引向隧洞区的地质构造条件。在施工中及时封闭围岩、加强通风和监测是十分重要的。,隧洞施工通风布置图,2.7 膨胀岩问题,我国北方(包括西北地区)膨胀岩主要分布在二叠、三叠、侏罗、白垩及第三系中。岩性为富含蒙脱石和石膏的泥岩、砂质泥岩、粘土岩等。通过工程实践认识到，尽可能地减少对围岩的扰动和采取防水结构设计，使围岩的含水量不发生较大的变化，是可以减少甚至避免膨胀岩的危害。这种方法和措施是能够有效地防止膨胀岩干燥活化作用的发生，从而抑制了膨胀岩膨胀作用的发挥。例如万家寨引黄入晋工程7号隧洞工程已成功地解决了膨胀岩的危
16、害。,2.8 放射性元素危害问题,在我国一些地区(如新疆天山地区)放射性矿藏比较多，有侵入型、火山热液充填型、沉积型等。在放射性元素含量高的地区应进行专门性的勘察工作，以解决以下几个问题:(1)放射性矿层及富集区(高于本底值区)的分布；(2)对施工人员和输水水质的影响作出评价；(3)对放射性超标的隧洞弃碴提出避免二次污染环境的堆放要求。,2.9 隧洞高外水压力问题,地下水作用于隧洞衬砌上压力称外水压力。深埋隧洞往往具较大的外水压力，致使隧洞衬砌破坏。例如引黄入晋工程7号隧洞，地下水位水头为60300m，隧洞开挖中的涌水量均不大，但在外水压力实测值超过60m的洞段，TBM衬砌管片有的发生挤压破坏
17、;引滦入津隧洞工程，在外水压力几十米水头的情况下，使约4000m城门洞型隧洞底板衬砌产生鼓起破坏。,地下水,地下水对隧洞衬砌的不利影响是显而易见的，而外水压力的量值目前还不易计算准确。在工程处理方法上采取堵排结合的办法是可行的，只排(打排水孔)不堵(接触灌浆与固结灌浆)往往造成大面积地下水位的下降，恶化水文地质条件和生态环境。,3 TBM对深埋长隧洞地质条件适应性分析与对策,由于深埋长隧洞地质条件的多样性和复杂性，目前还没能够适应各种地质条件的所谓万能TBM,就我国目前使用的基岩掘进机(双护盾TBM、单护盾TBM和开敞式TBM)对地质条件的适用性可分三种情况：,TBM掘进,(1)适用性好：可以
18、说完整-比较完整的基岩隧洞、甚至比较破碎但具有较高承载力的基岩隧洞均适合TBM掘进，其工作效率大大高于钻爆法，引黄入晋隧洞曾创造月进尺逾千米的世界记录。(2)适用性较差：TBM穿过具有严重不良地质问题的洞段往往需要进行超前探测和处理，否则会发生掘进事故和质量事故，造成隧洞进行缺陷处理。,TBM掘进,(3)基本不适用：一般指使用TBM时会发生严重的机械和工程质量事故的地段。上述基本不适用TBM的隧洞段应采用人工开挖法施工代替。,参观瑞士圣哥达隧洞TBM掘进,TBM掘进机钻头,国内正在施工的引黄入晋隧洞，最长洞段43km。已竣工的引大入秦工程，洞径5.53m，洞长11.65km，埋深51330m。
19、秦岭铁路隧洞长18km，直径910m，开敞式TBM施工。,14.17m,南水北调西线深埋长隧洞，高寒缺氧，不适于重体力劳动，应尽力减少空气污染，采用TBM法施工是适宜的。本工程采用双护盾掘进机开挖。,TBM对地质条件适应性分析与对策大致分3个部分：,第一，地质人员应查明或基本查明深埋长隧洞工程地质条件与问题，要求在隧洞工程地质剖面中分段加以阐明。对主要不良地质问题的危害作出评价。,TBM掘进,第二，设计人员根据隧洞各种条件，确定隧洞设计指标，提出施工方法和TBM选型的主要要求，同时提出改善不良地质条件的措施方法等。第三，承包商根据设计文件，选择适应大部分隧洞地质条件的TBM机型，确定隧洞施工方
20、案，并在施工中不断改进完善施工方案和对策措施。,4 深埋长隧洞的勘察思路和方法,深埋长隧洞工程勘察特点与难点,地面海拔高，交通困难，勘探设备甚至技术人员难以到达洞线位置；常规勘察技术难以适应隧洞工程发展需要。对于埋深10003000m以及高应力、高水头条件下的隧洞工程，尚缺乏适宜的勘探试验设备；,深埋长隧洞工程勘察特点与难点,随深度增加，隧洞工程地质问题更为复杂，可借鉴的工程实例不多，而分析和评价理论还不够完善，分析评价方法尚需探索；采用TBM施工是深埋长隧洞工程发展趋势。相对于钻爆法而言，TBM施工对勘察成果的精度要求更高；,深埋长隧洞工程勘察特点与难点,勘察经费不足，勘察工作量和勘察方法选
21、择受到限制；鉴于上述因素，深埋长隧洞洞身围岩地层岩性、构造等较难查清，其物理力学参数的获得相对困难，对于工程地质问题的分析评价合理性和准确性相对不高。因此，不论从哪个角度讲，大埋深超长隧洞的勘察设计具有一定的难度。,勘察技术思路,前期工程地质勘察的基本目的应该是侧重于掌握基本地质资料，把握工程地质条件的总体规律。随着勘察阶段的不断深入，也应侧重于上述规律和基本条件的进一步落实。具体工程部位的某些地质问题可到隧洞施工时具体研究解决。建议在不同勘察设计阶段应采用不同的勘察技术和方法，具体见表2,表2 不同勘测阶段采用的主要勘察方法,4.1 遥感地质方法,遥感是区域地质勘察的一个重要手段，随着遥感手
22、段和解译技术的不断提高，对了解地层岩性、地质构造、滑坡、泥石流、冰川、雪线、新构造及水文地质等起到事半功倍的效果，特别是交通不便的地区地质遥感更为重要。目前 按 获 得遥感信息数据方法的不同，可分为卫星遥感和航测遥感，前者一般在规划和项目建议书勘察阶段使用，成图比例尺1:5万1:20万。后者多在可研和初设阶段使用，成图比例尺1:5000 1:10000。,卫星遥感影像,目前常用的卫星遥感影像种类主要是可见光、红外和雷达图像，产品一般有34个处理级，如LANDSAT、SPOT有四级，客户可以根据自己的需要和处理能力选择。雷达图像具有全天候，分辨率较高的优点，尤其是森林覆盖地区其优越性更为明显，缺
23、点是费用高，现成的数据少。,卫星遥感影像,市场上提供的可见光卫星产品最为丰富，地面分辨率有0.6m、1m、2.5m、5m、10m、15m、20m等，大体相当于1:50001:100000精度。测绘和调查应充分利用已有资料和航空航天数据信息，目前法国的SPORT5数据精度已达到2.5m，美国的快鸟已经对我国开放，其数据精度已达到0.61m；几套数据联合运用可以提出非常丰富的高质量的基础信息，通过地质解译和调绘可完成地质测绘成果。,4.2 物探、化探及放射性探测,物探包括综合物理测井和地面物理探测(如电磁法、地震波法、地质雷达等);化探(即化学物理探测)可通过对氛气、汞气、氖气的探测帮助地质人员了
24、解地下地质情况;放射性勘察需由核专业单位完成。,物探,目前常用地面物探方法中，大地电磁测深法具有12001500m的探测能力，其它方法一般不超过500m。在当前物探技术条件下，当隧洞埋深大于1500m时，通过物探了解到一些重要地质现象与界面随深度的变化“趋势”就算达到目的。,物探,不能认为探测深度达不到隧洞高程就没有意义，可以通过随深度变化趋势和规律推测地质现象的深部特征，如与钻探等其它勘探分析手段结合起来其准确性更高，还是能够解决不少工程地质问题。,大地电磁测深法,深埋长隧洞物探勘察适宜采用综合手段，以便不同方法之间相互补充和验证，并采取点、线、面相结合和定性与半定量结合的物探布置原则。大地
25、电磁测深法探测深度大，地形适应性强，是深埋长隧洞工程地面物探的主要方法。,综合物探,此外，可根据地层的弹性、电性和放射性特征，选择浅层地震勘探和电测深、高密度电法、瞬变电磁法、综合测井以及放射性勘探作为辅助手段。如安康铁路秦岭隧洞、南水北调西线输水隧洞等工程均采用了综合物探方法进行勘察，取得了丰富的成果。,4.3可控源音频大地电磁法,可控源音频大地电磁法(CSAMT)是电磁法的一种，它的主要特点是用人工控制的场源做频率测深。CSAMT 法使用可控制的人工场源,测量参数为电场与磁场之比而得出的卡尼亚电阻率;同时,基于电磁波的趋肤深度原理,利用改变频率进行不同深度的电测深。,CSAMT法优点,因此
26、,CSAMT 法在工作中具有如下优点:工作效率高,一次发射可以同时接收7道电场和1 道磁场;抗干扰能力强;勘探深度范围大,一般可达12 km;横向分辨率高,可灵敏地发现断层;高阻屏蔽作用小,可穿透高阻层。,电磁法,电磁法作为一种重要的勘探地球物理方法，应用领域广泛，分支众多。金属矿产勘探是电磁法的传统应用领域。随着我国经济的发展，电磁法的应用领域已经拓展到地下水勘探、工程勘探、海洋资源勘探等众多领域，特别是近几年地球深部构造和地球动力学研究的兴起，为我国电磁法发展提供了良好的契机。,频率域电磁测深法,目前，我国电磁勘探技术，无论在仪器还是软件方面都得到了长足的发展。硬件方面，仪器灵敏度高，且小
27、型轻便；软件方面，三维反演技术逐渐成熟，并在实际资料处理中取得了很好的效果。.电磁法种类繁多，按其勘探方式可分为电磁测深法和电磁剖面法，而电磁测深法又包括时间域方法和频率域方法。而应用最广泛，发展最快的是频率域电磁测深法。,电磁法发展历史,1、20世纪50年代，法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出了大地电磁法（MT）；2、20世纪60年代的Berdichevski等（1969），提出了音频大地电磁法（AMT）；3、1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控源音频大地电磁法（CSAMT）。,MT和AMT,大地电磁（MT）和音频大地电磁（AMT）测深
28、的实质系测量由于太阳风或太阳黑子活动及赤道区的闪电雷击在地球表面产生的各种频率的水平电场和水平磁场，然后通过阻抗与电阻率的关系计算视电阻率从而了解地下电性结构。该方法采用天然场源，不受高阻屏蔽的影响，设备轻便，勘探深度能达到数百公里；其缺点是场源不可控制并且信号微弱，易受自然环境的影响，尤其是在矿山、城区附近很难开展工作，因此主要用于深大构造研究。,CSAMT,可控源音频大地电磁（CSAMT）测深，通过人工发射电磁波解决了场源微弱和多变性问题，增强了信噪比，但同时也引入了场源的影响，电磁场不满足无源区齐次方程，且带有发射机，增加了野外工作的难度。,国际市场上的电磁测深仪器主要有以下几类：,（1
29、）加拿大凤凰公司（phoenix）的V-5，V5-2000，V-6电磁系统，这三套系统能做天然场和人工源，目前，国内主要用来采集天然场信号，用于深部研究；（2）美国EMI公司的MT-24，EH4系统，其中MT-24仅做天然场观测，主要研究深部构造，EH-4能做天然场和人工源，其勘探深度有限，用于浅部研究（小于1km）；,测深仪器,（3）美国的LIMS仪器系统，用于深部构造研究，据称周期可达2、3万秒。（4）德国Metronix公司，MMS-04大地电磁系统。我国廊坊物化探所自行研究生产的CLEMP分布式被动源电磁系统。目前国内引进的测深仪器主要有：MT-24，V-5，V5-2000，EH-4等
30、。这些仪器在固体矿产、水资源、油气田勘探等方面发挥了重要作用。,CSAMT 方法在地下构造、含水岩体的探测中都能发挥很好的作用。对深埋隧道而言,可以在宏观上查明地层岩性、地质构造(断层、岩溶)及其赋水性,为钻孔布置及隧道设计、施工提供地球物理依据。CSAMT 法在深埋长隧道勘察中对活动断层和隐伏断层的探测是最为有效的方法,在南水北调西线工程和西南地区公路工程中进行大量实际应用,效果显著。勘探深度范围大，一般可达1-1.5km。,2004 年对南水北调引水隧洞西线一期工程中玛柯河-贾曲段千米深,长20 km 深埋长隧洞采用CSAMT法进行了地质结构面、岩性特征、赋水性等地球物理勘探、工程地质勘查
31、,以查清勘探区影响引水隧洞工程建设的不良地质体和不良地质构造。结合其他补充物探手段及地面工程地质勘察结果对20 km深埋长隧洞围岩介质的结构特征进行了解释,指出了可能影响工程的断层、破碎带及异常区。,EH-4野外工作图片,4.4 钻孔及综合测井法,一些深埋长隧洞工程地形交通条件很差，但应尽量创造条件，布置必要的钻孔和综合测井工作。其重要作用有:(1)了解深部地层岩性及岩体状况，(2)了解地下水位、有害水质及有害气体等，(3)通过地应力测试了解地应力量值、方向；,4.4 钻孔及综合测井法,(4)了解恒温层深度、地温增温梯度及地温随深度的变化情况等，(5)了解深部岩体物理力学参数，(6)通过岩芯状
32、况(如饼状岩芯)分析岩爆的可能性，(7)判断隧洞围岩分类等。,深钻孔,因此，即使是深埋隧洞工程，钻探仍是不可替代的勘察手段之一。目前，在隧洞工程勘察中深钻孔的应用已经达到较高水平。如瑞士圣哥达隧洞的法意多标段打了7个钻孔，长度在200m到1070m。赛德润标段的两个倾斜、弯曲的钻孔长达2000m。又如精伊霍铁路北天山隧洞最大钻孔深度约800m，平均钻孔间距约23km，其钻孔一般为垂直孔。,深钻孔,意大利都灵和法国里昂蒙彼利埃之间计划修建一条高速铁路，有一座长约54km穿越阿尔卑斯山山麓的铁路隧道，埋深超过1000m的有22km，埋深超过1500m的有10km，3.5km以上埋深超过2000m。
33、布置20个钻孔，其中有3个深度超过1000m，平均钻孔间距小于3km。,赛德润标段的地质剖面图，两个倾斜钻孔长达2000m,圣哥达隧洞施工交通竖井 800m深，直径8.7m,4.5 深埋长探硐,深埋长探洞勘察方法日益受到工程界的重视，例如秦岭隧道(双线)，曾在一条线上打了18km长的贯通探铜。锦坪二级水电工程在可研阶段曾打了4.2k m和3.6k m的地质探铜，对一些疑难地质问题有了明确的认识，为该工程打下良好的基础。深埋长探洞的布置，可选择在隧洞进出口、施工支洞和有重要地质问题的部位。对深埋长探洞以往多采用钻爆法施工，今后可探讨用小型TBM开挖深埋长探洞的可能性。,长探洞,国内外公路、铁路长
34、隧洞工程普遍采用超长探洞平导施工方案，即小直径平导洞超前于主洞施工，其重要目的之一就是勘探前方地质条件，降低或避免严重地质灾害风险。长距离的输水隧洞一般为单线，采用全线平导超前勘探可能性不大。但仍可以结合前导洞以及交通洞、通风洞（井）等辅助工程进行勘察或超前勘探，一洞多用。,长探洞,瑞士辛普伦铁路隧长19.8km，穿越阿尔卑斯山，施工时采用全线平导方案，超前探明了地质条件，并发挥了运输、排水、通风等作用，为主洞施工奠定了基础。锦屏二级引水发电洞布置5km的勘探洞，获得了到大量难得的技术资料，长期为各方引用。黄河大柳树水利枢纽工程右岸发电洞完成了1.2km的勘探洞，长期争议的发电洞成洞条件问题得
35、到了较好解决。,4.6 对重大地质问题的专门性勘察试验研究,对深埋长隧洞设计、施工有重大影响的地质问题可在可研一初设阶段进行专门性的勘察试验研究。例如万家寨引黄入晋工程曾对岩溶、膨胀岩、含水隧洞水文地质条件及涌水量，湿陷性黄土和N2红粘土工程性质等进行了专题勘察试验研究，起到重要作用。,专题勘察试验研究,我 国西部地区深埋长隧洞可根据具体情况开展深大断裂、活动性断裂、岩溶、软岩变形、隧洞涌水与高外水压力、高地温、有害气体等的深入研究，以期较好地解决工程的难点，为工程打下良好的基础。,4.7 施工期超前地质预测与预报,限于深埋长隧洞的特点和难点，前期勘察较难查清与其相关的所有工程地质问题。所以，
36、施工中进行超前探测和预报十分重要，是施工过程中不可缺少的一个环节。,地质超前预报方法,在隧洞施工过程中进行超前地质预报，各种方法都有其长处和短处。地球物理探测资料具有多解性，单纯以物探方法提出的预报，与实际地质情况可能有较大误差。因此，在地质条件复杂的隧洞中，应综合运用多种预报方法，互相印证、取长补短。,地质综合分析法,地质综合分析法是超前预测报的核心方法，其它直接和间接方法是地质综合分析法的辅助手段。除地质综合分析预报方法外，,针对断层破碎带、围岩类别方面可供选择的预报方法有以下几种：,TSP203超前地质预报系统、HSP水平声波剖面法、地质雷达法、水平超前钻孔和勘探洞等；,针对突涌水及高外
37、水压问题的预报方法主要有：,TSP203超前地质预报系统、红外探水法、地质雷达法和水平超前钻孔等。TSP203超前地质预报系统有效探测深度达150200m，可作为中长期预报手段；水平钻孔、勘探洞、红外探测和地质雷达探测深度一般不超过50m，适宜进行短期预测预报。在钻爆法施工的隧洞中采用各种超前探测技术较为有利，而在开敞式TBM施工中进行超前预报要比护盾式TBM施工更容易一些。,地质超前预报的常用方法及其优缺点,地质超前预报可以预测掌子面前的一些内容:如断层构造及断层破碎带,煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件,采空区状况,岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况,地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以
38、及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等。,地质超前预报方法,目前常见的地质超前预报方法可归为两类,一类属破坏法,另一类属非破坏法。破坏法是指用破坏的方法凿开隧道直接取样,它包括地质法、超前平行导坑法和超前水平钻孔法;非破坏法也就是物理方法,利用岩石的物理性质来判别,它包括有声测法、电测法和波反射法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。,地质法,受各种条件的限制,不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点,也存在各自的缺点。地质法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性,并判断周围的岩性。地质法有可靠的理论基础,不占或很少占用施工时间,适用性强,成本低,操作
39、简便,但靠有限之“见”预报范围很有限,特别是在地层岩性变化极为复杂(如强烈褶皱地层)的隧道中预报的难度很大。,超前平行导坑法,超前平行导坑法是在要开挖的隧道附近开挖一平行的小断面导坑,该法具有地质法的优点,但投资大,且隧道与导坑间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低,因此适用于设计间距较小、地层受构造变动小的平行隧道工程。,超前水平钻孔法,超前水平钻孔法是用钻探设备向掌子面前方钻探,从而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,但一次钻探距离短,费用高且占
40、用施工时间长。,声测法和电测法,声测法是利用声波在岩石中的传播规律来判别岩石性质的一种方法。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。电测法是根据岩石与电阻的关系来推断其性质的一种方法,可以分为电位法和电阻率法。电测法简便、成本低,但必须是以各层间电阻值有一定的差别为前提。,地质雷达法,地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是利用无线电波检测地下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。其分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强,可对隧道一定范围内进行全方位探测,但是其预报距离
41、较短,只能预报掌子面前方40-50m 处的工程地质、水文地质条件,而较准确预报的距离只有十几米。,TSP 隧道地震波法,TSP 法(Tunnel Seismic Prediction)是由瑞士Amberg 测量技术公司为隧道及地下工程施工期地质超前预报而研制开发的,它的预报范围是地质雷达的4-12 倍,预报费用是超前水平钻探的1/10-1/20。它有以下优点:,TSP 隧道地震波法,(1)适用范围广,即适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。(2)预报距离长,理论上能预报掌子面前方500m,考虑地震波干扰等因素能准确预报掌子面前方100350m。(3)对隧道施工干扰小,它只要求在接收信号时为减少噪
42、音干扰作短暂停工。,TSP 隧道地震波法,(4)探测时间短,一次完整的探测仅仅需要45分钟,加上探测前的准备工作和探测以后系统清除所用的时间也不过2 小时,另外探测前的准备工作可以在施工的同时执行。(5)节约投资费用,据国外隧道施工经验估计,采用TSP 法比不进行预报节省费用是全部工程的15%。(6)提交资料及时,在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。,TSP测量原理,TSP测量原理,TSP 测量结果,TSP202在圣哥达隧道中超前探测结果,TSP 隧道地震波法,由于TSP 有如上诸多优点,所以它的出现解决了工程界对超前预报的诸多难题,从而代表了当今世界隧道施工超前预报的最先进技术。TS
43、P 从上世纪90 年代初问世以来,已经在数百项大型工程中应用并取得了全世界的认可。在瑞士的Vereina 铁路隧道中,它准确的预测出隧道里程(TM)1430m 处存在不稳定的蛇纹岩层;,在日本的Gorigamine 高速铁路隧道中成功的预测出掌子面前方岩性由坚硬的英安岩过渡到稍软弱的凝灰岩再到软弱的页岩的位置。在开挖至黑色页岩之前提前进行了隧道支护,有效地避免了隧道坍塌事故的发生;还有在日本的Kazunogawa 水电隧洞工程中,准确的预报出基准点前方112m 处一个14m宽的断层带,并有泉水出现;而在南韩的Anmin 公路隧道中准确预报出隧道掌子面前方不同于开挖段风化岩层的较坚硬岩层和断层构
44、造的位置。,国外采用TSP 探测的隧道工程的重要统计数据,地质超前预报综合分析法基本流程图,4.8数值模拟分析,计算机数值模拟分析为隧洞工程勘察提供了一种全新的分析手段，国内外一些知名隧洞工程，如引黄入晋输水隧洞、安康铁路秦岭隧洞、瑞士的伯伦纳隧洞、圣哥达隧洞等工程，针对不同的地质问题进行了数值模拟分析。,数值模拟分析,在以下几方面进行数值模拟分析具有重要意义：模拟分析原地应力场，可以利用浅孔和少量的原位应力测量资料分析预测全洞线深层地应力场特征；模拟计算应力重分布后的围岩应力场，分析预测松弛圈范围，预测岩爆、围岩变形等问题，国内外有很多成熟的计算软件可供利用；,数值模拟分析,根据水工隧洞设计
45、规范推荐的外水压力折减系数法估算作用在衬砌上的外水压力，对隧洞区渗流场的数值模拟分析，预测隧洞外水压力、估算隧洞涌水量及两者在各时期、不同工况和衬砌形式的变化，可以为工程设计提供丰富的资料，该法较适宜于施工开挖阶段的应用；模拟分析隧洞地温场，预测隧洞地温及其变化；,数值模拟分析,设计所需围岩物理力学指标原则上应通过试验、原位测试取得，但在埋深很大的情况下，大量的试验与测试较为困难，实际上能够得到的主要是浅层的试验测试成果。因此，比较经济可行的方法是利用少量深层资料与浅层资料的相关分析、专家经验系统分析来确定隧洞围岩物理力学指标。,5施工方法的选择,目前隧洞开挖施工的方法很多,可以据据地质条件、
46、隧洞尺寸和其他因素选择合适的施工方法。选择常规钻爆法还是机械开挖,主要取决于地质条件。常规钻爆法最常用的是新奥地利隧洞施工法(简称新奥法),机械开挖最常用的是隧洞掘进机(TBM)施工方法。,新奥地利隧洞施工法,新奥地利隧洞施工法通过锚杆、喷混凝土和钢支撑尽可能充分利用围岩自身的承载能力。新奥法典型的施工过程是:先在岩石中钻孔,然后在孔中装炸药进行爆破;出渣后,先喷第一层混凝土,安装钢支撑;然后喷第二层混凝土,安装岩石锚杆;最后施工永久衬砌。,钻爆法,钻爆法可以适应各种各样的地质条件,施工费用也低,但开挖速度相对较慢。掘进机施工的优点是:提高了隧洞掘进速度(速度、岩石强度及洞径有关),基本不破坏
47、隧洞周围的岩体,开挖出的洞壁较光滑且稳定,需要的支撑较少,减少了对地表面的影响，工作环境相对安全。,掘进机施工方法,掘进机施工方法的缺点是投资高,制造安装周期长,对地质条件变化的适应性较差,特别是在坚硬和特别差的岩石中掘进速度较慢,消耗性部件更换的费用也比较昂贵。为了缩短施工工期,深埋长隧洞应尽可能使用掘进机开挖。但不幸的是,许多长隧洞由于存在不利的地质条件不得不放弃掘进机,转而求助于钻爆技术。表3 列出了世界上长隧洞的施工方法,并简单计算了综合掘进速度。正如大家所认知的,掘进机的综合掘进速度是常规方法的24 倍。,表3 世界已建和在建长隧洞的施工方法,新一代掘进机,新一代掘进机综合了目前掘进
48、机法和新奥法两者的优点,既能快速安全地开挖,又可以适应不同的地质条件。这种新掘进机在不利的地质条件下可以扩大开挖断面,随后由与之配套的辅助系统安装柔性分块衬砌。,柔性衬砌,柔性衬砌可以像喷混凝土一样随围岩收缩,可以适应从稳定到膨胀的各种围岩条件。目前,在西班牙Guadarrama 隧洞中使用的双护盾掘进机采用了可伸缩刀盘,可以超挖150200 mm,而且掘进机上还装备了可以打超前勘探孔及对不良地质条件进行灌浆处理的钻、灌设备,其实际效果如何,不久就可见分晓。,6 结束语,(1)深埋长隧洞面临越来越复杂的宽大断层破碎带、涌水、活动性断层、高地应力引起的岩爆、软岩围岩变形、岩溶、高地温、有害气体、
49、放射性元素及膨胀岩等不良地质问题。对这些问题的不断深入勘察研究，无疑在工程上具有重要意义。,(2)深埋长隧洞的地质工作应贯穿工程的始终，不同勘测设计阶段有着不同的工作内容，而对影响工程重要的地质问题进行多学科、多专业的专题勘察试验研究是十分必要的。,(3)TBM对深埋长隧洞地质条件有很强的适应性。合理的选择机型和提高对不良地质条件的超前探测和处理的能力至关重要。,(4)施工前地质预报值得推崇的地球物理方法是可控源音频大地电磁法(CSAMT)。研究结果表明,可控源音频大地电磁测深法在进行岩性分类、探测断层深部发育情况、指导深部钻孔布置等方面发挥了较大作用.但可控源音频大地电磁法仍存在一些技术难题
50、,比如近场效应、各向异性、静态效应、分辨能力、探测深度等。,(5)目前施工阶段地质预报常见的地球物理方法可归为电磁波反射法、地震波反射法、红外辐射测温等.由于TSP方法 有诸多优点,所以它的出现解决了工程界对超前预报的诸多难题,从而代表了当今世界隧道施工超前预报的最先进技术.,但实际工作中,由于隧道内供观测的空间位置有限、干扰因素较多、研究的目标体复杂、数据处理简单,因而要准确和可靠性地达到预报的要求难度还较大.要想提高超前预报的精度,必须对现有的超前预报方法进行改进,综合使用多种超前地质预报方法。,7.建议,1 结合我院的具体工程，研究制定深埋长隧洞的科研计划。,2制定规划，逐步建立我院高精
