深埋長(zhǎng)隧洞主要工程地質(zhì)問題與勘察和施工方法

深埋長(zhǎng)隧洞

主要工程地質(zhì)問題與勘察和施工方法

耿克勤

目錄一、前言二、深埋長(zhǎng)隧洞主要不良工程地質(zhì)問題三、TBM對(duì)深埋長(zhǎng)隧洞地質(zhì)條件適應(yīng)性分析與對(duì)策

四、深埋長(zhǎng)隧洞的勘察思路和方法

五、施工方法的選擇

六、結(jié)束語(yǔ)七、建議一、前言所謂深埋特長(zhǎng)隧洞是指埋深超過400m，長(zhǎng)度10km以上的隧洞。隨著我國(guó)水利水電工程的開展，深埋長(zhǎng)隧洞大量出現(xiàn)，單洞長(zhǎng)度已由20世紀(jì)80年代的10多千米開展到現(xiàn)在的80多千米;隧洞埋深最大已接近3000m，隧洞工程地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，不良工程地質(zhì)問題已成為工程的重要制約因素。因此，勘察、認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)這些問題和采取正確的工程對(duì)策已十分重要。鐵路隧洞的建設(shè)水平始終處于隧洞工程建設(shè)的前列。高速鐵路需要平緩的坡度和順直的路線,當(dāng)穿越高山時(shí)往往需要建設(shè)長(zhǎng)隧洞。目前世界上已建、在建的長(zhǎng)度超過20km的隧洞見表1。表1世界上已建、在建的深埋長(zhǎng)隧洞

瑞士圣哥達(dá)隧洞洞內(nèi)施工圖

瑞士圣哥達(dá)鐵路隧道橫剖面圖12345南水北調(diào)西線工程共分三期。第一期工程從雅礱江的支流達(dá)曲、泥曲和大渡河的支流杜柯河、麻爾曲、阿柯河調(diào)水，總調(diào)水量40億m3。由“五壩七洞一渠〞串聯(lián)而成，壩高63～123m，輸水線路總長(zhǎng)260.3km，其中隧洞長(zhǎng)244.1km，明渠16.1km，渡槽0.12km。第一期工程河流示意圖

“五壩〞即引水河流的五座引水樞紐，為達(dá)曲的阿安、泥曲的仁達(dá)、杜柯河的上杜柯、麻爾曲的亞爾堂、阿柯河的克柯引水樞紐；引水樞紐的壩高分別為115m、108m、104m、123m、63m。調(diào)水量分別為7億m3、8億m3、11.5億m3、11.5億m3、2億m3。

“七洞〞即利用線路通過的支流使隧洞自然分為七段，為長(zhǎng)13.6km的達(dá)曲～泥曲段、長(zhǎng)73km的泥曲～杜柯河段、長(zhǎng)33.2km的杜柯河～結(jié)壤段、長(zhǎng)3km的結(jié)壤～麻爾曲段、長(zhǎng)55.4km的麻爾曲～阿柯河段、長(zhǎng)15.5km的阿柯河～假設(shè)果郎段、長(zhǎng)50.4km的假設(shè)果郎～賈曲段，七段隧洞總長(zhǎng)244.1km，最長(zhǎng)洞段73km，穿越雅礱江和大渡河的分水嶺，位于泥曲～杜柯河之間。大丫口子上壩址

引水隧洞中心線工程地質(zhì)剖面圖金頂水電站

引水長(zhǎng)隧洞1-1/工程地質(zhì)剖面圖金頂水電站

引水長(zhǎng)隧洞2-2/工程地質(zhì)剖面圖2深埋長(zhǎng)隧洞主要不良工程地質(zhì)問題

深埋長(zhǎng)隧洞可能存在的工程地質(zhì)問題主要有：圍巖大變形、塌方、巖爆、高外水壓力、突水、突泥和涌水、高地溫、巖溶、膨脹巖、有害氣體、有害水質(zhì)、放射性危害等。如二十世紀(jì)七十年代修建的瑞士圣哥達(dá)鐵路隧道，施工期間曾遭遇到屢次大涌水、塌方災(zāi)害，地溫也高達(dá)30.7℃，施工期間致死310人，至殘877人，工程承包商因此工程而破產(chǎn)。值得注意的是，在高地應(yīng)力條件下，甚至某些中硬巖也存在發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的可能。2.1大斷層帶圍巖失穩(wěn)及涌水問題

斷層破碎帶是諸多問題的關(guān)鍵所在，大變形、塌方、突涌水、高外水壓力、巖溶、有害氣體等，往往與斷層有直接或間接的關(guān)聯(lián)。對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞穿越寬大的區(qū)域性斷層概率很高，這些斷層是關(guān)系到工程成敗的關(guān)鍵地質(zhì)因素。

例如天津引灤入津隧洞F1~F10斷層交匯帶和F9～F11斷層交匯帶，寬度分別為220m和150m，涌水量50～100m3·s-1，大塌方十余次，是該工程最大的難點(diǎn)。萬(wàn)家寨引黃入晉工程摩天嶺斷層曾塌方卡住TBM機(jī)頭，工程處理3個(gè)多月。南水北調(diào)東線穿黃工程，隧洞中斷層規(guī)模雖然不大，但股狀壓力涌水，是該隧洞最主要的工程問題。(1)斷層規(guī)模更加巨大，其延伸長(zhǎng)度逾數(shù)百千米，斷層破碎帶及影響帶寬度幾十至數(shù)百米，甚至到達(dá)1000m以上。這些斷層往往是不同地質(zhì)構(gòu)造單元的分界性斷裂，切割深，具多期活動(dòng)性。這些斷層無(wú)論對(duì)鉆爆法和TBM法施工困難和風(fēng)險(xiǎn)均很大。

(2)大的斷層往往為地下水的逸流與儲(chǔ)存創(chuàng)造了有利條件;特別是在碳酸鹽巖地區(qū)斷層帶富水性高，隧洞圍巖失穩(wěn)與突水突泥危害性大。(3)一般淺埋隧洞地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，受大氣降水和地表水影響顯著，涌水的突發(fā)生強(qiáng)。而深埋隧洞因受地應(yīng)力影響，巖體的滲透性和富水均較弱，地下水活動(dòng)性也隨之減弱，使隧洞涌水量變小。但是值得注意的是深埋隧洞滯后涌水也是一種常見的現(xiàn)象。例如萬(wàn)家寨引黃入晉工程北干線1號(hào)隧洞斜穿一條灰?guī)r的撓曲斷裂破碎帶，長(zhǎng)約700m的洞段開挖后7個(gè)月之內(nèi)涌水量很小，進(jìn)行襯砌作業(yè)是很容易的，7～18個(gè)月期間隧洞涌水量由24m3·h-1逐漸增大；幾次強(qiáng)力抽水產(chǎn)生的負(fù)壓真空使隧洞涌水量猛增至480m3·h-1，從而使隧洞襯砌作業(yè)發(fā)生嚴(yán)重困難。這個(gè)實(shí)例說明隧洞穿過富水性強(qiáng)的地段時(shí)，及時(shí)襯砌封堵圍巖是非常重要的。

(4)我國(guó)西部地區(qū)活動(dòng)性斷層多，規(guī)模大，由于隧洞線路多與之垂直布置，而無(wú)法避開。這些斷層往往對(duì)地形地貌、地層分布和水文地質(zhì)條件起控制作用，隧洞穿過此種構(gòu)造地段難度相對(duì)較大。此外，現(xiàn)代活動(dòng)性斷層的變形分蠕變和錯(cuò)斷兩種;前者對(duì)隧洞產(chǎn)生緩慢的破壞;后者對(duì)工程危害性大。為此，查明隧洞地區(qū)活動(dòng)性斷層的分布與變形速率是很重要的?？傊┕r(shí)應(yīng)具備對(duì)大斷層的超前探測(cè)與超前處理的能力。2.2巖溶及突水突泥問題

該問題在灰?guī)r地區(qū)十分突出。我國(guó)天生橋二級(jí)發(fā)生隧洞巖溶突水突泥影響工期達(dá)2年之久。萬(wàn)家寨引黃入晉工程南干線6號(hào)隧洞具有松散充填物的古巖溶，致使多處TBM隧洞發(fā)生沉陷變形。未充填巖溶洞給TBM掘進(jìn)帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)，在掘進(jìn)過程中，時(shí)刻關(guān)注著前方的每一變化，以防TBM發(fā)生下沉事故。巖溶目前對(duì)灰?guī)r地區(qū)巖溶的勘察能夠從宏觀上查明巖溶的發(fā)育情況。而對(duì)大量巖溶洞的分布位置、規(guī)模和充填物的性質(zhì)還是要在施工中去發(fā)現(xiàn)去處理。所以對(duì)巖溶問題施工中的超前探測(cè)與處理是非常重要的。表2我國(guó)局部隧道及礦山水文地質(zhì)災(zāi)害一覽表2.3高地應(yīng)力條件下軟質(zhì)圍巖變形隧著地下工程向深部開展，軟質(zhì)圍巖變形及其穩(wěn)定性控制越來(lái)越突出。高地應(yīng)力條件下軟質(zhì)巖工程性質(zhì)十分復(fù)雜，其主要原因是：(1)它既有與巖石本身有關(guān)的地層、巖性、礦物成分、水理性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度等多方面的內(nèi)容，也有應(yīng)力和應(yīng)力變化引發(fā)圍巖狀態(tài)和性質(zhì)改變的許多內(nèi)容。(2)對(duì)高地應(yīng)力條件的軟質(zhì)巖目前還沒有完善的定義。按圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(S)的概念：式中：為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)，為巖體完整系數(shù)，為圍巖最大主應(yīng)力(MPa)。在隧洞圍巖壓力集中部位，當(dāng)圍巖S<4時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超限，形成塑性區(qū)，圍巖穩(wěn)定性差;當(dāng)S<2時(shí)，圍巖變形顯著，圍巖不穩(wěn)定。隨著地下工程向深部開展，圍巖S值可能更小，變形將更加嚴(yán)重。(3)目前人們對(duì)深部地應(yīng)力情況了解的很少，特別是地下洞室開挖后，三維的地應(yīng)力變化情況很難了解清楚。(4)深埋地下洞室軟質(zhì)巖變形往往具有變形量大，變形期長(zhǎng)、變形形態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，因而也帶來(lái)了“支護(hù)難〞。萬(wàn)家寨引黃入晉總干線6號(hào)隧洞N2紅土洞段，因土層含水量偏高(19%左右)，在埋深80～100m條件下，TBM管片襯砌后很快被壓裂，管片之間最大錯(cuò)距達(dá)90mm。后來(lái)，對(duì)管片進(jìn)行了撤除和人工襯砌。圍巖變形折斷的鋼支撐2.4巖爆

巖爆是在一定的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力場(chǎng)和深埋洞室施工開挖臨空條件變化造成瞬間圍巖壓力集中，改變了圍巖周圍的應(yīng)力狀態(tài)和性質(zhì)等條件下產(chǎn)生的。通過發(fā)生巖爆的工程實(shí)例分析認(rèn)為：巖爆(1)地下洞室多分布在構(gòu)造活動(dòng)(水平及垂直升降運(yùn)動(dòng))比較強(qiáng)烈的地區(qū)。我國(guó)西部地區(qū)發(fā)生巖爆的實(shí)例最多。(2)據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在巖漿巖中的巖爆約占70%，新鮮堅(jiān)硬的變質(zhì)巖和沉積巖中約占30%。巖爆巖體的縱波速度多在5000～6000m·s-1，甚至更高一些。(3)在大型壓性斷層下盤的隧洞工程發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的實(shí)例較多。巖爆(4)在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地形高差懸殊的地區(qū)，分布在邊坡應(yīng)力集中帶中的隧洞也容易發(fā)生巖爆，如岷江的太平釋等。(5)隧洞埋深雖然不是巖爆發(fā)生的唯一條件，但眾多實(shí)例顯示，埋深大的隧洞產(chǎn)生巖爆的強(qiáng)度和頻率往往較高。(6)巖爆多發(fā)生在枯燥無(wú)水巖體完整的洞段。巖爆(7)據(jù)秦嶺隧道經(jīng)驗(yàn)，鉆爆法隧洞巖爆發(fā)生的頻率和危害性均較TBM法嚴(yán)重，TBM法施工巖爆危害程度可以大大降低。現(xiàn)在采用的雙護(hù)盾TBM,對(duì)巖爆有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。根據(jù)我國(guó)目前籌劃的深埋長(zhǎng)隧洞特點(diǎn)來(lái)看，巖爆問題不可防止，施工中必須有應(yīng)對(duì)強(qiáng)烈?guī)r爆的能力。2.5隧洞地溫問題

當(dāng)隧洞中原始地溫到達(dá)28℃時(shí)，施工中就要采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?當(dāng)?shù)販氐竭_(dá)35℃,濕度80%時(shí)就會(huì)對(duì)作業(yè)人員的健康和平安產(chǎn)生危害，同時(shí)使機(jī)械效率降低和勞動(dòng)生產(chǎn)率下降。隨著隧洞工程向深部開展，地溫危害的報(bào)導(dǎo)日趨增多。我國(guó)方案興建的錦屏二級(jí)水電站引水隧洞，在勘探平硐中，由于受地下水深循環(huán)的影響，在1200m埋深處，洞溫僅12℃～13℃，出現(xiàn)地溫負(fù)異?，F(xiàn)象。初步分析，在我國(guó)西部地區(qū)許多深埋長(zhǎng)隧洞由于地勢(shì)高，氣溫低，山頂?shù)貐^(qū)積雪覆蓋時(shí)間長(zhǎng)，地表水及地下水溫度很低，因此將會(huì)存在與錦屏類似的地溫負(fù)異常帶。高地溫表3地下工程高地溫問題2.6有害氣體問題天然形成的有害氣體一般賦存于產(chǎn)生這些氣體的源巖和巖體的孔隙裂隙中，也有少量溶于地下水中。當(dāng)?shù)叵露词议_挖后，有害氣體在地應(yīng)力的作用下就會(huì)迅速或緩慢地向地下洞室(低壓區(qū))中釋放和溢出。通過實(shí)踐人們認(rèn)識(shí)到有害氣體有時(shí)運(yùn)移距離很大，所以在許多不含有害氣體源巖的地層中開挖洞室也會(huì)遇到有害氣體問題。有害氣體有害氣體的種類多種多樣，其中危害大的主要有煤層瓦斯(CH4)、石油天然氣(nCH4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、二氧化硫(S02)、硫化氫(H2S)等。在地質(zhì)勘察時(shí)，首先要查明隧洞及其附近地區(qū)是否存在生成有害氣體的源巖；并且要注意有無(wú)將有害氣體引向隧洞區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件。在施工中及時(shí)封閉圍巖、加強(qiáng)通風(fēng)和監(jiān)測(cè)是十分重要的。隧洞施工通風(fēng)布置圖2.7膨脹巖問題

我國(guó)北方(包括西北地區(qū))膨脹巖主要分布在二疊、三疊、侏羅、白堊及第三系中。巖性為富含蒙脫石和石膏的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粘土巖等。通過工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)到，盡可能地減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)和采取防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使圍巖的含水量不發(fā)生較大的變化，是可以減少甚至防止膨脹巖的危害。這種方法和措施是能夠有效地防止膨脹巖枯燥活化作用的發(fā)生，從而抑制了膨脹巖膨脹作用的發(fā)揮。例如萬(wàn)家寨引黃入晉工程7號(hào)隧洞工程已成功地解決了膨脹巖的危害。2.8放射性元素危害問題

2.9隧洞高外水壓力問題

地下水作用于隧洞襯砌上壓力稱外水壓力。深埋隧洞往往具較大的外水壓力，致使隧洞襯砌破壞。例如引黃入晉工程7號(hào)隧洞，地下水位水頭為60～300m，隧洞開挖中的涌水量均不大，但在外水壓力實(shí)測(cè)值超過60m的洞段，TBM襯砌管片有的發(fā)生擠壓破壞;引灤入津隧洞工程，在外水壓力幾十米水頭的情況下，使約4000m城門洞型隧洞底板襯砌產(chǎn)生鼓起破壞。地下水地下水對(duì)隧洞襯砌的不利影響是顯而易見的，而外水壓力的量值目前還不易計(jì)算準(zhǔn)確。在工程處理方法上采取堵排結(jié)合的方法是可行的，只排(打排水孔)不堵(接觸灌漿與固結(jié)灌漿)往往造成大面積地下水位的下降，惡化水文地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境。3TBM對(duì)深埋長(zhǎng)隧洞地質(zhì)條件適應(yīng)性分析與對(duì)策

由于深埋長(zhǎng)隧洞地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，目前還沒能夠適應(yīng)各種地質(zhì)條件的所謂萬(wàn)能TBM,就我國(guó)目前使用的基巖掘進(jìn)機(jī)(雙護(hù)盾TBM、單護(hù)盾TBM和開敞式TBM)對(duì)地質(zhì)條件的適用性可分三種情況：TBM掘進(jìn)(1)適用性好：可以說完整---比較完整的基巖隧洞、甚至比較破碎但具有較高承載力的基巖隧洞均適合TBM掘進(jìn)，其工作效率大大高于鉆爆法，引黃入晉隧洞曾創(chuàng)造月進(jìn)尺逾千米的世界記錄。(2)適用性較差：TBM穿過具有嚴(yán)重不良地質(zhì)問題的洞段往往需要進(jìn)行超前探測(cè)和處理，否那么會(huì)發(fā)生掘進(jìn)事故和質(zhì)量事故，造成隧洞進(jìn)行缺陷處理。TBM掘進(jìn)(3)根本不適用：一般指使用TBM時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械和工程質(zhì)量事故的地段。上述根本不適用TBM的隧洞段應(yīng)采用人工開挖法施工代替。參觀瑞士圣哥達(dá)隧洞TBM掘進(jìn)TBM掘進(jìn)機(jī)鉆頭

國(guó)內(nèi)正在施工的引黃入晉隧洞，最長(zhǎng)洞段43km。已竣工的引大入秦工程，洞徑5.53m，洞長(zhǎng)11.65km，埋深51～330m。秦嶺鐵路隧洞長(zhǎng)18km，直徑9～10m，開敞式TBM施工。14.17m南水北調(diào)西線深埋長(zhǎng)隧洞，高寒缺氧，不適于重體力勞動(dòng)，應(yīng)盡力減少空氣污染，采用TBM法施工是適宜的。本工程采用雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)開挖。TBM對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性分析與對(duì)策大致分3個(gè)局部：第一，地質(zhì)人員應(yīng)查明或根本查明深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)條件與問題，要求在隧洞工程地質(zhì)剖面中分段加以說明。對(duì)主要不良地質(zhì)問題的危害作出評(píng)價(jià)。TBM掘進(jìn)第二，設(shè)計(jì)人員根據(jù)隧洞各種條件，確定隧洞設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出施工方法和TBM選型的主要要求，同時(shí)提出改善不良地質(zhì)條件的措施方法等。第三，承包商根據(jù)設(shè)計(jì)文件，選擇適應(yīng)大局部隧洞地質(zhì)條件的TBM機(jī)型，確定隧洞施工方案，并在施工中不斷改進(jìn)完善施工方案和對(duì)策措施。4深埋長(zhǎng)隧洞的勘察思路和方法深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察特點(diǎn)與難點(diǎn)

深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察特點(diǎn)與難點(diǎn)

⑶隨深度增加，隧洞工程地質(zhì)問題更為復(fù)雜，可借鑒的工程實(shí)例不多，而分析和評(píng)價(jià)理論還不夠完善，分析評(píng)價(jià)方法尚需探索；⑷采用TBM施工是深埋長(zhǎng)隧洞工程開展趨勢(shì)。相對(duì)于鉆爆法而言，TBM施工對(duì)勘察成果的精度要求更高；深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察特點(diǎn)與難點(diǎn)

⑸勘察經(jīng)費(fèi)缺乏，勘察工作量和勘察方法選擇受到限制；⑹鑒于上述因素，深埋長(zhǎng)隧洞洞身圍巖地層巖性、構(gòu)造等較難查清，其物理力學(xué)參數(shù)的獲得相對(duì)困難，對(duì)于工程地質(zhì)問題的分析評(píng)價(jià)合理性和準(zhǔn)確性相對(duì)不高。因此，不管從哪個(gè)角度講，大埋深超長(zhǎng)隧洞的勘察設(shè)計(jì)具有一定的難度。表2

不同勘測(cè)階段采用的主要勘察方法4.1遙感地質(zhì)方法

衛(wèi)星遙感影像目前常用的衛(wèi)星遙感影像種類主要是可見光、紅外和雷達(dá)圖像，產(chǎn)品一般有3~4個(gè)處理級(jí)，如LANDSAT、SPOT有四級(jí)，客戶可以根據(jù)自己的需要和處理能力選擇。雷達(dá)圖像具有全天候，分辨率較高的優(yōu)點(diǎn)，尤其是森林覆蓋地區(qū)其優(yōu)越性更為明顯，缺點(diǎn)是費(fèi)用高，現(xiàn)成的數(shù)據(jù)少。衛(wèi)星遙感影像市場(chǎng)上提供的可見光衛(wèi)星產(chǎn)品最為豐富，地面分辨率有0.6m、1m、2.5m、5m、10m、15m、20m等，大體相當(dāng)于1:5000~1:100000精度。測(cè)繪和調(diào)查應(yīng)充分利用已有資料和航空航天數(shù)據(jù)信息，目前法國(guó)的SPORT5數(shù)據(jù)精度已到達(dá)2.5m，美國(guó)的快鳥已經(jīng)對(duì)我國(guó)開放，其數(shù)據(jù)精度已到達(dá)0.61m；幾套數(shù)據(jù)聯(lián)合運(yùn)用可以提出非常豐富的高質(zhì)量的根底信息，通過地質(zhì)解譯和調(diào)繪可完成地質(zhì)測(cè)繪成果。4.2物探、化探及放射性探測(cè)

物探物探不能認(rèn)為探測(cè)深度達(dá)不到隧洞高程就沒有意義，可以通過隨深度變化趨勢(shì)和規(guī)律推測(cè)地質(zhì)現(xiàn)象的深部特征，如與鉆探等其它勘探分析手段結(jié)合起來(lái)其準(zhǔn)確性更高，還是能夠解決不少工程地質(zhì)問題。大地電磁測(cè)深法深埋長(zhǎng)隧洞物探勘察適宜采用綜合手段，以便不同方法之間相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，并采取點(diǎn)、線、面相結(jié)合和定性與半定量結(jié)合的物探布置原那么。大地電磁測(cè)深法探測(cè)深度大，地形適應(yīng)性強(qiáng)，是深埋長(zhǎng)隧洞工程地面物探的主要方法。綜合物探此外，可根據(jù)地層的彈性、電性和放射性特征，選擇淺層地震勘探和電測(cè)深、高密度電法、瞬變電磁法、綜合測(cè)井以及放射性勘探作為輔助手段。如安康鐵路秦嶺隧洞、南水北調(diào)西線輸水隧洞等工程均采用了綜合物探方法進(jìn)行勘察，取得了豐富的成果。4.3可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是電磁法的一種，它的主要特點(diǎn)是用人工控制的場(chǎng)源做頻率測(cè)深。CSAMT法使用可控制的人工場(chǎng)源,測(cè)量參數(shù)為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比而得出的卡尼亞電阻率;同時(shí),基于電磁波的趨膚深度原理,利用改變頻率進(jìn)行不同深度的電測(cè)深。CSAMT法優(yōu)點(diǎn)因此,CSAMT法在工作中具有如下優(yōu)點(diǎn):工作效率高,一次發(fā)射可以同時(shí)接收7道電場(chǎng)和1道磁場(chǎng);抗干擾能力強(qiáng);勘探深度范圍大,一般可達(dá)1～2km;橫向分辨率高,可靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層;高阻屏蔽作用小,可穿透高阻層。電磁法電磁法作為一種重要的勘探地球物理方法，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，分支眾多。金屬礦產(chǎn)勘探是電磁法的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的開展，電磁法的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到地下水勘探、工程勘探、海洋資源勘探等眾多領(lǐng)域，特別是近幾年地球深部構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)研究的興起，為我國(guó)電磁法開展提供了良好的契機(jī)。頻率域電磁測(cè)深法電磁法開展歷史1、20世紀(jì)50年代，法國(guó)的Cagniard和前蘇聯(lián)的Tikhonov提出了大地電磁法〔MT〕；2、20世紀(jì)60年代的Berdichevski等〔1969〕，提出了音頻大地電磁法〔AMT〕；3、1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控源音頻大地電磁法〔CSAMT〕。MT和AMT大地電磁〔MT〕和音頻大地電磁〔AMT〕測(cè)深的實(shí)質(zhì)系測(cè)量由于太陽(yáng)風(fēng)或太陽(yáng)黑子活動(dòng)及赤道區(qū)的閃電雷擊在地球外表產(chǎn)生的各種頻率的水平電場(chǎng)和水平磁場(chǎng)，然后通過阻抗與電阻率的關(guān)系計(jì)算視電阻率從而了解地下電性結(jié)構(gòu)。該方法采用天然場(chǎng)源，不受高阻屏蔽的影響，設(shè)備輕便，勘探深度能到達(dá)數(shù)百公里；其缺點(diǎn)是場(chǎng)源不可控制并且信號(hào)微弱，易受自然環(huán)境的影響，尤其是在礦山、城區(qū)附近很難開展工作，因此主要用于深大構(gòu)造研究。CSAMT可控源音頻大地電磁〔CSAMT〕測(cè)深，通過人工發(fā)射電磁波解決了場(chǎng)源微弱和多變性問題，增強(qiáng)了信噪比，但同時(shí)也引入了場(chǎng)源的影響，電磁場(chǎng)不滿足無(wú)源區(qū)齊次方程，且?guī)в邪l(fā)射機(jī)，增加了野外工作的難度。國(guó)際市場(chǎng)上的電磁測(cè)深儀器主要有以下幾類：〔1〕加拿大鳳凰公司〔phoenix〕的V-5，V5-2000，V-6電磁系統(tǒng)，這三套系統(tǒng)能做天然場(chǎng)和人工源，目前，國(guó)內(nèi)主要用來(lái)采集天然場(chǎng)信號(hào)，用于深部研究；〔2〕美國(guó)EMI公司的MT-24，EH4系統(tǒng)，其中MT-24僅做天然場(chǎng)觀測(cè)，主要研究深部構(gòu)造，EH-4能做天然場(chǎng)和人工源，其勘探深度有限，用于淺部研究〔小于1km〕；測(cè)深儀器〔3〕美國(guó)的LIMS儀器系統(tǒng)，用于深部構(gòu)造研究，據(jù)稱周期可達(dá)2、3萬(wàn)秒?！?〕德國(guó)Metronix公司，MMS-04大地電磁系統(tǒng)。我國(guó)廊坊物化探所自行研究生產(chǎn)的CLEMP分布式被動(dòng)源電磁系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的測(cè)深儀器主要有：MT-24，V-5，V5-2000，EH-4等。這些儀器在固體礦產(chǎn)、水資源、油氣田勘探等方面發(fā)揮了重要作用。

CSAMT方法在地下構(gòu)造、含水巖體的探測(cè)中都能發(fā)揮很好的作用。對(duì)深埋隧道而言,可以在宏觀上查明地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造(斷層、巖溶)及其賦水性,為鉆孔布置及隧道設(shè)計(jì)、施工提供地球物理依據(jù)。CSAMT法在深埋長(zhǎng)隧道勘察中對(duì)活動(dòng)斷層和隱伏斷層的探測(cè)是最為有效的方法,在南水北調(diào)西線工程和西南地區(qū)公路工程中進(jìn)行大量實(shí)際應(yīng)用,效果顯著。勘探深度范圍大，一般可達(dá)1--1.5km。

2004年對(duì)南水北調(diào)引水隧洞西線一期工程中瑪柯河-賈曲段千米深,長(zhǎng)20km深埋長(zhǎng)隧洞采用CSAMT法進(jìn)行了地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、巖性特征、賦水性等地球物理勘探、工程地質(zhì)勘查,以查清勘探區(qū)影響引水隧洞工程建設(shè)的不良地質(zhì)體和不良地質(zhì)構(gòu)造。結(jié)合其他補(bǔ)充物探手段及地面工程地質(zhì)勘察結(jié)果對(duì)20km深埋長(zhǎng)隧洞圍巖介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了解釋,指出了可能影響工程的斷層、破碎帶及異常區(qū)。EH-4野外工作圖片4.4鉆孔及綜合測(cè)井法

一些深埋長(zhǎng)隧洞工程地形交通條件很差，但應(yīng)盡量創(chuàng)造條件，布置必要的鉆孔和綜合測(cè)井工作。其重要作用有:(1)了解深部地層巖性及巖體狀況，(2)了解地下水位、有害水質(zhì)及有害氣體等，(3)通過地應(yīng)力測(cè)試了解地應(yīng)力量值、方向；4.4鉆孔及綜合測(cè)井法

(4)了解恒溫層深度、地溫增溫梯度及地溫隨深度的變化情況等，(5)了解深部巖體物理力學(xué)參數(shù)，(6)通過巖芯狀況(如餅狀巖芯)分析巖爆的可能性，(7)判斷隧洞圍巖分類等。深鉆孔

因此，即使是深埋隧洞工程，鉆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鉆孔的應(yīng)用已經(jīng)到達(dá)較高水平。如瑞士圣哥達(dá)隧洞的法意多標(biāo)段打了7個(gè)鉆孔，長(zhǎng)度在200m到1070m。賽德潤(rùn)標(biāo)段的兩個(gè)傾斜、彎曲的鉆孔長(zhǎng)達(dá)2000m。又如精伊霍鐵路北天山隧洞最大鉆孔深度約800m，平均鉆孔間距約2~3km，其鉆孔一般為垂直孔。深鉆孔意大利都靈和法國(guó)里昂—蒙彼利埃之間方案修建一條高速鐵路，有一座長(zhǎng)約54km穿越阿爾卑斯山山麓的鐵路隧道，埋深超過1000m的有22km，埋深超過1500m的有10km，3.5km以上埋深超過2000m。布置20個(gè)鉆孔，其中有3個(gè)深度超過1000m，平均鉆孔間距小于3km。賽德潤(rùn)標(biāo)段的地質(zhì)剖面圖，兩個(gè)傾斜鉆孔長(zhǎng)達(dá)2000m圣哥達(dá)隧洞施工交通豎井800m深，直徑8.7m

4.5深埋長(zhǎng)探硐

深埋長(zhǎng)探洞勘察方法日益受到工程界的重視，例如秦嶺隧道(雙線)，曾在一條線上打了18km長(zhǎng)的貫穿探銅。錦坪二級(jí)水電工程在可研階段曾打了4.2km和3.6km的地質(zhì)探銅，對(duì)一些疑難地質(zhì)問題有了明確的認(rèn)識(shí)，為該工程打下良好的根底。深埋長(zhǎng)探洞的布置，可選擇在隧洞進(jìn)出口、施工支洞和有重要地質(zhì)問題的部位。對(duì)深埋長(zhǎng)探洞以往多采用鉆爆法施工，今后可探討用小型TBM開挖深埋長(zhǎng)探洞的可能性。長(zhǎng)探洞國(guó)內(nèi)外公路、鐵路長(zhǎng)隧洞工程普遍采用超長(zhǎng)探洞平導(dǎo)施工方案，即小直徑平導(dǎo)洞超前于主洞施工，其重要目的之一就是勘探前方地質(zhì)條件，降低或防止嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)距離的輸水隧洞一般為單線，采用全線平導(dǎo)超前勘探可能性不大。但仍可以結(jié)合前導(dǎo)洞以及交通洞、通風(fēng)洞〔井〕等輔助工程進(jìn)行勘察或超前勘探，一洞多用。長(zhǎng)探洞4.6對(duì)重大地質(zhì)問題的專門性勘察試驗(yàn)研究

對(duì)深埋長(zhǎng)隧洞設(shè)計(jì)、施工有重大影響的地質(zhì)問題可在可研一初設(shè)階段進(jìn)行專門性的勘察試驗(yàn)研究。例如萬(wàn)家寨引黃入晉工程曾對(duì)巖溶、膨脹巖、含水隧洞水文地質(zhì)條件及涌水量，濕陷性黃土和N2紅粘土工程性質(zhì)等進(jìn)行了專題勘察試驗(yàn)研究，起到重要作用。專題勘察試驗(yàn)研究我國(guó)西部地區(qū)深埋長(zhǎng)隧洞可根據(jù)具體情況開展深大斷裂、活動(dòng)性斷裂、巖溶、軟巖變形、隧洞涌水與高外水壓力、高地溫、有害氣體等的深入研究，以期較好地解決工程的難點(diǎn)，為工程打下良好的根底。4.7施工期超前地質(zhì)預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)

限于深埋長(zhǎng)隧洞的特點(diǎn)和難點(diǎn)，前期勘察較難查清與其相關(guān)的所有工程地質(zhì)問題。所以，施工中進(jìn)行超前探測(cè)和預(yù)報(bào)十分重要，是施工過程中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法在隧洞施工過程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，各種方法都有其長(zhǎng)處和短處。地球物理探測(cè)資料具有多解性，單純以物探方法提出的預(yù)報(bào)，與實(shí)際地質(zhì)情況可能有較大誤差。因此，在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧洞中，應(yīng)綜合運(yùn)用多種預(yù)報(bào)方法，互相印證、取長(zhǎng)補(bǔ)短。地質(zhì)綜合分析法地質(zhì)綜合分析法是超前預(yù)測(cè)報(bào)的核心方法，其它直接和間接方法是地質(zhì)綜合分析法的輔助手段。除地質(zhì)綜合分析預(yù)報(bào)方法外，針對(duì)斷層破碎帶、圍巖類別方面可供選擇的預(yù)報(bào)方法有以下幾種：

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、HSP水平聲波剖面法、地質(zhì)雷達(dá)法、水平超前鉆孔和勘探洞等；針對(duì)突涌水及高外水壓?jiǎn)栴}的預(yù)報(bào)方法主要有：地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可以預(yù)測(cè)掌子面前的一些內(nèi)容:如斷層構(gòu)造及斷層破碎帶,煤層、瓦斯、天然氣、硫化氫賦存條件,采空區(qū)狀況,巖溶、空洞、裂隙及其規(guī)模和充填情況,地下水賦存狀態(tài)及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和軟弱圍巖及不同類別圍巖的界面等。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法目前常見的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法可歸為兩類,一類屬破壞法,另一類屬非破壞法。破壞法是指用破壞的方法鑿開隧道直接取樣,它包括地質(zhì)法、超前平行導(dǎo)坑法和超前水平鉆孔法;非破壞法也就是物理方法,利用巖石的物理性質(zhì)來(lái)判別,它包括有聲測(cè)法、電測(cè)法和波反射法。波反射法也可以分為電磁波反射法和地震波反射法。地質(zhì)法受各種條件的限制,不同的隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有各自的優(yōu)點(diǎn),也存在各自的缺點(diǎn)。地質(zhì)法是指用地質(zhì)錘、放大鏡和地質(zhì)羅盤等野外地質(zhì)工具直接觀察巖石的巖性,并判斷周圍的巖性。地質(zhì)法有可靠的理論根底,不占或很少占用施工時(shí)間,適用性強(qiáng),本錢低,操作簡(jiǎn)便,但靠有限之“見〞預(yù)報(bào)范圍很有限,特別是在地層巖性變化極為復(fù)雜(如強(qiáng)烈褶皺地層)的隧道中預(yù)報(bào)的難度很大。超前平行導(dǎo)坑法超前水平鉆孔法超前水平鉆孔法是用鉆探設(shè)備向掌子面前方鉆探,從而直接揭示隧道掌子面前方地層巖性、構(gòu)造、地下水、巖溶洞穴充填物及其性質(zhì)、巖石(體)的可鉆性、巖體完整程度等資料,還可通過巖芯試驗(yàn)獲得巖石強(qiáng)度等定量指標(biāo),是最直接有效的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法,但一次鉆探距離短,費(fèi)用高且占用施工時(shí)間長(zhǎng)。聲測(cè)法和電測(cè)法聲測(cè)法是利用聲波在巖石中的傳播規(guī)律來(lái)判別巖石性質(zhì)的一種方法。聲測(cè)法占用施工時(shí)間短,但預(yù)報(bào)距離受孔深限制,一般小于15m。電測(cè)法是根據(jù)巖石與電阻的關(guān)系來(lái)推斷其性質(zhì)的一種方法,可以分為電位法和電阻率法。電測(cè)法簡(jiǎn)便、本錢低,但必須是以各層間電阻值有一定的差異為前提。地質(zhì)雷達(dá)法TSP隧道地震波法TSP隧道地震波法(1)適用范圍廣,即適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況。(2)預(yù)報(bào)距離長(zhǎng),理論上能預(yù)報(bào)掌子面前方500m,考慮地震波干擾等因素能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方100～350m。(3)對(duì)隧道施工干擾小,它只要求在接收信號(hào)時(shí)為減少噪音干擾作短暫停工。TSP隧道地震波法

TSP測(cè)量原理

TSP測(cè)量原理

TSP測(cè)量結(jié)果TSP202在圣哥達(dá)隧道中超前探測(cè)結(jié)果

TSP隧道地震波法在日本的Gorigamine高速鐵路隧道中成功的預(yù)測(cè)出掌子面前方巖性由堅(jiān)硬的英安巖過渡到稍軟弱的凝灰?guī)r再到軟弱的頁(yè)巖的位置。在開挖至黑色頁(yè)巖之前提前進(jìn)行了隧道支護(hù),有效地防止了隧道坍塌事故的發(fā)生;還有在日本的Kazunogawa水電隧洞工程中,準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)出基準(zhǔn)點(diǎn)前方112m處一個(gè)14m寬的斷層帶,并有泉水出現(xiàn);而在南韓的Anmin公路隧道中準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出隧道掌子面前方不同于開挖段風(fēng)化巖層的較堅(jiān)硬巖層和斷層構(gòu)造的位置。國(guó)外采用TSP探測(cè)的隧道工程的重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合分析法根本流程圖4.8數(shù)值模擬分析

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析為隧洞工程勘察提供了一種全新的分析手段，國(guó)內(nèi)外一些知名隧洞工程，如引黃入晉輸水隧洞、安康鐵路秦嶺隧洞、瑞士的伯倫納隧洞、圣哥達(dá)隧洞等工程，針對(duì)不同的地質(zhì)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬分析在以下幾方面進(jìn)行數(shù)值模擬分析具有重要意義：⑴模擬分析原地應(yīng)力場(chǎng)，可以利用淺孔和少量的原位應(yīng)力測(cè)量資料分析預(yù)測(cè)全洞線深層地應(yīng)力場(chǎng)特征；⑵模擬計(jì)算應(yīng)力重分布后的圍巖應(yīng)力場(chǎng)，分析預(yù)測(cè)松弛圈范圍，預(yù)測(cè)巖爆、圍巖變形等問題，國(guó)內(nèi)外有很多成熟的計(jì)算軟件可供利用；數(shù)值模擬分析⑶根據(jù)?水工隧洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?推薦的外水壓力折減系數(shù)法估算作用在襯砌上的外水壓力，對(duì)隧洞區(qū)滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)隧洞外水壓力、估算隧洞涌水量及兩者在各時(shí)期、不同工況和襯砌形式的變化，可以為工程設(shè)計(jì)提供豐富的資料，該法較