復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水綜合預(yù)報技術(shù)

我國已建和擬建山嶺隧道普遍具有長、大、深等特點，部分隧道穿越區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是在一些巖溶發(fā)育帶往往遭遇較大的涌突水災(zāi)害。眾多專家、學者針對巖溶隧道涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害進行了大量研究，取得可觀的成果，對隧道施工地質(zhì)災(zāi)害風險防治起到重要作用。但截至目前,巖溶及巖溶地下水問題依然是世界性難題，尤其是巖溶地下水預(yù)報的準確性亟待提高。本文根據(jù)復(fù)雜地質(zhì)隧道施工可能存在的主要工程地質(zhì)問題和涌突水致災(zāi)構(gòu)造分析，進一步優(yōu)化“以地質(zhì)法為基礎(chǔ)的綜合物探技術(shù)”。針對TBM施工的深埋長大隧道，提出適于TBM施工的HSP法實時地質(zhì)預(yù)報技術(shù)開展不良地質(zhì)體界線的探測，該技術(shù)利用TBM破巖震動作為地質(zhì)預(yù)報探測震源、空間陣列式測試布置方法、無線傳輸技術(shù)、波反射與散射聯(lián)合成像技術(shù)，實現(xiàn)TBM施工隧道地質(zhì)預(yù)報目標地質(zhì)體的定位和展示。在此基礎(chǔ)上，提出淺孔巖體溫度隧道施工涌水預(yù)報方法，并輔以地下水動力學和水文地球化學方法，從而實現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)體的地下水發(fā)育情況進行預(yù)測預(yù)報。本文研究成果對正在向西部川、滇、藏等地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜地區(qū)輻射的長大隧道工程建設(shè)及其地下水災(zāi)害防治具有重要參考價值。

復(fù)雜地質(zhì)隧道預(yù)報重點分析

針對嚴重危及隧道工程施工和運營安全的巖溶涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害問題，分析指出巖溶及地下水的準確預(yù)報或探測是解決問題的關(guān)鍵。

隨著隧道施工技術(shù)的進步，對小型的塌方、涌水、涌泥，其處理技術(shù)方法已游刃有余，但大型的突涌水、突涌泥、塌方和因塌方及突泥災(zāi)害造成的隧道關(guān)門災(zāi)害，時時威脅著隧道施工。隧道施工涌、突水的直接危害，表現(xiàn)為對施工隧道、導坑、洞內(nèi)施工機具設(shè)備的淹沒，沖毀洞內(nèi)施工機具、設(shè)施、材料，對洞內(nèi)施工人員造成生命直接威脅，嚴重者甚至沖毀洞口外工程、堆放材料及臨時設(shè)施；間接危害則是造成隧道上方地表水源的流失乃至枯竭和地面塌陷。隧道施工地質(zhì)預(yù)報關(guān)注的重點，應(yīng)該是隧道施工突水突泥致災(zāi)構(gòu)造位置及其規(guī)模的探測預(yù)報。

圖1 未膠結(jié)富水壓性斷層上盤強烈破碎帶突水致災(zāi)構(gòu)造

圖2 未膠結(jié)富水張性斷層突水致災(zāi)構(gòu)造

圖3 向斜含水構(gòu)造補給型未膠結(jié)富水張性斷層突水致災(zāi)構(gòu)造示意圖

圖4 充水巖溶突水致災(zāi)構(gòu)造示意圖

隧道涌突水致災(zāi)構(gòu)造分析

由復(fù)雜地質(zhì)隧道預(yù)報重點可知，對可能導致隧道施工突水突泥災(zāi)害的突水突泥致災(zāi)構(gòu)造及其致災(zāi)模式的研究，是開展隧道施工地質(zhì)預(yù)報研究的基礎(chǔ)。造成隧道施工突水的致災(zāi)構(gòu)造可分孔隙裂隙空隙含水體和充水巖溶及廢棄礦巷兩類。

孔隙裂隙空隙含水體

裂隙空隙含水體有：未膠結(jié)富水壓性斷層強烈擠壓破碎帶（圖1）、未膠結(jié)的富水張性斷層帶（圖2）、未膠結(jié)的富水順層錯動破碎帶、未膠結(jié)的富水節(jié)理密集發(fā)育巖體破碎帶。

孔隙含水體有：向斜構(gòu)造核部無縱張斷層和縱張節(jié)理裂隙發(fā)育時，獨立含水層致災(zāi)構(gòu)造；向斜構(gòu)造核部縱張斷層和縱張節(jié)理裂隙發(fā)育時，連通含水層成為地下向斜儲水構(gòu)造涌突水致災(zāi)構(gòu)造，如圖3所示。

充水巖溶（廢棄礦巷）

洞穴、管道、溶縫和地下暗河及充水廢棄礦巷，如圖4所示。

隧道施工突水突泥災(zāi)害成災(zāi)理論

隧道施工突水災(zāi)害發(fā)生條件主要表現(xiàn)在：

首先，隧道施工輪廓線內(nèi)或周邊存在可能引發(fā)突水、突泥災(zāi)害的不良地質(zhì)。

第二，不良地質(zhì)未預(yù)報或預(yù)報誤差抑或失?。蚀_預(yù)報的重要性）。

第三，在隧道施工接近或通過突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造時，未對不良地質(zhì)體采取工程措施預(yù)先處理或處理不當、初期支護未及時施工，或初期支護存在質(zhì)量問題、二次襯砌未及時施工或二次襯砌存在質(zhì)量問題，巖、土、初期支護、二次襯砌單獨或組合構(gòu)成的巖土盤厚度等于或小于最小安全巖土盤厚度，突破巖土盤等施工質(zhì)量影響。

第四，受環(huán)境影響，如受地表降雨等致使地下水水位上升、黏土含水率提高，突破巖土盤等。

觸發(fā)引線，則是隧道開挖工作面的前移和通過，致使致災(zāi)構(gòu)造突破隔水巖土盤，造成災(zāi)害發(fā)生。

隧道地下水預(yù)報技術(shù)

在做復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水綜合預(yù)報時，分析可能存在的主要工程地質(zhì)問題和涌突水致災(zāi)構(gòu)造是地質(zhì)基礎(chǔ)，選擇適宜的物探技術(shù)為手段，最終實現(xiàn)預(yù)報目的，確保施工安全。介紹幾種適于TBM施工隧道的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)。

圖5 HSP探測布極示意圖

圖6 HSP法成果示意圖

圖7 巖體溫度法隧道掌子面前方含水體預(yù)報原理圖

適于TBM施工的HSP法地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

“HSP法”原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)上，探測存在波阻抗差異的不良地質(zhì)體(帶)如斷層、風化破碎帶、巖溶洞穴、地下水富集帶等與周邊地質(zhì)體存在明顯的彈性波阻抗差異。結(jié)合TBM施工隧道的特點，利用TBM掘進時刀盤刀具切割巖石所產(chǎn)生的聲波信號作為HSP法預(yù)報激發(fā)信號的設(shè)想。TBM掘進時，刀盤及刀具切割或破碎巖石所激發(fā)的聲波信號，利用HSP法測試系統(tǒng)對聲波信號進行接收。采用必要的、合適的濾波及信號提取技術(shù)進行處理，識別出TBM刀盤前方不良地質(zhì)體的反射波信號，從而達到對TBM施工掘進前方不良地質(zhì)體預(yù)報的目的。采用空間陣列式測試布置方法，即：在TBM刀頭（或機身）布置一個機械震動信號接收檢波器，在兩側(cè)壁圍巖各布置一排聲波接收檢波器，如圖5所示。測試時，機械震動信號接收檢波器接收TBM掘進過程中機械震動噪聲，兩排聲波接收檢波器同時接收TBM掘進產(chǎn)生的震動信號，每次累計接收5分鐘到15分鐘震動信號，用以數(shù)據(jù)處理及成像，成像結(jié)果如圖6所示。

巖體溫度法涌水預(yù)報方法

巖體溫度法隧道（洞）施工掌子面前方含水體預(yù)報，如圖7所示，即是利用地下水在巖石體中循環(huán)流動，水與巖石體通過熱交換來降低或升高流經(jīng)位置及周圍巖石體溫度。然而，巖體溫度背景場是可以計算的，以隧道軸線某點為例，該點的巖體溫度可以表示出來，根據(jù)地溫梯度理論，隧道軸線上某點的巖體溫度可以由式（1）表示。

式中：Ts —隧道內(nèi)該點正上方地面點的溫度（℃），D—隧道在該點出的埋深（m），Gloc —地溫梯度（℃/m），Ttopo—隧道內(nèi)該點正上方地面點三維地形效應(yīng)（℃）。

通過背景場校正，分析隧道施工的掌子面前方的不同空間分布位置、不同的大小含水體對不同位置的巖體溫度影響大小和影響范圍的不同，來進行隧道施工掌子面前方的含水體空間分布位置及含水體大小即是可能的涌水量預(yù)報，預(yù)報成果如圖8所示。

地下水動力及水化學分析技術(shù)

圖8 巖體溫度法成果示意圖

以隧道開挖揭露的巖溶形態(tài)和巖溶地下水為研究對象，深入開展巖溶含水介質(zhì)特性及其作用機理研究。通過現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和室內(nèi)模擬實驗等手段，將巖溶地下水動力學、水化學、水-巖相互作用理論和分形理論相結(jié)合，在巖溶動力系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)分析基礎(chǔ)上，開展巖溶地下水的化學動力學特性、巖溶形態(tài)的分形特征，以及巖溶地下水化學成分與巖溶形態(tài)之間的相關(guān)性研究，建立基于水化學動力學參數(shù)和巖溶形態(tài)分形指數(shù)的巖溶發(fā)育程度評價模型，提出巖溶發(fā)育程度的水化學動力學-分形指數(shù)評價技術(shù)，將巖溶水化學動力學特征及巖溶形態(tài)分形特征等融入巖溶發(fā)育程度評價指標體系，建立基于水化學動力學-分形指數(shù)的巖溶發(fā)育程度評價模型，巖溶發(fā)育程度綜合評價指數(shù)計算方法可用公式(2)表示。

式中：CkD-巖溶發(fā)育程度綜合評價指數(shù)(無量綱)；CkDq-巖溶發(fā)育程度定性評價系數(shù)(無量綱)；CkDF-巖溶發(fā)育程度的分形評價指數(shù)(無量綱)，k1和k2分別為定性指標權(quán)值和定量指標權(quán)值。

經(jīng)統(tǒng)計研究，定性指標和定量指標的權(quán)重賦值分別為0.3和0.7時，能較好的指導隧道地下水的預(yù)報。

結(jié)語

基于分析復(fù)雜地質(zhì)隧道重要地質(zhì)災(zāi)害之一—突水構(gòu)造分析及成災(zāi)理論研究，優(yōu)化“以地質(zhì)法為基礎(chǔ)的綜合物探技術(shù)”預(yù)報理念。開展復(fù)雜隧道地下水綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)研究，在計算突水致災(zāi)構(gòu)造對應(yīng)隔水巖土盤最小安全厚度和分析地下水化學動力學特性及分形指數(shù)特征的基礎(chǔ)上，輔以綜合物探技術(shù)，實現(xiàn)地下水探測，解決深埋、復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水害預(yù)報難題。筆者在開展復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水探測時，堅持以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，采用HSP法對隧道施工掌子面前方阻抗界面及其位置的預(yù)報，結(jié)合巖體溫度法施工涌水預(yù)報方法探查異常體富水特征，結(jié)合地下水動力學和水文地球化學方法。各方法有機結(jié)合，可以較好的實現(xiàn)隧道施工掌子面前方富水區(qū)的預(yù)報。