隧道涌水的超前地質預報方法淺析

熊敏才

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

隧道涌水的超前地質預報方法淺析

熊敏才

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

介紹幾種隧道涌水的超前地質預報方法。水文地質分析法可以充分解釋隧道突、涌水的水文地質條件；物探法探測時間短，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法及物探法結合使用，是目前最行之有效的綜合預報方法。

隧道 涌水 超前地質預報

隧道施工地質超前預報：根據洞內外地質調查、工作面素描結果，采用各種探測手段對工作面前方地質情況進行探測，結合預報人員地質經驗，對工作面前方施工可能遇到的不良地質體及其成災可能性做出預報。

在隧道施工中，由于設計資料與實際不符的情況屢有發生，由此帶來的隧道內坍塌、突泥、涌砂、涌水等事故時有發生。地下水是其中一個重要的地質因素，可造成隧道涌水及軟化、泥化，增大圍巖變形，降低結構面的內聚力，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性，引發隧道內地質災害。因此，提前預測隧道開挖面前方巖體的含水情況顯得相當必要，地下水的存在也可以作為溶洞、斷層等不良地質現象存在的一個征兆。

1 超前預報方法

1.1 水文地質分析法

隧道施工期涌水常與隧道開挖揭示的含水構造(如充水巖溶、地下巖溶暗河、斷層破碎帶、含水地層)密切相關。因此，對隧道涌水位置的預報基本按預報不良地質體的方法進行，在確定不良地質體在隧道施工工作面前方空間位置基礎上，通過對該不良地質體性質的分析，預報在含水構造位置有可能發生的隧道突、涌水，用水文地質分析法可以充分解釋隧道突、涌水的水文地質條件，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紅外輻射原理，即一切物質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行超前地質預報的一種方法。

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

紅外探測具有以下幾個特點：

①紅外探測儀器小巧、操作簡便，可實現對隧道內全方位探測，能預測隧道開挖工作面前方及洞身外圍空間30 m范用內是否存在隱伏含水構造或隱伏水體。

②分析資料簡單、快速，探測曲線直觀。

③探測時間短，對隧道施工干擾小。

④對隱伏含水構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育位置。

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

依據采集的數據繪制沿隧道軸向的探測曲線，以此作為判斷含水構造的依據，根據探測曲線的變化規律，可以全方位探查隧道內地質含水體。

(2)地質雷達

地質雷達探測是采用地質雷達儀發射的電磁波在隧道施工面前方巖體中的傳播及反射波，根據其傳播速度和反射波走時對前方圍巖進行預報的一種物探方法。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體，是探測地下水體的一種有效方法；基于隧道內隱伏水體電導率、介電參數以及其周圍多種介質介電參數的突變，電磁波在主頻、振幅及相位變化上出現的變化規律，預報結果具有一定的準確度。

在巖石破碎帶中，巖體的含水率和礦化度都發生了變化，從而引起破碎帶的介電常數與周圍地層產生較大差異，破碎帶的反射波振幅能量明顯較兩側基巖信號強，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，將形成高頻信號強吸收帶，因而在這些部位處的雷達波波幅會很弱。當雷達波穿越潛水面時，頻率會顯著降低。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，對雷達波進行時頻分析，可作為判斷巖體是否含水的重要手段。

地質雷達探測的距離較短(<30 m)，且受金屬(鋼拱架、臺車等)干擾比較嚴重，對數據處理和解譯產生了一定困難，影響預報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，能長距離地預報隧道工作面前方的地質情況。圍巖中介質存在彈性差異時，在介質間接觸界面處，入射波發生反射、折射和投射現象。在隧洞右邊墻或左邊墻的炮孔內激發地震波，在布置的一系列接受點上接收介質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，結合區域地質資料、跟蹤觀測地質資料，就可以確定隧道前方及周圍區域地質構造的位置和特性。

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

反射波振幅越高，波阻抗和反射系數的差別越大。若橫波S比縱波P反射強，則表明巖層中飽含地下水。比較反射波振幅必須謹慎，因為反射波振幅容易受到隨機噪聲和數據處理的影響。

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。

關于Vp/Vs：

①固結巖石一般Vp/Vs<2，泊松比υ<0.33；

②巖石的孔隙中充滿水時，Vp/Vs介于1.4～2.0；

③巖石的孔隙中充滿氣時，Vp/Vs介于1.3～1.7；

④飽和的未固結地層一般Vp/Vs>2.0。

當巖體中含有流體時，縱波速度Vp與孔隙度及流體的性質有關，縱波速度會明顯降低。橫波Vs只與骨架速度有關，與孔隙中的流體無關，Vs不發生明顯變化。

關于沉積巖的泊松比：

① 未固結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鉆探和加深炮孔探測。超前地質鉆探是利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探獲取地質信息的一種超前地質預報方法。加深炮孔探測是利用風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信息的一種方法，適用于各種地質條件下隧道的超前地質探測。應該特別注意，超前鉆孔法探水對巖溶管道水及與地表水有直接水力聯系的、導水性極好的斷層破碎帶具有很大的突泥涌水風險。特別是當鉆孔接近該種構造時，應密切關注鉆機速度、流出液顏色以及攜帶物的變化，及時終孔，防止鉆孔突泥涌水災害的發生。

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

(2)超前導坑(平行導坑)法

超前導坑法是利用超前導坑揭示隧道地質情況直接指導隧道開挖的方法。超前平行導坑法利用超前導坑揭示地質情況來推測隧道施工可能遇到的地質條件，指導隧道的開挖。目前，在高速公路、鐵路的建設中，雙洞隧道間距小，利用先施工隧道揭示的地質情況，指導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超前預報方法有各自的優點，也存在缺點。綜合探測法是根據隧道水文地質環境條件特征采取多種方法結合，對隧道施工面前方水文地質條件進行探測的方法，在實際應用中應因地制宜，細化地質工作，避免將各種超前預報手段的簡單盲目疊加和交叉使用。

2 結論

隨著隧道工程建設的快速發展，出現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的水溫地質條件，隧道施工揭穿含水構造，直接導致隧道內涌水及涌泥涌砂等災害的發生，影響隧道正常施工。因此，較準確的預報隧道施工開挖面前方的水文地質特征，必將成為今后隧道施工期地質超前預報研究的重要課題。在未來的隧道施工地質超前預報中，根據隧道工程具體情況，采用一種或多種方法相結合的綜合超前預報方法將越來越顯示出其優越性。

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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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