劉常昊，鄭萬(wàn)波,*，吳燕清，楊志全，丁力生，楊黎明，史耀軒

(1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院,云南 昆明 650504；2.昆明理工大學(xué)理學(xué)院,云南 昆明 650500；3.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶 400030；4.中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102601)

在我國(guó)西南地區(qū)隧道工程施工過(guò)程中，因受地形地貌和水文地質(zhì)條件復(fù)雜的制約，突水災(zāi)害頻發(fā)，由溶洞、暗河、空洞含水、基巖裂隙水等所導(dǎo)致的突水現(xiàn)象，致使隧道工程施工進(jìn)度緩慢，對(duì)隧道內(nèi)施工人員和施工設(shè)備構(gòu)成危害，易造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用科學(xué)的隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)隧道開挖工作面前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)斷層、破碎帶[1]以及富水區(qū)域的含水情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，對(duì)即將出現(xiàn)的突水現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警，對(duì)減少施工的盲目性、保障隧道施工人員的安全施工具有重要的意義，一直也是國(guó)內(nèi)外隧道施工的重要研究方向[2]。目前許多學(xué)者采用多種方法對(duì)隧道富水段涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，主要方法有數(shù)值模擬法[3]、理論解析法[4]、經(jīng)驗(yàn)公式法[5]、多元相關(guān)分析法[6]和地下水動(dòng)力學(xué)法[7]等，但已有文獻(xiàn)未對(duì)富水區(qū)域結(jié)構(gòu)對(duì)隧道突涌水[8]預(yù)測(cè)的影響進(jìn)行研究。為了確定富水區(qū)域準(zhǔn)確位置[9]，有學(xué)者借助探地雷達(dá)(GPR)，利用雷達(dá)波對(duì)水和含水率高的介質(zhì)反射強(qiáng)烈且敏感的特征，探究了富水區(qū)域結(jié)構(gòu)對(duì)隧道突涌水的影響。

鑒于此，本文以云南省玉磨鐵路景寨隧道掌子面DK412+325～DK412+295富水段為研究區(qū)，選擇地質(zhì)雷達(dá)作為探測(cè)工具對(duì)該隧道富水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)預(yù)報(bào)，結(jié)合富水區(qū)域特征，建立了隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型，并將隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型參數(shù)引入隧道涌水量預(yù)測(cè)公式，對(duì)隧道富水段最大涌水量進(jìn)行估算，進(jìn)而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道涌水量估算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，以為類似隧道富水段涌水量預(yù)測(cè)提供借鑒，確保隧道穿越富水段的施工安全，為“一帶一路”標(biāo)志性工程即中國(guó)到東南亞的第一條鐵路——中老鐵路的順利貫通提供安全保障。

1 工程概況

1. 1 隧道工程概況

玉磨鐵路景寨隧道坐落于云南省景洪市勐罕鎮(zhèn)境于曼么—梭羅河區(qū)間，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水資源十分豐富，年平均降水量為1 067.7 mm。隧道進(jìn)口里程為DK405+615，出口里程為DK415+124，全長(zhǎng)為9 509 m。隧道最大埋深為711 m，隧道開挖過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到斷層破碎帶富水、基巖裂隙富水等現(xiàn)象，隧道開挖至DK412+325掌子面出現(xiàn)線狀出水，拱頂呈線狀、股狀滲水。

1. 2 水文地質(zhì)條件

隧道DK412+325～DK412+295段屬中低山地貌，該段為越嶺隧道，地面高程為670～1 400 m，最大高差約為730 m，自然橫坡坡度為5°～35°，局部較陡，地形起伏，山間淺溝發(fā)育。

隧道地表水主要為山上自然溝水、塘水，主要由大氣降水補(bǔ)給[10]。隧道地下水的主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水，其中第四系孔隙潛水不甚發(fā)育，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)和平鄉(xiāng)組(J2h)頁(yè)巖夾泥巖、砂巖、泥灰?guī)r，巖體破碎，基巖裂隙水發(fā)育，受第四系孔隙潛水和基巖裂隙潛水的影響較大，該隧道屬施工風(fēng)險(xiǎn)高的長(zhǎng)大隧道。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)[11]探測(cè)技術(shù)是利用高頻寬帶脈沖電磁波，發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過(guò)接受反射信號(hào)達(dá)到探測(cè)地下介質(zhì)的目的，具有快速、無(wú)損、精度高的特點(diǎn)。其基本原理是：在系統(tǒng)主機(jī)的控制下，發(fā)射機(jī)通過(guò)天線向圍巖內(nèi)定向發(fā)射電磁波；當(dāng)垂直于巖層表面向圍巖內(nèi)傳播的電磁波遇到有電性差異(主要是介電常數(shù)[12]、電導(dǎo)率)的界面或地質(zhì)異常體時(shí)即發(fā)生反射，反射波被接收天線接收進(jìn)入接收機(jī)，并傳到主機(jī)，主機(jī)通過(guò)對(duì)從不同深度返回的各個(gè)反射波進(jìn)行放大、采樣、濾波、數(shù)字迭加等一系列處理，可自動(dòng)形成地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖[13]，進(jìn)而可確定前方物體的空間位置及結(jié)構(gòu)[14]。地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖的縱坐標(biāo)代表時(shí)間t，即表示每條掃描取樣反射曲線上各個(gè)反射波往返旅行時(shí)間。在相對(duì)介電常數(shù)ε給定的情況下，通過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換公式可將縱坐標(biāo)由時(shí)間轉(zhuǎn)換為深度，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中:h為深度(m);t為時(shí)間(s);ε為相對(duì)介電常數(shù)(F/m);C為光速(m/s)。

ε不易確定，一般通過(guò)介質(zhì)內(nèi)已知目標(biāo)的深度求出介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播速度或通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播速度。

3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)正演模擬

根據(jù)隧道富水區(qū)域異常的特點(diǎn)，建立了探地雷達(dá)探測(cè)正演模型，為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)解釋工作提供參考。

3.1 二維時(shí)域有限差分(FDTD)正演模擬理論

在電磁探測(cè)領(lǐng)域，電磁現(xiàn)象都能通過(guò)Maxwell方程組進(jìn)行描述。Yee在1966年提出了時(shí)域有限差分(finite difference time domain,FDTD)理論，可在有限時(shí)空尺度上獲得Maxwall方程組的穩(wěn)定解[15]。該方法可直接求解依賴于時(shí)間變量的Maxwell旋度方程組，它由兩個(gè)旋度方程和兩個(gè)散度方程組成，并建立了計(jì)算時(shí)域電磁場(chǎng)的數(shù)值方法，將電磁波分為TEM、TM、TE 3種模式，探地雷達(dá)中采用橫磁波(TM型電磁波)，在傳播方向上有電場(chǎng)分量而無(wú)磁場(chǎng)分量，在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中，電磁場(chǎng)分量有Hy、Hx、Ez，傳播方向?yàn)閦方向。準(zhǔn)靜態(tài)條件下，均勻、有耗、非磁性、無(wú)源媒介中的麥克斯韋方程組可表示如下：

(2)

(3)

TM型電磁波方程組的表達(dá)式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：Ez為電場(chǎng)強(qiáng)度在z方向的分量(V/m)；Hx和Hy為磁場(chǎng)強(qiáng)度在x和y方向的分量(A/m)；σm為等效磁導(dǎo)率(W/m)，由于在理想模型空間內(nèi)不包含磁性介質(zhì)，一般令σm=0。

運(yùn)用Yee氏網(wǎng)絡(luò)模型，利用中心差分代替對(duì)時(shí)間、空間坐標(biāo)的微分，將連續(xù)變量離散化，推導(dǎo)出二維空間探地雷達(dá)正演模擬方程[16]如下：

(7)

(8)

(9)

其中:

(10)

(11)

(12)

式中:(i,j)為x、y坐標(biāo)方向的空間步長(zhǎng)個(gè)數(shù)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)(ns)；Δs為空間步長(zhǎng)(m)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)。

3. 2 物理模型的建立

3.2.1 不良地質(zhì)體模型及正演模擬

針對(duì)在玉磨鐵路景寨隧道開挖過(guò)程中不同富水區(qū)域結(jié)構(gòu)對(duì)隧道突涌水的影響，本文將隧道富水段不良地質(zhì)體考慮為圓形、矩形、直角三角形3種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圓形結(jié)構(gòu)的雷達(dá)探測(cè)圖像中存在雙曲線型的多次強(qiáng)反射信號(hào)；矩形結(jié)構(gòu)的雷達(dá)探測(cè)圖像中存在水平直線型的強(qiáng)反射信號(hào)且兩端存在雙曲線型的反射信號(hào)，但不能確定其深度范圍；直角三角形結(jié)構(gòu)的雷達(dá)探測(cè)圖像中存在傾斜直線型的強(qiáng)反射信號(hào)且兩端存在雙曲線型的反射信號(hào)，并且隨著半徑逐漸增大，傾斜直線逐漸向弧形方向發(fā)展[17]。由于矩形和直角三角形結(jié)構(gòu)的雷達(dá)探測(cè)圖像呈現(xiàn)以雙曲線型為主的反射信號(hào)特征，因此本文選擇圓形結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行建模。

圓形結(jié)構(gòu)在雷達(dá)探測(cè)圖像中可以較好地確定其水平位置，且圖像雙曲線特征明顯，測(cè)點(diǎn)圓半徑為0.3 m，物理模型中所需介質(zhì)的物理參數(shù)見表1。

表1 物理模型中所需介質(zhì)的物理參數(shù)[18-20]

3.2.2 隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型建立

對(duì)隧道近距離小型富水區(qū)域異常進(jìn)行正演模擬，建立基于MATLAB的1∶10隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型找尋其中的規(guī)律。如圖1所示，建立一個(gè)尺寸為3 m×4 m的區(qū)域作為探測(cè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)以1.5 m為一個(gè)區(qū)域劃分為兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，在上部測(cè)點(diǎn)內(nèi)放入富水區(qū)域(純水)進(jìn)行試驗(yàn)，下部測(cè)點(diǎn)內(nèi)放入濕黏土，介質(zhì)為砂巖(濕)。正演模擬參數(shù)見表2。

表2 正演模擬參數(shù)

探測(cè)區(qū)域測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，其布置方式為上部區(qū)域距上部1 m、距左右邊界1 m，下部區(qū)域距上部2 m、距左右邊界1 m，深度2 m。

圖1 探測(cè)區(qū)域測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of measuring points in detection area

圖2 物理參數(shù)模型成像Fig.2 Image of physics parameters model

圖3 正演模擬結(jié)果Fig.3 Results of forward modelling

物理參數(shù)模型和正演模擬結(jié)果見圖2和圖3。通過(guò)對(duì)正演模擬結(jié)果和物理參數(shù)模型進(jìn)行分析，由圖2可見：在相對(duì)介電常數(shù)圖[見圖2(a)]中，4個(gè)富水區(qū)域成像十分明顯，但在電導(dǎo)率圖[見圖2(b)]中因水的電導(dǎo)率相對(duì)較低，上部富水區(qū)域成像并不明顯；在相對(duì)磁導(dǎo)率圖[見圖2(c)]中因理想模擬空間內(nèi)不包含磁性介質(zhì)因此定義值都為1，所以無(wú)具體圖像特征；在電磁波波速圖[見圖2(d)]中因電磁波波速不同可明顯看出所定義的4個(gè)富水區(qū)域和背景介質(zhì)波速的不同。而由圖3可見：上部富水區(qū)域有明顯的雷達(dá)反射特征，其結(jié)構(gòu)輪廓清晰，近似為橢圓形，且相對(duì)介電常數(shù)越大的地方圖像越深，以深黑色為主，而下部水土混合區(qū)域僅可看到近似輪廓，也呈橢圓形結(jié)構(gòu)，故建立了隧道富水區(qū)域橢圓形結(jié)構(gòu)模型，見圖4。

圖4 隧道富水區(qū)域橢圓形結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Elliptioncal structural model of the water-rich zone in the tunnel

設(shè)在介電常數(shù)ε1的空間內(nèi)存在一個(gè)介電常數(shù)為ε2的橢圓體，距離掌子面的距離為h,橢圓體長(zhǎng)軸為a、短軸為b，電磁波發(fā)射點(diǎn)為P，O點(diǎn)為電磁波到達(dá)H點(diǎn)時(shí)PH發(fā)射點(diǎn)的中點(diǎn)，Q點(diǎn)為橢圓形區(qū)域最遠(yuǎn)反射點(diǎn)，設(shè)PH=x1，PQ=x2,OP=y,則有:

(13)

整理后,可得:

(14)

上述公式(14)即為隧道富水區(qū)域圓錐曲線模型。

3. 3 隧道涌水量預(yù)測(cè)

基于地下水動(dòng)力學(xué)方法，將水文地質(zhì)概念模型進(jìn)行了概化，簡(jiǎn)化了水文地質(zhì)條件，使之適用于圍巖為松散巖類巖溶隧道及裂隙含水巖體隧道，并通過(guò)建立方程，從而求解出指定邊界條件和初值條件的隧道涌水量。

3.3.1 常用的隧道涌水量經(jīng)典解析公式

常用的基于地下水動(dòng)力學(xué)的隧道涌水量預(yù)測(cè)經(jīng)典解析公式和經(jīng)驗(yàn)公式主要有以下幾種。

(1) 古德曼經(jīng)驗(yàn)公式:

(15)

(2) Lombardi公式:

(16)

(3) 大島洋志公式:

(17)

式中：Q為隧道涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m·s-1)；H為含水層厚度(m)；r為隧道等價(jià)圓半徑(m)；m為轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取0.86。

大島洋志公式為古德曼公式的修正公式。

3.3.2 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道富水段涌水量預(yù)測(cè)公式

以上預(yù)測(cè)公式均只考慮了含水體水層厚度但未考慮含水體結(jié)構(gòu)對(duì)隧道涌水量的影響，所以適用性有限，因此本文考慮了含水體結(jié)構(gòu)重新推導(dǎo)出隧道涌水量預(yù)測(cè)公式。為此，對(duì)模型進(jìn)行了如下假定[21]：

(1) 隧道斷面形狀為圓形。

(2) 水流所處地層為均質(zhì)且各向異性。

(3) 隧道滲流狀態(tài)穩(wěn)定。

(4) 水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合線性滲透定律。

(5) 富水區(qū)域?yàn)闄E圓形結(jié)構(gòu)。

基于地下水動(dòng)力學(xué)方法建立了隧道滲流模型，見圖5。其中，mn為掌子面到含水區(qū)域的最遠(yuǎn)距離(m)；rn為mn到掌子面中心點(diǎn)的對(duì)應(yīng)高度(m)；m為掌子面到達(dá)含水區(qū)域最近距離(m)；r為隧道半徑，也是m到掌子面中心點(diǎn)的對(duì)應(yīng)高度(m)；H為含水層厚度(m)。

圖5 隧道滲流模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of tunnel seepage model

基于地下水動(dòng)力學(xué)，引入圓錐曲線參數(shù)建立隧道富水區(qū)域涌水量預(yù)測(cè)公式如下[22]：

(18)

對(duì)上式進(jìn)行變量分離并積分，取m由mn(掌子面到含水區(qū)域最遠(yuǎn)的距離)到m(掌子面到含水區(qū)域最近的距離)，r由R到r，整理后得到隧道富水段單位長(zhǎng)度最大涌水量的計(jì)算公式如下：

R=H+r

(19)

(20)

式中：q為隧道富水段最大涌水量(m3/d)；K為巖體的滲透系數(shù)(m·s-1)；R為含水層到掌子面中心點(diǎn)的距離(m);m為掌子面到達(dá)含水區(qū)域的距離(m)；b為含水區(qū)域短軸(m)；H為含水層厚度(m)；r為隧道等價(jià)圓半徑(m)。

4 實(shí)例應(yīng)用與分析

4. 1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置

為了保證云南省玉磨鐵路景寨隧道施工的順利進(jìn)行和避免塌方等危險(xiǎn)事故的發(fā)生，需預(yù)先知道掌子面前方的地質(zhì)情況，若前方可能有大范圍含水區(qū)域，則需要提前做好排水措施。本文對(duì)景寨隧道橫洞平導(dǎo)小里程中碰到的典型斷面地質(zhì)情況進(jìn)行分析，以該隧道掌子面DK412+325～DK412+295富水段為例，如圖6所示，共設(shè)計(jì)2條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(測(cè)線1和測(cè)線2)布置于掌子面，測(cè)線長(zhǎng)度為5 m，測(cè)線間距為0.5 m，測(cè)線垂直于隧道走向布置，考慮到干擾問(wèn)題測(cè)線距離隧道左右拱架0.5 m時(shí)停止，其中測(cè)線1為從右到左，測(cè)線2為從左到右，采取點(diǎn)測(cè)結(jié)合進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

圖6 玉磨鐵路景寨隧道掌子面DK412+325～ DK412+295富水段的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖Fig.6 Arrangement diagram of geological radar line measuring of water-rich section at tunnel working face in Jingzhai tunnel of Yuxi-Mohan railway(DK412+325～DK412+295)

4. 2 地質(zhì)雷達(dá)實(shí)際探測(cè)結(jié)果分析

玉磨鐵路景寨隧道掌子面DK412+325～DK412+295富水段巖性主要以英安斑巖為主，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育且局部微張，基巖裂隙水發(fā)育，掌子面呈線狀出水，拱頂呈線狀、股狀滲水，圍巖表面濕潤(rùn)，自穩(wěn)能力較好。

該隧道掌子面DK412+325～DK412+295富水段現(xiàn)場(chǎng)勘探與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖，見圖7和圖8。

圖7 玉磨鐵路景寨隧道掌子面DK412+325～ DK412+295富水段的現(xiàn)場(chǎng)勘探圖Fig.7 Site heading exploration diagram of water-rich section at tunnel working face in Jingzhai tunnel Jingzhai tunnel of Yuxi-Mohan railway (DK412+325～DK412+295)

圖8 玉磨鐵路景寨隧道掌子面DK412+325～DK412 +295富水段的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖Fig.8 Geological radar result diagram for water- rich section of Jingzhai tunnel of Yuxi-Mohan railway(DK412+325～DK412+295)

將圖8地質(zhì)雷達(dá)成果圖與圖3正演模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：圖3中正演模擬富水區(qū)域的電磁信號(hào)頻率較低，振幅較強(qiáng)，在雷達(dá)圖像中富水區(qū)域以深黑色所示；同圖8中對(duì)比，3～9 m區(qū)域的電磁信號(hào)頻率較低，振幅較強(qiáng)，在雷達(dá)圖像中富水區(qū)域以深黑色所示，部分區(qū)域電磁信號(hào)頻率較高，振幅較弱，在雷達(dá)圖像中以淺亮色為主，3 m前的區(qū)域電磁信號(hào)頻率較高，振幅較低，在雷達(dá)圖像中呈藍(lán)、綠亮色所示，9～21 m區(qū)域規(guī)則完整，部分區(qū)域較暗，存在部分含水，因此認(rèn)為3～9 m區(qū)域?yàn)楹枯^大的基巖裂隙水。

將地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的3～9 m水層數(shù)據(jù)帶入圓錐曲線模型中得到的含水區(qū)域長(zhǎng)軸a=19.823 m、短軸b=3.09 m，將所求得的數(shù)據(jù)代入所建立的隧道富水段最大涌水量預(yù)測(cè)公式進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合該隧道掌子面揭露的圍巖與地質(zhì)勘查資料，確定富水層厚度約為180 m。

4. 3 方法對(duì)比驗(yàn)證

本文將地下水動(dòng)力學(xué)經(jīng)典解析公式和經(jīng)驗(yàn)公式(大島洋志公式、Lombardi公式、古德曼經(jīng)驗(yàn)公式)計(jì)算得到的該隧道富水段最大涌水量與本文方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證本文方法的適用性和優(yōu)勢(shì)所在。該隧道掌子面DK412+325～DK412+295富水段最大涌水量預(yù)測(cè)相關(guān)的計(jì)算參數(shù)和各種方法預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，見表3和圖9。

表3 玉磨鐵路景寨隧道掌子面(DK412+325～DK412+295)富水段最大涌水量預(yù)測(cè)相關(guān)的計(jì)算參數(shù)

圖9 玉磨鐵路景寨隧道掌子面(DK412+325～ DK412+295)富水段涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.9 Prediction of water inflow amount of water-rich section at tunnel working face in Jingzhai tunnel of Yuxi-Mohan railway (DK412+325～ DK412+295)

此外，為了驗(yàn)證本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用鉆探進(jìn)行了驗(yàn)證，并將利用地下水動(dòng)力學(xué)經(jīng)典解析公式計(jì)算得到的該隧道富水段最大涌水量和本文方法的計(jì)算結(jié)果與鉆探實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，見表4。

采用89 mm鉆頭對(duì)隧道拱頂進(jìn)行鉆探，經(jīng)過(guò)測(cè)量得知此段為滿孔承壓水，共打5孔，鉆探至9 m時(shí)因水壓過(guò)大鉆頭無(wú)法前進(jìn)，此時(shí)實(shí)測(cè)得到隧道富水段最大涌水量為2 760.8 m3/d，與本文方法預(yù)測(cè)得到的隧道富水段最大涌水量3 073.45 m3/d的偏差率為11.3%，而大島洋志公式預(yù)測(cè)得到的隧道富水段最大涌水量為7 898.94 m3/d，偏差率為186.1%，Lombardi公式預(yù)測(cè)得到的隧道富水段最大涌水量為9 063.48 m3/d，偏差率為228.2%，古德曼經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)得到的隧道富水段最大涌水量為9 184.81，偏差率為232.6%，其均與該隧道實(shí)際涌水量值的差異較大，表明地下水動(dòng)力學(xué)經(jīng)典解析公式和經(jīng)驗(yàn)公式不適用于景寨隧道涌水量的預(yù)測(cè)，而本文通過(guò)改進(jìn)后引入富水區(qū)域構(gòu)建的地下水動(dòng)力學(xué)公式預(yù)測(cè)得到的該隧道富水段最大涌水量值與實(shí)際涌水量值較為吻合，證明本文方法針對(duì)景寨隧道工程更具有適用性和準(zhǔn)確性。

表4 玉磨鐵路景寨隧道掌子面(DK412+325～DK412+295)富水段最大涌水量預(yù)測(cè)公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論和展望

本文針對(duì)隧道含水區(qū)域突涌水問(wèn)題，結(jié)合玉磨鐵路景寨隧道掌子面DK412+325～DK412+295富水段涌水量預(yù)測(cè)進(jìn)行了實(shí)例分析，得到以下結(jié)論。

(1) 結(jié)合所建立的隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型，建立了基于地下水動(dòng)力學(xué)的隧道涌水量計(jì)算公式，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)對(duì)計(jì)算隧道含水體涌水量問(wèn)題的可行性，分析了富水區(qū)域結(jié)構(gòu)特征，確定隧道掌子面前方的不良地質(zhì)體類型，通過(guò)正演模擬結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)富水區(qū)域電磁信號(hào)頻率較低，振幅較強(qiáng)，在雷達(dá)圖像中以深黑色為主，部分區(qū)域電磁信號(hào)頻率較高，振幅較弱，在雷達(dá)圖像中以淺亮色為主，因此判定3～9 m范圍內(nèi)為含水量較大的基巖裂隙水。

(2) 通過(guò)引入隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型參數(shù)建立的基于地下水動(dòng)力學(xué)的隧道涌水量計(jì)算公式，預(yù)測(cè)得到的隧道最大涌水量為3 073.45 m3/d，與實(shí)測(cè)值2 760.8 m3/d的偏差率為11.3%，而地下水動(dòng)力學(xué)經(jīng)典解析公式和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的偏差率過(guò)大，其中偏差率最低的大島洋志公式的偏差率為186.1%，偏差率最高的古德曼經(jīng)驗(yàn)公式的偏差率達(dá)到232.6%，表明地下水動(dòng)力學(xué)經(jīng)典解析公式和經(jīng)驗(yàn)公式在云南復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道涌水量預(yù)測(cè)中的偏差率較大，適用性較差，而本文結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)所建立的隧道富水區(qū)域結(jié)構(gòu)模型對(duì)景寨隧道涌水量預(yù)測(cè)有更好的適用性，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以指導(dǎo)實(shí)際工作，為類似涌水隧道提供借鑒，以保障中老鐵路施工安全。