《岩溶隧道地质预报》PPT课件.ppt

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1、岩溶隧道地质预报岩溶隧道地质预报目录目录1.概述概述2.中国碳酸盐岩分布和隧道地质灾害中国碳酸盐岩分布和隧道地质灾害3.隧道岩溶地质灾害与岩溶发育分布规律隧道岩溶地质灾害与岩溶发育分布规律4.隧道岩溶地质预报关键问题隧道岩溶地质预报关键问题5.隧道岩溶地质预报隧道岩溶地质预报6.隧道施工地质预报若干问题探讨隧道施工地质预报若干问题探讨7.结束语结束语1 概述概述 1.1 定义定义 严格意义而言，隧道地质超前预报指根据隧道所处工程地严格意义而言，隧道地质超前预报指根据隧道所处工程地质、水文地质条件、构造地质条件（质、水文地质条件、构造地质条件（可研阶段可研阶段），隧道勘），隧道勘察、设计成果（察

2、、设计成果（勘察设计阶段勘察设计阶段），隧道开挖揭示的洞身围），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、隧道开挖岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果、隧道开挖工作面及其后方实施的地球物理探测结果、超前钻孔揭示工作面及其后方实施的地球物理探测结果、超前钻孔揭示的隧道施工掌子面前方的地质情况、超前导坑、平行超前的隧道施工掌子面前方的地质情况、超前导坑、平行超前导坑、平行超前施工隧道揭示的地质情况（导坑、平行超前施工隧道揭示的地质情况（施工阶段施工阶段），），运用地质学、数学、物理学、逻辑学、概率学、计算机科运用地质学、数学、物理学、逻辑学、概率学、计算机科学等各学科知识，

3、结合预报人员经验，对隧道施工掌子面学等各学科知识，结合预报人员经验，对隧道施工掌子面前方可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地前方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措施建议和预报结果提出应采取的地质灾害预防和处理措施建议1.2 目的目的 （1）查清隧道施工掌子面前方不良地质体的分布位置、）查清隧道施工掌子面前方不良地质体的分布位置、性质；性质；（2）对施工开挖揭露掌子面前方不良地质体可能带来的地）对施工开挖揭露掌子面前方不良地质体可能带

4、来的地质灾害类型、规模进行判断；质灾害类型、规模进行判断；（3）提出施工开挖方法、灾害预防和治理措施建议）提出施工开挖方法、灾害预防和治理措施建议 （4）避免因对施工开挖揭露掌子面前方不良地质体可能带）避免因对施工开挖揭露掌子面前方不良地质体可能带来的地质灾害，减小灾害发生带来的损失。来的地质灾害，减小灾害发生带来的损失。1.3 必要性必要性 （1）隧道地质条件的复杂性、勘察经费特别是建设周期越）隧道地质条件的复杂性、勘察经费特别是建设周期越来越短导致的勘察周期短，难以对隧道所处工程地质、水来越短导致的勘察周期短，难以对隧道所处工程地质、水文地质条件特别是致灾性不良地质体的分布、性质及致灾文地

5、质条件特别是致灾性不良地质体的分布、性质及致灾可能性完全查清；可能性完全查清；（2）随着我国高速公路建设、客运专线（高速铁路）建随着我国高速公路建设、客运专线（高速铁路）建设和大型水电工程建设的迅猛发展，穿越复杂地质条件的设和大型水电工程建设的迅猛发展，穿越复杂地质条件的山区深埋长大铁路隧道、公路隧道、水工隧洞越来越多；山区深埋长大铁路隧道、公路隧道、水工隧洞越来越多；（3）以人为本，人地协调。确保隧道施工机具设备和人员）以人为本，人地协调。确保隧道施工机具设备和人员的安全，减少因隧道洞内地质灾害造成隧道上方地表生态的安全，减少因隧道洞内地质灾害造成隧道上方地表生态环境的破坏。环境的破坏。1.

6、4 形势形势 （1）领导重视）领导重视 （2）专家呼吁）专家呼吁 （3）业界推行）业界推行 以地质法为基础，以超前钻孔法、超前导坑法、地球物理以地质法为基础，以超前钻孔法、超前导坑法、地球物理探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法，也已成为探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法，也已成为隧道工程界的共识并得到广泛的认同。隧道工程界的共识并得到广泛的认同。隧道施工地质超前预报作为隧道施工工序的重要组成部分隧道施工地质超前预报作为隧道施工工序的重要组成部分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施。2.中国碳酸盐岩分布和岩溶隧道地质灾害

7、中国碳酸盐岩分布和岩溶隧道地质灾害 碳酸盐岩分布、岩溶分区及岩溶类型碳酸盐岩分布、岩溶分区及岩溶类型 碳酸盐岩分布广泛，地表出露面积碳酸盐岩分布广泛，地表出露面积1250000km2，包括，包括覆盖和掩埋的碳酸盐岩分布总面积覆盖和掩埋的碳酸盐岩分布总面积2000000km2，1/5领领土土面面积积 碳酸盐岩广泛分布于各地质年代地层，南方以震旦、泥盆、碳酸盐岩广泛分布于各地质年代地层，南方以震旦、泥盆、石炭、二叠系地层为主，北方以震旦、奥陶系地层为主石炭、二叠系地层为主，北方以震旦、奥陶系地层为主 秦岭淮河以南为南方岩溶区（侵蚀秦岭淮河以南为南方岩溶区（侵蚀-溶蚀型岩溶），以北为溶蚀型岩溶），以

8、北为北方岩溶区（溶蚀北方岩溶区（溶蚀-侵蚀型岩溶）；呼和浩特银川兰州成都侵蚀型岩溶）；呼和浩特银川兰州成都大理以西为西部岩溶区（溶蚀大理以西为西部岩溶区（溶蚀-剥蚀型岩溶）剥蚀型岩溶）。2.2 隧道岩溶地质灾害及其危害隧道岩溶地质灾害及其危害 （1）岩溶充填物围岩变形失稳塌方）岩溶充填物围岩变形失稳塌方 （2）岩溶涌水）岩溶涌水 （3）岩溶涌泥）岩溶涌泥 （4）涌砂）涌砂 （5）隧道洞内泥石流）隧道洞内泥石流 （6）地表塌陷）地表塌陷 （7）地表水源流失及枯竭）地表水源流失及枯竭 隧道洞内岩溶地质灾害的发生，直接坠砸、淹没或掩埋隧隧道洞内岩溶地质灾害的发生，直接坠砸、淹没或掩埋隧道、洞内施工机

9、具设备、人员，造成停工，引发地表塌陷道、洞内施工机具设备、人员，造成停工，引发地表塌陷和地表水源流失和枯竭、地表生态破坏灾害。和地表水源流失和枯竭、地表生态破坏灾害。3.隧道岩溶地质灾害与岩溶发育分布规律隧道岩溶地质灾害与岩溶发育分布规律 隧道岩溶地质灾害与岩溶关系隧道岩溶地质灾害与岩溶关系 （1）岩溶充填物）岩溶充填物围岩变形失稳塌方围岩变形失稳塌方 （2）充水岩溶）充水岩溶岩溶涌水岩溶涌水 （3）充填富水黏土岩溶）充填富水黏土岩溶岩溶涌泥岩溶涌泥 （4）底部充填粉细砂）底部充填粉细砂岩溶涌砂岩溶涌砂 （5）充填富水黏土夹块石）充填富水黏土夹块石隧道洞内泥石流隧道洞内泥石流 （6）隧道洞内涌

10、水、涌泥、涌砂、泥石流）隧道洞内涌水、涌泥、涌砂、泥石流隧道地表塌陷、隧道地表塌陷、水源流失及枯竭水源流失及枯竭3.2 岩溶发育分布规律岩溶发育分布规律 岩溶发育分布控制因素：岩性、地质构造和地下水动力条岩溶发育分布控制因素：岩性、地质构造和地下水动力条件件 （1）岩性与岩溶发育）岩性与岩溶发育 a.质纯厚层石灰岩岩溶最发育，多以溶隙和中小型溶洞为主，质纯厚层石灰岩岩溶最发育，多以溶隙和中小型溶洞为主，并有一定数量的大型溶洞并有一定数量的大型溶洞 b.白云质灰岩及白云岩岩溶次之白云质灰岩及白云岩岩溶次之 c.大理岩岩溶发育较弱大理岩岩溶发育较弱 d.泥质灰岩、泥灰岩及泥质、白云质角砾岩岩溶发育

11、很弱泥质灰岩、泥灰岩及泥质、白云质角砾岩岩溶发育很弱 e.蚀变灰岩、矽卡岩岩溶发育甚微蚀变灰岩、矽卡岩岩溶发育甚微3.2 岩溶发育分布规律岩溶发育分布规律 （2）地质构造）地质构造 a.沿断层破碎带发育沿断层破碎带发育 b.沿褶皱轴部发育沿褶皱轴部发育 c.沿层面构造裂隙发育沿层面构造裂隙发育 d.沿节理裂隙发育沿节理裂隙发育 e.沿可溶岩与非可溶岩接触界面发育沿可溶岩与非可溶岩接触界面发育 （3）地下水动力条件）地下水动力条件 a.垂直循环带垂直循环带:垂直状干岩溶（大溶隙垂直状干岩溶（大溶隙-溶道）溶道）b.混流带混流带:垂直岩溶、水平岩溶、斜岩溶共存垂直岩溶、水平岩溶、斜岩溶共存(大小溶

12、隙大小溶隙-溶溶道道)c.深部循环带深部循环带:小溶隙小溶隙-裂隙裂隙 典型岩溶典型岩溶沿断层破碎带发育沿断层破碎带发育典型岩溶典型岩溶沿可溶岩与非可溶岩接触界面发育沿可溶岩与非可溶岩接触界面发育典型岩溶典型岩溶沿质纯可溶岩层面发育沿质纯可溶岩层面发育典型岩溶典型岩溶沿可溶岩层面发育沿可溶岩层面发育典型岩溶典型岩溶层面和竖直节理面控制岩溶发育形态层面和竖直节理面控制岩溶发育形态4.隧道岩溶地质预报关键问题隧道岩溶地质预报关键问题 隧道岩溶地质灾害的发生与岩溶发育分布位置、岩溶充填隧道岩溶地质灾害的发生与岩溶发育分布位置、岩溶充填物性质直接相关，当然还与隧道施工岩溶地质灾害预防措物性质直接相关，

13、当然还与隧道施工岩溶地质灾害预防措施的选择及实施时机是否恰当相关。显然，根据隧道勘察施的选择及实施时机是否恰当相关。显然，根据隧道勘察设计成果、隧道地表补充地质调查成果，确定隧道岩溶预设计成果、隧道地表补充地质调查成果，确定隧道岩溶预报重点段、采用物探与钻探相结合的方法探测确定岩溶分报重点段、采用物探与钻探相结合的方法探测确定岩溶分布位置和岩溶充填物性质的确定是岩溶隧道地质预报的关布位置和岩溶充填物性质的确定是岩溶隧道地质预报的关键。键。隧道岩溶预报重点段确定隧道岩溶预报重点段确定 a.质纯厚层石灰岩分布段质纯厚层石灰岩分布段 b.断层及其破碎带分布段断层及其破碎带分布段 c.褶皱轴部褶皱轴部

14、 d.可溶岩与非可溶岩接触带可溶岩与非可溶岩接触带 e.节理裂隙密集发育带节理裂隙密集发育带4.隧道岩溶地质预报关键问题隧道岩溶地质预报关键问题 4.2 岩溶分布位置岩溶分布位置 对隧道施工而言，岩溶分布位置，也即岩溶在隧道通过位对隧道施工而言，岩溶分布位置，也即岩溶在隧道通过位置上前、后壁面的位置。置上前、后壁面的位置。4.3 岩溶充填物性质岩溶充填物性质 a.气体（空岩溶）气体（空岩溶）b.水（充水岩溶）水（充水岩溶）c.黏土、泥夹块石、砂（充填岩溶）黏土、泥夹块石、砂（充填岩溶）5.隧道岩溶地质预报隧道岩溶地质预报 5.1 岩溶分布位置探测预报岩溶分布位置探测预报 无论岩溶充填性质如何，

15、均有：无论岩溶充填性质如何，均有：VfVr，岩溶前壁面反射岩溶前壁面反射强，而后壁面无反射或反射极弱。强，而后壁面无反射或反射极弱。即使采用波反射层析成像方法，根据速度等值线图或反射即使采用波反射层析成像方法，根据速度等值线图或反射系数图确定的岩溶洞穴形状，亦是畸变的洞穴形状。系数图确定的岩溶洞穴形状，亦是畸变的洞穴形状。（1）长距离（）长距离（100m100m）宏观指导性界面位置探测预报（地）宏观指导性界面位置探测预报（地震波反射法，如震波反射法，如TSP、TGP)（2）中短距离（）中短距离（303050m50m）追踪界面位置探测预报追踪界面位置探测预报（HSP、陆地声纳）、陆地声纳）（3）

16、短距离（）短距离（30m）界面位置探测预报（地质雷达）界面位置探测预报（地质雷达)（4）钻孔岩溶位置探测确定）钻孔岩溶位置探测确定5.2 岩溶充填物性质预报岩溶充填物性质预报 结合岩溶在地下水动力剖面分带位置判断结合岩溶在地下水动力剖面分带位置判断 （1）垂直循环带：空岩溶，充填黏土、黏土夹块石岩溶；）垂直循环带：空岩溶，充填黏土、黏土夹块石岩溶；灾害主要为岩溶充填物围岩变形失稳塌方、突泥、隧道洞灾害主要为岩溶充填物围岩变形失稳塌方、突泥、隧道洞内泥石流内泥石流 （2）混流带：充水岩溶，岩溶底部沉积黏土质砂或砂夹块）混流带：充水岩溶，岩溶底部沉积黏土质砂或砂夹块石、砂夹卵砾石；灾害主要为岩溶涌

17、水、涌泥、涌砂、隧石、砂夹卵砾石；灾害主要为岩溶涌水、涌泥、涌砂、隧道洞内泥石流道洞内泥石流 （3）深部循环带：充水岩溶，岩溶底部沉积黏土质砂或砂）深部循环带：充水岩溶，岩溶底部沉积黏土质砂或砂夹块石、砂夹卵砾石；灾害主要为岩溶涌水、涌泥、涌砂、夹块石、砂夹卵砾石；灾害主要为岩溶涌水、涌泥、涌砂、隧道洞内泥石流隧道洞内泥石流 根据充填物介电常数（强反射）判断根据充填物介电常数（强反射）判断破碎岩体含水强反射（据赵永贵等）破碎岩体含水强反射（据赵永贵等）深埋隧道岩溶含水体位置岩体温度法预报深埋隧道岩溶含水体位置岩体温度法预报 岩体温度法利用地下水在岩体中的循环流动降低或提高流岩体温度法利用地下水

18、在岩体中的循环流动降低或提高流经位置及其周围一定范围内岩石体温度的作用，根据岩体经位置及其周围一定范围内岩石体温度的作用，根据岩体温度变化曲线进行隧道施工涌水预报。采用隧道址区区域温度变化曲线进行隧道施工涌水预报。采用隧道址区区域地温梯度对隧道洞内围岩岩体温度测试结果进行校正突显地温梯度对隧道洞内围岩岩体温度测试结果进行校正突显隧道施工掌子面前方含水体对围岩岩体温度影响、根据现隧道施工掌子面前方含水体对围岩岩体温度影响、根据现场试验结果采用在最佳深度钻孔底部测试隧道围岩岩体温场试验结果采用在最佳深度钻孔底部测试隧道围岩岩体温度消除隧道洞内施工对围岩岩体温度影响。度消除隧道洞内施工对围岩岩体温度

19、影响。涌水判释一目了然，避免了对预报人员经验的过分依赖。涌水判释一目了然，避免了对预报人员经验的过分依赖。岩体温度法隧道施工涌水预报原理岩体温度法隧道施工涌水预报原理岩体温度法隧道施工涌水判别准则岩体温度法隧道施工涌水判别准则 （1）测线岩体温度变化曲线出现明显连续下降趋势，预示）测线岩体温度变化曲线出现明显连续下降趋势，预示岩体温度变化曲线拐点前方岩体温度变化曲线拐点前方2030m范围内可能存在含范围内可能存在含水体水体 （2）若含水体在隧道（洞）开挖轮廓范围内，直接开挖将）若含水体在隧道（洞）开挖轮廓范围内，直接开挖将导致涌水灾害发生导致涌水灾害发生 （3）若含水体在隧道（洞）开挖轮廓范围

20、外，直接开挖将若含水体在隧道（洞）开挖轮廓范围外，直接开挖将导致沿隧道（洞）周边股状涌水灾害的发生导致沿隧道（洞）周边股状涌水灾害的发生 （4）岩体温度变化曲线出现岩体温度下降，但无连续下降）岩体温度变化曲线出现岩体温度下降，但无连续下降趋势，隧道施工开挖可能遇局部点、线状裂隙涌水；岩体趋势，隧道施工开挖可能遇局部点、线状裂隙涌水；岩体温度变化曲线出现岩体温度连续下降，且含水体在隧道开温度变化曲线出现岩体温度连续下降，且含水体在隧道开挖轮廓范围内，拐点前方挖轮廓范围内，拐点前方2030m左右范围内可能存在左右范围内可能存在含水体，直接开挖可能出现涌水。含水体，直接开挖可能出现涌水。岩体温度法隧

21、道施工涌水预报正反演试验岩体温度法隧道施工涌水预报正反演试验6隧道施工地质预报若干问题探讨隧道施工地质预报若干问题探讨 隧道围岩级别确定隧道围岩级别确定 工程岩体分级标准（工程岩体分级标准（GB 5021895）以岩体完整性、岩石）以岩体完整性、岩石质量作为分级的基本参数，以主要结构面状态、岩体含水质量作为分级的基本参数，以主要结构面状态、岩体含水情况和初始应力状态作为修正参数来进行。情况和初始应力状态作为修正参数来进行。BQ=(90+3RC+250KV)-100(K1+K2+K3)式中：式中：RC岩石单轴饱和抗压强度（岩石单轴饱和抗压强度（MPa）KV岩体完整性指数岩体完整性指数 K1地下水

22、影响修正指标地下水影响修正指标 K2主要软弱结构面产状影响修正指标主要软弱结构面产状影响修正指标 K3初始应力状态影响修正指标初始应力状态影响修正指标隧道围岩级别确定隧道围岩级别确定 根据隧道掌子面调查可确定围岩岩体体积节理数根据隧道掌子面调查可确定围岩岩体体积节理数(JV)），或，或岩石、岩体声波纵波速度，可换算出岩石、岩体声波纵波速度，可换算出Kv；根据预报人员经根据预报人员经验，可估测岩石单轴饱和抗压强度验，可估测岩石单轴饱和抗压强度RC、主要结构面状态、主要结构面状态、岩体含水情况和初始应力状态，给出探测掌子面到前方第岩体含水情况和初始应力状态，给出探测掌子面到前方第一界面间的围岩建议

23、级别，但对第一界面与第二界面间及一界面间的围岩建议级别，但对第一界面与第二界面间及其后界面间工程岩体的分级无从谈起。其后界面间工程岩体的分级无从谈起。切记：切记：（1）围岩岩体地震波速度）围岩岩体地震波速度弹性波纵波速度弹性波纵波速度 （2）电磁波速度）电磁波速度弹性波纵波速度弹性波纵波速度 （3）根据围岩岩体地震波纵横波速比计算得到的岩体泊松）根据围岩岩体地震波纵横波速比计算得到的岩体泊松比、杨氏模量等并不是铁路隧道围岩分级指标。比、杨氏模量等并不是铁路隧道围岩分级指标。隧道施工期地质超前预报的准确率隧道施工期地质超前预报的准确率 影响隧道施工期地质超前预报准确率的因素众多，一方面影响隧道施

24、工期地质超前预报准确率的因素众多，一方面是从业人员知识面、经验及对隧道址区地质背景掌握程度是从业人员知识面、经验及对隧道址区地质背景掌握程度的问题，另一方面则是严密的理论应用于极为复杂的地质的问题，另一方面则是严密的理论应用于极为复杂的地质体所造成。体所造成。提高隧道施工期地质超前预报的准确率，是隧道施工期地提高隧道施工期地质超前预报的准确率，是隧道施工期地质超前预报工作者的愿望和努力的方向，也是隧道工程建质超前预报工作者的愿望和努力的方向，也是隧道工程建设对隧道施工期地质超前预报提出的要求。设对隧道施工期地质超前预报提出的要求。可以设想，一个百分之九九点九准确率的预报，如果因百可以设想，一个

25、百分之九九点九准确率的预报，如果因百分之零点一的预报错误带来重大的人员伤亡事故和经济损分之零点一的预报错误带来重大的人员伤亡事故和经济损失，算得上是成功的预报？失，算得上是成功的预报？人类对大气层的认识，远较对地球内部结构的认识详细，人类对大气层的认识，远较对地球内部结构的认识详细，天气预报尚且如此，况乎隧道地质超前预报？天气预报尚且如此，况乎隧道地质超前预报？7 结语结语 a.我国碳酸盐岩分布广泛，穿越岩溶地层隧道岩溶地质灾害我国碳酸盐岩分布广泛，穿越岩溶地层隧道岩溶地质灾害复杂，危害极大；复杂，危害极大；b.隧道岩溶地质灾害与岩溶发育分布关系密切；隧道岩溶地质灾害与岩溶发育分布关系密切；c.隧道岩溶地质预报的关键是确定岩溶分布位置和岩溶充填隧道岩溶地质预报的关键是确定岩溶分布位置和岩溶充填物性质；物性质；d.采用综合预报方法是确保岩溶隧道地质预报成功的关键。采用综合预报方法是确保岩溶隧道地质预报成功的关键。谢谢！