复杂地质隧道地下水综合预报技术

我国已建和拟建山岭隧道普遍具有长、大、深等特点，部分隧道穿越区地质条件复杂，尤其是在一些岩溶发育带往往遭遇较大的涌突水灾害。众多专家、学者针对岩溶隧道涌水突泥等地质灾害进行了大量研究，取得可观的成果，对隧道施工地质灾害风险防治起到重要作用。但截至目前,岩溶及岩溶地下水问题依然是世界性难题，尤其是岩溶地下水预报的准确性亟待提高。本文根据复杂地质隧道施工可能存在的主要工程地质问题和涌突水致灾构造分析，进一步优化“以地质法为基础的综合物探技术”。针对TBM施工的深埋长大隧道，提出适于TBM施工的HSP法实时地质预报技术开展不良地质体界线的探测，该技术利用TBM破岩震动作为地质预报探测震源、空间阵列式测试布置方法、无线传输技术、波反射与散射联合成像技术，实现TBM施工隧道地质预报目标地质体的定位和展示。在此基础上，提出浅孔岩体温度隧道施工涌水预报方法，并辅以地下水动力学和水文地球化学方法，从而实现对复杂地质体的地下水发育情况进行预测预报。本文研究成果对正在向西部川、滇、藏等地质环境条件复杂地区辐射的长大隧道工程建设及其地下水灾害防治具有重要参考价值。

复杂地质隧道预报重点分析

针对严重危及隧道工程施工和运营安全的岩溶涌水、突泥等地质灾害问题，分析指出岩溶及地下水的准确预报或探测是解决问题的关键。

随着隧道施工技术的进步，对小型的塌方、涌水、涌泥，其处理技术方法已游刃有余，但大型的突涌水、突涌泥、塌方和因塌方及突泥灾害造成的隧道关门灾害，时时威胁着隧道施工。隧道施工涌、突水的直接危害，表现为对施工隧道、导坑、洞内施工机具设备的淹没，冲毁洞内施工机具、设施、材料，对洞内施工人员造成生命直接威胁，严重者甚至冲毁洞口外工程、堆放材料及临时设施；间接危害则是造成隧道上方地表水源的流失乃至枯竭和地面塌陷。隧道施工地质预报关注的重点，应该是隧道施工突水突泥致灾构造位置及其规模的探测预报。

图1 未胶结富水压性断层上盘强烈破碎带突水致灾构造

图2 未胶结富水张性断层突水致灾构造

图3 向斜含水构造补给型未胶结富水张性断层突水致灾构造示意图

图4 充水岩溶突水致灾构造示意图

隧道涌突水致灾构造分析

由复杂地质隧道预报重点可知，对可能导致隧道施工突水突泥灾害的突水突泥致灾构造及其致灾模式的研究，是开展隧道施工地质预报研究的基础。造成隧道施工突水的致灾构造可分孔隙裂隙空隙含水体和充水岩溶及废弃矿巷两类。

孔隙裂隙空隙含水体

裂隙空隙含水体有：未胶结富水压性断层强烈挤压破碎带（图1）、未胶结的富水张性断层带（图2）、未胶结的富水顺层错动破碎带、未胶结的富水节理密集发育岩体破碎带。

孔隙含水体有：向斜构造核部无纵张断层和纵张节理裂隙发育时，独立含水层致灾构造；向斜构造核部纵张断层和纵张节理裂隙发育时，连通含水层成为地下向斜储水构造涌突水致灾构造，如图3所示。

充水岩溶（废弃矿巷）

洞穴、管道、溶缝和地下暗河及充水废弃矿巷，如图4所示。

隧道施工突水突泥灾害成灾理论

隧道施工突水灾害发生条件主要表现在：

首先，隧道施工轮廓线内或周边存在可能引发突水、突泥灾害的不良地质。

第二，不良地质未预报或预报误差抑或失败（准确预报的重要性）。

第三，在隧道施工接近或通过突水、突泥致灾构造时，未对不良地质体采取工程措施预先处理或处理不当、初期支护未及时施工，或初期支护存在质量问题、二次衬砌未及时施工或二次衬砌存在质量问题，岩、土、初期支护、二次衬砌单独或组合构成的岩土盘厚度等于或小于最小安全岩土盘厚度，突破岩土盘等施工质量影响。

第四，受环境影响，如受地表降雨等致使地下水水位上升、黏土含水率提高，突破岩土盘等。

触发引线，则是隧道开挖工作面的前移和通过，致使致灾构造突破隔水岩土盘，造成灾害发生。

隧道地下水预报技术

在做复杂地质隧道地下水综合预报时，分析可能存在的主要工程地质问题和涌突水致灾构造是地质基础，选择适宜的物探技术为手段，最终实现预报目的，确保施工安全。介绍几种适于TBM施工隧道的超前地质预报技术。

图5 HSP探测布极示意图

图6 HSP法成果示意图

图7 岩体温度法隧道掌子面前方含水体预报原理图

适于TBM施工的HSP法地质预报技术

“HSP法”原理是建立在弹性波理论的基础上，探测存在波阻抗差异的不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的弹性波阻抗差异。结合TBM施工隧道的特点，利用TBM掘进时刀盘刀具切割岩石所产生的声波信号作为HSP法预报激发信号的设想。TBM掘进时，刀盘及刀具切割或破碎岩石所激发的声波信号，利用HSP法测试系统对声波信号进行接收。采用必要的、合适的滤波及信号提取技术进行处理，识别出TBM刀盘前方不良地质体的反射波信号，从而达到对TBM施工掘进前方不良地质体预报的目的。采用空间阵列式测试布置方法，即：在TBM刀头（或机身）布置一个机械震动信号接收检波器，在两侧壁围岩各布置一排声波接收检波器，如图5所示。测试时，机械震动信号接收检波器接收TBM掘进过程中机械震动噪声，两排声波接收检波器同时接收TBM掘进产生的震动信号，每次累计接收5分钟到15分钟震动信号，用以数据处理及成像，成像结果如图6所示。

岩体温度法涌水预报方法

岩体温度法隧道（洞）施工掌子面前方含水体预报，如图7所示，即是利用地下水在岩石体中循环流动，水与岩石体通过热交换来降低或升高流经位置及周围岩石体温度。然而，岩体温度背景场是可以计算的，以隧道轴线某点为例，该点的岩体温度可以表示出来，根据地温梯度理论，隧道轴线上某点的岩体温度可以由式（1）表示。

式中：Ts —隧道内该点正上方地面点的温度（℃），D—隧道在该点出的埋深（m），Gloc —地温梯度（℃/m），Ttopo—隧道内该点正上方地面点三维地形效应（℃）。

通过背景场校正，分析隧道施工的掌子面前方的不同空间分布位置、不同的大小含水体对不同位置的岩体温度影响大小和影响范围的不同，来进行隧道施工掌子面前方的含水体空间分布位置及含水体大小即是可能的涌水量预报，预报成果如图8所示。

地下水动力及水化学分析技术

图8 岩体温度法成果示意图

以隧道开挖揭露的岩溶形态和岩溶地下水为研究对象，深入开展岩溶含水介质特性及其作用机理研究。通过现场监测、理论分析和室内模拟实验等手段，将岩溶地下水动力学、水化学、水-岩相互作用理论和分形理论相结合，在岩溶动力系统环境效应分析基础上，开展岩溶地下水的化学动力学特性、岩溶形态的分形特征，以及岩溶地下水化学成分与岩溶形态之间的相关性研究，建立基于水化学动力学参数和岩溶形态分形指数的岩溶发育程度评价模型，提出岩溶发育程度的水化学动力学-分形指数评价技术，将岩溶水化学动力学特征及岩溶形态分形特征等融入岩溶发育程度评价指标体系，建立基于水化学动力学-分形指数的岩溶发育程度评价模型，岩溶发育程度综合评价指数计算方法可用公式(2)表示。

式中：CkD-岩溶发育程度综合评价指数(无量纲)；CkDq-岩溶发育程度定性评价系数(无量纲)；CkDF-岩溶发育程度的分形评价指数(无量纲)，k1和k2分别为定性指标权值和定量指标权值。

经统计研究，定性指标和定量指标的权重赋值分别为0.3和0.7时，能较好的指导隧道地下水的预报。

结语

基于分析复杂地质隧道重要地质灾害之一—突水构造分析及成灾理论研究，优化“以地质法为基础的综合物探技术”预报理念。开展复杂隧道地下水综合超前地质预报技术研究，在计算突水致灾构造对应隔水岩土盘最小安全厚度和分析地下水化学动力学特性及分形指数特征的基础上，辅以综合物探技术，实现地下水探测，解决深埋、复杂地质隧道地下水害预报难题。笔者在开展复杂地质隧道地下水探测时，坚持以地质法为基础，采用HSP法对隧道施工掌子面前方阻抗界面及其位置的预报，结合岩体温度法施工涌水预报方法探查异常体富水特征，结合地下水动力学和水文地球化学方法。各方法有机结合，可以较好的实现隧道施工掌子面前方富水区的预报。