_隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势_隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

第33卷第6期岩石力学与工程学报Vol.33No.62014年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2014收稿日期：2013–10–21；修回日期：2013–12–27基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036002，2014CB046901)；国家重大科研仪器设备研制专项(51327802)作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事地下工程灾害防治及应用地球物理方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势李术才1，刘斌1，孙怀凤1，聂利超1，钟世航1，苏茂鑫1，李貅2，许振浩1(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061；2.长安大学地质工程与测绘工程学院，陕西西安710054)摘要：超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节，对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。在收集整理国内外研究资料的基础上，总结钻爆法和TBM施工隧道的超前地质预报技术的研究现状。钻爆法施工隧道超前预报技术取得较大进展，涌现出一批专用的反射地震类、电磁类和电法类超前探测地球物理方法、技术与设备，逐步形成定量化探测思想和综合超前预报技术。认为基于多元地球物理信息融合与联合反演理论的综合超前地质预报技术是压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径；激发极化技术和核磁共振技术则由于其参数对水量的响应敏感性在定量探测水量方面显示出较好的应用前景。同时，TBM施工环境具有其特殊性和复杂性，少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要，总体上处于初步研究阶段，尚没有可用、可靠、有效的超前预报技术。结合课题组的研究特色，介绍3种自主研发的钻爆法隧道超前预报技术的最新进展及其用于TBM环境的可行性，提出了四阶段全过程的隧道综合超前地质预报体系，初步形成基于约束联合反演理论的综合预报方法，在钻爆法施工隧道定量化超前预报方面进行有益探索。最后，对隧道施工超前地质预报的发展趋势及其中的关键问题进行预测，认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势：(1)隧道施工定量化超前预报理论与技术的发展深化；(2)TBM施工隧道超前地质预报技术与装备；(3)钻孔精细超前探测理论与技术；(4)实时超前地质预报与施工灾害监测技术。关键词：隧道工程；隧道施工超前地质预报；研究现状；发展趋势；定量化探测技术；TBM施工环境超前地质预报中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2014)06–1090–24STATEOFARTANDTRENDSOFADVANCEDGEOLOGICALPREDICTIONINTUNNELCONSTRUCTIONLIShucai1，LIUBin1，SUNHuaifeng1，NIELichao1，ZHONGShihang1，SUMaoxin1，LIXiu2，XUZhenhao1(1.ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering，ShandongUniversity，Jinan，Shandong250061，China；2.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics，ChanganUniversity，Xian，Shaanxi710054，China)Abstract：Advancedgeologicalpredictionhasbeenanessentialpartintunnelconstructionandhasplayedanimportantroleinaspectsofinformativeconstruction，disasterpreventionandsafetyguaranteeintunnelingengineering.ThestateoftheartandthetrendsofadvancedgeologicalpredictionindrillingandblastingtunnelingandTBMtunnelingaresummarizedaccordingtotheavailabledata.Greatprogresshasbeenmadeintheadvancedgeologicalpredictionindrillingandblastingtunnelingwiththeemergenceofasetofspecialmethods，technologiesandequipments，suchasthereflectionseismicmethod，theelectromagneticmethodandtheelectricalDOI:10.13722/j.cnki.jrme.2014.06.003第33卷第6期李术才等：隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势•1091•resistivitymethod，whichgraduallyledtoachievequantitativedetectionandformamethodofcomprehensiveadvancedgeologicalprediction.Thecomprehensiveadvancedgeologicalpredictionbasedonthefusionofmultiplegeophysicalinformationandthemethodofcombinedinversionwasconsideredanappropriatewayforsuppressingthemultiplesolutionsandenhancingthereliabilityofadvancedprediction.Themethodsofinducedpolarizationandnuclearmagneticresonancehaveshowngreatprospectsinthequantitativedetectionofwaterbecauseofthesensitivityresponseofitsparameters.DuetotheparticularityandcomplexityintheenvironmentofTBMtunnelconstruction，somespecialdetectingtechnologiesdidnotmeettherequirementsofengineeringpracticewhichareatthepreliminarystageofstudyandtherehavebeennoreliableandeffectivetechnologiesforadvancedpredictionavailablegenerally.ThelatestdevelopmentsinourgroupregardingthreekindsofadvancedpredictiontechnologyindrillingandblastingtunnelinganditsapplicabilitytoTBMtunnellingweredescribedhere.Asystemofcomprehensiveadvancedgeologicalpredictionwithfourstageswasproposedbasedonthetheoryofconstrainedjointinversion.Thefuturestudiesareconsideredtobeinthefollowingfourdirections：(1)thefurtherdevelopmentofcomprehensivequantitativedetectionduringtunnelconstruction；(2)thetechnologiesandequipmentsofadvancedgeologicalpredictioninTBMtunnelling；(3)thetheoryandtechnologyofprecisionprobingatdrilling；(4)therealtimeadvancedpredictionandconstructiondisastermonitoring.Keywords：tunnellingengineering；advancedgeologicalpredictionduringtunnelconstruction；stateoftheart；developmenttrends；quantitativedetectiontechnology；advancedgeologicalpredictioninTBMtunnel1引言我国将于几十年内在铁路公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程以及其他领域修建大量的隧道(洞)工程。据预测，2008～2020年，仅铁路领域新建隧道将达到10000km，我国已成为世界上隧道修建规模和难度最大的国家。随着隧道建设科技的进步和规划建设重点的转移，今后我国隧道工程建设的主要技术挑战和趋势体现在3个方面[1-8]：(1)隧道建设重点向地形地质条件复杂的西部山区和岩溶地区转移，深长隧道工程大量涌现，如已经开工的成兰铁路，隧线比近50%，单洞超过10km隧道13座，最长隧道28.4km，最大埋深1900m；(2)由于跨区域交通的需求，东部地区正在建设或者规划一批跨海隧道或越江隧道工程，如已经建成的厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道，正在规划的烟台——大连跨海隧道等；(3)相对于钻爆法施工，国际上公认隧道掘进机(tunnelboringmachine，TBM)施工方法具有“掘进速度快、施工扰动小、成洞质量高、综合经济社会效益高”等显著优势，随着钻爆法人力成本的快速增加，未来我国将越来越多地采用掘进机施工方法。据不完全统计，未来我国可用掘进机开挖的隧道超过6000km，掘进机的需求量超过200台。随着深长山岭隧道和跨海隧道等高难度隧道工程的建设，对工程地质勘察提出了更高的要求。然而由于山高洞长、地形地质条件复杂以及地表勘察技术手段有限，在施工前期难以对工程区域的工程地质情况有全面准确的掌握，加之断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体具有较强的隐蔽性，很难做到对隧道沿线不良地质情况的准确揭示。通常，断层、破碎带、岩溶含水体等不良地质体是主要的灾害赋存源，在隧道施工扰动下有可能诱发突水突泥、塌方等严重的地质灾害，给隧道施工带来严重的生命财产损失。为了更加有效地掌握隧道施工期间掌子面前方的地质情况，实现减少或杜绝施工期地质灾害、保障生产安全的目的，从20世纪70年代开始人们注重隧道施工过程中超前地质探测理论、技术研究及工程实践工作。超前导洞、超前钻探方法最先被用来勘探掌子面前方的地质情况，由于其经济和时间成本都很高，人们逐步研发了无损地球物理超前探测技术，包括地震发射类、电磁类、直流电法类等，并大量应用于工程实践。隧道施工期间地球物理超前地质探测技术并非地表地球物理勘探技术的简单移植或改造，严格来讲，隧道探测环境是三维全空间，地震波场、电磁场、电场等地球物理场的时空分布与地表半空间探测环境大不相同，隧道掌子面前方异常体的地球物理响应规律需开展针对性研•1092•岩石力学与工程学报2014年究。同时隧道内掌子面较小，很难设计对掌子面前方异常体响应敏感的观测模式，且隧道结构和支护大多为钢材，电磁干扰较严重。TBM施工环境更为复杂，观测空间几乎被TBM机械占满，庞大金属机械系统产生复杂的电磁环境。本质上讲，隧道施工期超前地质预报技术是传统地球物理勘探技术的创新，人们致力于优选可用的超前探测地球物理方法，探索有效的洞内观测模式，研究专用的反演理论与解译方法，开发相关探测仪器和装备，开展大量的现场实践与工程服务。总体而言，目前钻爆法施工