隧道涌水的超前地质预报方法浅析

熊敏才

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

隧道涌水的超前地质预报方法浅析

熊敏才

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

介绍几种隧道涌水的超前地质预报方法。水文地质分析法可以充分解释隧道突、涌水的水文地质条件；物探法探测时间短，对施工干扰小，具备短、中、长距离多种探测方式；超前钻探法常与水文地质法及物探法结合使用，是目前最行之有效的综合预报方法。

隧道 涌水 超前地质预报

隧道施工地质超前预报：根据洞内外地质调查、工作面素描结果，采用各种探测手段对工作面前方地质情况进行探测，结合预报人员地质经验，对工作面前方施工可能遇到的不良地质体及其成灾可能性做出预报。

在隧道施工中，由于设计资料与实际不符的情况屡有发生，由此带来的隧道内坍塌、突泥、涌砂、涌水等事故时有发生。地下水是其中一个重要的地质因素，可造成隧道涌水及软化、泥化，增大围岩变形，降低结构面的内聚力，造成不利组合岩块的塌落甚至大的塌方，加剧破碎岩土体的活动性，引发隧道内地质灾害。因此，提前预测隧道开挖面前方岩体的含水情况显得相当必要，地下水的存在也可以作为溶洞、断层等不良地质现象存在的一个征兆。

1 超前预报方法

1.1 水文地质分析法

隧道施工期涌水常与隧道开挖揭示的含水构造(如充水岩溶、地下岩溶暗河、断层破碎带、含水地层)密切相关。因此，对隧道涌水位置的预报基本按预报不良地质体的方法进行，在确定不良地质体在隧道施工工作面前方空间位置基础上，通过对该不良地质体性质的分析，预报在含水构造位置有可能发生的隧道突、涌水，用水文地质分析法可以充分解释隧道突、涌水的水文地质条件，宏观上具有很高的可信度。

1.2 物探法

(1)红外线超前探水

红外线超前探水是根据红外辐射原理，即一切物质都在向外辐射红外电磁波的原理，通过接收和分析红外信号进行超前地质预报的一种方法。

红外辐射是由分子振动和转动形成的，构成地质体的分子时刻都在不停地振动和转动，其产生的能量不间断地由内向外传播，从而构成红外波段的电磁辐射，同时形成红外辐射场。场有能量、动量、方向等信息，地质体由内向外发射红外辐射时，必然也会传递出地质体内部的信息。当工作面前方和周围介质相对较均匀时，探测所获得的红外辐射场曲线具有正常场特征；当隧道开挖工作面前方、拱顶上方、仰拱下方、两侧边墙以外30 m范围内，存在隐伏水体或含水构造时，其所产生的灾害场就会迭加到正常场之上，从而引起正常场发生畸变。根据开挖工作面、拱顶、两侧边墙及底板的探测曲线变化，即可确定灾害源的存在。由于灾害场的辐射范围远大于灾害源本身，因而可通过探测灾害场，提前确定灾害源的存在。

红外探测具有以下几个特点：

①红外探测仪器小巧、操作简便，可实现对隧道内全方位探测，能预测隧道开挖工作面前方及洞身外围空间30 m范用内是否存在隐伏含水构造或隐伏水体。

②分析资料简单、快速，探测曲线直观。

③探测时间短，对隧道施工干扰小。

④对隐伏含水构造或水体仅能做定性推测，不能定量推测水量、水压、水体宽度及其具体发育位置。

⑤若隧道裂隙水较发育，每次探测均有水，且水量较小对施工影响较小时，易使施工单位忽视地下水灾害隐患。

依据采集的数据绘制沿隧道轴向的探测曲线，以此作为判断含水构造的依据，根据探测曲线的变化规律，可以全方位探查隧道内地质含水体。

(2)地质雷达

地质雷达探测是采用地质雷达仪发射的电磁波在隧道施工面前方岩体中的传播及反射波，根据其传播速度和反射波走时对前方围岩进行预报的一种物探方法。该方法主要用于探测岩溶，亦可用于探测软弱夹层、断层破碎带等不均匀地质体，是探测地下水体的一种有效方法；基于隧道内隐伏水体电导率、介电参数以及其周围多种介质介电参数的突变，电磁波在主频、振幅及相位变化上出现的变化规律，预报结果具有一定的准确度。

在岩石破碎带中，岩体的含水率和矿化度都发生了变化，从而引起破碎带的介电常数与周围地层产生较大差异，破碎带的反射波振幅能量明显较两侧基岩信号强，其反射波的同相轴连线即为破碎带的位置。在地下水富集的部位，将形成高频信号强吸收带，因而在这些部位处的雷达波波幅会很弱。当雷达波穿越潜水面时，频率会显著降低。潜水面以下反射波组的高频成分信号较潜水面以上有较大衰减。因此，对雷达波进行时频分析，可作为判断岩体是否含水的重要手段。

地质雷达探测的距离较短(<30 m)，且受金属(钢拱架、台车等)干扰比较严重，对数据处理和解译产生了一定困难，影响预报工作面前方含水体的位置和精度。

(3)TSP法

TSP法采用地震波反射原理，能长距离地预报隧道工作面前方的地质情况。围岩中介质存在弹性差异时，在介质间接触界面处，入射波发生反射、折射和投射现象。在隧洞右边墙或左边墙的炮孔内激发地震波，在布置的一系列接受点上接收介质界面反射回来的地震波信号；采用深度偏移成像方法，在偏移成像之前进行二维Radon变换，利用视速度的差异，消除隧道走向近乎平行的反射界面。通过对反射波特征分析，结合区域地质资料、跟踪观测地质资料，就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。

TSP法对纵波P、横波SV、SH分别进行处理，在判断隧道岩体中是否富存地下水的应用方面，TSP处理成果的解译可以从以下几个方面综合考虑。

反射波振幅越高，波阻抗和反射系数的差别越大。若横波S比纵波P反射强，则表明岩层中饱含地下水。比较反射波振幅必须谨慎，因为反射波振幅容易受到随机噪声和数据处理的影响。

Vp/Vs有较大增加或泊松比υ突然增大，常常由流体的存在引起。

若Vp下降，表明裂隙密度或孔隙度有所增加。

关于Vp/Vs：

①固结岩石一般Vp/Vs<2，泊松比υ<0.33；

②岩石的孔隙中充满水时，Vp/Vs介于1.4～2.0；

③岩石的孔隙中充满气时，Vp/Vs介于1.3～1.7；

④饱和的未固结地层一般Vp/Vs>2.0。

当岩体中含有流体时，纵波速度Vp与孔隙度及流体的性质有关，纵波速度会明显降低。横波Vs只与骨架速度有关，与孔隙中的流体无关，Vs不发生明显变化。

关于沉积岩的泊松比：

① 未固结土层一般具有非常高的泊松比υ(大于0.4)；

② 泊松比υ往往随孔隙度的减小及沉积物固结而减少；

③ 具有高孔隙度的饱和砂岩通常具有较高的泊松比υ(0.3～0.4)；气饱和的高孔隙度砂岩通常具有较低的泊松比υ(低至0.1)。

1.3 超前钻探及超前洞探法

(1)超前钻探法

超前钻探法可分为超前地质钻探和加深炮孔探测。超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。加深炮孔探测是利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种方法，适用于各种地质条件下隧道的超前地质探测。应该特别注意，超前钻孔法探水对岩溶管道水及与地表水有直接水力联系的、导水性极好的断层破碎带具有很大的突泥涌水风险。特别是当钻孔接近该种构造时，应密切关注钻机速度、流出液颜色以及携带物的变化，及时终孔，防止钻孔突泥涌水灾害的发生。

超前钻探法通常与水文地质测试法及物探法结合使用，是最常用的行之有效的一种方法。

(2)超前导坑(平行导坑)法

超前导坑法是利用超前导坑揭示隧道地质情况直接指导隧道开挖的方法。超前平行导坑法利用超前导坑揭示地质情况来推测隧道施工可能遇到的地质条件，指导隧道的开挖。目前，在高速公路、铁路的建设中，双洞隧道间距小，利用先施工隧道揭示的地质情况，指导滞后施工的隧道具有非常重要的作用。超前洞探法常与超前钻孔法配合使用。

1.4 综合探测法

受各种因素影响，不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点，也存在缺点。综合探测法是根据隧道水文地质环境条件特征采取多种方法结合，对隧道施工面前方水文地质条件进行探测的方法，在实际应用中应因地制宜，细化地质工作，避免将各种超前预报手段的简单盲目叠加和交叉使用。

2 结论

随着隧道工程建设的快速发展，出现了越来越多的深埋长大隧道。隧道的开挖，破坏和改变了隧道所在地区的水温地质条件，隧道施工揭穿含水构造，直接导致隧道内涌水及涌泥涌砂等灾害的发生，影响隧道正常施工。因此，较准确的预报隧道施工开挖面前方的水文地质特征，必将成为今后隧道施工期地质超前预报研究的重要课题。在未来的隧道施工地质超前预报中，根据隧道工程具体情况，采用一种或多种方法相结合的综合超前预报方法将越来越显示出其优越性。

[1] 何发亮，李苍松，陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都:西南交通大学出版社，2006

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10049—2004铁路工程水文地质勘察规程[S].北京:中国铁道出版社，2004

[3] 铁道第一勘察设计院. 铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社，2002

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2008]105号铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2008

[5] 王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察. 2004(1)

[6] 周治国，朱合华.隧道涌水超前地质预报技术[J]. 现代隧道技术，2004(增刊)

[7] 荆志东.特长隧道地质超前预报方法研究[J].铁道勘察，2005(3)

[8] 齐甦.隧道地质超前预报技术与应用[M].北京：气象出版社，2010

[9] 王锦山，王力，张延新，等.隧道施工超前地质预报理论基础与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2012

[10]刘志刚，凌宏亿，俞文生.隧道隧洞超前地质预报[M].北京：人民交通出版社,2011

TheBriefAnalysisofAdvancedGeologyForecastMethodaboutTunnelGushing

XIONG Min-cai

2014-09-15

熊敏才(1966—)，男，助理工程师。

1672-7479(2014)06-0026-02

U25

： B