超前地質(zhì)預(yù)報在水工隧道施工中研究和應(yīng)用

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

推廣應(yīng)用

超前地質(zhì)預(yù)報在水工隧道施工中研究和應(yīng)用

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

在水工隧洞施工中，隧洞的地質(zhì)條件包括圍巖類型、地下水分布是影響隧洞順利施工的重要條件，前期設(shè)計(jì)工作的不足很大程度上導(dǎo)致在實(shí)際施工中發(fā)生工程問題，比如塌方、涌水、突涌泥等地質(zhì)災(zāi)害，制約工期的同時 對人員設(shè)備造成極大的安全危害。現(xiàn)目前國內(nèi)工程地質(zhì)勘探常采用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，方法眾多特點(diǎn)不一。文章結(jié)合工程實(shí)例，基于國內(nèi)外較為先進(jìn)應(yīng)用廣泛的幾種超前預(yù)報技術(shù)的綜合應(yīng)用，最大程度上放映隧洞掌子面前方的地質(zhì)情況，據(jù)實(shí)測結(jié)果和檢測結(jié)果的分析對比研究更好的指導(dǎo)工程施工。

地質(zhì)；超前預(yù)報；隧道；施工；技術(shù)

1 超前地質(zhì)預(yù)報的必要性

有關(guān)水工隧洞的地質(zhì)狀況分析一般采用的方法：地面勘探、取樣調(diào)查、鉆孔測量和地球物理勘探。受制于當(dāng)前國內(nèi)地質(zhì)勘探技術(shù)，加之工程地質(zhì)的復(fù)雜性和水文地質(zhì)的多變性，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行隧洞圍巖類型和周圍不良地質(zhì)的分布狀態(tài)是有極大難度的。而因?yàn)樗矶词┕で胺降刭|(zhì)的未知(軟弱夾層、斷層破碎帶、暗河、溶洞)，常常會導(dǎo)致現(xiàn)場施工的中斷，影響施工工期，擴(kuò)大工程投資，同時引發(fā)工程問題(塌方、涌水、突涌泥等)，嚴(yán)重的將會帶來工程事故。

超前地質(zhì)預(yù)報是在現(xiàn)有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的測量儀器，分析匯總出近似準(zhǔn)確的預(yù)報施工前方圍巖強(qiáng)度以及地質(zhì)狀況。由于地下洞室施工的客觀條件決定，一定程度上很難做到地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性和精確性。故采用先進(jìn)科學(xué)的隧洞超前地質(zhì)預(yù)報是十分必要的，對于隧洞掌子面前方的地質(zhì)類型的準(zhǔn)確掌握，包括通常的地質(zhì)構(gòu)造，隧洞前進(jìn)方向的圍巖類別和結(jié)構(gòu)面分布情況。尤其是地下水分布狀況、斷層破碎帶、溶洞的預(yù)報至關(guān)重要，對整個工程有非常重要的價值意義[1]。現(xiàn)目前，準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報一直都是國內(nèi)外隧洞施工研究中的重點(diǎn)領(lǐng)域，因此在隧洞施工期做圍巖超前地質(zhì)預(yù)報是十分必要的。

2 國內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的現(xiàn)狀

目前在國內(nèi)，隧洞超前地質(zhì)預(yù)報方法還是比較傳統(tǒng)的，歸納為：地質(zhì)雷達(dá)法、取芯鉆探法和沖擊鉆探法，預(yù)報距離一般在掌子面前方20-50m區(qū)間，預(yù)報時測量儀器安置在掌子面處，并留出空間布設(shè)儀器，對施工干擾大，施工進(jìn)度直接受到影響。近些年，瑞士安伯格公司研發(fā)的TSP202、203系統(tǒng)在國內(nèi)外眾多大型水利工程的廣泛應(yīng)用，在實(shí)際中不斷改良，效果突出，但和工程實(shí)測數(shù)據(jù)相比系統(tǒng)仍存在一定的不足。

現(xiàn)目前國內(nèi)水工隧洞對于超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)也有一定的掌握，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和技術(shù)成熟度還有待于進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)很大程度上難以準(zhǔn)確預(yù)報隧洞前方圍巖狀況、地下水分布狀況等。經(jīng)過國內(nèi)多家科研院所和企業(yè)的深度合作與研究，現(xiàn)定義為綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，這種預(yù)報技術(shù)原理上是結(jié)合了世界上經(jīng)應(yīng)用廣泛、技術(shù)論證結(jié)果明顯的幾種地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)，如TSP203、HSP、CSAMT，結(jié)合起來一種綜合預(yù)報技術(shù)。在工程實(shí)際施工中，據(jù)掌子面狀況及對前方圍巖類型的預(yù)判情況，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)針對性的選擇一種或幾種，做到相互論證又相互補(bǔ)充，這樣能夠保證最大限度反應(yīng)超前預(yù)報的準(zhǔn)確性，減小工程風(fēng)險的同時能夠更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)主要工作原理及應(yīng)用

3.1 TSP203地質(zhì)超前預(yù)報統(tǒng)

TSP203[2]地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)原理上是地震反射法，特點(diǎn)具有高分辨率的多波多分量，一般采用微量炸藥激發(fā)出的地震波為介質(zhì)，在離隧洞掌子面不遠(yuǎn)處的邊墻位置。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ跀鄬印④浫鯅A層等巖性變化時出現(xiàn)波阻抗差異界面，此時將一部分反射波信號反射回來，另一部分繼續(xù)向前方介質(zhì)傳播。被反射的這部分信號被TSP203上的高敏感度檢波器接收并作為數(shù)據(jù)存儲起來。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件的分析處理，然后進(jìn)行解譯，最終通過解譯結(jié)果可準(zhǔn)確預(yù)測隧洞掌子面前方地質(zhì)體狀況。

TSP203的應(yīng)用特點(diǎn)：①超前地質(zhì)預(yù)報距離適中，在70-260m范圍區(qū)間預(yù)報較為準(zhǔn)確，在鉆爆法施工中適應(yīng)性較高；②測量和數(shù)據(jù)處理耗時短，施工干擾小，耗費(fèi)市場一般測量1-2h，數(shù)據(jù)處理時長2-5h；③儀器安置及探測不直接接觸工作面，在隧洞施工中適應(yīng)性強(qiáng)；④探測范圍廣泛，對于各種不良地質(zhì)探測效果較好，如斷層、節(jié)理發(fā)育地帶、溶洞等。解譯出的結(jié)果包括巖石強(qiáng)度、容重、泊松比、波速、彈性模量等參數(shù)。

3.2 HSP聲波反射法

HSP聲波反射法是基于水平聲波剖面法的原理上，并對之改良的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)成果，其工作原理是聲波在兩種不同固體介質(zhì)中傳播時，聲波會產(chǎn)生反射和折射，進(jìn)行波形之間的轉(zhuǎn)換。縱波在介質(zhì)中傳播時將產(chǎn)生兩個反射波和兩個折射波。當(dāng)聲波傳播至不良地質(zhì)處，會產(chǎn)生由高阻抗介質(zhì)到低阻抗介質(zhì)的變化情況，據(jù)這種特性阻抗比值可解譯出聲壓與聲強(qiáng)的透射系數(shù)。故通過解譯反射波信號，可以對掌子面前方的地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報。

HSP的應(yīng)用范圍范疇屬中距離預(yù)報，其特點(diǎn)：①一般探測距離在40-90m，平均距離為60m，但據(jù)現(xiàn)場工作面實(shí)際情況會作出部分修正調(diào)整；②數(shù)據(jù)采集和解譯耗時短，對施工形成一定干擾，平均占用施工時間3h左右；③聲波的產(chǎn)生無需爆破，節(jié)省資源；④經(jīng)過與實(shí)際對比和論證HSP的預(yù)報準(zhǔn)確率較高，保持在70%。

3.3 CSAMT探測原理

CSAMT探測原理是基于電磁波傳播和麥克斯韋方程組，推導(dǎo)出的水平電偶極源的電磁場公式，現(xiàn)目前此項(xiàng)技術(shù)已較為成熟，制造出的的測量儀器系統(tǒng)首先在野外工作進(jìn)行測試并獲得了工程經(jīng)驗(yàn)，但普遍在國外得到應(yīng)用，近些年在國內(nèi)的一些工程也得到應(yīng)用。

CSAMT應(yīng)用特點(diǎn)：①抗干擾能力強(qiáng)，因其使用人工場源，信號強(qiáng)度可人為控制；②可減少外來因素如地形地貌的干擾，測量參數(shù)為電磁場之比，得出卡尼亞電阻率；③發(fā)射1次電磁場可完成若干點(diǎn)的電磁測深，改變頻率所測深度不同，有效提高效率并降低工作強(qiáng)度；④探測范圍大，距離一般在1.5km左右；⑤橫向分辨率高，對于不良地質(zhì)反應(yīng)明顯；⑥探測與數(shù)據(jù)處理時間長，結(jié)果分析花費(fèi)大量時間。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

該工程位于青海省境內(nèi)，是省內(nèi)跨流域引水工程的引水隧洞，全長5.62km，該隧洞斷面形式為城門洞型，工程設(shè)計(jì)斷面尺寸為7.6m×6.8m，襯砌厚度40cm[3]，施工單位為水電四局。隧洞斷面設(shè)計(jì)形式如圖1所示。

圖1 隧洞斷面設(shè)計(jì)圖

4.2 地質(zhì)情況和探測目的

本隧洞的地質(zhì)構(gòu)造主要形跡是燕山運(yùn)動形式的地質(zhì)格局，土層巖性以斷層和褶皺居多。依據(jù)前期的地質(zhì)勘察、物探法和鉆探法的設(shè)計(jì)勘察發(fā)現(xiàn)，該地形地貌的底層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，局部的巖體裂隙發(fā)育，巖石巖性較為單一包括花崗巖、閃長巖，片麻巖等。施工前期，結(jié)合隧洞現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)圍巖類型近似于工程地質(zhì)報告所述，圍巖分布松散破碎，斷層破碎帶大量存在，隧洞局部區(qū)域有明顯滲水，且滲水量隨季節(jié)變化突出，夏天出水量明顯增加。

巖土物理力學(xué)指標(biāo)[4]如表1所示。

表1 隧洞巖土物理力學(xué)指標(biāo)

4.3 TSP地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果

文章以隧洞左側(cè)邊墻的超前地質(zhì)預(yù)報為例進(jìn)行說明，首先同步將信號接收器孔和炮孔設(shè)置在掌子面50m處，炮點(diǎn)單排設(shè)15個，炮孔深和炮點(diǎn)間距均為1.5m，然后先行放置接收器套管，并將把接收器安設(shè)在套管內(nèi)，信號接收線兩端分別連接接收器和記錄單元。完成上述工作后，開啟記錄單元并設(shè)置參數(shù)(分X-Y-Z三向接收)，制作炸藥并安設(shè)于指定位置，封堵炮孔，引爆炸藥后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[5]。TSP工作原理見圖2。

對TSP深度偏移剖面圖及2D成果圖進(jìn)行翻譯，成果見圖3和圖4,并將計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程圍巖情況對比分析見表2。

圖2 TSP探測原理圖

圖3 波深度偏移位移

圖4 R2傳感器2D成果圖

內(nèi)容實(shí)際情況TSP-203探測結(jié)果里程寬度里程寬度原設(shè)計(jì)方案F4DK176+107-+1103DK176+110-+1082新發(fā)現(xiàn)斷層F新1DK176+022-+0275DK176+022-+0275F新2DK175+840-+8355DK175+839-+8345F新5DK175+835-+82015DK175+831-+82011f5DK175+813-+8094DK175+813-+8094F新6DK175+798-+78810DK175+799-+78910F新7DK175+785-+7769DK175+785-+7778F新8DK175+674-+6695DK175+675-+6705f6DK175+650-+64610DK175+650-+6455地層邊界DK175+814-+648166DK175+817-+648169富水砂巖砂1DK175+821-+8192DK175+822-+8193砂2DK175+811-+8092DK175+811-+8092砂3DK175+802-+8011DK175+802-+8011

對比某水電站下游導(dǎo)流洞的TSP203探測結(jié)果與工程實(shí)測，對TSP203的預(yù)報準(zhǔn)確進(jìn)行進(jìn)一步說明。

表3 某水電站下游導(dǎo)流洞TSP-203探測結(jié)果與實(shí)際對比

從上述成果對比分析得出，TSP超前預(yù)報技術(shù)與工程實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，對掌子面前方的圍巖地質(zhì)狀況均能較好反應(yīng)，同時通過對比發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論：該技術(shù)的適用面范圍，對于任何圍巖類型的判斷基本準(zhǔn)確，無論是軟巖或是硬巖；預(yù)報距離長，考慮外界的干擾影響基本能達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報工作面100-350m；施工干擾小，預(yù)報時只需要在接受信號階段暫停施工；測量耗時小，測量中耗時≤1h，測量前后的準(zhǔn)備和系統(tǒng)清除耗時≤4h，測量與工程施工的同步性較好；減少工程造價，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)分析，TSP法在水工隧洞中的成功應(yīng)用將節(jié)省工程投資15%左右；成果匯總與提交及時，一般在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后的第2天即可提交正式資料。

不同力學(xué)性質(zhì)的斷層其圍巖穩(wěn)定性也不同，基于構(gòu)造體系的機(jī)理，結(jié)合TSP的探測成果，較為準(zhǔn)確的預(yù)報出斷層走向，破碎帶的圍巖級別，預(yù)測塌方的可能性，有效的預(yù)防施工中地質(zhì)條件不同帶來的工程安全和經(jīng)濟(jì)問題，對工程施工具有很大的指導(dǎo)意義。

5 總 結(jié)

隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的逐步建設(shè)，在工程的各個領(lǐng)域如公路、鐵路、水利等，大型地下洞室的設(shè)計(jì)與施工將廣泛采用。綜合性超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)通過在水工隧道施工中的應(yīng)用研究，能夠有效的規(guī)避工程上的地質(zhì)風(fēng)險，同時避免了因前方工程地質(zhì)狀況不明造成的經(jīng)濟(jì)損失，很大程度上保障了施工的安全性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和工程總體經(jīng)濟(jì)效益。綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的廣泛成功應(yīng)用可為國內(nèi)眾多地下洞室的在預(yù)報領(lǐng)域下的指導(dǎo)施工提供參考價值。

[1]宋先海.我國隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)述評[J].地球物理學(xué)展，2006,21(02):605-613.

[2]趙永貴.國內(nèi)外隧道超前預(yù)報技術(shù)評析與推介[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007,22(04):1344-1352.

[3]李術(shù)才.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014,33(06):1090-1113.

[4]陳建峰.隧洞施工地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)比較[J].地下空間，2003,23(01)：5-8.

[5]丁恩保，凌榮華，馬繼平.隧洞地質(zhì)預(yù)報方法探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報，1995(01)：7.

ResearchandApplicationofGeologicalPredictioninHydraulicTunnelConstruction

LIUShu-hui

(QiqihaerUrbanWaterConservancyInvestigation,DesignandResearchInstitute,Qiqihaer161006,China)

The geological conditions of tunnels are composed of coffer rock type and groundwater distribution for the tunnel construction, also the important conditions of effecting smooth construction of the tunnels. Lack of previous design works will cause greatly the project problems in the construction site, as the geological disasters of collapse, surging, sudden boiling of sediment, limiting the construction period, meanwhile, endangering the safety of staff and equipment. At present, there are many ways for the geological prediction technology always to be adopted with various characters in domestic project geological investigation. In combination with the project cases, based on several advanced prediction technologies applied widely at home and abroad, the geological conditions ahead of the heading face is reflected to the most maximum extend in this paper, which may guide better the engineering construction according to comparison and analysis for the observed results and inspected results.

geology; prediction; tunnel; construction; technology

1007-7596(2017)07-0129-05

2017-06-26

劉殊慧(1965-)，女，山東肥城人，工程師，從事水利工程地質(zhì)勘查工作。

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