隧道涌水的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法淺析

熊敏才

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

隧道涌水的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法淺析

熊敏才

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

介紹幾種隧道涌水的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。水文地質(zhì)分析法可以充分解釋隧道突、涌水的水文地質(zhì)條件；物探法探測時(shí)間短，對施工干擾小，具備短、中、長距離多種探測方式；超前鉆探法常與水文地質(zhì)法及物探法結(jié)合使用，是目前最行之有效的綜合預(yù)報(bào)方法。

隧道 涌水 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)：根據(jù)洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查、工作面素描結(jié)果，采用各種探測手段對工作面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測，結(jié)合預(yù)報(bào)人員地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，對工作面前方施工可能遇到的不良地質(zhì)體及其成災(zāi)可能性做出預(yù)報(bào)。

在隧道施工中，由于設(shè)計(jì)資料與實(shí)際不符的情況屢有發(fā)生，由此帶來的隧道內(nèi)坍塌、突泥、涌砂、涌水等事故時(shí)有發(fā)生。地下水是其中一個(gè)重要的地質(zhì)因素，可造成隧道涌水及軟化、泥化，增大圍巖變形，降低結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力，造成不利組合巖塊的塌落甚至大的塌方，加劇破碎巖土體的活動(dòng)性，引發(fā)隧道內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害。因此，提前預(yù)測隧道開挖面前方巖體的含水情況顯得相當(dāng)必要，地下水的存在也可以作為溶洞、斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象存在的一個(gè)征兆。

1 超前預(yù)報(bào)方法

1.1 水文地質(zhì)分析法

隧道施工期涌水常與隧道開挖揭示的含水構(gòu)造(如充水巖溶、地下巖溶暗河、斷層破碎帶、含水地層)密切相關(guān)。因此，對隧道涌水位置的預(yù)報(bào)基本按預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的方法進(jìn)行，在確定不良地質(zhì)體在隧道施工工作面前方空間位置基礎(chǔ)上，通過對該不良地質(zhì)體性質(zhì)的分析，預(yù)報(bào)在含水構(gòu)造位置有可能發(fā)生的隧道突、涌水，用水文地質(zhì)分析法可以充分解釋隧道突、涌水的水文地質(zhì)條件，宏觀上具有很高的可信度。

1.2 物探法

(1)紅外線超前探水

紅外線超前探水是根據(jù)紅外輻射原理，即一切物質(zhì)都在向外輻射紅外電磁波的原理，通過接收和分析紅外信號進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種方法。

紅外輻射是由分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)形成的，構(gòu)成地質(zhì)體的分子時(shí)刻都在不停地振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，其產(chǎn)生的能量不間斷地由內(nèi)向外傳播，從而構(gòu)成紅外波段的電磁輻射，同時(shí)形成紅外輻射場。場有能量、動(dòng)量、方向等信息，地質(zhì)體由內(nèi)向外發(fā)射紅外輻射時(shí)，必然也會(huì)傳遞出地質(zhì)體內(nèi)部的信息。當(dāng)工作面前方和周圍介質(zhì)相對較均勻時(shí)，探測所獲得的紅外輻射場曲線具有正常場特征；當(dāng)隧道開挖工作面前方、拱頂上方、仰拱下方、兩側(cè)邊墻以外30 m范圍內(nèi)，存在隱伏水體或含水構(gòu)造時(shí)，其所產(chǎn)生的災(zāi)害場就會(huì)迭加到正常場之上，從而引起正常場發(fā)生畸變。根據(jù)開挖工作面、拱頂、兩側(cè)邊墻及底板的探測曲線變化，即可確定災(zāi)害源的存在。由于災(zāi)害場的輻射范圍遠(yuǎn)大于災(zāi)害源本身，因而可通過探測災(zāi)害場，提前確定災(zāi)害源的存在。

紅外探測具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①紅外探測儀器小巧、操作簡便，可實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)全方位探測，能預(yù)測隧道開挖工作面前方及洞身外圍空間30 m范用內(nèi)是否存在隱伏含水構(gòu)造或隱伏水體。

②分析資料簡單、快速，探測曲線直觀。

③探測時(shí)間短，對隧道施工干擾小。

④對隱伏含水構(gòu)造或水體僅能做定性推測，不能定量推測水量、水壓、水體寬度及其具體發(fā)育位置。

⑤若隧道裂隙水較發(fā)育，每次探測均有水，且水量較小對施工影響較小時(shí)，易使施工單位忽視地下水災(zāi)害隱患。

依據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制沿隧道軸向的探測曲線，以此作為判斷含水構(gòu)造的依據(jù)，根據(jù)探測曲線的變化規(guī)律，可以全方位探查隧道內(nèi)地質(zhì)含水體。

(2)地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)探測是采用地質(zhì)雷達(dá)儀發(fā)射的電磁波在隧道施工面前方巖體中的傳播及反射波，根據(jù)其傳播速度和反射波走時(shí)對前方圍巖進(jìn)行預(yù)報(bào)的一種物探方法。該方法主要用于探測巖溶，亦可用于探測軟弱夾層、斷層破碎帶等不均勻地質(zhì)體，是探測地下水體的一種有效方法；基于隧道內(nèi)隱伏水體電導(dǎo)率、介電參數(shù)以及其周圍多種介質(zhì)介電參數(shù)的突變，電磁波在主頻、振幅及相位變化上出現(xiàn)的變化規(guī)律，預(yù)報(bào)結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確度。

在巖石破碎帶中，巖體的含水率和礦化度都發(fā)生了變化，從而引起破碎帶的介電常數(shù)與周圍地層產(chǎn)生較大差異，破碎帶的反射波振幅能量明顯較兩側(cè)基巖信號強(qiáng)，其反射波的同相軸連線即為破碎帶的位置。在地下水富集的部位，將形成高頻信號強(qiáng)吸收帶，因而在這些部位處的雷達(dá)波波幅會(huì)很弱。當(dāng)雷達(dá)波穿越潛水面時(shí)，頻率會(huì)顯著降低。潛水面以下反射波組的高頻成分信號較潛水面以上有較大衰減。因此，對雷達(dá)波進(jìn)行時(shí)頻分析，可作為判斷巖體是否含水的重要手段。

地質(zhì)雷達(dá)探測的距離較短(<30 m)，且受金屬(鋼拱架、臺車等)干擾比較嚴(yán)重，對數(shù)據(jù)處理和解譯產(chǎn)生了一定困難，影響預(yù)報(bào)工作面前方含水體的位置和精度。

(3)TSP法

TSP法采用地震波反射原理，能長距離地預(yù)報(bào)隧道工作面前方的地質(zhì)情況。圍巖中介質(zhì)存在彈性差異時(shí)，在介質(zhì)間接觸界面處，入射波發(fā)生反射、折射和投射現(xiàn)象。在隧洞右邊墻或左邊墻的炮孔內(nèi)激發(fā)地震波，在布置的一系列接受點(diǎn)上接收介質(zhì)界面反射回來的地震波信號；采用深度偏移成像方法，在偏移成像之前進(jìn)行二維Radon變換，利用視速度的差異，消除隧道走向近乎平行的反射界面。通過對反射波特征分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、跟蹤觀測地質(zhì)資料，就可以確定隧道前方及周圍區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。

TSP法對縱波P、橫波SV、SH分別進(jìn)行處理，在判斷隧道巖體中是否富存地下水的應(yīng)用方面，TSP處理成果的解譯可以從以下幾個(gè)方面綜合考慮。

反射波振幅越高，波阻抗和反射系數(shù)的差別越大。若橫波S比縱波P反射強(qiáng)，則表明巖層中飽含地下水。比較反射波振幅必須謹(jǐn)慎，因?yàn)榉瓷洳ㄕ穹菀资艿诫S機(jī)噪聲和數(shù)據(jù)處理的影響。

Vp/Vs有較大增加或泊松比υ突然增大，常常由流體的存在引起。

若Vp下降，表明裂隙密度或孔隙度有所增加。

關(guān)于Vp/Vs：

①固結(jié)巖石一般Vp/Vs<2，泊松比υ<0.33；

②巖石的孔隙中充滿水時(shí)，Vp/Vs介于1.4～2.0；

③巖石的孔隙中充滿氣時(shí)，Vp/Vs介于1.3～1.7；

④飽和的未固結(jié)地層一般Vp/Vs>2.0。

當(dāng)巖體中含有流體時(shí)，縱波速度Vp與孔隙度及流體的性質(zhì)有關(guān)，縱波速度會(huì)明顯降低。橫波Vs只與骨架速度有關(guān)，與孔隙中的流體無關(guān)，Vs不發(fā)生明顯變化。

關(guān)于沉積巖的泊松比：

① 未固結(jié)土層一般具有非常高的泊松比υ(大于0.4)；

② 泊松比υ往往隨孔隙度的減小及沉積物固結(jié)而減少；

③ 具有高孔隙度的飽和砂巖通常具有較高的泊松比υ(0.3～0.4)；氣飽和的高孔隙度砂巖通常具有較低的泊松比υ(低至0.1)。

1.3 超前鉆探及超前洞探法

(1)超前鉆探法

超前鉆探法可分為超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔探測。超前地質(zhì)鉆探是利用鉆機(jī)在隧道開挖工作面進(jìn)行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。加深炮孔探測是利用風(fēng)鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法，適用于各種地質(zhì)條件下隧道的超前地質(zhì)探測。應(yīng)該特別注意，超前鉆孔法探水對巖溶管道水及與地表水有直接水力聯(lián)系的、導(dǎo)水性極好的斷層破碎帶具有很大的突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)。特別是當(dāng)鉆孔接近該種構(gòu)造時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注鉆機(jī)速度、流出液顏色以及攜帶物的變化，及時(shí)終孔，防止鉆孔突泥涌水災(zāi)害的發(fā)生。

超前鉆探法通常與水文地質(zhì)測試法及物探法結(jié)合使用，是最常用的行之有效的一種方法。

(2)超前導(dǎo)坑(平行導(dǎo)坑)法

超前導(dǎo)坑法是利用超前導(dǎo)坑揭示隧道地質(zhì)情況直接指導(dǎo)隧道開挖的方法。超前平行導(dǎo)坑法利用超前導(dǎo)坑揭示地質(zhì)情況來推測隧道施工可能遇到的地質(zhì)條件，指導(dǎo)隧道的開挖。目前，在高速公路、鐵路的建設(shè)中，雙洞隧道間距小，利用先施工隧道揭示的地質(zhì)情況，指導(dǎo)滯后施工的隧道具有非常重要的作用。超前洞探法常與超前鉆孔法配合使用。

1.4 綜合探測法

受各種因素影響，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)，也存在缺點(diǎn)。綜合探測法是根據(jù)隧道水文地質(zhì)環(huán)境條件特征采取多種方法結(jié)合，對隧道施工面前方水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測的方法，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)因地制宜，細(xì)化地質(zhì)工作，避免將各種超前預(yù)報(bào)手段的簡單盲目疊加和交叉使用。

2 結(jié)論

隨著隧道工程建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的深埋長大隧道。隧道的開挖，破壞和改變了隧道所在地區(qū)的水溫地質(zhì)條件，隧道施工揭穿含水構(gòu)造，直接導(dǎo)致隧道內(nèi)涌水及涌泥涌砂等災(zāi)害的發(fā)生，影響隧道正常施工。因此，較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)隧道施工開挖面前方的水文地質(zhì)特征，必將成為今后隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究的重要課題。在未來的隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，根據(jù)隧道工程具體情況，采用一種或多種方法相結(jié)合的綜合超前預(yù)報(bào)方法將越來越顯示出其優(yōu)越性。

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TheBriefAnalysisofAdvancedGeologyForecastMethodaboutTunnelGushing

XIONG Min-cai

2014-09-15

熊敏才(1966—)，男，助理工程師。

1672-7479(2014)06-0026-02

U25

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