了得網工業技術_隧道突水突泥災害源超前地質預報理論與方法

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《隧道突水突泥災害源超前地質預報理論與方法》可作為高等院校土木、交通、水利水電、礦山、地質、應用地球物理等專業教師和高年級學生、研究生的參考書，也可為相關工程領域的技術人員提供參考。

前言
第1章緒論
1.1引言
1 1.2隧道超前地質預報的作用和意義
1.3超前地質預報發展與現狀
1.l.1鑽爆法施工隧道超前地質煩報的發展與現狀
1.3.2TBM施下隧道超前地質預報的發展與現狀
1.3.3隧邊施工綜合超前地質預報的發展與現狀
1.1隧道超前地質預報存在的問題
1.5本書的主要內容
第2章隧道突水突泥災害源的地質特征
2.1引言
2.2突水突泥災害源賦存特征
2.2.1突水突泥災害類型

前言

第1章緒論

1.1引言

1 1.2隧道超前地質預報的作用和意義

1.3超前地質預報發展與現狀

1.l.1鑽爆法施工隧道超前地質煩報的發展與現狀

1.3.2TBM施下隧道超前地質預報的發展與現狀

1.3.3隧邊施工綜合超前地質預報的發展與現狀

1.1隧道超前地質預報存在的問題

1.5本書的主要內容

第2章隧道突水突泥災害源的地質特征

2.1引言

2.2突水突泥災害源賦存特征

2.2.1突水突泥災害類型

2.2.2岩濟突水突泥災害源發育的某本規律

2.2.3右溶交水突泥災吉源發育的主控四素

2.2.4典型突水突泥災害源賦存特征

2.2.5隧邊交水突泥災吉的災變特征

2.3典型突水突泥案例與地質分析

2.3.1裂隙型突水突泥典型案例

2.3.2斷層理突水突泥典理案例

2.3.3格洞恪院組突水突泥典型案例

2.3.4暗川型突水突泥典型案例

2.4本章小結

第3章隧道不良地質超前地質預報方法

3.1引言

3.2超前地質預報方法的物性基礎和物性差異

3.2.1地震波超前預報方法的物性基礎

3.2.2地質富達超前預報方法的物懺某礎

3.2.3電阻率超前預報方法的物性基礎

3.2.4激發極化超前預報方法的物性基礎

3.2.5且他超前預報方法的物性基礎

3.3地質分析法

3.3.1工程地質調查法

3.3.2屆前導洞(坑)法

3.3.3屆前水平鑽孔法

3.4地震波超前預方法

3.4.1基於直線類觀測方式的地震超前頂報方法

3.4.2基於三維空間觀測方式的地震超前放報方法

3.4.3某於極小偏移距觀測方式的地震超前預報法

3.4.4TBM施工隧過專用的地震超前預報方法

3.5電法類超前預報方法

3.5.1地質古達超前地質預報方法

3.5.2瞬變電磁超前地質預報方法

3.5.3激發極化/山陽率法超前地質預報法

3.6其他超前地質預報方法

3.6.1岩體溫度法

3.6.2紅外探水法

3.7本章小結

第4章中遠距離含水構造瞬變電磁預報理論與方法

4.1引言

1.2隧道瞬變電磁超前探測基本方法和原理

4.2.1瞬變電磁法基本理論與超前探訪時方法

1.2.2瞬變電磁隧道探測改進

4.3隧道多點陣列式瞬變電醋探測方法與不良地質體響應規律

1.3.1隧道多點陣列瞬變電磁探測方法原理

1.3.2隧道多點陣列式瞬變電磁探測三維響戚朋律

4.3.3隧道多點陣列式瞬變電磁探測工作方法

4.4隧道多點陣列式瞬變電磁探測數據解釋技術

4.4.1均勻半空間中回線源瞬變電磁中心點視電阻率公式

4.4.2含偏移觀測點瞬變電磁水平和垂在磁場頻率域響山

4.4.3含偏移距觀測點瞬變山磁時間域響應及晚期視山陽半公式

4.4.4方法驗證與模型算例

4.4.5矢量合成山阻率

4.5鐘家山隧道左洞瞬變電磁超前地質預報應用案例

1.6本章小結

第5章近距離含水構造激發極化超前預報理論與方法

5.1引言

5.2激發極化基本原理

5.3隧道激發極化超前探測的多同性源陣列式觀測方式與正演模擬

5.3.1多同性源陣列激發極化法觀測模式法

5.3.2多同仲源陣列式激發極化超前探測的正演模擬及其對介水構足的響應

5.4多同性源陣列激發極化超前探測的三維反演成像方法

5.4.1基於加權函數的三維電阻率反演成像理論與方法

5.4.2多同性源陣列激發極化法超前探測的反演數值算例

5.5激發極化超前探測水量定量估算技術

5.5.1二電流半衰時之差參數區分自由水和束縛水的微觀機理

5.5.2二電流半衰時之差與水量關繫的物理模型試驗

5.6隧道含水構造三維定位與水量估算技術

5.7隧道超前地質預報專用的激發極化儀

5.7.1時域激發極化儀

5.7.2多同性源陣列式激發極化儀

5.8多同性源陣列式激發極化超前探測方法的應用案例

5.8.1地質分析與測線布置

5.8.2激發極化超前探測數據處理與解釋

5.8.3頒報結果與開挖情況對比

5.9多同性源陣列式激發極化技術用於TBM施工隧道的展望

5.10本章小結

第6章鑽孔精細三維探測理論與方法

6.1引言

6.2電阻率跨孔CT約束反演成像方法

6.2.1含不等式先驗信息約束的電阻束CT反演方和

6.2.2偏導數矩陣的並行解析快速求解方法

6.3跨孔電阻率CT超前地質預報方法

6.3.1跨孔山陽率CT探測的某卒原理

6.3.2二維跨孔電阻率CT組合觀測模式及影響四素分析

6.3.3三維跨孔山阻率CT探測影響阿素分析

6.3.4跨孔電阻率CT測物理模型試驗

6.3.5跨孔山陽率CT探測應用案例

6.3.6跨孔電阻率CT超前探測技術小結

6.1鑽孔(單孔)電阻率成像超前探測技術

6.4.1鑽孔(單孔)電阻率成像超前探測的觀測模式

6.4.2鑽孔(單孔)電阻率成像超前探測正演響應特征

6.4.3鑽孔(單孔)電阻率成像超前探測反演成像

6.4.4鑽孔(單孔)電阻率成像超前探測物理模型試驗

6.5本章小結

第7章隧道綜合超前地質預報與聯合解譯方法

7.1引言

7.2綜合超前地質預報基本原則

7.3隧道施工綜合超前地質預報方法

7.3.1常用且前地質預報方法的特點分析

7.3.2隧遠不良地質綜合超前預報方案與流程

7.3.3"同階段全過程"的突水突泥災害源綜合膽前預報方法與體繫

7.4基於空間結構約束聯合反演的隧道綜合超前地質預報

7.4超前預報數據的聯合反演思想

7.4.2專問結構約束聯合反演方法

7.4.3以空間結構約束聯合反演為基礎的綜合地球物理探測的典型案例

7.5隧道施工許可機制與突湧水災害綜合預警

7.5.1施工許可機制

7.5.2施工許可流程

7.5.3施工許可原則

7.5.4突湧水災害綜合預測頂警

7.6本章小結

第8章代表性工程應用案例

8.1引言

8.2山嶺隧道超前地質預報實踐

8.2.1湖北滬蓉西高速公路齊嶽隧道綜合超前地質預報應用案例

8.2.2湖北滬蓉西高速公路龍潭隧道綜合起前放報與塌方災害頂警案例

8.2.3湖北宜巳高邊公路馬家坡隧道綜合超前地質頂報與聯合反演應用案例

8.2.4錦屏二級電站輔助洞綜合超前地質預報應用案例

8.2.5成蘭鐵路躍龍門隧道綜合超前地質預報應用案例

8.3海底隧道超前地質預報實踐

8.3.1青島膠州灣海底隧道工程概況

8.3.2青島膠州灣海底隧近綜合超前地質預報的作用和內容

8.3.3青島膠州灣海底隧道綜合超前地質預報方法與體繫

8.3.4青島膠州灣海底隧近綜合超前地質預報代表性案例

8.1城市地鐵隧道超前地質預報實踐

8.4.1城市地鐵超前預報方法的選擇

8.4.2城市地鐵超前預報方法的實施

8.4.3大連地鐵某仄間超前地質煩報代表性案例

8.4.4大連地鐵某醫間重點地段超前預報實踐

8.4.5廣州地鐵某午站超前地質煩報代表性案例

8.5隧道施工許可機制與綜合超前地質預報的聯合應用案例

8.5.1工程概況

8.5.2初步評估

8.5.3二次評估與動態評估

8.5.4ZK19十240~ZK19+420段風險擰制

8.5.5ZK19十120~ZK19+/160段風階控制

8.5.6ZK19十460~ZK19+509段風險擰制

8.5.7ZK19十509~ZK19+610段風階控制

8.5.8ZK19十610~ZK20+180段風險控制

8.6本章小結

第9章展望

參考文獻

彩圖

在線試讀

第1章緒論
1.1引言
隨著鐵路公路交通工程、水利水電工程、市政工程等重大基礎工程的快速發展，目前我國已經成為世界上隧道建設規模與難度的國家。在交通工程領域，我國幅員遼闊，各地經濟發展不平衡，相對落後的交通基礎設施制約了經濟發展。為了適應國民經濟持續快速增長的需要，我國將交通運輸列為國民經濟發展的戰略重點之一。根據《2013年交通運輸行業發展統計公報》，截至2013年底，全國公路總裡程達435.62萬km，公路密度為45.38km/百krri2，全國鐵路營業裡程達10.31萬km，路網密度107.4km/萬krri2。在未來10年到20年中，將新建近100萬km公路，其中高速公路約6萬km，新建3萬km鐵路，其中高速鐵路超過1萬km。隨著我國東部地區交通網絡日益完善，鐵路公路交通路網將向西部縱深拓展，呈現“標準高、線路長、規模大、橋隧比高、深長隧道多”的鮮明特點。隧道是交通工程的咽喉和生命線工程，2013年我國運營鐵路隧道11074座，總長8938.78km，在建鐵路隧道4206座，長度7795.15km，正規劃4600餘座鐵路隧道，總長約10600km(數據未統計港澳臺的)；2013隼底我國運營公路隧道11359座，總長9605.6km，到2020年公路隧道總裡程將突破looookm（數據未統計港澳臺的）。我國已經建成和在建的代表性的特長鐵路隧道和公路隧道見表1.1和表1.2。以貴廣鐵路為例，全長857km，隧道216座，約占線路總長的53.9%，其中高風險岩溶隧道8座，3座超過lokm。正在修建的成蘭鐵路，隧道占線路總長度的67.07%，穿越活動斷裂帶和可熔岩區域，隧道埋深達到1900m，長達15km。同時，在我國東部沿海地區由於海峽江河阻隔，導致某些關鍵交通節點未打通，亟待建設一些跨海交通通道，跨海越江隧道成為必不可少的交通承載形式，許多水下隧道已經建成，如南京長江公路隧道(全長3385m)、武漢長江公路隧道(全長3270m)、上海崇明越江隧道(盾構區間段長度為6975m)、廈門翔安海底隧道(全長約5950m)、青島膠州灣海底隧道(線路總長7800m)等。在未來幾十年內我國規劃了穿越渤海灣、瓊州海峽、臺灣海峽的多條跨海水下隧道工程和近百座跨越江河湖泊的水下隧道，水下隧道建設即將進入快速發展階段。在城市軌道交通方面，到2014年底，全國有24個城市己經或正在修建地鐵，共有38個城市獲批建設地鐵等軌道交通設施，地鐵運營總裡程將達3000km。而2020年，將有超過40個城市建設地鐵，總規劃裡程達7000km。在水利水電工程領域，我國將水電和水資源開發作為重點發展領域，合理的水電水資源開發對於保障我國能源安全、改善能源結構、優化水資源配置具有重要意義。我國水能資源主要集中在西南、西北和中部地區，隨著雅魯藏布江、金沙江、瀾滄江、雅礱江等多條江河流域的開發以及南水北調等跨流域調水工程的規劃，20多個的大型水利水電工程和數十條跨流域調水工程正在建設。與之相配套，將建設數百條引水隧洞工程，如錦屏Ⅱ級水電站4條引水隧洞，單洞長約17km，埋深達2525m;規劃中的南水北調西線期工程主要由深埋長隧洞組成，總長264km，長洞段為73km，埋深1150m;規劃中的滇中引水工程輸水線路總長超過600km，由超過60座隧洞構成，其關鍵性控制工程香爐山隧洞全長約60km，埋深超過lOOOm；已經開工的引漢濟渭工程秦嶺引水隧洞全長98.30km，埋深超過2000m。第1章緒論

1.1引言

隨著鐵路公路交通工程、水利水電工程、市政工程等重大基礎工程的快速發展，目前我國已經成為世界上隧道建設規模與難度的國家。在交通工程領域，我國幅員遼闊，各地經濟發展不平衡，相對落後的交通基礎設施制約了經濟發展。為了適應國民經濟持續快速增長的需要，我國將交通運輸列為國民經濟發展的戰略重點之一。根據《2013年交通運輸行業發展統計公報》，截至2013年底，全國公路總裡程達435.62萬km，公路密度為45.38km/百krri2，全國鐵路營業裡程達10.31萬km，路網密度107.4km/萬krri2。在未來10年到20年中，將新建近100萬km公路，其中高速公路約6萬km，新建3萬km鐵路，其中高速鐵路超過1萬km。隨著我國東部地區交通網絡日益完善，鐵路公路交通路網將向西部縱深拓展，呈現“標準高、線路長、規模大、橋隧比高、深長隧道多”的鮮明特點。隧道是交通工程的咽喉和生命線工程，2013年我國運營鐵路隧道11074座，總長8938.78km，在建鐵路隧道4206座，長度7795.15km，正規劃4600餘座鐵路隧道，總長約10600km(數據未統計港澳臺的)；2013隼底我國運營公路隧道11359座，總長9605.6km，到2020年公路隧道總裡程將突破looookm（數據未統計港澳臺的）。我國已經建成和在建的代表性的特長鐵路隧道和公路隧道見表1.1和表1.2。以貴廣鐵路為例，全長857km，隧道216座，約占線路總長的53.9%，其中高風險岩溶隧道8座，3座超過lokm。正在修建的成蘭鐵路，隧道占線路總長度的67.07%，穿越活動斷裂帶和可熔岩區域，隧道埋深達到1900m，長達15km。同時，在我國東部沿海地區由於海峽江河阻隔，導致某些關鍵交通節點未打通，亟待建設一些跨海交通通道，跨海越江隧道成為必不可少的交通承載形式，許多水下隧道已經建成，如南京長江公路隧道(全長3385m)、武漢長江公路隧道(全長3270m)、上海崇明越江隧道(盾構區間段長度為6975m)、廈門翔安海底隧道(全長約5950m)、青島膠州灣海底隧道(線路總長7800m)等。在未來幾十年內我國規劃了穿越渤海灣、瓊州海峽、臺灣海峽的多條跨海水下隧道工程和近百座跨越江河湖泊的水下隧道，水下隧道建設即將進入快速發展階段。在城市軌道交通方面，到2014年底，全國有24個城市己經或正在修建地鐵，共有38個城市獲批建設地鐵等軌道交通設施，地鐵運營總裡程將達3000km。而2020年，將有超過40個城市建設地鐵，總規劃裡程達7000km。在水利水電工程領域，我國將水電和水資源開發作為重點發展領域，合理的水電水資源開發對於保障我國能源安全、改善能源結構、優化水資源配置具有重要意義。我國水能資源主要集中在西南、西北和中部地區，隨著雅魯藏布江、金沙江、瀾滄江、雅礱江等多條江河流域的開發以及南水北調等跨流域調水工程的規劃，20多個的大型水利水電工程和數十條跨流域調水工程正在建設。與之相配套，將建設數百條引水隧洞工程，如錦屏Ⅱ級水電站4條引水隧洞，單洞長約17km，埋深達2525m;規劃中的南水北調西線期工程主要由深埋長隧洞組成，總長264km，長洞段為73km，埋深1150m;規劃中的滇中引水工程輸水線路總長超過600km，由超過60座隧洞構成，其關鍵性控制工程香爐山隧洞全長約60km，埋深超過lOOOm；已經開工的引漢濟渭工程秦嶺引水隧洞全長98.30km，埋深超過2000m。

中西部山區一直是我國礦產資源、水能水資源開發的重點，同時為了加快中西部區域經濟社會發展，今後我國交通等基礎建設的重點將逐步向地形地質極為復雜的西部山區和岩溶地區轉移。縱觀找國交通、水利水電等領域隧道的建設發展歷程，可看出隧道建設呈現出兩大顯著趨勢：①復雜地質條件下山區隧道（洞）工程不斷增多，工程區域地形艱險、地質復雜、環境惡劣、生態脆弱，面臨的地質災害和施工安全形勢十分嚴峻，隧道建設呈現出“大埋深、長洞線、強岩溶、高水壓、地質復雜、地質災害頻發”等顯著特點；②江河水下隧道和海底水下隧道快速發展，一些由於海峽水道阻隔的關鍵交通節點亟須打通，給隧道建設及其安全控制、防災減災技術帶來了重大技術挑戰（郭陝雲，2007）。隧道建設是一項典型的改造地質環境的人類工程活動，我國幾乎所有的隧道建設都會遭遇不同類型的不良地質及其誘發的地質災害。隧道施工經常遭遇的不良地質有斷層破碎帶、岩溶地質（溶洞、溶腔、暗河等）、軟弱破碎岩體、岩性不整合接觸帶等。若不能提前探明不良地質的空間位置、賦存形態等重要屬性並進行及時有效的處置，在施工擾動下極易發生突水突泥、塌方、軟岩大變形、岩爆等地質災害，嚴重危及建設安全和工程質量，因此隧道施工過程中的防災減災與工程安全問題日益受到人們的重視。據統計，突水突泥災害是隧道施工面臨的主要地質災害之一，我國是隧道突水突泥災害嚴重的國家之一，在國內釙隧道特大事故中，突水突泥災害在發生次數和死亡人數方面均居於前列。據統計，1988年以來修建的鐵路隧道在施工中70%遇到水害，湧水量在1×104m3/d以上有31座，造成停工的時間約占總工期的30%。在渝懷鐵路（圓梁山隧道、武隆隧道、歌樂山隧道等）、成昆鐵路（沙木拉達隧道等）、京廣鐵路（大瑤山隧道、南嶺隧道等）、宜萬鐵路（馬鹿箐隧道、野三關隧道等）、大秦鐵路（軍都山隧道、秦嶺隧道等）等鐵路工程建設中均發生過重大突水突泥災害（見表1.3）。

以宜萬鐵路為例，在建設過程中多條隧道發生重大突水突泥災害，馬鹿箐隧道施工中先後發生19次嚴重的突水突泥災害，瞬間突湧水量創世界鐵路建設之，其中2006年1月21日與2008年4月11日的兩次特大突水突泥災害共導致15人死亡；野三關隧道於2007年8月5日突發大型突水突泥災害，致10人死亡。在水利水電工程方面，錦屏Ⅱ級電站輔助洞、輸水隧洞施工中遭遇多次高壓大流量突湧水災害，水壓超過IOMPa，流量超過7rri3／s，嚴重影響了施工進度和建設安全。

目前除了鑽爆施工方法，我國隧道建設逐步引入全斷面隧道岩石掘進機(tunnelboringmachine，TBM)施工方法。我國在建和擬建的絕大多數深長隧道的長徑比達到或超過600～1000，按照國際通行慣例應優先采用TBM施工方法，國際上公認隧道掘進機施工方法具有“掘進速度快、施工擾動小、成洞質量高、綜合經濟社會效益高”等優勢。20世紀90年代以來，我國TBM應用發展迅速，水電部門和鐵路部門先後通過設備引進和合作生產的方式引入TBM施工技術，至今我國采用TBM掘進的典型隧道工程有：甘肅引大人秦工程、山西萬家寨引黃人晉工程、西安至安康鐵路秦蛉I線隧道、西安至南京鐵路桃花鋪1號隧道和磨溝嶺隧道、遼寧大伙房引水隧洞、昆明掌鳩河引水隧洞、引漢濟渭工程引水隧洞等。據不完全統計，未來我國可用掘進機開挖的隧道超過6000km，TBM的需求量超過200臺，我國將成為全球TBM應用大國。以論證中的渤海灣跨海隧道為例，規劃全長約120km，經過論證認為方案是“以TBM為主，以鑽爆法為輔”，共需約15臺TBM；再比如規劃中的南水北調西線期工程深埋長隧洞總長264km，擬主要采用TBM方法，TBM需求數量近20臺；規劃中的滇中引水工程香爐山隧道全長約60km，其中約二分之一的段落擬采用TBM方法；已經開工的引漢濟渭工程秦嶺引水隧洞全長98.30km，其穿越秦嶺主脊段39.08km采用了2臺TBM相向掘進。TBM施工方法比較適合地層變化小、岩體完整性好、岩石強度中等的情況，對地層變化幅度大、不良地質發育等地質條件適應能力差。TBM施工中經常遭遇突水突泥、塌方、大變形等，導致掘進機卡機、損壞、報廢甚至人員傷亡的重大事故。在我國遼寧大伙房水庫輸水隧洞工程、昆明掌鳩河引水工程上公山隧洞工程、廣西天生橋二級水電站引水隧洞工程、錦屏Ⅱ級水電站排水隧洞工程、臺灣北宜高速公路雪山隧道工程、甘肅馴洮工程、新疆伊犁河流域八十一大坂輸水隧洞工程、青海引大濟湟工程、陝西引紅濟石工程，以及埃塞俄比亞GD-3水電站引水隧洞工程、印度DulHasti水電站引水隧洞工程、意大利Frasnadello隧道工程和Antea隧道工程等在施工中均發生過事故（見表1.4），導致TBM卡機或機械損毀甚至整機報廢、棄用掘進機方案，造成了嚴重的工期延誤和重大的經濟損失。據統計，已發生的隧道掘進機重大工程事故中，突（湧）水、塌方和大變形是主要工程地質誘因（在隧道掘進施工各類工程災害和事故中，坍塌和大變形占3701，突水突泥占35%），岩溶含水構造（溶洞、暗河等）、斷層破碎帶、裂隙發育帶、指弱協屢等旱豐粵的災害賦存源(尚彥歪等．2007：錢十慝．2012)．

總結鑽爆法隧道和TBM施工隧道中已有的災害案例，發現隧道施工期突水突泥災害具有“強隱蔽性、強復雜性、強突發性、強破壞性”的四大基本特征，而且還往往引起塌方、冒頂、二次突湧水等次生災害，使得災害效應進一步放大甚至“倍增”，輕者造成不同程度的工期延誤和經濟損失，嚴重者導致機毀人亡，甚至工程停建、改線或報廢。同時，隧道突水突泥也使得隧址區水資源和生態環境受到不同程度的破壞，影響當地居民的正常生產生活。除此之外，若突水突泥災害源在施工期探查不準確或者處置不得當、不徹底，有可能造成隧道運營期重大安全隱患，容易出現運營期漏水、冰凌災害、塌方、結構破壞等嚴重危及交通安全的問題。因此，突水突泥災害已經成為隧道建設所面臨的重大挑戰之一，備受國內外隧道工程同行的關注。

1.2隧道超前地質預報的作用和意義

隧道突水突泥災害的防控是工程地質勘察分析、災害源探測、災變監測與預

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