基于超前地質預報的丁寨防洪排澇隧洞爆破施工方案研究*

李建林，項海玲，黃正東，吳 亮

(1.湖北水總水利水電建設股份有限公司，武漢 430056；2.武漢科技大學 理學院 湖北省智能爆破技術研究中心，武漢 430065)

水利水電、交通、市政等工程建設過程中廣泛涉及到隧洞施工。而鉆孔爆破因具有經濟、高效、快速的優勢而被廣泛應用于隧洞工程建設中。隧洞爆破開挖過程中，巖體內巖溶、斷層、軟弱夾層、破碎帶等不良地質體的存在不但會顯著影響爆破效果，導致嚴重的超欠挖[1]，還可能誘發地質災害[2-4]，嚴重時還會誘發安全事故，對項目的進度、成本、安全控制產生十分不利的影響[5]。因此在隧道施工時若可能存在不良地質體，往往需要開展超前地質預報工作，為提前采取防范措施和及時調整爆破施工方案提供依據，確保隧道安全、高效施工。

目前超前地質預報方法已經普遍應用于隧道工程不良地質體探測工作中[6,7]，且已經從單一的方法，如地質調查法、超前鉆探法、物理探測法等逐漸向綜合探測的方法轉變[8-10]。但大部分都只是預報了不良地質體發育范圍和程度，進一步地，也有將超前地質預報方法與隧道掘進機(TBM)施工方法相結合進行隧道開挖的研究[11,12]，但較少有將超前地質預報方法與鉆爆法施工方法相結合并應用于隧道開挖中，即根據超前地質預報結果優化爆破施工方案。依托咸豐縣新城區丁寨防洪排澇隧洞工程，針對復雜地質條件下的隧洞爆破開挖，提出了集掌子面出露巖體分析、超前地質預報、超前支護、優化爆破施工方案等于一體的成套隧洞爆破施工技術，施工現場應用基于超前地質預報的隧洞爆破施工技術后，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，并有效防范了嚴重的工程地質災害。

1 丁寨防洪排澇隧洞工程概況

丁寨防洪排澇隧洞屬于咸豐縣新城區丁寨防洪排澇工程項目的關鍵部分，防洪排澇隧洞工程進口位于丁寨鄉天星孔，線路經S232省道在72 km附近，穿039鄉道東側山體，出口位于斷明峽丁寨水電站右岸。隧洞全長4.57 km，斷面尺寸為9 m×12 m，進口底板設計高程729 m，出口底板設計高程548 m，坡比1∶75至1∶16。巖性為以灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖、白云巖為主，局部夾少量頁巖、硅質頁巖、炭質頁巖及煤層。巖溶形態發育較為齊全，主要巖溶形態類型有石峰(丘)、石牙、溶蝕洼地、溶溝、溶槽、漏斗等地表巖溶形態以及溶縫、落水洞、溶洞、天窗、地下管道系統、排泄泉及地下暗河等地下埋藏型巖溶現象。丁寨防洪排澇隧洞線路穿越巖溶發育區，尤其是發育的天星孔地下暗河系統對防洪排澇隧洞影響較大。

丁寨防洪排澇隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ圍巖為主，部分為Ⅳ、Ⅴ圍巖，但遇到巖溶、地下水、斷層、裂隙發育時，其圍巖類別則相應降低。隧洞巖體采用鉆爆法開挖，該方法難以根據有限的地質勘察資料準確地判斷掌子面后巖體內不良地質體發育范圍和程度，相應地也無法及時調整施工方案，可能導致爆破能量利用率低，超欠挖嚴重，甚至因不良地質體的存在，可能導致施工安全事故。因此需要提前做好超前地質預報，通過超前預報，及時發現異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖方案、支護設計參數和優化爆破施工方案提供依據。

2 基于超前地質預報的隧洞爆破施工技術

針對丁寨防洪排澇隧洞工程復雜地質條件下巖體爆破開挖，提出集掌子面出露巖體分析、超前地質預報、超前支護、爆破施工方案優化等于一體的成套隧洞爆破施工技術。基于超前地質預報的隧洞爆破施工流程圖如圖1所示。

圖 1 施工流程圖Fig. 1 Construction flow chart

首先進行掌子面出露巖體統計分析，并采用地質雷達法探測掌子面前巖體不良地質體發育范圍和程度，探地雷達采用的是時間域脈沖方式，系統主機控制發射機通過天線將高頻帶的脈沖電磁波向隧道掘進面前方定向發射[13]。垂直于隧道掘進面傳播的電磁波當遇到有電性差異(介電常數、電導率、磁導率不同)界面或目標體時即發生反射，反射波被天線接收進入接收機，并傳回主機，可得到各個反射波往返旅行時間t。不同地下介質介電常數的差異決定了反射系數的大小，呈正比關系，即差異越大，反射系數越大，越容易被探測到[14]。常見介電常數見表1。在相對介電常數Er給定的情況下，已知雷達波在空氣中的傳播速度，就可以使用式(1)換算成目標體的深度H。介質中不同深度的反射波返回主機，然后進行信號放大、采集整理、過濾雜波和數字疊加等分析處理，就能把雷達波反射的時間曲線直觀地顯示出來。通過連續探測就構成了地質雷達成果剖面圖，從而進一步可以推斷目標體的位置、規模和影響范圍。地質雷達探測工作原理如圖2所示。

圖 2 地質雷達超前探測原理示意Fig. 2 Schematic diagram of advance detection principle of geological radar

表 1 常見介電常數Table 1 Common dielectric constants

(1)

式中：H為目標體的深度；t為反射波往返旅行時間；Er為相對介電常數；c為雷達波在空氣中的傳播速度。

然后基于地質雷達法探測結果，預測掌子面前不同部位圍巖條件。對于巖體可能存在破碎帶、溶洞、溶縫等不良地質體的部位，通過超前鉆探確定破碎帶的位置和范圍或巖溶發育范圍和程度，并提出相應的圍巖超前支護與穩定性控制措施；對于巖體相對完整的部位，按照常規的施工方案進行爆破開挖。

最后基于上述分析，進行爆破施工。在鉆孔過程中，記錄鉆桿鉆進速度，進一步判斷巖體內是否有破碎帶、溶洞、溶縫等不良地質體，若有則結合超前預報結果，估算不良地質的分布和范圍。當鉆孔過程中遭遇不良地質體且不良地質體的范圍較大時，采用短進尺、多循環的方法進行爆破開挖，避免炮孔穿越大范圍的不良地質體進行爆破施工；當鉆孔過程中遭遇范圍較小的不良地質體時，可適當增大循環進尺長度，炮孔可穿越小范圍的不良地質體，但要優化炮孔裝藥結構，根據記錄的鉆桿鉆進速度判斷小范圍的不良地質體與炮孔的相對位置，若其位于炮孔裝藥段，采用空氣間隔裝藥技術，即在與小范圍不良地質體對應的炮孔裝藥段設置空氣間隔，其余部位正常裝藥。此外，要根據超前地質預報結果、鉆孔過程鉆桿記錄數據，評估不良地質體對巖體強度的影響，判定不同部位待開挖巖體圍巖類別，優化爆破設計，其中Ⅱ、Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖分別采用不同的爆破施工參數。

3 現場應用分析

3.1 地質雷達超前地質預報

以丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5為例，采用電磁波法預報，采集方式為點測，發射頻率64 kHz，每掃描 采樣數為1024，記錄長度為600 ns。測線布置情況具體如圖3所示(面對掌子計左、右)。掌子面(P1+504.5)出露的巖體為風化灰巖，巖體較完整，呈塊狀和層狀結構，節理裂隙較發育，局部少有填充物，掌子面表面干燥。掌子面整體性相對較好。掌子面照片如圖4所示。

圖 3 地質雷達測線布置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of geological radar survey line layout

圖 4 掌子面出露巖體Fig. 4 Exposed rock mass of tunnel face

地質雷達探測結果如圖5所示。雷達圖像波形特征為：掌子面前方 0～7 m處信號相對較弱，7～14 m段右側存在多條斜 向條狀強反射信號，且走勢基本一致。14～20 m段中部及左側呈現數條為隱約條帶狀反應，同相軸連續均勻，呈層面反射，信號下方有多次反應但比較雜亂。根據波形特征及掌子面出露巖體綜合分析預測：前0～7 m地質條件相對較好，7～14 m段右側存在斷層破碎帶的可能性較大，不排除填充型巖溶的可能，14～20 m段中部存在斷層破碎帶的可能性較大，巖溶可能性不大。

圖 5 地質雷達探測結果Fig. 5 Geological radar detection results

3.2 爆破優化施工方案

基于地質雷達超前預報探測結果，并結合超前鉆探結果，可知丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5可大致分為三段，即 0～7 m為一段，7～14 m為一段，14～20 m為一段。0～7 m段巖體地質條件相對較好，巖體縱波波速較大，巖體內無不良地質體，判定0～7 m段巖體級別為Ⅲ級圍巖；7～14 m巖體存在斷層破碎帶和溶洞，巖體比較破碎，圍巖穩定性較差，巖體內含小型溶洞，判定7～14 m段巖體級別為Ⅴ級；14～20 m段巖體存在斷層破碎帶，不存在溶洞，存在少量的溶縫，圍巖相對穩定，判定14～20 m段巖體級別為Ⅳ級。針對丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5不同段的不同圍巖級別，采用不同的爆破方案。掌子面(P1+504.5)前0～7 m 段Ⅲ級圍巖爆破開挖炮孔布置圖如圖6所示。掌子面(P1+504.5)前7～14 m 段Ⅴ級圍巖爆破開挖炮孔布置圖如圖7所示。掌子面(P1+504.5)前14～20 m 段Ⅳ級圍巖爆破開挖炮孔布置圖如圖8所示，不同圍巖情況下鉆爆參數如表2所示。

表 2 不同圍巖情況下爆破開挖鉆爆參數Table 2 Drilling and blasting parameters of blasting excavation under different surrounding rock conditions

圖 6 Ⅲ級圍巖爆破開挖炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 6 Blast hole layout for blasting excavation of class Ⅲ surrounding rock(unit：cm)

圖 7 Ⅴ圍巖爆破開挖炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 7 Blast hole layout for blasting excavation of class Ⅴ surrounding rock(unit:cm)

3.3 開挖效果

掌子面(P1+504.5)前0～7 m 段Ⅲ級圍巖爆破開挖成型效果如圖9(a)所示，掌子面(P1+504.5)前7～14 m 段Ⅴ級圍巖爆破開挖成型效果如圖9(b)所示，掌子面(P1+504.5)前14～20 m 段Ⅳ級圍巖爆破開挖成型效果如圖9(c)所示。由圖9可得，采用基于超前地質預報的隧洞爆破施工技術進行施工后，不同部位不同圍巖級別條件下，爆后明顯可見隧道洞壁半眼殘痕，且半眼殘痕率較高，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，在不良地質段也未出現塌方、突泥涌水現象，實現了隧洞高效安全開挖。

圖 8 Ⅳ圍巖爆破開挖炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 8 Blast hole layout for blasting excavation of class Ⅳ surrounding rock(unit:cm)

圖 9 不同圍巖情況下爆破開挖成型效果Fig. 9 Effect of blasting excavation and forming under different surrounding rock conditions

4 結論

(1)針對復雜地質條件下的隧洞爆破開挖，提出了集掌子面出露巖體分析、超前地質預報、超前支護、爆破施工方案優化等于一體的成套隧洞爆破施工技術。

(2)在丁寨防洪排澇隧洞工程施工過程中，應用基于超前地質預報的隧洞爆破施工技術，爆后明顯可見隧道洞壁半眼殘痕，且半眼殘痕率較高，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，在不良地質段也未出現塌方、突泥涌水現象，實現了隧洞高效安全開挖。