反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)與應(yīng)用

周 建 芳

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司，山東 兗州 272117)

反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)與應(yīng)用

周 建 芳

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司，山東 兗州 272117)

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)TSP法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、激發(fā)極化法四種隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了闡述，分析了各方法在反坡排水情況下進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)，為隧道的施工提供了依據(jù)。

隧道，反坡排水，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，應(yīng)用

1 工程背景

近些年來(lái)，由長(zhǎng)距離反坡施工帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)愈加明顯，因此造成的突水涌水等施工期地質(zhì)災(zāi)害不斷出現(xiàn)，例如：湖北滬蓉西高速公路齊岳山隧道出口段落由于反坡施工，在穿越馬槽洞地下暗河和超大斷層時(shí)遭遇大型涌水事故，由于排水系統(tǒng)能力有限，導(dǎo)致超過(guò)700 m的洞身被淹沒(méi)，工期延誤超過(guò)1年，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。湖北滬蓉西高速公路龍?zhí)端淼莱隹诙问情L(zhǎng)距離反坡施工，在穿越700 m長(zhǎng)的斷層破碎帶時(shí)遭遇涌泥涌水事故，給排水帶來(lái)了巨大的困難。

依托工程?hào)|毛高速公路六盤(pán)山隧道設(shè)計(jì)為單洞分離式隧道，左右線(xiàn)間隔31 m～48 m，屬超長(zhǎng)隧道，隧道全長(zhǎng)9 490 m。六盤(pán)山隧道分三個(gè)作業(yè)工區(qū)，進(jìn)口施工屬于順坡施工，斜井和出口施工均屬于反坡施工。隧道出口段施工任務(wù)屬于長(zhǎng)距離反坡施工，反坡段長(zhǎng)度為3 060 m，坡度為-2.78%?？梢?jiàn)六盤(pán)山隧道存在較長(zhǎng)距離的反坡施工段落，且反坡施工段落穿越多個(gè)富水巖層和突涌水高風(fēng)險(xiǎn)段落，給六盤(pán)山隧道長(zhǎng)距離反坡排水提出了更高、更嚴(yán)格的技術(shù)要求。

在隧道反坡排水情況下，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用體現(xiàn)的愈發(fā)重要，如果無(wú)法在施工期提前預(yù)判前方水量，會(huì)導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)能力不足，從而引起隧道積水，甚至引發(fā)突水突泥現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工。因此，急需建立一套完善的反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系[1]。

2 反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)遵循“由遠(yuǎn)及近”“先粗后細(xì)”的預(yù)報(bào)原則，首先運(yùn)用長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，如TSP地震法，每次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測(cè)距離約100 m～150 m，先粗略的探測(cè)出異常體的位置；然后運(yùn)用中長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，如瞬變電磁法，每次瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測(cè)距離約60 m，進(jìn)一步確定異常體的位置和情況；在到達(dá)風(fēng)險(xiǎn)段落前，再使用短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)，如地質(zhì)雷達(dá)法，每次地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測(cè)距離約20 m；如果確定前方可能存在突水危險(xiǎn)，可同時(shí)利用短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段激發(fā)極化法，每次探測(cè)距離約30 m，并可以實(shí)現(xiàn)大致估算水量，確保施工安全。

2.1 TSP長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法

TSP法的基本原理是在隧道掌子面后方一定距離內(nèi)，在隧道邊墻上打孔并在孔中安裝炸藥，炸藥作為發(fā)射源，地震波在圍巖中傳播，地震波遇到地質(zhì)異常體的時(shí)候會(huì)發(fā)生反射，由檢波器接收反射回來(lái)的地震波信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得到異常體的位置[2]。

2.2 瞬變電磁中距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法

瞬變電磁法的基本原理是：利用發(fā)射線(xiàn)圈向隧道掌子面前方發(fā)射電磁場(chǎng)脈沖，而當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈中的電流突然斷開(kāi)的時(shí)候，如果沒(méi)有異常體，磁場(chǎng)會(huì)正常衰減，而當(dāng)存在異常體的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生二次渦流，從而對(duì)異常體進(jìn)行探測(cè)[3]。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的基本原理是：地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)在隧道掌子面上移動(dòng)，利用地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)向掌子面前方發(fā)射高頻電磁波信號(hào)，電磁波在前方圍巖介質(zhì)中傳播，遇到異常體的時(shí)候，電磁波會(huì)發(fā)生反射和透射，然后利用雷達(dá)接收天線(xiàn)接收反射回來(lái)的電磁波信號(hào)，從而確定探測(cè)前方異常體的大小、方位等信息。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)主要依靠不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異[4]。

2.4 激發(fā)極化短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法

激發(fā)極化法的探測(cè)原理為：在隧道腔體上布設(shè)五圈供電電極，在掌子面上布設(shè)兩排測(cè)量電極，在供電的情況下，采集測(cè)量電極間的電位差，在斷電的情況下，測(cè)量電極電位差在最初的一瞬間快速下降，而后隨時(shí)間緩慢下降并趨于零，通過(guò)不同介質(zhì)的激電效應(yīng)的差異對(duì)異常體進(jìn)行探測(cè)，并通過(guò)半衰時(shí)進(jìn)行對(duì)水量的預(yù)估[5]。

3 反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工程應(yīng)用

3.1 TSP法的應(yīng)用

2014年5月16日，在東毛高速公路六盤(pán)山隧道A4標(biāo)右洞出口段進(jìn)行了TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。炮孔設(shè)置在隧道邊墻左側(cè)，共有24炮，實(shí)際激發(fā)21炮，炮點(diǎn)間距約1.5 m，傳感器樁號(hào)YK13+593。本次探測(cè)范圍為右洞YK13+543～YK13+403，共140 m。

探測(cè)結(jié)果如圖1所示。

從探測(cè)結(jié)果中可以看到，距離傳感器前方150 m～170 m，即YK13+443～YK13+423范圍內(nèi)，存在負(fù)反射信號(hào)，推斷該區(qū)域內(nèi)圍巖的堅(jiān)硬度降低，破碎程度加大，裂隙更為發(fā)育，可能存在充水充泥現(xiàn)象。

3.2 瞬變電磁法的應(yīng)用

在隧道開(kāi)挖至TSP探測(cè)到的負(fù)反射區(qū)域前，2014年5月30日，在東毛高速公路六盤(pán)山隧道A4標(biāo)右洞出口段進(jìn)行了瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。本次探測(cè)掌子面里程為YK13+478，探測(cè)范圍為右洞YK13+478～YK13+418，共60 m。

探測(cè)結(jié)果如圖2所示。

從探測(cè)結(jié)果中可以看到，距離掌子面前方42 m～53 m，即YK13+436～YK13+425范圍內(nèi)，存在低阻異常，且綜合TSP探測(cè)結(jié)果(YK13+443～YK13+423范圍內(nèi)存在負(fù)反射)，推斷該區(qū)域內(nèi)圍巖破碎，裂隙較發(fā)育，存在充水充泥現(xiàn)象。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)法的應(yīng)用

當(dāng)隧道開(kāi)挖至里程YK13+450時(shí)，掌子面開(kāi)始出現(xiàn)局部滲水現(xiàn)象。2014年6月7日，在東毛高速公路六盤(pán)山隧道A4標(biāo)右洞出口段進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。本次探測(cè)掌子面里程為YK13+445，探測(cè)范圍為右洞YK13+445～YK13+425，共20 m。

探測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從探測(cè)結(jié)果中可以看到，距離掌子面前方8 m～19 m，即YK13+437～YK13+426范圍內(nèi)，存在雷達(dá)強(qiáng)反射信號(hào)，且綜合TSP探測(cè)結(jié)果(YK13+443～YK13+423范圍內(nèi)存在負(fù)反射)以及瞬變電磁探測(cè)結(jié)果(YK13+436～YK13+425范圍內(nèi)存在低阻異常)，推斷該區(qū)域內(nèi)圍巖破碎，裂隙較發(fā)育，富含裂隙水。

3.4 激發(fā)極化法的應(yīng)用

為驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)結(jié)果的正確性，2014年6月8日，在東毛高速公路六盤(pán)山隧道A4標(biāo)右洞出口段進(jìn)行了激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。本次探測(cè)掌子面里程為YK13+440，探測(cè)范圍為右洞YK13+440～YK13+410，共30 m。

探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

從探測(cè)結(jié)果中可以看到，距離掌子面前方5 m～15 m，即YK13+435～YK13+425范圍內(nèi)，存在低電阻率區(qū)域，且綜合TSP探測(cè)結(jié)果(YK13+443～YK13+423范圍內(nèi)存在負(fù)反射)，瞬變電磁探測(cè)結(jié)果(YK13+436～YK13+425范圍內(nèi)存在低阻異常)，以

及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果(YK13+437～YK13+426范圍內(nèi)存在雷達(dá)強(qiáng)反射信號(hào))，推斷該區(qū)域內(nèi)圍巖破碎，裂隙較發(fā)育，富含裂隙水。

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究可知，激發(fā)極化半衰時(shí)之差數(shù)據(jù)包絡(luò)線(xiàn)的正值部分與坐標(biāo)軸之間包絡(luò)面積隨著水量增加而增加，且二者之間具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。

其線(xiàn)性關(guān)系如圖5所示。

探測(cè)到的激發(fā)極化半衰時(shí)之差數(shù)據(jù)如圖6所示，探測(cè)結(jié)果顯示，在YK13+435～YK13+425范圍內(nèi)圍巖電阻率較低，在半衰時(shí)之差曲線(xiàn)圖中存在正值部分，且其包絡(luò)面積為90 m·s，通過(guò)前期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到涌水量數(shù)據(jù)，根據(jù)此次和前期包絡(luò)面積的比值，推測(cè)此次涌水量約為30 m3/h。

4 結(jié)語(yǔ)

在隧道反坡排水情況下，建立一套完善的反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系顯得至關(guān)重要。本文提出一種“由遠(yuǎn)及近”“先粗后細(xì)”反坡排水情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，提出首先使用長(zhǎng)距離的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，先粗略的探測(cè)出異常體的位置；再結(jié)合實(shí)際情況使用中距離的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，進(jìn)一步確定異常體的位置和情況；最后在達(dá)到異常體前，使用近距離的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，精細(xì)化的探測(cè)出前方實(shí)際情況，并預(yù)估出前方圍巖含水量，為隧道反坡排水提供排水量依據(jù)，在確保施工安全的情況下，又很好的節(jié)約了排水成本。

[1] 李術(shù)才,劉 斌,孫懷鳳,等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014(6):1090-1113.

[2] 呂志強(qiáng).TSP在隧道超前預(yù)報(bào)中的研究與應(yīng)用[D].成都：成都理工大學(xué),2011.

[3] 孫懷鳳,李術(shù)才,李 貅,等.隧道瞬變電磁多點(diǎn)陣列式探測(cè)方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011(11):2225-2233.

[4] 王振宇,程圍峰,劉 越,等.基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010(S2):3549-3557.

[5] 聶利超,李術(shù)才,劉 斌,等.隧道含水構(gòu)造頻域激發(fā)極化法超前探測(cè)研究[J].巖土力學(xué),2012(4):1151-1160.

The technology and application of tunnel advanced geological prediction for reverse slope drainage

Zhou Jianfang

(No.5EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,Yanzhou272117,China)

Combining with the engineering examples, the paper illustrates the four tunnel advanced geological prediction techniques, including TSP method, transient electromagnetic method, geological ground penetrating radar method, and induced polarization method, and analyzes their adoptions in the geological prediction technique in the reverse slope drainage, so as to provide some reference for the tunnel construction.

tunnel, reverse slope drainage, advanced geological prediction, application

2015-04-29

周建芳(1976- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)19-0145-03

U456.3

A