研究超前地质预报隧道工程论文

隧道施工地质超前预报问题是怎么提出来的?1985年底，铁道部专业设计院邀请著者到军都山隧道现场去看看塌方事故处理工作。著者到现场对军都山隧道正在施工的掌子面进行了考察，听取了工地施工人员的反映，当时在2＃斜井进主洞处正处于停工状态，通不过去，要我们给看看能不能过去。我们做了些地质工作，认为前方也不过是4～5m宽的一条断层带，可以用紧跟支护的办法强行通过。他们按我们的意见办了，结果很快就通过去了。使停工达半年之久的掌子面开始了正常掘进。考察过程中，还了解到这个隧道掘进过程中经常发生塌方、涌水。引起塌方的地质因素是什么?我们经过分析认为，主要有4个：①断层；②大节理；③风化的岩脉；④地下水。这就提出了一个问题，有没有办法对施工掌子面前方的断层、节理、岩脉及地下水做出超前预报?我们经过认真考虑以后，认为是可以办得到的，这就是用地质的办法作超前地质预报。刚提出这个办法时，有人讲是不可能的。他的根据是什么?因为20世纪70年代成昆线隧道施工中就曾碰到过这样的一个问题，塌方、涌水非常严重。曾经成立过一个地质预报组，研究施工过程中掌子面前方地质预报方法和技术问题。当时他们的着眼点是什么?主要是抓前方地质预报的新技术、新方法，结果没有获得成功，而预报组变成了抢险组。因为新技术没有研制成功，预报不了前方的地质条件，塌方、涌水得不到超前控制，塌方、涌水造成的停工不断产生，一出现事故就把他们找去，研究治理对策，他们的工作内容变成了抢险。地质预报组变成了抢险组，地质预报落了空，成了一个梦想。我们这次又提出了地质超前预报，自然就有人怀疑能否成功的问题了。关键在于怎么作，也就是技术路线问题。当时是议论纷纷，有的说要搞物探，有的说要搞水平钻进，有的说要搞平行导洞探测。我们分析了各种方法的使用条件和成功的可能性，决定不把这些技术作为主要预报手段，而把地质素描作为主要手段。因为物探方法主要困难在于掌子面形状太杂乱，搞接触物探耦合问题没有办法解决，非接触物探精度又不高。再有，断层带宽度只要大于30cm，就会引起塌方，而当时物探精度可能测得的断层带宽度要大于，现有物探水平达不到要求测的小断层条件，所以我们否定了这个技术；钻探技术问题，日本青涵隧道曾用过，我国大瑶山隧道也曾用过，效果也不是很理想，特别是对施工有干扰，施工单位也不欢迎；平行导洞我们采用过，结果也不理想，原因是有的平行导洞施工进度常落后于正洞，起不到预报作用；即使超前了，预报的精度也不高，后面我们将介绍这方面资料，在此暂不详述。到底采用什么方法好?经过比较，还是采用以地质方法预报为基础，也就是以地质素描为基础，辅助以风钻孔钻速测量、声波测试等手段开展超前预报工作，这样，获得了比较满意的结果。当时现场要求我们超前预报30m，我们办不到，根据他们施工所用台钻车的条件，用两根钻杆接起来可以超前打15m深，因此，开始时我们是采用15m深的风钻孔测试和地质素描资料分析进行超前预报。后来钻杆接头没有了，就采取8m深的风钻孔测试加地质素描资料分析进行超前预报。工作做得越多，胆子越大。实践结果表明，5m深的风钻孔也就可以满足要求。因为坏的地方摆在你眼前，不需要再作预报，好的地方一次爆破深度也不过2～3m，前方还有2m厚的防护层，基本可以保证施工安全。这样我们就形成了一套简易而又非常有效的隧道施工地质超前预报的方法。概括起来，这个方法就是以洞体地质素描为基础，配合风钻孔的钻速测量、声波测量、压水试验等为辅助的综合超前地质预报方法。

这样一项工作的经济效益是非常大的。以军都山隧道为例，施工的第一年未作地质超前预报工作，5个掘进掌子面停工650多天，占施工日期的40%，就等于两个掌子面全年停工；第二年我们开始研究预报方法，边研究边预报，6个掌子面工作总共停工了129天，仅占施工日期的6%，也就相当于一年里只有半个掌子面停工；施工的第3年，即1986年7月以后，我们全面地开始了地质超前预报工作，在以后的施工中基本没有发生大的塌方。下面举几个预报成功的实例：

（1）隧道掘进过程中曾遇到一条宽达60多米的F9断层破碎带，由于坚持了地质超前预报工作，顺利通过施工，没有发生大的导致停工的塌方。

（2）1986年3月我们对 DK291+162—DK290+805 段长达270m一段围岩的类别做出了预报，定为Ⅳ～Ⅴ类围岩，由于心中有数，施工加快了速度，结果创造了月成洞241m的全国隧道施工记录。

（3）在隧道 DK285+410地段，我们根据地质素描资料预报前方存在有断层交汇带，岩体破碎，建议采用短进尺、强支护的手段进行施工，结果长60m的Ⅱ类围岩顺利通过施工。

上面实例可以说明，隧道施工地质超前预报不仅是可行的，而且是有很大的经济效益与社会效益。下面简单介绍一下军都山隧道施工地质超前预报工作情况。

军都山隧道长，是双线隧道，隧道截面为×11m。隧道经过地段火山岩占70%，地质条件比较复杂。隧道经过地段有三个火山口，对隧道所通过地段的地质条件产生了很大影响。但是这个地区的地质构造还是很有规律的，测绘时见到这个地区存在的断层主要为北西向，少量的是南北向，而东西向和北东向的极少见，在地质图上没有显示。地质图中编号的断层共11条，都是北西向的，北东向的仅有节理。这里应该强调地说一句，隧道开挖过程中间见到了大量的、规模不大的东西向的和北东向的小断层和大节理。这表明地面测绘结果不能完全反映地下的情况。我们第一次去考察时，他们把隧道线路地质图给我们看了一下，问我们哪些地方在施工过程中会出现麻烦，哪些地方是危险地段。我们根据看到的印象和他们提供的1∶2000的地质图，当时明确地提出了这条线路上存在5个施工困难地段。第一个是进口处，岩体风化破碎，节理面内夹泥，岩体松动，而且还有少量地下水，这个地段施工时要注意产生塌方；第二个施工困难地段是隧道通过黄土地段，这个地段有地下水，施工时会遇到困难，主要困难是洞壁收敛变形大，洞体成型困难；第三个施工困难地段是小金房沟地段，那里存在一个断层束，而且泉水溢出比较多，地势低，说明岩体破碎，有可能是隧道施工最困难的地段，塌方、涌水都会出现，施工中必须作好预防塌方措施准备；第四个施工困难地段是花岗岩与火山岩接触带，这个地方图上没有绘出断层，而在附近画有一条断层，这里有不少泉水溢出，而溢出点不在断层带上而在花岗岩与火山岩接触带上，这儿地形也偏低，地下岩体肯定是比较破碎的，施工通过这个地方时也有可能产生塌方和涌水；第五个施工困难地段是隧道出口处，这儿是由花岗岩组成的，但是有大量基性岩脉穿插，主要为煌斑岩，在这个地区煌斑岩脉风化都比较厉害，而且路边上也可见到泉水溢出。这个地方也可能出现比较大的塌方，但因为这儿地势较低，地下水量和水头都不大，而不会产生涌水。今天，军都山隧道已经竣工，施工结果证明，当时做出的判断是正确的，实际上这也是一种预报，是战略性预报。可以帮助施工单位作好施工抢险准备，避免问题出现时措手不及。在作了上面预报的3个月以后，我们到现场落实地质超前预报研究工作，来到出口段时，这时出口段正好发生了一次大塌方，从地下塌到山顶，塌方产生的原因就是掘进中截断了一条倾向洞外的煌斑岩脉，这条煌斑岩脉已经风化成泥状了，开挖过程中首先在洞底出现，施工人员没有重视，没有及时支护处理，在放第二炮时就发生了大塌方，主要是上盘部分大量滑塌下来。这个塌方造成停工达1个半月之久。当时工地停工一天损失约5万元。这次塌方停工造成的损失就达200多万元。我们目前存在一个问题，施工中出现了事故造成200多万元损失好像是合法的，为了避免事故提前作一点科研和技术工作，申请一点儿投资那是难上加难，而且先期作点预报性工作，预报准了，避免了塌方，多数是不承认的，因为没有塌。谁也没有看见造成什么损失，怎么好承认，这是隧道施工地质预报工作的又一难题。实际上这是一个重大认识误区。以前的施工没有地质超前预报，对前方地质情况不太了解，掘进带有很大的盲目性，盲目的掘进就避免不了不出事故。地质超前预报实际上是帮助施工单位查明掌子面前方的地质情况，情况明了，就可以做到有科学依据、有准备、有计划地掘进，克服了盲目性。实际上施工地质超前预报工作具有隧道施工发展划阶段的作用，也就是由盲目的掘进转变为有科学依据的掘进。这在军都山隧道施工中和以后的其他隧道施工中都具有重要意义。

上面讲到，地面测绘观察到的地质构造和地下开挖揭露出来的地质构造情况不完全一样，现在来举几个实例说明一下。下面几个资料是在军都山隧道工作中取得的，如图9-1所示，a表明地面测绘统计得的节理间距大约主要为～ m，c是在地下统计得的大节理间距主要为～ m，a与c的分布规律大本相似；b为地下统计得的所有的节理的分布情况，主分布的节理间距为～ m，这是为什么?b 统计的资料中有很大假象，这种小间距的节理实际上是施工爆破引起的。地上、地下节理对比时应采取较大的节理，大节理间距的分布是较相近的。这个特征我们可以从下面两张节理统计极点投影图上看得更清楚。图9-2的资料说明地表的构造，特别是小小构造，大节理、小断层，地下见到的与地表见到的不一样。前面已经谈过小金房沟地段，地面见到的断层仅有5条，而地下开挖遇到的有100多条，断层带宽度达2 m以上的也有几十条，这说明它们之间的差别是相当大的。由于有这么多差异，所以我们提出要作施工地质超前预报。施工地质预报

图9-1 地上与地下节理间距分布对比

图9-2 2＃斜井地段地表和地下节理统计

工作量很大，说起来容易，实际作起来可不那么简单。为了统一管理我们编写了《军都山隧道快速施工地质超前预报指南》，有了《指南》施工单位下死命令将地质超前预报纳入为一道工序，硬性规定必须贯彻执行。这是一个非常重要的条件，没有施工部门的配合，方法再好也发挥不了作用。这个《指南》现在已经由铁道出版社正式出版，铁道部基建局决定推广这一技术。应该说这是隧道施工中的一个重大举措。它将对我国隧道建设事业发挥重要作用。