基于TSP360Pro和GPR的岩溶隧道富水段判识方法研究

作者：袁晨瀚（成都理工大学）

       随着国家基础建设尤其是交通基础建设的飞速发展,数以万里的交通隧道工程,特别是岩溶隧道工程,正在或即将在地质条件极端复杂的地质环境中兴建,由于隧道施工前难以全部查清沿线的不良地质状况,加之隧道富水区域的隐蔽性、突发性和复杂性,导致隧道在施工过程中面临着突涌水的重大风险,严重威胁着隧道建设的施工安全。

       隧道富水区域难以预测的根本原因在于,富水致灾源特征的复杂性、长距离预报系统本身的局限性和短距离预报成果的多解性。而近几年新引入我国的隧道三维地质预报系统TSP360Pro具有预报距离长、施工干扰小和预报成果极其丰富等显著特点,尤其是可以给出围岩中的应力梯度变化和含水可能性百分比;地质雷达系统GPR具有高效便捷、图像直观和施工干扰小等明显的优点,特别是对含水介质极为敏感。因此,对两种预报系统进行清晰地认识,研究隧道富水区域的预测方法,提出一种岩溶隧道富水段判识方法,并建立了其相应的判识标志,就能科学有效的预测隧道富水区域。

       本文针对岩溶隧道建设过程中围岩的富水问题,依托兴义环城高速楼纳3号隧道,采用理论分析法、地质分析法、数值分析法和参数分析法等综合分析方法,系统研究隧道富水致灾源的致灾特征和判识方法。通过揭示不同类型富水致灾源的致灾特征,通过理论方法分析TSP360Pro和GPR两种系统的数据处理,通过地质方法分析隧道的涌水原因,通过参数方法分析隧道富水区域地震波的变化特征,通过数值方法和参数方法分析隧道富水段电磁波的变化特征,开展隧道富水区域判识方法研究。基于我国初步建立的综合预报原则,提出一种岩溶隧道富水段判识方法,即岩溶隧道富水判识法,并建立了其相对应判识标志,并成功预测出贵州坪隧道的富水区域。

       具体包括:

       (1)系统整理分析了我国近年来隧道重大突涌水案例,基于岩溶发育条件,提出了岩溶隧道富水致灾源类型,并对致灾源的致灾特征进行了分析研究。

       (2)详细阐述了预报系统TSP360Pro和GPR系统的系统组成、方法原理和数据解译过程中涉及的物性参数,分析了这两种系统数据的采集过程和处理过程,提出了TSP360Pro系统一套完整的预报流程,并设计了检波器布设型式和编制了该系统数据采集野外记录表;基于含水可能性和围岩等级两个参数的变化情况,优化了GPR系统天线的布设型式;根据数据处理成果,对各项参数进行分析研究。

       (3)基于我国初步建立的综合预报原则,提出一种判识岩溶隧道富水区域的综合方法,即以地质调查法为基础,地质预报系统TSP和GPR分析法为综合方法,将其定义为岩溶隧道富水判识法,并建立了相应的判识标志。即:地震波在富水区域中传播时,形成特别明显的地震波信号的反射区域,应力梯度变化最差值在5.0左右,应力衰减程度大;含水可能性百分比不小于15%;纵波波速在2000~3200m/s之间;横波波速基本不发生变化;波速比在1.8~2.4之间;泊松比在0.35~0.5之间;杨氏模量在3.0~5.0GPa之间;危险等级为2~5。雷达波在富水区域中传播时,灰度图中会形成“白-灰-白”的形态特征,这种特征变化的连续性较好且呈不规则形态;波形图中表现为雷达波反射响应较为强烈,波形较为均一,波长较长,频率低,振幅高、宽且分布不均匀,同相轴的连续性较好和波形相干性较为均一;能量图中表现为雷达波反射能量大,能量衰减极快,损耗大,能量团分布极不均匀;频谱图中表现为雷达波信号的主频值在50MHz左右,通常高频基本消失,多以单峰为主。

       (4)将所提出的判识方法应用于贵州坪隧道的实际工程中,并成功预测出贵州坪隧道富水区域,证明了该方法的可行性和可靠性。