隧道突涌水监测方法与预警技术

近年来，我国各项基础设施建设的发展如火如荼，“一带一路”建设持续推进，许多重大工程项目如雨后春笋般蓬勃兴建，诸如三峡工程、青藏铁路、南水北调、三纵四横高铁网、港珠澳大桥、上海中心大厦，以及由我国援建的雅万高铁、中老铁路、中泰铁路、瓜达尔港、比雷埃夫斯港，等等，不一而足。毋庸置疑，我国已成为世界上建设重大工程多的国家之一。这些重大工程项目就其建设规模、技术难度和资金投入等而言，不仅在国内，即使在全球范围也都位居前茅，甚至名列世界。在这些工程的建设过程中涌现的一系列重大关键性技术难题，通过分析探索创新，很多都得到了很好的优化和解决，有的甚至在原来的理论、技术基础上创造出了新的技术手段和方法，申请了大量的技术专利。例如，６３２m的上海中心大厦，作为世界的绿色建筑，其建设在超高层设计、绿色施工、施工监理、建筑信息化模型（ＢＩＭ）技术等多方面取得了多项科研成果，申请到８项发明专利、授权１２项实用新型技术。仅在结构工程方面，就应用到了超深基坑支护技术、超高泵送混凝土技术、复杂钢结构安装技术以及结构裂缝控制技术等许多创新性的技术革新成果，有的达到了世界水平。这些优化、突破和创新，对我国工程技术人员将是非常宝贵的参考和借鉴。

在２０１６年３月初召开的全国人大全体会议期间，很多代表谈到，极大量的技术创新与发展是“十三五”时期我国宏观经济实现战略性调整的一项关键性驱动因素，是实现国家总体布局下全面发展的根本支撑和关键动力。

同时，在新一轮科技革命的机遇面前，也只有在关键核心技术上一个个地进行创新突破，才能实现社会生产力的全面跃升，使我国的科研成果和工程技术掌控两者的水平和能力尽早、尽快地全面进入发达国家行列，从而在国际上不断提升技术竞争力，而国力将更加强大！当前，许多工程技术创新得到了广泛的认可，但在创新成果的推广应用中却还存在不少问题。在重大工程建设领域，关键工程技术难题在实践中得到突破和解决后，需要把新的理论或方法进一步梳理总结，再一次次地广泛应用于生产实践，反过来又将再次推动技术的更进一步的创新和发展，是为技术的可持续发展之巨大推动力。将创新成果进行系统总结，出版一套有分量的技术专著是有成效的一个方面。这也是出版“重大工程建设关键技术研究”丛书的意义之所在。以推广学术上的创新为主要目标，“重大工程建设关键技术研究”丛书主要具有以下几方面的特色： 

１. 聚焦重大工程和关键项目。目前，我国基础设施建设在各个领域蓬勃开展，各类工程项目不断上马，从项目体量和技术难度的角度，我们选择了若干重大工程和关键项目，以此为基础，总结其中的专业理论和专业技术使之编纂成书。由于各类工程涉及领域和专业门类众多，专业学科之间又有相互交叉和融合，难以单用某个专业来设定系列丛书，所以仍然以工程大类为基本主线，初步拟定了隧道与地下工程、桥梁工程、铁道工程、公路工程、超高层与大型公共建筑、水利工程、港口工程、城市规划与建筑共八个领域撰写成系列丛书，基本涵盖了我国工程建设的主要领域，以期为未来的重大工程建设提供专业技术参考指导。由于涉及领域和专业多，技术相互之间既有相通之处，也存在各自间的不同，在交叉技术领域又根据具体情况做了处理，以避免内容上的重复和脱节。

２. 突出共性技术和创新成果，侧重应用技术理论化。系列丛书围绕近年来重大工程中出现的一系列关键技术难题，以项目取得的创新成果和技术突破为基础，有针对性地梳理各个系列中的共性、关键或有重大推广价值的技术经验和科研成果，从技术方法和工程实践经验的角度进行深入、系统而又详尽的分析和阐述，为同类难题的解决和技术的提高提供切实的理论依据和应用参考。在“复杂地质与环境条件下隧道建设关键技术丛书”（钱七虎院士任编委会主任）中，对当前隧道与地下工程施工建设中出现的关键问题进行了系统阐述并形成相应的专业技术理论体系，包括深长隧道重大突涌水灾害预测预警与风险控制、盾构工程遇地层软硬不均与极软地层的处理、类矩形盾构法、水下盾构隧道、地面出入式盾构法隧道、特长公路隧道、隧道地质三维探测、盾构隧道病害快速检测、隧道及地下工程数字化、软岩大变形隧道新型锚固材料等，使得关键问题在研究中得到了不同程度的解决和在后续工程中的有效实施。

３. 注重工程实用价值。系列丛书涉及的技术成果要求在国内已多次采用，实践证明是可靠的、有效的，有的还获得了技术专利。系列丛书强调以理论为引领，以应用为重点，以案例为说明，所有技术成果均要求以工程项目为背景，以生产实践为依托，使丛书既富有学术内涵，又具有重要的工程应用价值。如“长大桥梁建养关键技术丛书”（郑皆连院士任编委会主任、陈政清院士任副主任），围绕特大跨度悬索桥、跨海长大桥梁、多塔斜拉桥、特大跨径钢管混凝土拱桥、大跨度人行桥、大比例变宽度空间索面悬索桥等重大桥梁工程，聚焦长大桥梁的设计创新理论、施工创新技术、建设难点的技术突破、桥梁结构健康监测与状态评估、运营期维修养护等，主要内容包括大型钢管混凝土结构真空辅助灌注技术、大比例变宽度空间索面悬索桥体系、新型电涡流阻尼减振技术、长大桥梁的缆索吊装和斜拉扣挂施工、超大型深水基础超高组合桥塔、变形智能监测、基于ＢＩＭ的建养一体化等。这些技术的提出以重大工程建设项目为依托，包括合江长江一桥、合江长江二桥、巫山长江大桥、桂广铁路南盘江大桥、张家界大峡谷桥、西堠门大桥、嘉绍大桥、港珠澳大桥、虎门二桥等，书中对涉及具体工程案例的相关内容进行了详尽分析，具有很好的应用参考价值。

４. 聚焦热点，关注风险分析、防灾减灾、健康检测、工程数字化等近年来出现的新兴分支学科。在绿色、可持续发展原则指导下，近年来基础建设领域的技术创新在节能减排、低碳环保、绿色土木、风险分析、防灾减灾、健康检测（远程无线视频监控）、工程使用全寿命周期内的安全与经济、可靠性和耐久性、施工技术组织与管理、数字化等方面均有较多成果和实例说明，系列丛书在这些方面也都有一定体现，以求尽可能地发挥丛书对推动重大工程建设的长期、绿色、可持续发展的作用。

５. 设立开放式框架。由于上述的一些特性，使系列丛书各分册的进展快慢不一，所以采用了开放式框架，并在后续系列丛书各分册的设定上，采用灵活的分阶段付梓出版的方式。

６. 主编作者具备一流学术水平，从而为丛书内容的学术质量打下了坚实的基础。各个系列丛书的主编均是该领域的学术权威，在该领域具有重要的学术地位和影响力。如陈政清教授，中国工程院院士，“９８５”工程首席科学家，桥梁结构与风工程专家；郑皆连教授，中国工程院院士，桥梁设计施工专家；钱七虎教授，中国工程院院士，防护与地下工程专家；吴志强教授，中国工程院院士，城市规划与建设专家；等等。而参与写作的主要作者都是活跃在我国基础设施建设科研、教育和工程的一线人员，承担过重大工程建设项目或重大科研项目，他们主要来自中铁隧道局集团有限公司、中交隧道工程局有限公司、中铁十四局集团有限公司、中交公路工程局有限公司、青岛地铁集团有限公司、上海城建集团、中交公路规划设计院有限公司、陆军研究院工程设计研究所、招商局重庆交通科研设计院有限公司、天津城建集团有限公司、浙江省交通规划设计研究院、江苏交通科学研究院有限公司、同济大学、河海大学、西南交通大学、湖南大学、山东大学等。各位专家在承担繁重的工程建设和科研教学任务之余，奉献了自己的智慧、学识和汗水，为我国的工程技术进步做出了贡献，在此谨代表丛书总编委对各位的辛劳表示衷心的感谢和敬意。

当前，不仅国内的各项基础建设事业方兴未艾，在“一带一路”倡议下，我国在海外的重大工程项目建设也正蓬勃发展，对高水平工程科技的需求日益迫切。相信系列丛书的出版能为我国重大工程建设的开展和创新科技的进步提供一定的助力。

２０１７年１２月，于上海

本书共８章，分别总结分析了隧道突涌水监测方法与预警技术的发展历程、技术现状、存在的问题和发展趋势；归纳、划分了隧道突涌水灾害的两种典型破坏模式，提出了隧道突涌水灾害的地质及地球物理场前兆信息特征；针对隔水岩体渐进破坏突涌水类型，研制了真三轴地质力学模拟试验系统，揭示了突涌水的灾变演化机制与突涌水前兆多元信息演化规律；针对充填结构渗透失稳突涌水类型，研制了充填结构渗透失稳突涌水模拟试验系统，重点介绍了充填体性态演化过程与前兆信息临界特征；针对隧道突涌水灾害监测，提出了实时监测的物理基础与设计方法，介绍了隧道突涌水模式识别模型及演化态势动态预测方法；基于突涌水前兆多元信息融合分析方法，建立了以微震为载体融合多元信息的实时监测技术，构建了突涌水多元信息监测与预警系统，阐述了系统架构、软件设计及其使用方法；*后精选了代表性工程案例，详细介绍了隧道突涌水监测方法与预警技术的现场应用情况。

李术才
山东大学教授、博士生导师。我国隧道及地下工程超前地质预报与突水突泥灾害防控专家。入选科技部“973项目”首席科学家、*“长江学者“特聘教授、首批国家高层次人才特殊支持计划（万人计划）领军人才、“863计划”现代交通技术领域专家，国家杰出青年基金获得者。担任中国岩石力学与工程学会副理事长、中国岩石力学与工程学会地下工程分会理事长、国际著名期刊Tunnelling and Underground Space Technology主编。获国家科技进步二等奖4项，省部级一等奖5项、教学成果一等奖1项，2015年度山东省科学技术奖，第12届光华工程科技成就奖，第九届中国青年科技奖，全国优秀科技工作者，山东高校十大师德标兵；授权中国发明专利52项、美国专利5项；出版专著5部，发表论文160余篇。 

李利平
山东大学教授、博士生导师。现任山东大学齐鲁交通学院副院长、岩土中心隧道所所长；兼任中国岩石力学与工程学会岩石工程设计方法分会副理事长。入选国家“万人计划”青年拔尖人才、泰山学者（青年专家），国家优秀青年科学基金获得者、山东省杰出青年基金获得者；遴选为世界交通运输大会（WTC）结构工程学报隧道地质超前预报与灾害预警学科主席。主要从事隧道及地下工程灾害防治方面的研究。主持国家及省部级课题21项、重大工程委托项目16项；获国家科技进步二等奖1项（排名第3），获山东省科技进步一等奖和*科技进步二等奖各1项，其他省部级科技奖励6项；获第九届中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖、第十一届山东省青年科技奖；授权美国专利1项，中国发明专利24项；出版中文专著2部、主编教材1部；主编及参编行业团队标准4项，工法2项；发表SCI/EI论文159篇，两篇入选“领跑者F5000-中国精品科技期刊论文”

石少帅  博士后，山东大学硕士生导师。现任中国岩石力学与学会地下工程分会和工程安全与防护分会理事，国际岩石力学学会（ISRM）会员，被聘为世界交通运输大会（WTC）“隧道地质超前预报技术委员会“主席；担任Tunnelling and Underground Space Technology、Automation
in Construction等期刊审稿人；入选2017年中国科协“青年托举人才计划”。主要从事隧道与地下工程灾害防控方面的教学和研究工作。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等国家及省部级课题10项，重大工程委托项目7项。获省部级科技进步一等奖6项、二等奖4项；授权美国专利1项、中国发明专利20余项、软件著作权10余项；合作出版专著1部，参编行业标准4项，工法3项；以和通讯作者录用和发表SCI/EI论文15篇。

第1章绪论1

1.1隧道突涌水监测预警作用和意义/1

1.2隧道突涌水灾害研究现状与存在的问题/3

1.2.1隧道突涌水地质特征方面/4

1.2.2隧道突涌水前兆信息方面/9

1.2.3隧道突涌水监测预警方面/12

1.2.4存在的问题/13

1.3发展趋势/14

第2章隧道突涌水地质模式与前兆信息16

2.1防突结构破坏模式与特征/16

2.1.1隔水岩体渐进破坏突涌水特征/21

2.1.2充填结构渗透失稳突涌水特征/24

2.2灾害源地质结构模式/27

2.2.1无补给型静储量含水致灾构造/29

2.2.2强补给型动储量含水致灾构造/29

2.2.3弱补给型静动储量含水致灾构造/30

2.3隧道突涌水灾害施工前兆信息/31

2.3.1地质前兆信息/31

2.3.2地球物理场前兆信息/34

第3章隔水岩体渐进破坏突涌水前兆信息演化规律42

3.1隔水岩体渐进破坏突涌水模拟试验系统/42

3.1.1总体设计思路/42

3.1.2伸缩组合式试验台架/44

3.1.3真三轴加载与控制系统/46

3.1.4多元信息实时监测方法/52

3.2水力耦合岩体渐进破坏模拟试验/54

3.2.1模拟工程概况/54

3.2.2流固耦合相似材料/56

3.2.3试验思路与设计/60

3.2.4试验方法与实施/61

3.3隔水岩体渐进破坏突涌水前兆信息演化规律/64

3.3.1突涌水灾变过程分析/64

3.3.2岩体破坏突涌水应力场演化/65

3.3.3岩体破坏突涌水位移场演化/66

3.3.4岩体破坏突涌水渗流场演化/68

3.3.5多元信息融合分析与敏感性辨识/69

第4章充填结构渗透失稳突涌水前兆信息演化规律71

4.1充填结构渗透失稳突涌水模型试验系统/71

4.1.1总体设计思路/71

4.1.2旋式可视试验系统/73

4.1.3水压加载与实时监测系统/74

4.2充填体渗透破坏突涌水演化模拟试验/75

4.2.1模拟工程概况/75

4.2.2试验相似材料/77

4.2.3试验设计与实施/81

4.3充填体渗透破坏突涌水前兆多元信息演化规律/82

4.3.1灾变过程水砂涌出量演化规律/82

4.3.2充填体孔隙率演化规律/83

4.3.3充填体渗透特性演化规律/84

4.3.4多元信息融合与临界特征点识别/86

第5章隧道突涌水灾害实时监测的物理基础与设计方法88

5.1防突结构破坏突涌水/88

5.1.1隔水岩体破坏突涌水过程与物理量变化特征/88

5.1.2充填结构渗透失稳过程与物理量变化特征/95

5.1.3防突结构破坏临界特征点识别/97

5.2防突结构岩体破坏演化性态判识方法/101

5.2.1岩体脆性材料变形破坏特征/101

5.2.2岩体弹塑脆性突变模型/102

5.2.3岩体破坏及前兆信息判据/104

5.2.4突涌水危险性预警判别准则/104

5.3隧道突涌水灾害监测设计方法/106

5.3.1监测设计与布设方法/106

5.3.2实时监测的物联网架构/109

5.3.3多源异构信息采集方法/110

5.3.4远距离并行长传输模式/114

第6章突涌水前兆多元信息融合与预测方法119

6.1突涌水过程信息演化与模式判定/119

6.1.1突涌水多元信息演化过程/119

6.1.2多元信息敏感性识别方法/121

6.1.3突涌水模式判定模型/126

6.2突涌水过程多元信息融合分析方法/127

6.2.1证据理论与信息融合方法/127

6.2.2突涌水信息融合分析模型/129

6.2.3模型检验与算例验证/131

6.3隧道突涌水态势动态预测方法/132

6.3.1突涌水态势预测模型/133

6.3.2态势评估与实时修正/134

6.3.3突涌水演化态势预测方法/136

第7章隧道突涌水灾害实时监测与预警平台139

7.1突涌水通道空间定位/139

7.1.1微震检波器特性参数/139

7.1.2微震检波器设计指标/142

7.2信息融合与实时预测软件/143

7.2.1总体架构与设计思想/143

7.2.2软件功能与架构设计/144

7.2.3信息数据库及程序实现/145

7.2.4软件开发关键技术/147

7.3TMIWS软件系统及测试/150

7.3.1功能模块应用/150

7.3.2预警案例验证/162

7.4监测预警平台/163

7.4.1突涌水等级与时空预警/164

7.4.2远程监控与预警平台/165

第8章代表性工程应用168

8.1成兰铁路跃龙门隧道/169

8.1.1工程概况/169

8.1.2实时远程监控系统/169

8.1.3远程融合预警机制/174

8.2利万高速齐岳山隧道/175

8.2.1工程概况/175

8.2.2实时远程监控系统/176

8.2.3突涌水灾害综合预警/178

8.2.4突涌水灾害应急响应机制/180

参考文献184

本书共８章，分别总结分析了隧道突涌水监测方法与预警技术的发展历程、技术现状、存在的问题和发展趋势；归纳、划分了隧道突涌水灾害的两种典型破坏模式，提出了隧道突涌水灾害的地质及地球物理场前兆信息特征；针对隔水岩体渐进破坏突涌水类型，研制了真三轴地质力学模拟试验系统，揭示了突涌水的灾变演化机制与突涌水前兆多元信息演化规律；针对充填结构渗透失稳突涌水类型，研制了充填结构渗透失稳突涌水模拟试验系统，重点介绍了充填体性态演化过程与前兆信息临界特征；针对隧道突涌水灾害监测，提出了实时监测的物理基础与设计方法，介绍了隧道突涌水模式识别模型及演化态势动态预测方法；基于突涌水前兆多元信息融合分析方法，建立了以微震为载体融合多元信息的实时监测技术，构建了突涌水多元信息监测与预警系统，阐述了系统架构、软件设计及其使用方法；*后精选了代表性工程案例，详细介绍了隧道突涌水监测方法与预警技术的现场应用情况。

李术才山东大学教授、博士生导师。我国隧道及地下工程超前地质预报与突水突泥灾害防控专家。入选科技部“973项目”首席科学家、*“长江学者“特聘教授、首批国家高层次人才特殊支持计划（万人计划）领军人才、“863计划”现代交通技术领域专家，国家杰出青年基金获得者。担任中国岩石力学与工程学会副理事长、中国岩石力学与工程学会地下工程分会理事长、国际著名期刊Tunnelling and Underground Space Technology主编。获国家科技进步二等奖4项，省部级一等奖5项、教学成果一等奖1项，2015年度山东省科学技术奖，第12届光华工程科技成就奖，第九届中国青年科技奖，全国优秀科技工作者，山东高校十大师德标兵；授权中国发明专利52项、美国专利5项；出版专著5部，发表论文160余篇。 

李利平山东大学教授、博士生导师。现任山东大学齐鲁交通学院副院长、岩土中心隧道所所长；兼任中国岩石力学与工程学会岩石工程设计方法分会副理事长。入选国家“万人计划”青年拔尖人才、泰山学者（青年专家），国家优秀青年科学基金获得者、山东省杰出青年基金获得者；遴选为世界交通运输大会（WTC）结构工程学报隧道地质超前预报与灾害预警学科主席。主要从事隧道及地下工程灾害防治方面的研究。主持国家及省部级课题21项、重大工程委托项目16项；获国家科技进步二等奖1项（排名第3），获山东省科技进步一等奖和*科技进步二等奖各1项，其他省部级科技奖励6项；获第九届中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖、第十一届山东省青年科技奖；授权美国专利1项，中国发明专利24项；出版中文专著2部、主编教材1部；主编及参编行业团队标准4项，工法2项；发表SCI/EI论文159篇，两篇入选“领跑者F5000-中国精品科技期刊论文”

石少帅  博士后，山东大学硕士生导师。现任中国岩石力学与学会地下工程分会和工程安全与防护分会理事，国际岩石力学学会（ISRM）会员，被聘为世界交通运输大会（WTC）“隧道地质超前预报技术委员会“主席；担任Tunnelling and Unde