全方位綜合超前探測(cè)技術(shù)在隧洞開挖中的安全預(yù)警應(yīng)用研究

雷皓　張衛(wèi)軍　季慶輝　陳雁鳴

摘 要：為保障鄂北地區(qū)水資源配置工程隧洞開挖的正常進(jìn)行，及早發(fā)現(xiàn)影響施工安全的隱患因素，本文選用了直流電法、瞬變電磁法、地震波法等方法，利用隧洞埋深淺的特點(diǎn)在隧洞地表和掌子面形成“全方位綜合超前探測(cè)技術(shù)”。該技術(shù)在鄂北地區(qū)水資源配置工程興隆～萬福段隧洞的探測(cè)應(yīng)用中基于隧洞圍巖的多物性參數(shù)（電阻率、反射系數(shù)、波速），對(duì)開挖前方的強(qiáng)風(fēng)化帶、破碎帶、富水區(qū)等不良地質(zhì)條件進(jìn)行長(zhǎng)距離超前預(yù)報(bào)。驗(yàn)證表明該方法具有良好的施工高效性和工程適用性，可為鄂北調(diào)水淺埋隧洞順利開挖發(fā)揮較可靠的地質(zhì)預(yù)報(bào)和安全預(yù)警作用。

關(guān)鍵詞：鄂北調(diào)水；淺埋隧洞開挖；綜合物探；安全預(yù)警

中圖分類號(hào)：TV22；TV91；U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）07-0075-03

1 引言

鄂北地區(qū)水資源配置工程是從丹江口水庫引水，向唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)以及大悟澴水區(qū)供水，解決湖北省鄂北地區(qū)干旱缺水問題的大型水資源配置工程。工程輸水隧洞總長(zhǎng)119.43km，占整個(gè)引水線路總長(zhǎng)的44.3%，且多為埋深30～40m的淺埋隧洞。由于隧洞延展的距離長(zhǎng)，區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造和水文等工程地質(zhì)條件變化大，存在著強(qiáng)風(fēng)化巖土體的變形破壞、洞室圍巖變形破壞、隧洞突水突泥、大埋深隧洞的巖爆、有害氣體或放射性元素等不良工程地質(zhì)問題。

目前隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)中地球物理探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)成本低、施工效率高、物性參數(shù)多的優(yōu)勢(shì)，已成為保障隧洞開挖過程中重要的安全保障技術(shù)手段。

本文介紹了直流電法、面波法、瞬變電磁法、地震波法在鄂北地區(qū)水資源配置工程隧洞施工中探測(cè)應(yīng)用過程，并形成適用于淺埋隧洞的“全方位綜合超前探測(cè)技術(shù)”，該方法技術(shù)對(duì)預(yù)報(bào)隧洞前方的強(qiáng)風(fēng)化帶、集中破碎帶、地下水富集區(qū)等不良地質(zhì)體具有較好的適用性。

2 地質(zhì)條件與探測(cè)方法選擇

2.1 隧洞地質(zhì)條件

鄂北地區(qū)水資源配置工程55座隧洞中平均埋深介于17～66m的有53座，隧洞埋深小，多為淺埋隧洞。隧洞累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)119.43km，穿過多個(gè)不同地層，巖性變化快，隧道圍巖完整性、穩(wěn)定性差，不良地質(zhì)現(xiàn)象類型多。

本文所探測(cè)的興隆～萬福段隧洞位于輸水線路樁號(hào)142+330～157+710。探測(cè)預(yù)報(bào)段樁號(hào)為142+330～143+050，沿線為低山丘陵地形，表層為厚度不均的第四系中更新統(tǒng)閻莊組（Q2ydl）：粘土、含礫粘土、含鈣質(zhì)結(jié)核；隧洞圍巖為揚(yáng)子期灰綠色變輝長(zhǎng)輝綠巖，呈弱風(fēng)化～微風(fēng)化狀，屬IV類圍巖，不穩(wěn)定。

2.2 探測(cè)方法選擇

結(jié)合隧道地質(zhì)條件、充分利用淺埋隧道的特點(diǎn)，將地面探測(cè)和掌子面探測(cè)相結(jié)合，將巖土體的彈性性質(zhì)（地震方法）和電性性質(zhì)（電磁法）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞開挖前方的立體全方位、綜合探測(cè)。選擇的具體方法有：①直流電阻率法（地面）：沿地面隧道軸線探測(cè)，獲取沿軸線的巖土體電性變化。②瞬態(tài)面波法（地面）：沿地面隧道軸線探測(cè)，獲取沿軸線的巖土體速度變化。③瞬變電磁法（掌子面）：獲取掌子面前方巖土體的電性變化，評(píng)價(jià)賦水變化。④反射地震法（掌子面）：獲取掌子面前方巖土體的速度變化，評(píng)價(jià)其破碎程度、完整性變化。

3 探測(cè)布置與數(shù)據(jù)處理

3.1 地面測(cè)線布置

地面測(cè)線覆蓋隧洞已開挖段與掌子面前方未開挖段。起點(diǎn)距掌子面后方50～100m，即從已知到未知，用已開挖段的資料建立物性聯(lián)系與標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)線方向一般沿隧洞軸線，測(cè)點(diǎn)距3～5m。測(cè)線遇障礙物時(shí)（如河流）可平移并增加垂直檢查測(cè)線。

本次探測(cè)時(shí)掌子面位置位于里程142+670。地面電法測(cè)線沿隧道軸線布置，起點(diǎn)里程為142+620，實(shí)測(cè)高程為147.695m；終點(diǎn)里程為142+950，實(shí)測(cè)高程為146.937m，測(cè)點(diǎn)間距3m，測(cè)線長(zhǎng)330m。多道面波測(cè)線同樣沿軸線布置，起點(diǎn)里程142+620，終點(diǎn)142+820，測(cè)點(diǎn)距2m，測(cè)線總長(zhǎng)200m（如圖1）。測(cè)線所經(jīng)區(qū)域?yàn)檗r(nóng)田，起伏較小，接觸介質(zhì)為松散粘土。

3.2 掌子面測(cè)線布置

掌子面測(cè)線利用在當(dāng)日掌子面空間布置，瞬變電磁采用扇形測(cè)線，測(cè)點(diǎn)數(shù)15個(gè)，間距0.5m。地震反射沿掌子面和邊墻布置U形系統(tǒng)，5個(gè)接收點(diǎn)布置在掌子面中心，間距1m；6個(gè)炮點(diǎn)布置在左右側(cè)幫，炮間距1m，距掌子面偏移距2.5m。

本次探測(cè)時(shí)掌子面位置位于里程142+670。掌子面探測(cè)布置見圖2。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

本次面波探測(cè)數(shù)據(jù)處理采用加拿大驕佳技術(shù)公司Giga Surface plus軟件，將地震振動(dòng)波形數(shù)據(jù)基于頻散特性，處理成果為測(cè)線下方巖土層的面波速度剖面圖。

電法數(shù)據(jù)處理在WBDPro、Res2DInv軟件平臺(tái)上進(jìn)行，成果主要為沿隧洞軸線下方的電阻率剖面圖。

掌子面反射地震數(shù)據(jù)采用安徽理工大學(xué)的MSP處理軟件進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)掌子面任意觀測(cè)系統(tǒng)的反射地震數(shù)據(jù)的處理，成果圖有掌子面前方反射深度地震剖面和反射界面剖面。

掌子面瞬變電磁原始數(shù)據(jù)為前方巖土體的二次場(chǎng)感覺電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)，需要處理成電磁法的視電阻率數(shù)據(jù)。本次瞬變電磁處理的平臺(tái)為華虹智能科技股份有限公司編制的YCS512處理軟件，成果圖為各個(gè)探測(cè)方向的視電阻率剖面。

4 探測(cè)成果與分析

4.1 地面探測(cè)成果

本次興隆～萬福隧洞142+620～142+950段地面探測(cè)成果如圖3所示。由圖3波速度剖面中速度特征可見，在里程142+735兩側(cè)速度差異明顯，左側(cè)速度低且低速層厚度大，右側(cè)速度高且低速層厚度薄，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件低速層反映了表面土層的厚度?？梢娀鶐r埋深有明顯起伏，里程142+620～735段比142+735～820段埋深大，且142+620～735段基巖風(fēng)化程度較高。推斷在里程142+735處存在斷層構(gòu)造。在隧洞所經(jīng)位置上，在里程142+735兩側(cè)巖體風(fēng)化程度、完整性差異明顯，小里程段巖體為強(qiáng)風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖整體等級(jí)V級(jí)；大里程段巖體相對(duì)稍完整，巖體中等偏強(qiáng)風(fēng)化，圍巖等級(jí)為IV級(jí)，局部為V級(jí)。

根據(jù)電阻率的橫向變化可進(jìn)一步對(duì)隧道所經(jīng)位置細(xì)化為4段分別解釋：①142+670～ 142+735里程段電阻率中等，較均勻，根據(jù)掌子面實(shí)際圍巖為中等至強(qiáng)風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育，存在裂隙水，圍巖為IV～V級(jí)。②142+735～142+771里程段，該段電阻率值減小且淺部低阻異常區(qū)溝通，認(rèn)為該段基巖風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙或構(gòu)造發(fā)育，巖體較破碎，裂隙充水明顯，圍巖等級(jí)為V級(jí)。③142+771～142+910里程段，該段電阻率整體較高且均勻，認(rèn)為該段巖體相對(duì)完整，巖體中等風(fēng)華，裂隙水不豐富，圍巖等級(jí)為IV級(jí)。④142+910～142+950里程段，該段電阻率降低且與淺部低阻區(qū)溝通，認(rèn)為該段基巖風(fēng)化程度為中等至強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，裂隙充水明顯，圍巖等級(jí)為V級(jí)。

4.2 掌子面探測(cè)成果

本次興隆～萬福隧洞142+620～142+950段掌子面探測(cè)成果如圖4所示。

根據(jù)反射地震剖面中的反射界面可解釋掌子面前方的巖體的巖性變化帶、裂隙帶等不均一地質(zhì)體，利用瞬變電磁的低阻區(qū)可分析前方的裂隙含水程度。

由圖4剖面圖可見：①掌子面前方在里程142+705～142+725段反射界面較集中，在里程142+690、+707、+717處提取出3組反射界面，認(rèn)為在反射界面處的巖體裂隙節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，完整較差。②掌子面瞬變電磁探測(cè)段內(nèi)整體電阻率較小且不均勻，局部有低阻異常區(qū)。反映出掌子面前方巖體風(fēng)化程度較高，局部裂隙富水。

5 驗(yàn)證與結(jié)論

目前上述隧洞探測(cè)段已全部開挖，探測(cè)預(yù)報(bào)資料和隧洞實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)條件基本一致，對(duì)隧洞的安全開挖起到較好的指導(dǎo)作用。

本文結(jié)合隧道地質(zhì)條件、充分利用淺埋隧道的特點(diǎn)，將地面探測(cè)和掌子面探測(cè)相結(jié)合，多種物探方法相結(jié)合，經(jīng)過方法論證、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、探掘驗(yàn)證，已初步形成一套適合鄂北引水隧洞工程地質(zhì)條件的“全方位綜合超前探測(cè)技術(shù)”。該方法技術(shù)具有低成本、高效性，同時(shí)具備良好工程現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、地質(zhì)成果適用性等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在缺少物性-圍巖等級(jí)解釋的定量標(biāo)準(zhǔn)、面波深部分辨力及瞬變電磁超前探測(cè)分辨力不夠精細(xì)等問題。綜上，本文所述及的方法技術(shù)可持續(xù)用于鄂北地區(qū)水資源配置工程隧洞開挖過程中的地質(zhì)預(yù)報(bào)與安全預(yù)警。

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本論文由湖北省水利重點(diǎn)科研項(xiàng)目（HBSLKY201602）資助