反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术与应用

周 建 芳

(中铁十四局集团第五工程有限公司，山东 兖州 272117)

反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术与应用

周 建 芳

(中铁十四局集团第五工程有限公司，山东 兖州 272117)

结合工程实例，对TSP法、瞬变电磁法、地质雷达法、激发极化法四种隧道超前地质预报技术进行了阐述，分析了各方法在反坡排水情况下进行地质预报的技术，为隧道的施工提供了依据。

隧道，反坡排水，超前地质预报，应用

1 工程背景

近些年来，由长距离反坡施工带来的技术挑战愈加明显，因此造成的突水涌水等施工期地质灾害不断出现，例如：湖北沪蓉西高速公路齐岳山隧道出口段落由于反坡施工，在穿越马槽洞地下暗河和超大断层时遭遇大型涌水事故，由于排水系统能力有限，导致超过700 m的洞身被淹没，工期延误超过1年，经济损失严重。湖北沪蓉西高速公路龙潭隧道出口段是长距离反坡施工，在穿越700 m长的断层破碎带时遭遇涌泥涌水事故，给排水带来了巨大的困难。

依托工程东毛高速公路六盘山隧道设计为单洞分离式隧道，左右线间隔31 m～48 m，属超长隧道，隧道全长9 490 m。六盘山隧道分三个作业工区，进口施工属于顺坡施工，斜井和出口施工均属于反坡施工。隧道出口段施工任务属于长距离反坡施工，反坡段长度为3 060 m，坡度为-2.78%。可见六盘山隧道存在较长距离的反坡施工段落，且反坡施工段落穿越多个富水岩层和突涌水高风险段落，给六盘山隧道长距离反坡排水提出了更高、更严格的技术要求。

在隧道反坡排水情况下，隧道超前地质预报的作用体现的愈发重要，如果无法在施工期提前预判前方水量，会导致隧道排水系统能力不足，从而引起隧道积水，甚至引发突水突泥现象，严重影响施工。因此，急需建立一套完善的反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术体系[1]。

2 反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术

反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术遵循“由远及近”“先粗后细”的预报原则，首先运用长距离超前地质预报手段，如TSP地震法，每次TSP超前地质预报的探测距离约100 m～150 m，先粗略的探测出异常体的位置；然后运用中长距离超前地质预报手段，如瞬变电磁法，每次瞬变电磁法超前地质预报的探测距离约60 m，进一步确定异常体的位置和情况；在到达风险段落前，再使用短距离超前地质预报手段进行精细化探测，如地质雷达法，每次地质雷达法超前地质预报的探测距离约20 m；如果确定前方可能存在突水危险，可同时利用短距离超前地质预报手段激发极化法，每次探测距离约30 m，并可以实现大致估算水量，确保施工安全。

2.1 TSP长距离超前地质预报法

TSP法的基本原理是在隧道掌子面后方一定距离内，在隧道边墙上打孔并在孔中安装炸药，炸药作为发射源，地震波在围岩中传播，地震波遇到地质异常体的时候会发生反射，由检波器接收反射回来的地震波信号，通过计算得到异常体的位置[2]。

2.2 瞬变电磁中距离超前地质预报法

瞬变电磁法的基本原理是：利用发射线圈向隧道掌子面前方发射电磁场脉冲，而当发射线圈中的电流突然断开的时候，如果没有异常体，磁场会正常衰减，而当存在异常体的时候，会产生二次涡流，从而对异常体进行探测[3]。

2.3 地质雷达短距离超前地质预报法

地质雷达探测的基本原理是：地质雷达发射天线在隧道掌子面上移动，利用地质雷达发射天线向掌子面前方发射高频电磁波信号，电磁波在前方围岩介质中传播，遇到异常体的时候，电磁波会发生反射和透射，然后利用雷达接收天线接收反射回来的电磁波信号，从而确定探测前方异常体的大小、方位等信息。地质雷达探测主要依靠不同介质的介电常数差异[4]。

2.4 激发极化短距离超前地质预报法

激发极化法的探测原理为：在隧道腔体上布设五圈供电电极，在掌子面上布设两排测量电极，在供电的情况下，采集测量电极间的电位差，在断电的情况下，测量电极电位差在最初的一瞬间快速下降，而后随时间缓慢下降并趋于零，通过不同介质的激电效应的差异对异常体进行探测，并通过半衰时进行对水量的预估[5]。

3 反坡排水情况下的隧道超前地质预报工程应用

3.1 TSP法的应用

2014年5月16日，在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了TSP超前地质预报。炮孔设置在隧道边墙左侧，共有24炮，实际激发21炮，炮点间距约1.5 m，传感器桩号YK13+593。本次探测范围为右洞YK13+543～YK13+403，共140 m。

探测结果如图1所示。

从探测结果中可以看到，距离传感器前方150 m～170 m，即YK13+443～YK13+423范围内，存在负反射信号，推断该区域内围岩的坚硬度降低，破碎程度加大，裂隙更为发育，可能存在充水充泥现象。

3.2 瞬变电磁法的应用

在隧道开挖至TSP探测到的负反射区域前，2014年5月30日，在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了瞬变电磁超前地质预报。本次探测掌子面里程为YK13+478，探测范围为右洞YK13+478～YK13+418，共60 m。

探测结果如图2所示。

从探测结果中可以看到，距离掌子面前方42 m～53 m，即YK13+436～YK13+425范围内，存在低阻异常，且综合TSP探测结果(YK13+443～YK13+423范围内存在负反射)，推断该区域内围岩破碎，裂隙较发育，存在充水充泥现象。

3.3 地质雷达法的应用

当隧道开挖至里程YK13+450时，掌子面开始出现局部渗水现象。2014年6月7日，在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了地质雷达超前地质预报。本次探测掌子面里程为YK13+445，探测范围为右洞YK13+445～YK13+425，共20 m。

探测结果如图3所示。

从探测结果中可以看到，距离掌子面前方8 m～19 m，即YK13+437～YK13+426范围内，存在雷达强反射信号，且综合TSP探测结果(YK13+443～YK13+423范围内存在负反射)以及瞬变电磁探测结果(YK13+436～YK13+425范围内存在低阻异常)，推断该区域内围岩破碎，裂隙较发育，富含裂隙水。

3.4 激发极化法的应用

为验证地质雷达法探测结果的正确性，2014年6月8日，在东毛高速公路六盘山隧道A4标右洞出口段进行了激发极化超前地质预报。本次探测掌子面里程为YK13+440，探测范围为右洞YK13+440～YK13+410，共30 m。

探测结果如图4所示。

从探测结果中可以看到，距离掌子面前方5 m～15 m，即YK13+435～YK13+425范围内，存在低电阻率区域，且综合TSP探测结果(YK13+443～YK13+423范围内存在负反射)，瞬变电磁探测结果(YK13+436～YK13+425范围内存在低阻异常)，以

及地质雷达探测结果(YK13+437～YK13+426范围内存在雷达强反射信号)，推断该区域内围岩破碎，裂隙较发育，富含裂隙水。

根据前期实验数据研究可知，激发极化半衰时之差数据包络线的正值部分与坐标轴之间包络面积随着水量增加而增加，且二者之间具有良好的线性关系。

其线性关系如图5所示。

探测到的激发极化半衰时之差数据如图6所示，探测结果显示，在YK13+435～YK13+425范围内围岩电阻率较低，在半衰时之差曲线图中存在正值部分，且其包络面积为90 m·s，通过前期实时监测得到涌水量数据，根据此次和前期包络面积的比值，推测此次涌水量约为30 m3/h。

4 结语

在隧道反坡排水情况下，建立一套完善的反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术体系显得至关重要。本文提出一种“由远及近”“先粗后细”反坡排水情况下的隧道超前地质预报技术，提出首先使用长距离的隧道超前地质预报手段，先粗略的探测出异常体的位置；再结合实际情况使用中距离的隧道超前地质预报手段，进一步确定异常体的位置和情况；最后在达到异常体前，使用近距离的隧道超前地质预报手段，精细化的探测出前方实际情况，并预估出前方围岩含水量，为隧道反坡排水提供排水量依据，在确保施工安全的情况下，又很好的节约了排水成本。

[1] 李术才,刘 斌,孙怀凤,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014(6):1090-1113.

[2] 吕志强.TSP在隧道超前预报中的研究与应用[D].成都：成都理工大学,2011.

[3] 孙怀凤,李术才,李 貅,等.隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究[J].岩石力学与工程学报,2011(11):2225-2233.

[4] 王振宇,程围峰,刘 越,等.基于掌子面编录和地质雷达的综合超前预报技术[J].岩石力学与工程学报,2010(S2):3549-3557.

[5] 聂利超,李术才,刘 斌,等.隧道含水构造频域激发极化法超前探测研究[J].岩土力学,2012(4):1151-1160.

The technology and application of tunnel advanced geological prediction for reverse slope drainage

Zhou Jianfang

(No.5EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,Yanzhou272117,China)

Combining with the engineering examples, the paper illustrates the four tunnel advanced geological prediction techniques, including TSP method, transient electromagnetic method, geological ground penetrating radar method, and induced polarization method, and analyzes their adoptions in the geological prediction technique in the reverse slope drainage, so as to provide some reference for the tunnel construction.

tunnel, reverse slope drainage, advanced geological prediction, application

2015-04-29

周建芳(1976- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)19-0145-03

U456.3

A