基于TSP360Pro和GPR的巖溶隧道富水段判識方法研究

作者：袁晨瀚（成都理工大學）

       隨著國家基礎建設尤其是交通基礎建設的飛速發展,數以萬里的交通隧道工程,特別是巖溶隧道工程,正在或即將在地質條件極端復雜的地質環境中興建,由于隧道施工前難以全部查清沿線的不良地質狀況,加之隧道富水區域的隱蔽性、突發性和復雜性,導致隧道在施工過程中面臨著突涌水的重大風險,嚴重威脅著隧道建設的施工安全。

       隧道富水區域難以預測的根本原因在于,富水致災源特征的復雜性、長距離預報系統本身的局限性和短距離預報成果的多解性。而近幾年新引入我國的隧道三維地質預報系統TSP360Pro具有預報距離長、施工干擾小和預報成果極其豐富等顯著特點,尤其是可以給出圍巖中的應力梯度變化和含水可能性百分比;地質雷達系統GPR具有高效便捷、圖像直觀和施工干擾小等明顯的優點,特別是對含水介質極為敏感。因此,對兩種預報系統進行清晰地認識,研究隧道富水區域的預測方法,提出一種巖溶隧道富水段判識方法,并建立了其相應的判識標志,就能科學有效的預測隧道富水區域。

       本文針對巖溶隧道建設過程中圍巖的富水問題,依托興義環城高速樓納3號隧道,采用理論分析法、地質分析法、數值分析法和參數分析法等綜合分析方法,系統研究隧道富水致災源的致災特征和判識方法。通過揭示不同類型富水致災源的致災特征,通過理論方法分析TSP360Pro和GPR兩種系統的數據處理,通過地質方法分析隧道的涌水原因,通過參數方法分析隧道富水區域地震波的變化特征,通過數值方法和參數方法分析隧道富水段電磁波的變化特征,開展隧道富水區域判識方法研究?；谖覈醪浇⒌木C合預報原則,提出一種巖溶隧道富水段判識方法,即巖溶隧道富水判識法,并建立了其相對應判識標志,并成功預測出貴州坪隧道的富水區域。

       具體包括:

       (1)系統整理分析了我國近年來隧道重大突涌水案例,基于巖溶發育條件,提出了巖溶隧道富水致災源類型,并對致災源的致災特征進行了分析研究。

       (2)詳細闡述了預報系統TSP360Pro和GPR系統的系統組成、方法原理和數據解譯過程中涉及的物性參數,分析了這兩種系統數據的采集過程和處理過程,提出了TSP360Pro系統一套完整的預報流程,并設計了檢波器布設型式和編制了該系統數據采集野外記錄表;基于含水可能性和圍巖等級兩個參數的變化情況,優化了GPR系統天線的布設型式;根據數據處理成果,對各項參數進行分析研究。

       (3)基于我國初步建立的綜合預報原則,提出一種判識巖溶隧道富水區域的綜合方法,即以地質調查法為基礎,地質預報系統TSP和GPR分析法為綜合方法,將其定義為巖溶隧道富水判識法,并建立了相應的判識標志。即:地震波在富水區域中傳播時,形成特別明顯的地震波信號的反射區域,應力梯度變化最差值在5.0左右,應力衰減程度大;含水可能性百分比不小于15%;縱波波速在2000~3200m/s之間;橫波波速基本不發生變化;波速比在1.8~2.4之間;泊松比在0.35~0.5之間;楊氏模量在3.0~5.0GPa之間;危險等級為2~5。雷達波在富水區域中傳播時,灰度圖中會形成“白-灰-白”的形態特征,這種特征變化的連續性較好且呈不規則形態;波形圖中表現為雷達波反射響應較為強烈,波形較為均一,波長較長,頻率低,振幅高、寬且分布不均勻,同相軸的連續性較好和波形相干性較為均一;能量圖中表現為雷達波反射能量大,能量衰減極快,損耗大,能量團分布極不均勻;頻譜圖中表現為雷達波信號的主頻值在50MHz左右,通常高頻基本消失,多以單峰為主。

       (4)將所提出的判識方法應用于貴州坪隧道的實際工程中,并成功預測出貴州坪隧道富水區域,證明了該方法的可行性和可靠性。