铁道部课题项目建议书——高风险岩溶隧道不良地质预报方法、设备_与灾害控制研究(编辑修改稿)

铁道部课题项目建议书——高风险岩溶隧道不良地质预报方法、设备_与灾害控制研究(编辑修改稿)内容摘要：

度约近 三 天左右的现状，还需要研究快速建止浆墙的新方法、材料及工艺，以将时间缩短到一天。 在所开展研究的基础上，最终形成高风险岩溶隧道不良地质预报与灾害控制系统，为隧道建设和施工提供科学依据和 治理措施。 实施方案 工作内容 （ 1）资料的收集与调研 进行国内外相关资料的收集与调研，进行项目可行性研究，制定研究计划和实施大纲，为进一步的研究做准备。 具体实施步骤如下： ○ 1 相关资料的系统收集与调研：相关岩溶隧道工程的施工与科研报告和依托工程概况资料 (基础地质资料、钻孔勘探地质资料以及野外地质调查资料等等 )。 ○ 2 组织由业主、专家以及拟研究人员参加的项目论证会，对项目的可行性和研究计划进行深入讨论。 ○ 3 在相关资料系统分析的基础上，进一步完善研究计划，编制具体的实施大纲。 （ 2） 初步 编制三 峡地区低台原面岩溶发育规律地质报告，启动新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 17 物探理论研究和突水前兆信息模型试验研究计划。 具体实施步骤如下： ○ 1 现场工作组进场，由经验丰富的岩溶专家带队，全面开展地表区域性岩溶地质调查工作，重点查明地表岩溶洼地、落水洞以及溶槽等岩溶形态的发育规模与分布状况。 ○ 2 基于地表地质调查工作，系统分析三峡地区低台原面的地形、地貌特征及其形成历史，编制岩溶发育规律地质报告的相 关部分。 ○ 3 动态跟踪隧道施工揭露围岩岩溶发育状况，描绘围岩卸荷裂隙的发育形态，分析其力学形成机理，重点研究岩溶流域演化规律及其与岩溶隧道的关系，编制地质日志。 ○ 4 分析施工方超前地质预报结果，推断岩溶裂隙水与不良地质的存在形态，分析其与地表岩溶形态的水力联系，对突水、突泥地质灾害进行风险评估，以确保施工安全。 ○ 5 基于上述研究，全面研究依托工程的地形地貌、地质构造、地层岩性以及岩溶水文地质条件，系统分析依托工程低台原 面含水构造与突水构造的发育特征与分布规律，初步建立突水靶段识别的风险评估体系。 ○ 6 初步 编制三 峡地区低台原面岩溶发育规律地质报告，启动物探理论研究和突水前兆信息模型试验研究计划。 （ 3）全面开展物探理论研究，构建突水前兆信息模型试验平台，并率先开展含水构造和地质缺陷的物探模型试验。 具体实施步骤如下： 新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 18 ○ 1 基于前期类似岩溶隧道的物探结果进行系统整理分析，进行各种物探方法综合试验及实测分析、软件开发和仪器改造的研究工作，探讨综合预报方法的预报原则与使用 方法。 ○ 2 针对探查地下水较好的两种物探方法， 开展瞬变电磁法三维空间定位和复合式激发极化法含水构造定量的理论分析及其正反演计算方法研究。 ○ 3 开展瞬变电磁与复合式激发激化用于隧道超前预报的三维全空间正反演计算方法研究，提高仪器探头现场应用的抗干扰能力，并对其后处理软件进行优化。 ○ 4 基于依托工程的岩溶发育规律，开展地质法与最佳物探方法相结合的岩溶裂隙水预报系统研究，并就地面补充勘察、辅助物探设备 (超前钻、钻孔电视等 )与 隧道内地质预报相配合的方法和原则进行详细研究。 ○ 5 追踪依托工程的超前预报工作，并协助施工方进行物探结果的解释与解译，在高风险地段，指导施工方有针对性地选择合理的物探手段和预报流程，确保施工的安全。 ○ 6 结合岩溶地质报告与超前预报结果，初步 开展隧道分段灾害风险评估和有效预警机制研究，建立临灾快速反应体系。 对于已探查到的含水构造和不良地质，可配合施工方开展原位注浆试验。 ○ 7 初步构建突水前兆信息模型试验平台，研制高强 PVC 型试验模型架，并实现内置水体与地质缺陷体的布设，采用原型材料开展不同物探手段的模型试验，并与数值模拟结果进行对比，开展综合物探新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 19 法对探察到的含水构造空间精细定位技术的研究。 ○ 8 总结分析上述研究成果，提出岩溶隧道地质缺陷最佳综合预报方法和含水构造的定位定量预报方法，形成综合预报方法技术体系，编制相应研究报告。 （ 4）开展突水前兆信息演化规律模型试验，研制新型固流耦合相似材料和多元信息并行采集的实时监测系统，基于是不同突水模式和类别的系统归纳，建立突水前兆实时监测理论和失稳突水的 突变模型。 具体实施步骤如下： ○ 1 归纳岩溶隧道主要突水模式和突水类别，基于层状岩体失稳突水和岩溶管道渗透失稳编制相应的模型试验方案。 ○ 2 以沙 石蜡为骨料开展新型固流耦合相似材料的研究，满足力学相似和渗透相似，能实现层状完整岩体失稳的突水和地质缺陷式突水的物理模拟。 ○ 3 以应力、位移、温度和渗压为监测目标，研制基于光纤技术的突水前兆多元信息采集的实时监测系统，并在模型试验成功应用的基础上，进一步进行改造和调试，为投入现 场应用奠定实践基础。 ○ 4 开展突水的物理模拟试验，并对监测信息进行筛选和识别，初步建立信息识别模型，为突水实时监测理论体系的建立提供试验依据。 ○ 5 基于突水实例的整理分析，提出岩溶突水的基本力学原理，并就突水通道的形成机理和灾变演化路径进行系统研究，尤其是岩溶管道充填物渗透失稳的力学机理。 新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 20 ○ 6 通过非地质缺陷式突水和地质缺陷式突水的物理试验，提出防突关键体理论研究，建立相应的突变力学模型与失稳的突水判据，并就相应的突水 量和突泥量进行预测。 （ 5）结合依托工程岩溶发育规律、灾害风险分析以及突水前兆信息演化规律的研究，提出地质灾害风险评估和快速预警机制。 具体实施步骤如下： ○ 1 基于岩溶裂隙发育的特征和规律、超前预报成果及岩溶隧道突水机理研究，初步建立岩溶隧道突水风险评估标准及有效预警方案系统。 ○ 2 总结 施工中出现的不良地质体前兆信息及其变化特征，与模型试验相对应，为建立正确预测地质灾害类型、规模及风险评估的方法提供工程依据。 ○ 3 基于依 托工程探明或已揭露的地质灾害实况，编制突水突泥预警演练方案，配合项目部开展现场救援、逃生等内容的预警演练。 ○ 4 跟踪施工进展，当进入划分的高风险地段或物探异常区时，现场工作组讨论实施综合预报手段和超前钻的必要性，并提交预警报告。 ○ 5 依据施工揭露地质灾害实况，对初步 建立的 隧道分段灾害风险评估和有效预警机制 进行修正 ，建立临灾快速反应体系 ，尤其是针对大型突水、突泥地质灾害。 ○ 6 当依托工程中发生大型突水、突泥地质灾害时，启 动快速预警方案，全力配合项目部实施现场救援工作。 新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 21 （ 6）完善岩溶裂隙水封堵与排导技术相关研究，提出有效的治理岩溶洞穴、岩溶水的治理措施及岩溶隧道施工工艺和方法，直接为依托工程服务。 具体实施步骤如下： ○ 1 收集依托工程已有注浆封堵实例的相关资料，总结我国交通和水利等领域封堵裂隙水的经验，提出封堵、排导与围岩稳定和环境保护相协调的治理原则。 ○ 2 针对依托工程岩溶发育特征， 开展岩溶突水治理浆材的优选试验研究，对比超细水泥、水泥 水玻璃、尿醛树脂等常见注浆 材料的封堵效果，重点分析化学浆材的流动性、渗透性、抗冲刷性以及固结体的强度、水质毒理特征。 ○ 3 对施工揭露的出水点，应施工方要求，可开展岩溶裂隙水封堵注浆技术的工业性试验，对注浆材料、注浆工艺、注浆设备和排导措施提出针对性实施方案。 ○ 4 通过物探手段已查明的潜在含水构造和岩溶洞穴，分析其相应突水、突泥模式的治理方法，提出快速有效的施工工艺和工法，直接为依托工程服务。 ○ 5 研究快速建止浆墙的新方法、材料与工艺，解决当前钻 孔过深及注浆前建止浆墙及混凝土达到有效强度时间过长的问题。 ○ 6 在室内浆材优选试验和现场原位注浆封堵工业性试验的研究基础上，完善岩溶裂隙水封堵与排导技术，建立岩溶裂隙水综合治理系统。 （ 7）完善整体研究内容，编制研究总报告。 具体实施步骤如下： 新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 22 ○ 1 补充试验，通过试验完善理论模型，完成全部的试验结果分析、数值分析工作。 ○ 2 项目理论提高和技术完善阶段，编写出版论文及专著。 ○ 3 编制研究总报告 ，进行成果评审鉴定工作。 进度安排 本课题的研究进度安排如下： 时间 进度 整体研究计划 (工作实施内容 ) 现场工作 理论研究 试验研究 08年 12月 ~09年 2 月 ○ 1 编制项目实施大纲 ； ○ 2 收集相关资料：岩溶隧道资料、依托工程资料 等。 ○ 1 成立课题小组 ； ○ 2 理论研究专项讨论； ○ 3 确定 理论研究方案 ；○ 4 资料的 调研和收集。 ○ 1 编制试验方案 ； ○ 2 初步完成室内试验设备与模型试验系统的改造与设计工作。 09 年 2月 ~09年 4 月 ○ 1 工作组进场 ，购置用品 ； ○ 2 野外地质 洞内 调查 ； ○ 3 施工跟踪、物探指导 ； ○ 4 围岩揭露情况 统计。 ○ 1 岩溶流域分析 ； ○ 2 地下水位辨别技术 ； ○ 3 综合物探预 报技术 ； ○ 4 防突关键体原理。 ○ 1 模型架与模具加工； ○ 2 购置和研发传感器； ○ 3 新型固流耦合相似材料 和监测系统 的研制。 09 年 4月 ~09年 6 月 ○ 1 初步 编制 岩溶地质报告 ； ○ 2 施工跟踪、物探指导 ； ○ 3 围岩揭露情况统计 ； ○ 4 突水、突泥靶段的圈定 ； ○ 5 初步划分隧道风险等级。 ○ 1 岩溶发育规律分析 ； ○ 2 瞬变电磁正反演 ； ○ 3 碳酸岩岩溶发生学 ； ○ 4 突水、突泥量预测 ； ○ 5 固流耦合相似理论。 ○ 1 完成 光纤监测系统 的研制和调试工作 ； ○ 2 层状岩体突水试验； ○ 3 购置激电仪等物探试验仪器，准备相关试验。 09 年 6月 ~09年 8 月 ○ 1 初步编制岩溶地质报告； ○ 2 突水、突泥靶段的修正 ； ○ 3 建立隧道灾害风险等级 ； ○ 4 施工跟踪、物探指导； ○ 5 围岩揭露情况统计。 ○ 1 卸荷裂隙形成机理 ； ○ 2 地质灾害风险评估； ○ 3 瞬变电磁正反演； ○ 4 激发激化正演； ○ 5 突水通道形成机 理。 ○ 1 改装试验系统； ○ 2 注浆材料优选试验 ； ○ 3 岩 样 破裂室内试验 ； ○ 4 购置激电仪等物探试验仪器，准备相关试； 09 年 8月 ~09年 10月 ○ 1 完善岩溶地质报告； ○ 2 修正隧道灾害风险等级； ○ 3 突 (涌 )水治理技术指导 ； ○ 4 施工跟踪、物探指导； ○ 5 围 岩揭露情况统计。 ○ 1 碳酸岩岩组层序学； ○ 2 突水前兆数值模拟； ○ 3 水体探测数值模拟 ； ○ 4 物探仪器性能优化 ； ○ 5 层状岩体突水 模拟。 ○ 1 岩样破裂突水试验(应力、位移和声发射 )； ○ 2 水体探测 物理模拟； ○ 3 地质缺陷突水物理模拟 (岩溶管道渗透失稳 )。 09年 10月 ~09年 12月 ○ 1 编制相应中期报告 ； ○ 2 工业性注浆试验 ； ○ 3 原位物探试验 (选作 )； ○ 4 施工跟踪、物探指导； ○ 5 围岩揭露情况统计。 ○ 1 编制相应中期报告； ○ 2 物探干扰因素去噪； ○ 3 反射类物探方法 ； ○ 4 突水实时监测技术 ； ○ 5 地质缺陷突水 模型。 ○ 1 编制相应中期报告； ○ 2 地质缺陷探测试验 ； ○ 3 化学浆液 指标测试 ； ○ 4 地质缺陷突水物理模拟 (断层破碎带 )。 09年 12月 ~10年 2 月 ○ 1 岩溶洞穴等治理 (选作 )； ○ 2 裂隙水封堵试验 (选作 )； ○ 3 建立有效预警体系 ； ○ 1 临突快速反应机制 ； ○ 2 探头与电极的改造； ○ 3 探查精细定位技术； ○ 1 浆材水质毒理测试 ； ○ 2 化学浆液封堵试验 ； ○ 3 激发激化物理模拟 ； 新建铁路成都至重庆客运专线 CYSG3 标段 隧道超前地质预报施工方案 23 ○ 4 施工跟踪、物探指导； ○ 5 围岩揭露情况统计。 ○ 4 突水前兆信息演化规律 (单信息与双信息 )。 ○ 4 二次时差参数与涌水量关系的模型试。