中鐵二十三局講課課件(巖溶隧道施工)

1、 過去一直用過去一直用 的溶解度大大高于的溶解度大大高于 來解釋，即來解釋，即 3COCa23)(HCOCa23223)(HCOCCOOHCaCOa 有的研究者（中山，有的研究者（中山，19691969；PicknetPicknet，19781978）認為，上）認為，上述反應式與實際情況不符。其原因是從來未發(fā)現(xiàn)過述反應式與實際情況不符。其原因是從來未發(fā)現(xiàn)過 分分子，且子，且 與與 參加反應的比例也并非參加反應的比例也并非1 1：1 1。說明這一反。說明這一反應的復雜性。應的復雜性。23)(HCOCa3COCa2CO 由于溶蝕作用和由此引起的機械沖刷坍陷等作用共的的由于溶蝕作用和由此引起的機械沖

2、刷坍陷等作用共的的結(jié)果，在地表與地下形成的奇特地形形態(tài)有十幾種結(jié)果，在地表與地下形成的奇特地形形態(tài)有十幾種 1 1）溶溝和石芽）溶溝和石芽 2 2）溶蝕裂隙）溶蝕裂隙 3 3）漏斗）漏斗 4 4）溶蝕洼地）溶蝕洼地 5 5）落水洞）落水洞 6 6）坡立谷）坡立谷 7 7）峰林）峰林 8 8）干谷）干谷 9 9）溶洞）溶洞 1010）暗河）暗河 溶溝溶溝 石芽石芽 漏斗漏斗 溶蝕洼地溶蝕洼地 落水洞落水洞 坡立谷坡立谷峰林峰林江西仙境三清山 雨霧中的張家界天子山 廣西英西峰林連綿20公里 云南石林 干谷干谷 溶洞溶洞暗河暗河(1)緩傾巖層緩傾巖層可溶巖與非可溶巖的接觸面附近溶蝕作用強烈，常有一系

3、可溶巖與非可溶巖的接觸面附近溶蝕作用強烈，常有一系列漏斗、落水洞及巖溶泉出露。列漏斗、落水洞及巖溶泉出露。(2)陡傾巖層陡傾巖層（1）核部）核部（2）翼部翼部背斜核部背斜核部-張節(jié)理發(fā)育，雨水和地表水由此下滲張節(jié)理發(fā)育，雨水和地表水由此下滲并補給給其它地區(qū)，形成垂直巖溶地形；向斜核并補給給其它地區(qū)，形成垂直巖溶地形；向斜核部部-是巖溶水匯聚區(qū)，巖溶水聚集后沿軸向流動是巖溶水匯聚區(qū)，巖溶水聚集后沿軸向流動排泄，形成水平巖溶地形。排泄，形成水平巖溶地形。 水循環(huán)強烈的流通部位，巖溶一般較發(fā)育。水循環(huán)強烈的流通部位，巖溶一般較發(fā)育。 （1）張性斷裂帶（正斷層）張性斷裂帶（正斷層）（3）扭性斷裂帶（平

4、移斷層）扭性斷裂帶（平移斷層）破碎帶寬度較小，但張開程度較大，結(jié)構(gòu)松散，缺乏膠結(jié)，破碎帶寬度較小，但張開程度較大，結(jié)構(gòu)松散，缺乏膠結(jié)，有利于地下水滲透溶蝕，是巖溶強烈發(fā)育地帶。有利于地下水滲透溶蝕，是巖溶強烈發(fā)育地帶。 斷裂面上壓力較大，壓碎巖、糜棱巖和斷層泥多呈致密狀態(tài)，斷裂面上壓力較大，壓碎巖、糜棱巖和斷層泥多呈致密狀態(tài)，膠結(jié)緊密，巖溶發(fā)育較差；但其上升盤影響規(guī)模大，牽引現(xiàn)象膠結(jié)緊密，巖溶發(fā)育較差；但其上升盤影響規(guī)模大，牽引現(xiàn)象造成巖層劇烈上拱，產(chǎn)生大量張節(jié)理，有利于巖溶發(fā)育造成巖層劇烈上拱，產(chǎn)生大量張節(jié)理，有利于巖溶發(fā)育 。 巖溶發(fā)育情況介于前兩者之間，巖溶作用的深度一般較大。巖溶發(fā)育情

5、況介于前兩者之間，巖溶作用的深度一般較大。 （2）壓性斷裂帶（逆斷層）壓性斷裂帶（逆斷層）我國碳酸鹽巖分布廣，面積約達我國碳酸鹽巖分布廣，面積約達130104km2，主要，主要集中于華南和西南這兩個地區(qū)分別發(fā)育了或保留著集中于華南和西南這兩個地區(qū)分別發(fā)育了或保留著大面積的熱帶巖溶；其次是長江中下游的我國中部地大面積的熱帶巖溶；其次是長江中下游的我國中部地區(qū)，巖溶化程度較弱：再次為華北地區(qū)，由于氣候的區(qū)，巖溶化程度較弱：再次為華北地區(qū)，由于氣候的影響，巖溶化程度遠不及南方；青藏高原海拔影響，巖溶化程度遠不及南方；青藏高原海拔4000米以上的殘存古熱帶巖溶巖，已受寒涼作用的改造，米以上的殘存古熱帶

6、巖溶巖，已受寒涼作用的改造，為一特殊類型的巖溶。為一特殊類型的巖溶。1、地質(zhì)條件的不確定性與復雜性、地質(zhì)條件的不確定性與復雜性2、地質(zhì)勘察現(xiàn)有的技術(shù)水平、地質(zhì)勘察現(xiàn)有的技術(shù)水平3、巖溶隧道危害性大、巖溶隧道危害性大3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法1、地面地質(zhì)調(diào)查法、地面地質(zhì)調(diào)查法 2、地面、地面(洞外洞外)淺層地震法淺層地震法3、地面、地面(洞外洞外)電阻率法電阻率法 4、地面重力勘探、地面重力勘探5、遙感信息技術(shù)、遙感信息技術(shù) 6、放射性測量、放射性測量(測氧知、測氧知、Hg等）等）7、測井法、測井法 8、綜合方法、綜合方法3.2.2 洞內(nèi)掌子面巖溶探

7、測方法洞內(nèi)掌子面巖溶探測方法1、長距離超前地質(zhì)預報、長距離超前地質(zhì)預報2、短距離超前地質(zhì)預報、短距離超前地質(zhì)預報3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法1、地面地質(zhì)調(diào)查法、地面地質(zhì)調(diào)查法 劉志剛、劉秀峰等將地面地質(zhì)調(diào)查的工作方法分為地質(zhì)測繪法、劉志剛、劉秀峰等將地面地質(zhì)調(diào)查的工作方法分為地質(zhì)測繪法、地面地質(zhì)界面和地質(zhì)體投射技術(shù)。其中前者采用的主要技術(shù)手段有穿地面地質(zhì)界面和地質(zhì)體投射技術(shù)。其中前者采用的主要技術(shù)手段有穿越、追索和全面踏勘三種越、追索和全面踏勘三種;后者主要是利用調(diào)查的結(jié)果運用投射公式進后者主要是利用調(diào)查的結(jié)果運用投射公式進行計算，利用這種方法可進行

8、如下工作。行計算，利用這種方法可進行如下工作。(l)弄清楚隧道線路經(jīng)過地區(qū)可溶巖弄清楚隧道線路經(jīng)過地區(qū)可溶巖(灰?guī)r、鹽巖灰?guī)r、鹽巖)，特別是強溶巖，特別是強溶巖(純灰純灰?guī)r、白云巖、鹽巖巖、白云巖、鹽巖)的地層層位、展布范圍及所處的巖溶水動力分帶。的地層層位、展布范圍及所處的巖溶水動力分帶。(2)查明隧道線路經(jīng)過地區(qū)及其鄰近地區(qū)，在可溶巖特別是強溶巖中分查明隧道線路經(jīng)過地區(qū)及其鄰近地區(qū)，在可溶巖特別是強溶巖中分布規(guī)模較大斷層的產(chǎn)狀及其與地表隧道軸線的相互關(guān)系布規(guī)模較大斷層的產(chǎn)狀及其與地表隧道軸線的相互關(guān)系;特別注意那些特別注意那些兩條或兩條以上斷層交匯的位置兩條或兩條以上斷層交匯的位置(它們是

9、侵蝕性地下水的有利通道它們是侵蝕性地下水的有利通道)。(3)查明可溶巖與非可溶巖接觸界面的位置及其與地表隧道軸線的相互查明可溶巖與非可溶巖接觸界面的位置及其與地表隧道軸線的相互關(guān)系。關(guān)系。(4)結(jié)合上述有利于巖溶發(fā)育的巖層層位和構(gòu)造位置，在大小封閉的洼結(jié)合上述有利于巖溶發(fā)育的巖層層位和構(gòu)造位置，在大小封閉的洼地內(nèi)，尋找大型溶洞或暗河的入口。地內(nèi)，尋找大型溶洞或暗河的入口。3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法1、地面地質(zhì)調(diào)查法、地面地質(zhì)調(diào)查法(5)根據(jù)斷層產(chǎn)狀或可溶巖與非可溶巖界面的產(chǎn)狀，用地面地質(zhì)界面法根據(jù)斷層產(chǎn)狀或可溶巖與非可溶巖界面的產(chǎn)狀，用地面地質(zhì)界面

10、法和投射公式，求得可能出現(xiàn)的大型溶洞、暗河與隧道的相互關(guān)系。和投射公式，求得可能出現(xiàn)的大型溶洞、暗河與隧道的相互關(guān)系。(6)查明暗河入口和出口的位置及標高，并結(jié)合可能成為暗河通道的較查明暗河入口和出口的位置及標高，并結(jié)合可能成為暗河通道的較大斷層或較緊閉背斜褶皺核部的位置、產(chǎn)狀，推斷暗河的大致通道，大斷層或較緊閉背斜褶皺核部的位置、產(chǎn)狀，推斷暗河的大致通道，確定能否與隧道相遇或與隧道的大概位置關(guān)系。確定能否與隧道相遇或與隧道的大概位置關(guān)系。(7)依據(jù)巖溶發(fā)育的分帶性和隧道相對標高和季節(jié)變化，判斷那些可能依據(jù)巖溶發(fā)育的分帶性和隧道相對標高和季節(jié)變化，判斷那些可能與隧道相遇溶洞、暗河的含水量與隧道

11、相遇溶洞、暗河的含水量;或推斷那些不與隧道相遇的有水溶洞或推斷那些不與隧道相遇的有水溶洞或暗河對隧道施工的影響程度?；虬岛訉λ淼朗┕さ挠绊懗潭取?8)搞清隧道所在位置所屬的構(gòu)造體系和地表具體的構(gòu)造行跡。搞清隧道所在位置所屬的構(gòu)造體系和地表具體的構(gòu)造行跡。 通過以上方法定性確定巖溶的空間分布，但此方法預報巖溶的精通過以上方法定性確定巖溶的空間分布，但此方法預報巖溶的精度遠遠滿足不了隧道施工的具體要求，僅對具體預報的解釋有指導意度遠遠滿足不了隧道施工的具體要求，僅對具體預報的解釋有指導意義。義。3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法2、地面、地面(洞外洞外)淺層地

12、震法淺層地震法 針對巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件，為了取得理想的野外資料提高預報精針對巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件，為了取得理想的野外資料提高預報精度，以下從野外數(shù)據(jù)采集、資料處理、野外實例分析巖溶的地震響應度，以下從野外數(shù)據(jù)采集、資料處理、野外實例分析巖溶的地震響應特征及方法特點。該方法是地面探測巖溶的常用方法。淺層地震探測特征及方法特點。該方法是地面探測巖溶的常用方法。淺層地震探測巖溶及陷落柱通常采用反射波法。巖溶及陷落柱通常采用反射波法。 這方面的探測實例很多，但該方法受到測線布置、解譯方法水平這方面的探測實例很多，但該方法受到測線布置、解譯方法水平等的限制，且其探測精度受局部地質(zhì)條件的影響與波速參數(shù)差異有

13、關(guān)等的限制，且其探測精度受局部地質(zhì)條件的影響與波速參數(shù)差異有關(guān)。在測點線布置不當、異常疊加、覆蓋層較厚的情況下，易漏掉有用。在測點線布置不當、異常疊加、覆蓋層較厚的情況下，易漏掉有用異常。依據(jù)溶洞的強反射特征，利用三維淺震探測巖溶效果將更好。異常。依據(jù)溶洞的強反射特征，利用三維淺震探測巖溶效果將更好。3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法3、地面、地面(洞外洞外)電阻率法電阻率法 探測巖溶的常用電阻率方法包括探測巖溶的常用電阻率方法包括:電測深法、高密度電阻率法、偶電測深法、高密度電阻率法、偶極法、充電電位法、自然電位法、激電中梯、地質(zhì)雷達法、瞬變電磁極法、充

14、電電位法、自然電位法、激電中梯、地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法、法、CSAEM、高頻大地電磁法、高頻大地電磁法(EH一一4)氰法等氰法等3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法4、地面重力勘探、地面重力勘探 國外應用重力法探測巖溶始于本世紀六十年代初期，到七十年代國外應用重力法探測巖溶始于本世紀六十年代初期，到七十年代未八十年代初，未八十年代初，DresenL.等人應用重力垂直梯度技術(shù)探測淺埋溶洞獲等人應用重力垂直梯度技術(shù)探測淺埋溶洞獲得成功。在我國以探測巖溶為目的的重力工作起步于七十年代末，由得成功。在我國以探測巖溶為目的的重力工作起步于七十年代末，由原地質(zhì)部物探研究

15、所應用地面重力方法尋找山東泰安火車站鐵路塌陷原地質(zhì)部物探研究所應用地面重力方法尋找山東泰安火車站鐵路塌陷的淺部巖溶，取得了一定的地質(zhì)效果，但當時受重力儀觀測精度等因的淺部巖溶，取得了一定的地質(zhì)效果，但當時受重力儀觀測精度等因素的限制，影響了重力異常的解釋精度，之后的十多年中，國內(nèi)此項素的限制，影響了重力異常的解釋精度，之后的十多年中，國內(nèi)此項工作基本處于停滯狀態(tài)。工作基本處于停滯狀態(tài)?！捌呶迤呶濉逼陂g，地礦部巖溶地質(zhì)研究所在期間，地礦部巖溶地質(zhì)研究所在“隱伏巖溶探測方法的研究隱伏巖溶探測方法的研究”項目中，在國內(nèi)首次系統(tǒng)成功地應用重力項目中，在國內(nèi)首次系統(tǒng)成功地應用重力垂直梯度測量技術(shù)探測淺埋

16、溶垂直梯度測量技術(shù)探測淺埋溶(土土)洞等隱伏巖溶地質(zhì)體，從而開辟了我洞等隱伏巖溶地質(zhì)體，從而開辟了我國隱伏巖溶探測的新途徑國隱伏巖溶探測的新途徑. 當?shù)叵聹\部存在局部密度不均勻體時，地球重力位將發(fā)生畸變，當?shù)叵聹\部存在局部密度不均勻體時，地球重力位將發(fā)生畸變，重力及其梯度也隨之畸變。重力等位面的畸變?yōu)槔弥亓Υ怪碧荻葴y重力及其梯度也隨之畸變。重力等位面的畸變?yōu)槔弥亓Υ怪碧荻葴y量技術(shù)探測隱伏巖溶或其它局部密度不均勻體提供了有利的物理條件量技術(shù)探測隱伏巖溶或其它局部密度不均勻體提供了有利的物理條件. 由于溶由于溶(土土)洞的重力異常較微弱，提高儀器觀測精度及降低野外觀洞的重力異常較微弱，提高儀器

17、觀測精度及降低野外觀測誤差，是重力垂直梯度測量技術(shù)探測溶測誤差，是重力垂直梯度測量技術(shù)探測溶(土土)洞成敗的關(guān)鍵。實測重力洞成敗的關(guān)鍵。實測重力垂直梯度值觀測質(zhì)量的好壞，除受重力儀觀測精度影響外，還與儀器垂直梯度值觀測質(zhì)量的好壞，除受重力儀觀測精度影響外，還與儀器高差選擇合理與否有關(guān)。高差選擇合理與否有關(guān)。3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法5、遙感信息技術(shù)、遙感信息技術(shù) 地質(zhì)現(xiàn)象在彩紅外圖象上往往呈現(xiàn)出環(huán)形或線性構(gòu)造等影像特征地質(zhì)現(xiàn)象在彩紅外圖象上往往呈現(xiàn)出環(huán)形或線性構(gòu)造等影像特征。由于巖溶作為一種地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)活動有關(guān)，因此，線性或環(huán)形構(gòu)。由于巖溶作為一

18、種地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)活動有關(guān)，因此，線性或環(huán)形構(gòu)造等與巖溶雖然不是一一對應關(guān)系，但對巖溶的存在有一定的控制作造等與巖溶雖然不是一一對應關(guān)系，但對巖溶的存在有一定的控制作用。對于分析巖溶分布規(guī)律來說，解譯線性和環(huán)形構(gòu)造是十分必要的用。對于分析巖溶分布規(guī)律來說，解譯線性和環(huán)形構(gòu)造是十分必要的。 1991年遙感技術(shù)首次在南昆鐵路施工階段得到應用，并取得較好年遙感技術(shù)首次在南昆鐵路施工階段得到應用，并取得較好效果。隨著遙感圖像分辨率的不斷提高效果。隨著遙感圖像分辨率的不斷提高(從最初的從最初的80m到目前的到目前的lm)，使，使遙感技術(shù)用于隧道施工洞外預測預報和監(jiān)測更趨成熟。特別是鐵道專遙感技術(shù)用于隧道施

19、工洞外預測預報和監(jiān)測更趨成熟。特別是鐵道專業(yè)設計院提出的業(yè)設計院提出的“隧道遙感富水程度估算經(jīng)驗公式，使遙感技術(shù)從定隧道遙感富水程度估算經(jīng)驗公式，使遙感技術(shù)從定性判釋轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)，為遙感技術(shù)應用開辟了一條新的途徑，是一性判釋轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)，為遙感技術(shù)應用開辟了一條新的途徑，是一種很有應用前途的方法。種很有應用前途的方法。 3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法6、放射性測量、放射性測量(測氧知、測氧知、Hg、CO2、S02等等) 董兆祥、劉洪福及P.Theodorsson，Tadeusz、Andrzej、Przylibski等在采用放射性法探測巖溶、采空區(qū)、

20、陷落柱方面取得了好的效果。因此，根據(jù)氛氣異常的峰值狀態(tài)可確定巖溶及陷落柱的位置與范圍。測氛方法以其經(jīng)濟、簡捷、快速、易于操作等優(yōu)勢在確定地下巖溶陷落柱的位置與范圍方面具有廣闊的應用前景。 3.2.1 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法巖溶地質(zhì)災害探測方法8、綜合方法、綜合方法 國內(nèi)外在探測巖溶方面，己有許多學者提出要通過組合(綜合)的方法進行巖溶探測以提高預報精度和解釋的唯一性. 地面地面(洞外洞外)巖溶地質(zhì)災害探測方法評價巖溶地質(zhì)災害探測方法評價 3.2.2 洞內(nèi)掌子面巖溶探測方法洞內(nèi)掌子面巖溶探測方法 1）長距離超前地質(zhì)預報）長距離超前地質(zhì)預報 長距離超前地質(zhì)預報包括長距離超前地質(zhì)預

21、報包括:隧道地震預報隧道地震預報(TSP、VSP、TRT)、隧道、隧道電性預報、水平超前鉆探等電性預報、水平超前鉆探等2）短距離超前地質(zhì)預報）短距離超前地質(zhì)預報 地質(zhì)雷達法、地質(zhì)雷達法、BEAM法、水平聲波剖面法、陸地聲納法、紅外探法、水平聲波剖面法、陸地聲納法、紅外探水法、超前平行導坑水法、超前平行導坑(隧道隧道)法、水平鉆速法、充電法、自然電位法、隧法、水平鉆速法、充電法、自然電位法、隧道及井巷電磁導彈超前預報技術(shù)、掌子面地質(zhì)編錄預測法。道及井巷電磁導彈超前預報技術(shù)、掌子面地質(zhì)編錄預測法。 洞內(nèi)掌子面巖溶探測方法評價洞內(nèi)掌子面巖溶探測方法評價 3.2.3巖溶隧道超前地質(zhì)預報方法評價巖溶隧道

22、超前地質(zhì)預報方法評價 縱覽以上隧道超前地質(zhì)預報的各種方法，雖然分為地面(洞外)與掌子面(洞內(nèi))的預報方法，但根據(jù)地球物理勘探技術(shù)及參數(shù)特點，各種方法各有其特點及局限性，且各地的巖溶地質(zhì)條件不同，以物性參數(shù)差異為前提的探測使優(yōu)選預報方法的基礎。據(jù)以上特點，隧道超前地質(zhì)預報所采用的方法及參數(shù)多樣性是隧道預報永恒的特點，多參數(shù)組合形式是預報的高級階段，參數(shù)優(yōu)化組合是預報的必然趨勢。多種方法與參數(shù)的綜合集成是預報的必然趨勢。 齊岳山隧道巖溶超前預報綜合集成齊岳山隧道巖溶超前預報綜合集成 齊岳山隧道全長齊岳山隧道全長I0528m，其中進口段約，其中進口段約4000米的工程地質(zhì)和水文米的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

23、極其復雜，地質(zhì)構(gòu)造為齊岳山背斜，隧道穿越二、三疊系灰?guī)r地地質(zhì)極其復雜，地質(zhì)構(gòu)造為齊岳山背斜，隧道穿越二、三疊系灰?guī)r地層，全部位于可溶巖地段。該區(qū)域發(fā)育有大、小魚泉及得勝場三條暗層，全部位于可溶巖地段。該區(qū)域發(fā)育有大、小魚泉及得勝場三條暗河，穿越河，穿越9條較大斷層。預測隧道正常涌水量約為條較大斷層。預測隧道正常涌水量約為17.6萬萬m3/d，最大涌，最大涌水量約為水量約為74.3萬萬m3/d。主要地質(zhì)災害問題為巖溶、突泥、涌水、瓦斯。主要地質(zhì)災害問題為巖溶、突泥、涌水、瓦斯及天然氣。圍巖級別變化頻繁，斷面形式較多，施工難度極大，不可及天然氣。圍巖級別變化頻繁，斷面形式較多，施工難度極大，不可預

24、見因素較多預見因素較多.采用了采用了TSP203、地質(zhì)雷達、紅外探水、超前鉆探、地質(zhì)雷達、紅外探水、超前鉆探多種多種手段對巖溶進行了預報。手段對巖溶進行了預報。 齊岳山隧道巖溶超前預報綜合集成齊岳山隧道巖溶超前預報綜合集成超前預報效果對比分析超前預報效果對比分析一、溶腔位置預測一、溶腔位置預測從從2005年年1月月1日至日至2006年年1月月1日一年間，齊岳山隧道平導與正洞共穿日一年間，齊岳山隧道平導與正洞共穿越寬度大于越寬度大于0.5米溶腔米溶腔12處，其中處，其中TSPZO3超前地質(zhì)預報系統(tǒng)準確預報超前地質(zhì)預報系統(tǒng)準確預報出出2次，準確率為次，準確率為16.7%;而多功能超前水平鉆機準確的預報出而多功能超前水