綜合超前地質預報法在花崗巖球狀風化體探測中的應用

朱俊 張志強

【摘要】球狀風化體是花崗巖地層中十分常見和突出的不良地質體，是由于花崗巖長期受不均勻風化作用所致。球狀風化體的存在，直接影響隧道施工的安全性、高效性和經濟性，準確地探明球狀風化體分布情況是花崗巖地層中隧道工程面臨的難題。文章介紹利用工程地質調查法確定球狀風化體地表分布密集段，通過地質探地雷達法和地震反射波預報法雙重物探手段揭示球狀風化體密集段的風化界面，最后采用超前水平鉆探法對掌子面前方球狀風化體進行精確定位。結果顯示，綜合超前地質預報法能有效揭示球狀風化體的空間分布，可較好地解決花崗巖地層中地質勘察難題，能為后續隧道施工提供科學依據。

【關鍵詞】球狀風化體; 綜合超前地質預報法; 工程地質調查法; 物探法; 鉆探法

【中國分類號】U456.3+3【文獻標志碼】A

我國華東、華南地區分布著十分廣泛的花崗巖地層。受地質構造作用，花崗巖中節理裂隙發育，導致巖體破碎、抗風化能力減弱，節理裂隙處花崗巖受風化作用更為顯著，隨著風化程度加劇，裂隙處花崗巖長石、黑云母等全風化形成殘積土，而石英不易風化而逐漸形成球狀風化殘留核，俗稱“孤石”[1]。球狀風化體是花崗巖地層中發育和突出的不良地質體。

球狀風化體分布離散性大，大小、形狀都具有隨機性，且強度一般在100 MPa以上，與周圍巖土體存在較大差異，破壞了花崗巖風化剖面的相對均勻性。未探明的孤石對隧道工程施工帶來重大安全隱患，輕則損壞機械設備，重則造成地表坍塌或支護結構變形。

花崗巖球狀風化體的產生和分布具有相當的不確定性，難以準確定位，為減少其對隧道工程施工的風險，迫切需要一種快速、準確的探測、定位方法。

近年來，在國內已有的球狀風化體探測[2-6]工程案例中，主要采用鉆探法和物探法的手段。鉆探法能準確揭示球狀風化體在鉆孔經過處的高度和特征，但探測范圍十分有限。物探法可以從宏觀的角度得到球狀風化體的空間分布情況，應用十分廣泛;目前針對花崗巖地層中球狀風化體探測的物探法多種多樣，由于每類探測方法是以地質介質的某一性質（如彈性性質、導電性質、導熱性質等[7]）差異為物理基礎的，每類技術有各自的適用范圍、敏感特性和優缺點，因此采用單一的物探法往往具有一定的局限性。

鑒于此，本文提出采用“工程地質調查法+地質探地雷達法+地震反射波預報法+超前水平鉆探法”相結合的綜合超前地質預報方法對花崗巖球狀風化體進行探測，并成功應用于廣東汕湛高速公路汕頭至揭西段橫山隧道，取得了良好的效果，該方法能夠為超前地質預報的發展及球狀風化體探測的工程應用提供科學合理的指導。

1 工程簡介

橫山隧道位于汕頭市潮陽區河溪鎮華陽上坑村附近，該隧道為一座分離式雙洞長隧道，分左、右線呈直線型展布，總體軸線方向為南東約105 °。左線隧道起訖樁號為LK17+957～LK19+418，長度為1 461 m;橫山右線隧道起訖樁號為K17+959～K19+409，長度為1 450 m。橫山隧道穿過丘陵地貌區，地形起伏大，山體植被茂密。隧址區地層巖性主要為第四系坡殘積砂質黏性土（Q4dl+el）及燕山期花崗巖（γ52）及花崗閃長巖（δ），少量輝長巖（ω）。從隧道線路平面上來看，隧道左線洞口LK18+000至里程LK18+160段，地表球狀風化體分布密集，大小不一，形狀各異，直徑從幾厘米至十幾米皆存在，但球狀風化體直徑大多數在2～5 m之間，多分布于坡體兩側，堆積于坡腳處;里程LK18+160之后的地段，地表球狀風化體分布不集中，較為分散。

2 綜合超前地質預報方案

在橫山隧道中，采用工程地質調查法、地質探地雷達法、地震反射波預報法和鉆探法相結合的方法進行球狀風化體探測，即首先對球狀風化體所在區域進行詳細的工程地質調查，對球狀風化體可能發育的區域進行預判，以指導物探和鉆探工作區域的選取;然后采用地質探地雷達法和地震反射波預報法從宏觀層面上對球狀風化體的風化界面進行揭示，為鉆探布置深度提供指導;最后采用鉆探法對局部地段球狀風化體的發育情況、賦存特征、地質特征進行詳細的揭示。

3 預報結果分析

3.1 工程地質調查法分析

在工程地質調查工作中，沿橫山隧道左線線路兩側，對距左線300 m范圍內出露球狀風化體的位置、大小、風化程度等特征進行記錄和匯總分析。球狀風化體的地表分布特征如下所述：

（1）從隧道線路平面上來看，隧道左線洞口LK18+000至里程LK18+160段，地表球狀風化體分布密集，多分布于坡體兩側，堆積于坡腳處;里程LK18+160之后的地段，地表球狀風化體分布不集中，較為分散。

（2）從地表球狀風化體形態來看，球狀風化體往往具有近似橢球形外觀，兩頭豎向高度較小，往中部發展豎向高度變大。球狀風化體在風化層中賦存時，其長軸面并不都是水平的，有時呈傾斜分布。球狀風化體的大小隨著風化程度的增強而減小，而數量卻隨著風化程度的增強而增加。在球狀風化體群中，大、小直徑球狀風化體并行出現，說明球狀風化體的大小受到局部巖性條件和地質條件等因素的影響。

綜合來看，地表球狀風化體主要出露于LK18+000～LK18+160段，該里程段為球狀風化體高風險區域。因此，在采用地質探地雷達法和地震反射波預報法進行隧道內球狀風化體探測的過程中，應對該段進行詳細地探測。

3.2 地質探地雷達法分析

選取橫山隧道地質探地雷達超前預報的LK18+043～LK18+066段節理裂隙密集帶預報成果，通過將超前預報結論與實際開挖結果進行對比分析，探尋解譯圖像的規律性（圖1、圖2）。

如圖1、圖2所示，地質探地雷達探測掌子面里程號為LK18+043，掌子面前方5～7 m處出現強反射界面，同相軸錯斷，表明該處存在擠壓破碎帶;掌子面前方8～14 m處出現兩條節理密集發育帶，追蹤同相軸顯示節理密集帶貫穿整個掌子面，判斷該洞段巖體破碎，節理裂隙十分發育，圍巖穩定性差，洞段右側球狀風化體分布密集，洞段左側球狀風化體分布范圍較小，大塊球狀風化體與小塊球狀風化體相間分布;掌子面前方19～22 m洞段雷達反射波雜亂，表明該段巖體節理裂隙較發育，圍巖穩定性較差。

3.3 隧道地震反射波預報法分析

采用隧道地震反射波預報法進行球狀風化體探測中，選取橫山隧道左線LK18+000～LK18+228段作為球狀風化體探測段，每80 m探測一次，使用的儀器為TGP12隧道地質超前預報系統。部分成果如圖3所示。

綜合分析隧道左、右壁原始記錄，分離后的縱橫波（P、SH、SV）記錄，以及P波、SH波、SV波的相關偏移歸位剖面圖得知：檢測段圍巖在橫山隧道左線LK18+000～LK18+228段，縱波（Vp）速度為3 500 m/s;橫波（Vs）速度為1 640 m/s;動泊松比為0.359;巖體動彈性模量為16 082 MPa;巖體動剪性模量為5 917 MPa;巖體密度取22 kN/m3。預報解譯成果如表1所示。

4.4 超前水平鉆探法分析

根據工程地質調查法與兩種物探法探測結果，選取LK18+030～LK18+060段作為超前水平鉆探探測段。圍巖為強風化花崗巖、閃長巖，局部含球狀風化體。沖擊鉆探1#鉆孔與2#鉆孔分別位于掌子面開挖方向上隧道中線的左、右兩側，呈對稱布置，設計1#鉆孔、2#鉆孔分別鉆進30 m，如圖4所示。

部分鉆進深度各參數曲線圖如圖5所示。

根據橫山隧道1#鉆孔和2#鉆孔各鉆進工作參數隨鉆進深度變化曲線圖以及相應的表格觀察記錄，進行鉆進區段內的地質解譯，預測掌子面前方圍巖地質狀況、球狀風化體發育及分布情況。結果表明：1 #鉆孔鉆進深度2.2～3.2 m、15.0～17.2 m、24.0～28.0 m之間，各鉆進參數值均發生了較大的變動;2 #鉆孔鉆進深度2.5～3.0 m、8.0～9.0 m、13.0～14.0 m、21.5～22.0 m、23.0～24.0 m之間，各鉆進參數值均發生了較大的變動。

5 結論

以“工程地質調查法+地質探地雷達法+地震反射波預報法+超前水平鉆探法”相結合的綜合超前地質預報方法成功應用于橫山隧道工程中，能夠更為有效地探測出花崗巖球狀風化體的空間分布情況，彌補了單一球狀風化體探測方法的局限性和不足之處。該方法為隧道工程設計和施工提供了準確、可靠的地質資料，能夠為超前地質預報的發展及球狀風化體探測的工程應用提供科學合理的指導。具體結論如下：

（1）采用工程地質調查法、物探法和鉆探法相結合的綜合超前地質預報法，對球狀風化體的探測取得很好的效果。工程地質調查法可以對球狀風化體可能發育的區域進行預判，指導物探和鉆探工作區域的選取;物探可以在宏觀層面上對花崗巖的風化界面進行揭示，并為鉆探布置深度提供指導;鉆探可直觀地揭露地層，對球狀風化體進行采樣，是最為精準的點位探測方法。

（2）通過工程地質調查法發現，橫山隧道左線地表球狀風化體主要出露于LK18+000～LK18+160段，多分布于坡體兩側，堆積于坡腳處，在采用物探法進行隧道內球狀風化體探測的過程中，應對該段進行詳細地探測。

（3）采用地質探地雷達法進行球狀風化體探測，發現LK18+043～LK18+066段和LK18+112～LK18+147段為節理裂隙帶。建議對掌子面里程號為LK18+043前方5～7 m處、前方8～14 m處、前方19～22 m洞段采取適當的措施，實行“短進尺、弱爆破、強支護”施工。后經開挖，該洞段巖體質量比探測掌子面更差，從探測掌子面前方6 m開始，巖體受節理密集帶切割，更加破碎，巖體嵌合度松弛，圍巖自穩能力差，有掉塊現象，如不提前采取措施，易發生坍塌。

（4）采用地震反射波預報法進行球狀風化體探測，發現隧道內球狀風化體多集中于LK18+000～LK18+060段，該段橫波反射較強，巖體破碎，節理裂隙發育，與地質探地雷達法所探測結果一致。

（5）采用超前水平鉆探法對局部地段進行球狀風化體探測，發現在掌子面前方存在風化界面及破碎帶時，扭矩、推進壓力及轉速值會有較大波動;若巖體完整性較差或存在球狀風化體，會導致部分鉆進速度的突變。

參考文獻

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