郑万铁路岩溶隧道突水防治研究成果

1.2.3.1　岩溶突水预测与监测理论研究

早在20世纪初国外就率先开展了突水预测的研究工作。我国在20世纪中期才引入苏联的斯列萨烈夫理论进行煤矿突水预测，起步相对较晚。随着我国煤矿突水灾害事故的日益严重，20世纪60年代我国学者在总结大量突水案例的基础上，提出了“突水系数”的概念，并推广到煤矿应用。20世纪70年代，煤科总院西安分院对突水系数公式进行了进一步完善，将矿压对底板的破坏作用考虑进去[39]。随着非线性科学的迅速发展，20世纪80年代，突水预测与监测研究领域迎来了崭新的一页，包括统计学、神经网络、模糊数学以及GIS技术等在内的先进理论得到广泛应用[40-44]。80年代中后期，中国矿业大学在国内率先开展了基于GIS和多源信息复合叠加处理方法的矿井突水评价与预测研究，随后武强在此基础上发展了三图-双预测法等方法[45]。目前应用较多的突水预测方法主要包括条件分析法和模型拟合法两种，前者侧重于定性分析，依据水文地质条件分析突水的可能性，后者则在不同程度上具有定量的特点，可预测整个区域存在的突水点。在突水水源识别与判别中，多元统计分析方法、模糊聚类分析方法、灰色系统理论等已应用至工程实践，并取得了良好的效果。

1.2.3.2　岩溶突水探测与治理方法研究

岩溶突水防治研究最早起始于煤矿行业，国外很早就对煤矿超前探测技术开展了大量研究，诸如美国斯坦福大学等广泛利用地理信息系统进行矿井突水的诊断和预测。近年来，国外研制开发了大量应用于煤矿、隧道等地下工程的物化探测仪器设备，如美国、瑞士等国家研究和开发的TSP、地质雷达等探测技术和设备，匈牙利等国研究和开发的脉冲干扰试验和钻孔试验技术，澳大利亚研究和开发的单孔多含水层综合水文地质参数测试技术，等等，在很大程度上促进了突水防治技术的发展[46-50]。(www.xing528.com)

目前，国内主要应用物探、化探技术，如槽波地震、地质雷达、井下电法以及连通性试验、同位素测试等方法发现“地质异常体”，辨别地下水通道和水源性质。对岩溶水的识别则主要依靠抗地干扰的瞬变电磁仪、三维高分辨率地震勘探仪、综合物探和超前钻探法等综合方法进行探测，并取得了不错的效果。在隧道地质超前探测方面，我国的相关研究具有鲜明的特色[51-54]。国内从20世纪50年代开始，先后采用超前地质导坑、水平钻探等方法进行地质预报，但存在预报距离短、操作不便等问题。

20世纪80年代初，我国首先提出用物探手段对隧道进行超前预报，并在大瑶山隧道首次开展试验。近些年来，许多大专院校、科研院所和工程单位应用TSP202、TSP203、地质雷达和陆地声呐等设备结合工程地质法对国内的圆梁山隧道、齐岳山隧道、乌池坝隧道、龙潭隧道以及宜万铁路等多处隧道进行了超前预报工作，以此来分析突水通道的存在形式和潜在风险。对岩体含水情况的探测则主要采用水文地质法、地质雷达技术和瞬变电磁法等等。其中，水文地质法从地质角度分析研究岩溶地下水的储水、径流通道，认为向斜盆地、背斜轴部、断层破碎带、地层不整合面以及已发育岩溶管道等地质条件下易涌水[55]。地质雷达对水比较敏感，是目前预报隧道掌子面前方水体的较好办法，但其探查距离短（＜30m），数据处理和资料解释难点较多，且容易受隧道内金属物的干扰而影响探测精度[56]。红外线技术是一种辅助探水方法，可探测15 m范围内的含水体，但由于掌子面温度的干扰因素太多，探测效果不甚理想。瞬变电磁法是远距离探水的有效手段，适用在狭小的掌子面上探测前方40～60 m范围，但该方法目前处于试验研究阶段，在理论实践、技术方法以及资料处理软件等方面还需进一步的完善[57]。激发激化法是探测富水区的有效工具，多用于地面探水，应用到地下则难以确定三维空间水体的确切位置，并且岩溶地区隧道自然电场很难稳定下来，甚至会出现一些周期性变化的自然电场，给预报精度带来一些误差。此外，还有电磁成像法、高速钻孔法等。但由于岩溶发育的复杂性，近年来综合探测法逐渐成为一种趋势，即根据隧道水文地质环境、地形地貌特征和岩溶发育特征等因素而采取多种方法结合对隧道施工前方水体进行探测的方法，在应用上讲究因地制宜、详尽地做好地质工作，避免多种物探手段的盲目叠加和交叉使用。