超前地質預報在隧洞開挖中的應用

公 瑾

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830091)

現階段，在不良地質條件下開展的水利工程隧洞開挖工程，均會應用到超前地質預報技術，采用多種探測手段對隧洞開挖前方地質進行探測，確定前方實際的地質條件、水文條件，以及巖石類型、巖性、巖質等，以指導后續的開挖施工，有利于隧洞開挖的安全順利推進。夾巖水利樞紐工程為大型水利工程，施工難度可想而知，輸水渠道施工有時需穿過山脈，面臨著復雜的隧洞開挖地質條件，需準確、合理、有效的運用超前地質預報，以為隧洞開挖創造良好的條件。

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程具有供水、發電、灌溉等功能，輸水隧洞包括了水打橋隧洞、長石板隧洞，其中長石板隧洞長17.3km，埋深38～52m，位于地下水位之下。隧洞開挖遇到碎屑巖、變質巖、碳酸鹽巖等多種較差的巖性，地質構造斷裂發育，屬于喀斯特地區，巖層破碎、整體性較差。該地降水豐沛，地下水存儲良好，山脈地下存在暗河，富水區開挖施工情況較差，需要提前制定應對方案，以保證隧洞開挖的安全。

2 超前地質預報應用設計

2.1 預報目的

夾巖水利樞紐長石板隧洞為隱蔽工程，面臨著不可預知的地質條件，開挖施工難度大，在隧洞開挖期間采用超前地質預報進行隧洞前方地質勘察，精確獲悉不良地質，以及對其分布情況進行評估，為后續開挖施工方案的制定提供依據，達到提高施工質量進度的目的。

2.2 預報方案

基于長石板隧洞開挖施工的難度與復雜性，單一的地質勘察技術手段難以保證勘察結果的準確性與全面性，需靈活采用多種勘察組合，以保證地質預報的質量，目前應用較多且表現優異的組合是“物探法+鉆探法+地質分析法”，本工程基于該勘察方案，進行預報方法的制定，對長石板隧洞開挖進行超前地質預報[1]。

2.3 預報內容

①地質預報，對隧洞開挖前方地質條件進行勘察，確定有無不良地質條件，明確分布狀況、面積、性質等，同時進行地質災害預測，提前制定開挖應對措施；②水文預報，隧洞開挖前方有無富水區，發生水害的可能性，預測突涌水量，并摸清水文變化規律，評估對開挖施工造成的影響程度；③裂隙預報，確定其大小、分布、充填物等，評價其狀態，以指導開挖施工。

3 超前地質預報具體運用

3.1 預報組合選用

根據夾巖水利樞紐工程前期的地質勘察報告，采取TSP長距離物探與其他短距離預報組合的長石板隧洞預報方法。本工程超前預報使用的長距離物探是TSP203地震波反射法，在開挖隧洞巖土中安放適量炸藥，炸藥爆炸形成地震波，使用TSP203預報系統進行地震波的采集，經TSPwin處理，獲取隧洞前方不良地質的空間分布，與P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數等。基于獲取的探測成果開展隧洞前方地質分析，得到150m以內準確的地質信息。短距離預報方法有以下3種：①地質雷達法，勘察范圍20m以內，進行破碎帶與空洞預報，但是不能探測地下水；②超前探孔法，探孔范圍為30m以內，在開挖面鉆孔取芯，預報巖石類型、水文條件，實際應用的缺點是探測耗時長，并且成本較高；③加深炮孔法，探測深度為9m，直接使用長鉆桿鉆孔，快速確定前方的地質條件，該方法與TSP203地震波反射法聯合運用，經濟效益與開挖施工效益表現良好，下文以該預報方法為例，進行超前地質預報在長石板隧洞開挖中的運用分析[2]。

3.2 TSP203地震波反射法實踐運用

3.2.1 運用基本理論

該方法專門用于長距離超前地質預報，在長石板隧洞的撐子面進行鉆孔，至設計深度后埋設炸藥，引爆炸藥后形成地震波，地震波在巖土層中傳播，遇到特殊介質后反射回地震波信號，使用接收端收集信號，獲取地震波的傳播速度、波形、方向等關鍵數據。然后應用TSPwin處理及評估軟件進行數據處理分析，獲取開挖前方的地質信息，超前預報最長距離可達150m，如果長石板隧洞地質條件不良，適當的減少預報距離，可提高超前地質預報的準確性。此外，地震波有兩種形式，一種是面波，在物體表面傳播。另一種是體波，分為以下兩種波，縱波，該波的特點是振動與傳播方向相同，其張拉介質時使介質稀疏，壓縮則使介質緊密；橫波在介質中傳播時，振動與傳播方向垂直，可剪切介質。利用縱波與橫波在介質中傳播的特點，進行兩種波在巖土層傳播速度的計算，計算公式為v=x/t，其中x是震源至接收單元的距離，t是地震波從炮孔至接收單元的傳播時間。

3.2.2 選用TSP203預報系統

該系統主要由3個部分組成：①記錄單元，移動筆記本電腦為測量數據的存儲設備，信號處理箱在獲取接收單元傳遞的地震波反射信號后，將該信號轉化成數字信號，筆記本進行數字信號的存儲與處理；②接收單元，本質是一個非常靈敏的傳感器；③起爆裝置及輔助工具，主要包括了起爆裝置(起爆器、觸發器)，電子測角儀(測量方位角)，套管(安放接收單元)，以及電纜、安裝工具等。

3.2.3 鉆孔

TSP203地震波反射法在長石板隧洞預報中的運用，首先在隧洞中進行接收孔與爆破孔的設置，具體詳見圖1。接收孔與炮孔S1距離為17m，與掌子面60m，孔徑50mm、深1.8m、高1.2m。爆破孔共設置19個，為S1-S19，孔徑45mm、深1.5m，孔間距1.5m，呈一條直線布設，用于爆炸后形成地震波。完成鉆孔之后，在鉆孔中插入直徑合適的PVC管，以避免鉆孔塌孔。在接收孔中安設接收器，在爆破孔中安設炸藥，最后取出PVC管，至此完成隧洞地震波的構建。

注：尺寸單位m

3.2.4 安設接收器與炸藥

接收器需提前安放，在探測前的15h，將接收器套管安放在接收孔中，取出PVC管后，灌入環氧樹脂，使套管與孔凝結成一個整體。接收傳感器采用專用外殼安裝，隧洞內鋪設電纜與主機相連。爆破炸藥安放需要專業的人員操作，以確保爆炸作業的安全性，雷管與炸藥連接需可靠，將炸藥安放至炮孔底部，灌滿水封堵炮孔，最后將雷管引線與起爆裝置連接好后，做好爆破的準備工作。在安放炸藥時需要注意S1～S19距離接收器孔位置不同，周邊巖石性質和硬度也有可能存在差異，根據實際情況進行乳化炸藥裝藥量的精確設計。

3.2.5 采集數據

在爆破之前隧洞所在位置350m的范圍內，停止一切施工作業，并清理現場作業人員，做好爆破準備。從S1炮孔開始爆破，記錄器同步采集傳感器反饋的信號，其他18個炮孔依次爆破形成地震波，記錄器依次記錄，完成地震波數據的采集[3]。

3.2.6 地震波數據處理

地震波數據處理與分析使用的是TSPwin處理及評估軟件，進行數據設置、拾取處理、P波與S波的分類等，最后提取反射層，獲取隧洞探測的空間構造。具體數據處理流程如下：①確定幾何參數，長板石隧洞斷面的實際尺寸，炮孔與接收單元所處的坐標、角度等。②數據設定，計算出隧洞超前預報處理數據的長度(H)，注意在開始測量階段將儀器清零，使用公式H=2×2.5×H1/v，其中H1為探測深度，V地震波縱波波速，2地震波傳輸與反射時間，2.5安全系數。③濾波處理，提升有效波頻率，降低干擾波頻率，獲取準確的濾波頻率。④縱波拾取，計算縱波波速，使用公式v1=x1/t1，(x1震源至接收單元的距離，t1地震波及反射波傳播時間)。⑤橫波處理，橫波傳播速度慢于縱波，接收單元先接收到縱波，然后才能接收到橫波，致使橫波中干擾波較多，但兩個波的路程相同，使用公式x=v1t1=v2t2，v2是橫波波速，t2是橫波傳播的時間。在TSPwin軟件中使用該公式進行試算，以獲取準確的橫波數據。

3.2.7 地震波數據分析

具體分析方法如下：①反射幅度分析，幅度越大反射系數就越大，彈性阻抗也就越大，因此，正反射幅度表示為堅硬巖石，負反射幅度則正好相反；②橫波與縱波比較分析，如果橫波反射強，探測的巖石中富含水；③泊松比值異常，證明探測巖石存在流體；④縱波波速突然減少，巖石裂隙度較大；⑤在獲取以上分析結果后，根據工程前期的地質勘察資料，對隧洞前方地質進行綜合分析，預報前方地質的實際情況。

3.2.8 預報成果

通過綜合性的地質分析后，確定長石板隧洞前方的巖性情況，巖體風化嚴重，整體較為破碎，存在溶塌角礫巖，巖質極軟，遇水好軟化，并且裂隙與地下水發育。所以，在完成TSP203地震波反射法探測后，還需進行短距離的鉆探，確定隧洞開挖前方的水質、水量情況，為后續開挖施工提供準確的超前地質預報成果。

3.3 加深炮孔法

加深炮孔法一般用于巖溶發育地質勘察，使用鑿巖臺車在隧洞開挖面鉆小孔，進行短距離地質探測。在鉆進過程中會有水、巖渣涌出，通過對出水量、水壓、顏色、巖渣等的分析，完成地質條件與水文狀況的判斷。

3.3.1 炮孔布設

根據本工程前期的地質勘察，以及隧洞開挖面的斷面結構，進行加深炮孔與開挖面炮孔的布設。在開挖面爆破之前，進行加深炮孔鉆孔，深度9m左右，共鉆6個加深炮孔，開始進行地質探測。

3.3.2 預報結果

在該工程長石板隧洞實際鉆孔過程中，鉆孔進度緩慢，并出現了卡鉆問題，孔中大量涌水、涌泥，表明隧洞前方存在不良地質且富含水較大，預測在隧洞開挖過程中，涌水涌泥的概率較大，需提前制定地質災害預防措施。

4 預報結果的應用

針對軟弱夾層，破碎與風化嚴重巖體，以及裂隙發育區、富含水區等，發布圍巖類型為V類預報。根據圍巖預報的等級，進行開挖施工方案的改進，做好開挖面的支護施工，增加超前支護的力度，聯合使用深孔固結灌漿以封閉開挖面，穩定隧洞前方結構，為后續安全開挖打好提前量。以及在實際的開挖過程中，切實做到勤測量、早封閉，同時根據預報成果，進行開挖地質災害評估，制定解決方案，以奠定安全開挖、高效開挖的基礎保障。

5 結 語

夾巖水利樞紐工程長石板隧洞開挖階段，在運用超前地質預報過程中，應采用組合探測法，長距離與短距離探測相結合，聯合使用多種預報方法，提高地質預報的準確性、經濟性與可行性。并以先探測后開挖為基本守則，探明隧洞前方的實際地質狀況，評估地質災害、涌水、涌泥發生的可能性，最后根據預報成果，制定切實可行的開挖方案與災害處理措施，以此保障長石板隧洞開挖的安全。