断层破碎带隧道施工地质灾害预报预警方法研究
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摘要
本文以青岛胶州湾海底隧道工程为背景,依托国家863项目“复杂地质条件下隧道施工地质灾害预警装备与系统研究”,针对长大和复杂地质条件下隧道施工地质灾害频发的情况,基于大量参考文献的调研和总结,在分析断层破碎带成因、构造特点以及影响断层破碎带隧道开挖围岩稳定性主控因素的基础上,通过数值模拟和理论分析提出了断层破碎带隧道施工地质灾害的预报和预警方法。取得的主要研究成果如下:
1)在对大量的断层破碎带超前地质预报方法的资料进行分析研究的基础上,总结了目前断层破碎带隧道超前地质预报的方法特点及效果。通过对预报类型特点的分析,对目前断层破碎带地区采用的隧道超前地质预报方法的现状及发展趋势有了清楚和全面的认识。
2)在研究影响断层破碎带隧道开挖围岩稳定性主控因素基础上,通过数值模拟计算分析了各主要影响因素变化对隧道围岩稳定性的影响。考虑隧道与断层破碎带的空间关系,数值模拟计算中将断层破碎带隧道施工的计算模型分为断层破碎带走向与隧道轴线正交、平行、斜交三种类型,在这三种类型的计算中分别再考虑影响断层破碎带隧道施工围岩稳定性的各类因素(断层破碎带倾角、节理及充填物性质、围岩等级、断层破碎带宽度、隧道埋深及初始地应力等),根据隧道及周围围岩变形规律的分析,初步得出了地质灾害发生的临界点和隧道距断层破碎带安全距离(预警距离)的关系。
3)综合分析评价了现有各类超前地质预报方法,得出目前断层破碎带隧道施工超前地质预报中存在的主要问题为:(1)断层破碎带的判读缺乏明确的指标,更多的是依赖于经验;(2)对断层破碎带的定位精度不高;(3)预报围岩工程类别的变化方面还缺乏可靠的依据。另外,还得出目前断层破碎带超前地质预报地震波法难于进行目标体的几何结构成像、目标体物性结构反演成像及复杂地质体结构探测。针对以上这些问题,本文基于“四个结合”原则(长期预报与中短期预报相结合、多种物探方法相结合、洞内探测与洞外探测相结合、工程物探与工程地质分析相结合)提出了有效探测断层破碎带的综合超前地质预报方法。
4)通过以上研究总结出超前地质预报信息与灾害预报预警之间的最佳联系。将基于地质灾害超前预报详细程度及可靠度的预报方法进行分类;同时将超前预报的预报结果与数值模拟计算结果相结合对断层破碎带隧道施工危害程度进行了分类,并提出了各类情况下的预警距离及防治断层破碎带隧道施工地质灾害的简单预案。
Take the Qingdao Jiaozhouwan channel tunnel project as background, relying on the State "863 Project" syudy on tunnel that built on complicated geological conditions equipment and system of geologocal hazards early-warning .Aiming at the situation of frequent hazards happening during long and large tunnels construction under complicated geological conditions, and referring to massive literatures and theoretical analyses, based on analyzing the cause and the conformation characteristics of fault and fracture zone, dominant influencing factors of excavation in this zone are considered as well, the runnel geological prediction system for tunnel construction in fault and fracture zone is put forward by numerical simulation and theoretical analysis based on analyzing the cause and the conformation characteristics of fault and fracture zone, also, dominant influencing factors of excavation in this zone are considered . Some research achievements are shown as follows:
1) On the basis of review to massive literatures, about the geological forecast methods for fault fracture zones, the characteristics and effect of present methods for predicting the geological conditions in advance are concluded. It makes us realize the present situation and development of application of tunnel geological prediction methods in fault and fracture zone.
2) After studying the dominant influencing factors of tunnel excavation in fault and fracture zone, the numerical simulation is used to analyze the influence of individual factor to the stability of surrounding rock mass, moreover, the strain rule is obtained, which is analyzed in order to get the critical point of geological hazard and safe distance from tunnel heading face to fault and fracture zone (so-called predictable distance).
3) By assessing present geological prediction methods, three key problems in geological prediction arise, e the geometrical imaging of target object, physical structure inverted imaging of target object, and structural detection of complicate geological mass. A general geological prediction method is brought fotward in order to solve the problems mentioned above following the four-combination principle.
4) The closest relationship between prediction information and geological pre-warning is found out through research. Individually the level of prediction detail and reliability, and endangering level of fault and fracture zone to tunnel construction obtained by means of geological prediction results, combined with numerical simulation, are classified in order to calculate the predictable distance under different geological condition and make up the pre-arranged planning for tunnel geological hazard in fault and fracture zone
The entire geological prediction system for tunnel construction in fault and fracture zone is built up, accompanied by some improvements for the geologocal hazards of present geological prediction and pre-warning methods in fault and fracture zone.
1)在对大量的断层破碎带超前地质预报方法的资料进行分析研究的基础上,总结了目前断层破碎带隧道超前地质预报的方法特点及效果。通过对预报类型特点的分析,对目前断层破碎带地区采用的隧道超前地质预报方法的现状及发展趋势有了清楚和全面的认识。
2)在研究影响断层破碎带隧道开挖围岩稳定性主控因素基础上,通过数值模拟计算分析了各主要影响因素变化对隧道围岩稳定性的影响。考虑隧道与断层破碎带的空间关系,数值模拟计算中将断层破碎带隧道施工的计算模型分为断层破碎带走向与隧道轴线正交、平行、斜交三种类型,在这三种类型的计算中分别再考虑影响断层破碎带隧道施工围岩稳定性的各类因素(断层破碎带倾角、节理及充填物性质、围岩等级、断层破碎带宽度、隧道埋深及初始地应力等),根据隧道及周围围岩变形规律的分析,初步得出了地质灾害发生的临界点和隧道距断层破碎带安全距离(预警距离)的关系。
3)综合分析评价了现有各类超前地质预报方法,得出目前断层破碎带隧道施工超前地质预报中存在的主要问题为:(1)断层破碎带的判读缺乏明确的指标,更多的是依赖于经验;(2)对断层破碎带的定位精度不高;(3)预报围岩工程类别的变化方面还缺乏可靠的依据。另外,还得出目前断层破碎带超前地质预报地震波法难于进行目标体的几何结构成像、目标体物性结构反演成像及复杂地质体结构探测。针对以上这些问题,本文基于“四个结合”原则(长期预报与中短期预报相结合、多种物探方法相结合、洞内探测与洞外探测相结合、工程物探与工程地质分析相结合)提出了有效探测断层破碎带的综合超前地质预报方法。
4)通过以上研究总结出超前地质预报信息与灾害预报预警之间的最佳联系。将基于地质灾害超前预报详细程度及可靠度的预报方法进行分类;同时将超前预报的预报结果与数值模拟计算结果相结合对断层破碎带隧道施工危害程度进行了分类,并提出了各类情况下的预警距离及防治断层破碎带隧道施工地质灾害的简单预案。
Take the Qingdao Jiaozhouwan channel tunnel project as background, relying on the State "863 Project" syudy on tunnel that built on complicated geological conditions equipment and system of geologocal hazards early-warning .Aiming at the situation of frequent hazards happening during long and large tunnels construction under complicated geological conditions, and referring to massive literatures and theoretical analyses, based on analyzing the cause and the conformation characteristics of fault and fracture zone, dominant influencing factors of excavation in this zone are considered as well, the runnel geological prediction system for tunnel construction in fault and fracture zone is put forward by numerical simulation and theoretical analysis based on analyzing the cause and the conformation characteristics of fault and fracture zone, also, dominant influencing factors of excavation in this zone are considered . Some research achievements are shown as follows:
1) On the basis of review to massive literatures, about the geological forecast methods for fault fracture zones, the characteristics and effect of present methods for predicting the geological conditions in advance are concluded. It makes us realize the present situation and development of application of tunnel geological prediction methods in fault and fracture zone.
2) After studying the dominant influencing factors of tunnel excavation in fault and fracture zone, the numerical simulation is used to analyze the influence of individual factor to the stability of surrounding rock mass, moreover, the strain rule is obtained, which is analyzed in order to get the critical point of geological hazard and safe distance from tunnel heading face to fault and fracture zone (so-called predictable distance).
3) By assessing present geological prediction methods, three key problems in geological prediction arise, e the geometrical imaging of target object, physical structure inverted imaging of target object, and structural detection of complicate geological mass. A general geological prediction method is brought fotward in order to solve the problems mentioned above following the four-combination principle.
4) The closest relationship between prediction information and geological pre-warning is found out through research. Individually the level of prediction detail and reliability, and endangering level of fault and fracture zone to tunnel construction obtained by means of geological prediction results, combined with numerical simulation, are classified in order to calculate the predictable distance under different geological condition and make up the pre-arranged planning for tunnel geological hazard in fault and fracture zone
The entire geological prediction system for tunnel construction in fault and fracture zone is built up, accompanied by some improvements for the geologocal hazards of present geological prediction and pre-warning methods in fault and fracture zone.
引文
[1]张倬元等,工程地质分析原理[M].地质出版社,1997
[2]刘志刚、赵勇,隧道隧洞施工地质技术[M].中国铁道出版社,2001.
[3]孙全德(译),长隧道工程地质条件的预测,隧道译丛1992,NO.12
[4]L.Rybach,M.Pfister,Temperature Predictions and Predictive Temperatures in Deep Tunnels Rock Mechanics and Rock Engineering,1994(27)2
[5]石文慧,当代铁路隧道发展趋势及地质灾害防治铁道工程学报1996,NO.2
[6]肖书安,G.Sa ttel,瑞士Vereina隧道工程程中的地质超前预报测量广东公路交通1998,54(增)
[7]蒙彦、雷明堂,岩溶区隧道涌水研究现状及建议中国岩溶2003,22(4)
[8]高克德、王连成,地质雷达探测隧道掘进前充水和瓦斯构造,公路,1994(9)
[9]姚锋敏,赵崇文.尖山工程建设工程地质问题回顾,中国矿业,1994,3(增)
[10]吴永清、何林生,地质雷达在公路隧道的应用,广东公路交通1998,54(增)
[11]陈光宗、王石春、刘朝祯,.太平骚水电站引水隧洞施工地质超前预测预报技术,铁道建筑技术,1995,NO.2
[12]武思玉、何振起,隧道超前预报,铁道知识1996,NO.5
[13]毛建安,秦岭特长隧道施工地质超前预报技术的应用,现代隧道技术,1998,NO.4
[14]王胜平,五指山隧道地质超前预报,隧道建设,1998,2
[15]齐传生,TSP202隧道地震波超前地质预报系统的应用,世界隧道1999,NO.1,36-40
[16]张勇、张子新等,TSP超前地质预报在公路隧道中的应用,东北公路2001,24(2)
[17]周运祥,TSP203超前预报系统在乌鞘岭特长隧道不良地质中的应用,铁路建筑技术2004,NO.1
[18]朱宝龙、陈强、魏有仪、王鹰,TSP超前地质预报在圆梁山隧道施工中的应用,水文地质工程地质2003,NOA_
[19]刘志刚,隧道地震勘探(TSP)在工程中的应用,铁道建筑技术2001,05
[20]王鹰、陈强、魏有仪等,红外探测技术在圆梁山隧道突水预报中的应用,岩石力学与工程学报,2003(5)
[21]中铁西南科学研究院供稿,隧道地质超前预报技术交流研讨会在成都召开,现代隧道技术
[22]毕焕军,裂隙岩体数值法预测计算特长隧道涌水量的应用研究,铁道工程学报,2000年第1期.
[23]李宁、宋战平、邓良胜,紫坪铺工程F3断层大断面隧洞施工中塌方机理的数值仿真分析 研究,水利水电技术,2002年11期
[23]孙星亮、侯永会,断层破碎带隧道施工过程的三维数值模拟.石家庄铁道学院学报,2006年第19卷第2期.
[25]李晓东,高地应力区断层带隧道围岩稳定性分析,西部探矿工程,2008,20(3)
[26]盛俭等,浅层人工地震在长春市断层探测中的应用,自然灾害学报2007,16(5)
[27]郁万彩,瞬变电磁法在断层含水性评价中的应用.山东地质.2001,17(1)
[28]黄仁东、古德生,声波CT层析成像技术在新桥硫铁矿的应刚.湘谭矿业学院学报.2004年3月第19卷第1期
[29]李卫华.,超前地质预报技术在武隆隧道岩溶地质施工中的应用,隧道工程,文章编号:1004-2954(2003)增刊-0053-03
[30]杨智国,地质超前预报在桃花铺一号隧道TBM施工中的应用.铁道工程学报.2004年3月第1期(总81)
[31]何振起、李海、梁彦忠,利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报.铁道工程学报.2000年12月第4期
[32]白哲,王子石隧道施工期的超前地质雷达探测,中国水运(理论版),2006年04期
[33]钟宏伟、赵凌,我国隧道工程超前预报技术现状分析,人民长江,2004年9月第35卷第9期
[34]樊孝祖,隧道灾害防治.科技交流
[35]郑道坊,复杂地质条件下的公路隧道建设.世界隧道,1999(5):58
[36]王守仁,隧道坍方面面谈.铁道工程学报,1999,63(3)
[37]郑玉欣,隧道施工坍方机理分析及处治技术.铁道工程学报,1999,62(2)
[38]Dae S.Yong and Wenbin Zhang.Fragment size distributions and rock jionts.Rock Mechanics,1992,Ballcema,Rotterdam
[39]A.Shpiro,J.L.Delport.Statistical analysis of jointed rock data.Int.Rock Meth.Min.Sci.&Geomech.Abstr.1991,28(5)
[40]蒋止才,刺桐关三号隧道通过断层坍落体的施工技术.隧道及地下工程,1995年第16卷第4期.
[41]孙叶,中国地质灾害类型划分与减灾对策的战略分析.中国地质灾害与防治学报,1991,(4)
[42]刘高等,深埋长大隧道涌(突)水条件及影响因素分析.2002年第8卷第3期
[43]徐则、民黄润秋,深埋特长隧道及其施工地质灾害[M].西南交通大学出版社.2000
[44]俞喻,挤压性围岩支护大变形的机理及判定方法.世界隧道1998.2(1)
[45]何满潮、彭涛、陈宜余,软岩工程中的大变形及研究方法.水文地质工程地质.1994(5)
[46]何满潮、彭涛、陈宜金,软岩工程中的大变形问题.水文地质与工程地质,1999(5)
[47]姜石、丁兰生,隧道下程围岩大变形问题研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集,人 民交通出版社,2003
[48]汪泽斌,岩爆实例、岩爆术语及分类的建议.工程地质,1988,(3)
[49]陈宗基,岩爆的工程实录、理论与控制.岩石力学与工程学报,1987,6(1)
[50]邹成杰,地下工程中岩爆灾害发生规律与岩爆预测问题的研究.中国地质灾害与防治学报,1992,3(4)3
[51]徐林生、王兰生,二郎山公路隧道岩爆发生规律与岩爆预测研究.岩土工程学报,1999,21(5)
[52]杜炜平、古德生、、颜荣贵,岩爆判定与隧道岩爆监控研究.中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集.北京:中国科学技术出版社,2000,10
[53]杨玉刚等,寺铺尖隧道突发性断层塌方处理措施.西部探矿工程,2002年21期
[54]习小华,分析影响隧道围岩稳定性因素,西部探矿工程,2002,No.84
[55]邢念信,地下开挖中的围岩稳定性评价,全国第三次工程地质大会论文集,1988
[56]《公路隧道设计规范》(JTJD70-2004),北京,人民交通出版社,1990
[57]王建宁,锚喷支护原理和设计[M],北京:中国铁道出版社,1980
[58]孙均、汪炳链,地下结构有限元法解析[M].上海:同济大学出版社,1988
[59]徐志英,岩石力学[M].北京:水利水电出版社,1986
[60]朱合华等,地下结构施工过程的动态仿真模拟分析,岩石力学与工程学报.1999(5)
[61]孙钧、汪炳槛,地卜结构有限元法解析[M].上海:同济大学出版社,1986
[62]白向忠,材料力学[M].中国建材工业出版社,2003
[2]刘志刚、赵勇,隧道隧洞施工地质技术[M].中国铁道出版社,2001.
[3]孙全德(译),长隧道工程地质条件的预测,隧道译丛1992,NO.12
[4]L.Rybach,M.Pfister,Temperature Predictions and Predictive Temperatures in Deep Tunnels Rock Mechanics and Rock Engineering,1994(27)2
[5]石文慧,当代铁路隧道发展趋势及地质灾害防治铁道工程学报1996,NO.2
[6]肖书安,G.Sa ttel,瑞士Vereina隧道工程程中的地质超前预报测量广东公路交通1998,54(增)
[7]蒙彦、雷明堂,岩溶区隧道涌水研究现状及建议中国岩溶2003,22(4)
[8]高克德、王连成,地质雷达探测隧道掘进前充水和瓦斯构造,公路,1994(9)
[9]姚锋敏,赵崇文.尖山工程建设工程地质问题回顾,中国矿业,1994,3(增)
[10]吴永清、何林生,地质雷达在公路隧道的应用,广东公路交通1998,54(增)
[11]陈光宗、王石春、刘朝祯,.太平骚水电站引水隧洞施工地质超前预测预报技术,铁道建筑技术,1995,NO.2
[12]武思玉、何振起,隧道超前预报,铁道知识1996,NO.5
[13]毛建安,秦岭特长隧道施工地质超前预报技术的应用,现代隧道技术,1998,NO.4
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[17]周运祥,TSP203超前预报系统在乌鞘岭特长隧道不良地质中的应用,铁路建筑技术2004,NO.1
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[19]刘志刚,隧道地震勘探(TSP)在工程中的应用,铁道建筑技术2001,05
[20]王鹰、陈强、魏有仪等,红外探测技术在圆梁山隧道突水预报中的应用,岩石力学与工程学报,2003(5)
[21]中铁西南科学研究院供稿,隧道地质超前预报技术交流研讨会在成都召开,现代隧道技术
[22]毕焕军,裂隙岩体数值法预测计算特长隧道涌水量的应用研究,铁道工程学报,2000年第1期.
[23]李宁、宋战平、邓良胜,紫坪铺工程F3断层大断面隧洞施工中塌方机理的数值仿真分析 研究,水利水电技术,2002年11期
[23]孙星亮、侯永会,断层破碎带隧道施工过程的三维数值模拟.石家庄铁道学院学报,2006年第19卷第2期.
[25]李晓东,高地应力区断层带隧道围岩稳定性分析,西部探矿工程,2008,20(3)
[26]盛俭等,浅层人工地震在长春市断层探测中的应用,自然灾害学报2007,16(5)
[27]郁万彩,瞬变电磁法在断层含水性评价中的应用.山东地质.2001,17(1)
[28]黄仁东、古德生,声波CT层析成像技术在新桥硫铁矿的应刚.湘谭矿业学院学报.2004年3月第19卷第1期
[29]李卫华.,超前地质预报技术在武隆隧道岩溶地质施工中的应用,隧道工程,文章编号:1004-2954(2003)增刊-0053-03
[30]杨智国,地质超前预报在桃花铺一号隧道TBM施工中的应用.铁道工程学报.2004年3月第1期(总81)
[31]何振起、李海、梁彦忠,利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报.铁道工程学报.2000年12月第4期
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[34]樊孝祖,隧道灾害防治.科技交流
[35]郑道坊,复杂地质条件下的公路隧道建设.世界隧道,1999(5):58
[36]王守仁,隧道坍方面面谈.铁道工程学报,1999,63(3)
[37]郑玉欣,隧道施工坍方机理分析及处治技术.铁道工程学报,1999,62(2)
[38]Dae S.Yong and Wenbin Zhang.Fragment size distributions and rock jionts.Rock Mechanics,1992,Ballcema,Rotterdam
[39]A.Shpiro,J.L.Delport.Statistical analysis of jointed rock data.Int.Rock Meth.Min.Sci.&Geomech.Abstr.1991,28(5)
[40]蒋止才,刺桐关三号隧道通过断层坍落体的施工技术.隧道及地下工程,1995年第16卷第4期.
[41]孙叶,中国地质灾害类型划分与减灾对策的战略分析.中国地质灾害与防治学报,1991,(4)
[42]刘高等,深埋长大隧道涌(突)水条件及影响因素分析.2002年第8卷第3期
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[45]何满潮、彭涛、陈宜余,软岩工程中的大变形及研究方法.水文地质工程地质.1994(5)
[46]何满潮、彭涛、陈宜金,软岩工程中的大变形问题.水文地质与工程地质,1999(5)
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[49]陈宗基,岩爆的工程实录、理论与控制.岩石力学与工程学报,1987,6(1)
[50]邹成杰,地下工程中岩爆灾害发生规律与岩爆预测问题的研究.中国地质灾害与防治学报,1992,3(4)3
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[54]习小华,分析影响隧道围岩稳定性因素,西部探矿工程,2002,No.84
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[59]徐志英,岩石力学[M].北京:水利水电出版社,1986
[60]朱合华等,地下结构施工过程的动态仿真模拟分析,岩石力学与工程学报.1999(5)
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[62]白向忠,材料力学[M].中国建材工业出版社,2003