我國(guó)已建和擬建山嶺隧道普遍具有長(zhǎng)、大、深等特點(diǎn)，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(xué)者針對(duì)巖溶隧道涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，取得可觀的成果，對(duì)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防治起到重要作用。但截至目前,巖溶及巖溶地下水問(wèn)題依然是世界性難題，尤其是巖溶地下水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)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(wèn)題和涌突水致災(zāi)構(gòu)造分析，進(jìn)一步優(yōu)化“以地質(zhì)法為基礎(chǔ)的綜合物探技術(shù)”。針對(duì)TBM施工的深埋長(zhǎng)大隧道，提出適于TBM施工的HSP法實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)開(kāi)展不良地質(zhì)體界線的探測(cè)，該技術(shù)利用TBM破巖震動(dòng)作為地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)震源、空間陣列式測(cè)試布置方法、無(wú)線傳輸技術(shù)、波反射與散射聯(lián)合成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)TBM施工隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)目標(biāo)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(bào)方法，并輔以地下水動(dòng)力學(xué)和水文地球化學(xué)方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的地下水發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。本文研究成果對(duì)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(zhǎng)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(jià)值。

復(fù)雜地質(zhì)隧道預(yù)報(bào)重點(diǎn)分析

針對(duì)嚴(yán)重危及隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)安全的巖溶涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，分析指出巖溶及地下水的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)或探測(cè)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

隨著隧道施工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)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(shí)時(shí)威脅著隧道施工。隧道施工涌、突水的直接危害，表現(xiàn)為對(duì)施工隧道、導(dǎo)坑、洞內(nèi)施工機(jī)具設(shè)備的淹沒(méi)，沖毀洞內(nèi)施工機(jī)具、設(shè)施、材料，對(duì)洞內(nèi)施工人員造成生命直接威脅，嚴(yán)重者甚至沖毀洞口外工程、堆放材料及臨時(shí)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(bào)關(guān)注的重點(diǎn)，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(cè)預(yù)報(bào)。

圖1 未膠結(jié)富水壓性斷層上盤強(qiáng)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(bǔ)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(bào)重點(diǎn)可知，對(duì)可能導(dǎo)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(kāi)展隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)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(qiáng)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(cuò)動(dòng)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(wú)縱張斷層和縱張節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，獨(dú)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(shí)，連通含水層成為地下向斜儲(chǔ)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(bào)或預(yù)報(bào)誤差抑或失?。?zhǔn)確預(yù)報(bào)的重要性）。

第三，在隧道施工接近或通過(guò)突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造時(shí)，未對(duì)不良地質(zhì)體采取工程措施預(yù)先處理或處理不當(dāng)、初期支護(hù)未及時(shí)施工，或初期支護(hù)存在質(zhì)量問(wèn)題、二次襯砌未及時(shí)施工或二次襯砌存在質(zhì)量問(wèn)題，巖、土、初期支護(hù)、二次襯砌單獨(dú)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(kāi)挖工作面的前移和通過(guò)，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(bào)技術(shù)

在做復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水綜合預(yù)報(bào)時(shí)，分析可能存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)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(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)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(bào)技術(shù)。

圖5 HSP探測(cè)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(bào)原理圖

適于TBM施工的HSP法地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

“HSP法”原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)上，探測(cè)存在波阻抗差異的不良地質(zhì)體(帶)如斷層、風(fēng)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(diǎn)，利用TBM掘進(jìn)時(shí)刀盤刀具切割巖石所產(chǎn)生的聲波信號(hào)作為HSP法預(yù)報(bào)激發(fā)信號(hào)的設(shè)想。TBM掘進(jìn)時(shí)，刀盤及刀具切割或破碎巖石所激發(fā)的聲波信號(hào)，利用HSP法測(cè)試系統(tǒng)對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行接收。采用必要的、合適的濾波及信號(hào)提取技術(shù)進(jìn)行處理，識(shí)別出TBM刀盤前方不良地質(zhì)體的反射波信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)TBM施工掘進(jìn)前方不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的目的。采用空間陣列式測(cè)試布置方法，即：在TBM刀頭（或機(jī)身）布置一個(gè)機(jī)械震動(dòng)信號(hào)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(cè)試時(shí)，機(jī)械震動(dòng)信號(hào)接收檢波器接收TBM掘進(jìn)過(guò)程中機(jī)械震動(dòng)噪聲，兩排聲波接收檢波器同時(shí)接收TBM掘進(jìn)產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，每次累計(jì)接收5分鐘到15分鐘震動(dòng)信號(hào)，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(bào)方法

巖體溫度法隧道（洞）施工掌子面前方含水體預(yù)報(bào)，如圖7所示，即是利用地下水在巖石體中循環(huán)流動(dòng)，水與巖石體通過(guò)熱交換來(lái)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(chǎng)是可以計(jì)算的，以隧道軸線某點(diǎn)為例，該點(diǎn)的巖體溫度可以表示出來(lái)，根據(jù)地溫梯度理論，隧道軸線上某點(diǎn)的巖體溫度可以由式（1）表示。

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

通過(guò)背景場(chǎng)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(duì)不同位置的巖體溫度影響大小和影響范圍的不同，來(lái)進(jìn)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(bào)，預(yù)報(bào)成果如圖8所示。

地下水動(dòng)力及水化學(xué)分析技術(shù)

圖8 巖體溫度法成果示意圖

以隧道開(kāi)挖揭露的巖溶形態(tài)和巖溶地下水為研究對(duì)象，深入開(kāi)展巖溶含水介質(zhì)特性及其作用機(jī)理研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)等手段，將巖溶地下水動(dòng)力學(xué)、水化學(xué)、水-巖相互作用理論和分形理論相結(jié)合，在巖溶動(dòng)力系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)分析基礎(chǔ)上，開(kāi)展巖溶地下水的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性、巖溶形態(tài)的分形特征，以及巖溶地下水化學(xué)成分與巖溶形態(tài)之間的相關(guān)性研究，建立基于水化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和巖溶形態(tài)分形指數(shù)的巖溶發(fā)育程度評(píng)價(jià)模型，提出巖溶發(fā)育程度的水化學(xué)動(dòng)力學(xué)-分形指數(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)，將巖溶水化學(xué)動(dòng)力學(xué)特征及巖溶形態(tài)分形特征等融入巖溶發(fā)育程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立基于水化學(xué)動(dòng)力學(xué)-分形指數(shù)的巖溶發(fā)育程度評(píng)價(jià)模型，巖溶發(fā)育程度綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算方法可用公式(2)表示。

式中：CkD-巖溶發(fā)育程度綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(無(wú)量綱)；CkDq-巖溶發(fā)育程度定性評(píng)價(jià)系數(shù)(無(wú)量綱)；CkDF-巖溶發(fā)育程度的分形評(píng)價(jià)指數(shù)(無(wú)量綱)，k1和k2分別為定性指標(biāo)權(quán)值和定量指標(biāo)權(quán)值。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究，定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的權(quán)重賦值分別為0.3和0.7時(shí)，能較好的指導(dǎo)隧道地下水的預(yù)報(bào)。

結(jié)語(yǔ)

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(bào)理念。開(kāi)展復(fù)雜隧道地下水綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究，在計(jì)算突水致災(zāi)構(gòu)造對(duì)應(yīng)隔水巖土盤最小安全厚度和分析地下水化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(shí)現(xiàn)地下水探測(cè)，解決深埋、復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水害預(yù)報(bào)難題。筆者在開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)隧道地下水探測(cè)時(shí)，堅(jiān)持以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，采用HSP法對(duì)隧道施工掌子面前方阻抗界面及其位置的預(yù)報(bào)，結(jié)合巖體溫度法施工涌水預(yù)報(bào)方法探查異常體富水特征，結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)和水文地球化學(xué)方法。各方法有機(jī)結(jié)合，可以較好的實(shí)現(xiàn)隧道施工掌子面前方富水區(qū)的預(yù)報(bào)。