超前探測技術(shù)在鄂北工程隧洞安全預(yù)警中的應(yīng)用

司培育，包 丹，蔡新明

（鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌），430071，武漢）

超前探測技術(shù)在鄂北工程隧洞安全預(yù)警中的應(yīng)用

司培育，包 丹，蔡新明

（鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌），430071，武漢）

鄂北地區(qū)水資源配置工程輸水隧洞長，安全隱患多，為做好隧洞開挖安全預(yù)警工作，運用物探技術(shù)具有物性參數(shù)多、成本低、效率高的優(yōu)勢，將地面探測和掌子面探測技術(shù)相結(jié)合，采用地面電阻率法、地面雙源面波法、掌子面反射地震法、掌子面瞬變電磁法等超前探測技術(shù)，經(jīng)過方法論證、現(xiàn)場試驗、探掘驗證，初步形成了一套適合鄂北工程隧洞施工的綜合超前探測方法，為鄂北工程隧洞后續(xù)施工超前探測安全預(yù)警提供了技術(shù)支撐。

鄂北地區(qū)水資源配置工程；隧洞；物探技術(shù)；安全預(yù)警

鄂北地區(qū)水資源配置工程輸水隧洞總長約120 km，占整個工程線路總長的44%，為埋深30～40 m的淺埋隧洞。隧洞施工過程中存在著強(qiáng)風(fēng)化巖土體的變形破壞、洞室圍巖變形破壞、隧洞局部突水突泥等不良工程地質(zhì)問題。因此，如何保障隧洞開挖的安全施工成為工程進(jìn)行中亟須解決的問題。為保障隧洞開挖的安全施工，鄂北局會同有關(guān)科研單位對鄂北工程隧洞開挖過程中超前探測及安全預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了研究。

通過綜合比較，地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)中鉆孔探測、導(dǎo)坑探測等方法存在施工成本過高、橫向探測范圍小以及在隧洞工作面實施水平超前鉆探對隧洞施工影響大等缺點，與其相比地球物理探測技術(shù)具有探測成本低、施工效率高、探測范圍廣的優(yōu)勢，可用于解決鄂北工程隧洞施工實際問題。項目研究采用直流電法、瞬變電磁法、地震波法的“綜合超前探測技術(shù)”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和匯總分析，找出隧洞圍巖特征與探測特征參數(shù)（電性、磁性、波動特性）的對應(yīng)關(guān)系及可能產(chǎn)生的危害，取得了一些超前預(yù)警預(yù)報成果，形成一套適用于鄂北工程隧洞不同地質(zhì)條件下綜合物探超前探測方法技術(shù)，保障了隧洞的正常開挖。

一、隧洞超前探測試驗

1.試驗方案設(shè)計

根據(jù)前期設(shè)計資料分析與現(xiàn)場踏勘結(jié)果，本項目選定的工區(qū)為紀(jì)洪、興隆—萬福、唐縣—尚市3座隧洞，每座隧洞各取有代表性的地段進(jìn)行探測。本文主要針對唐縣—尚市隧洞進(jìn)行研究分析，工區(qū)選擇在里程170～174段，巖性主要為片巖、片麻巖，局部有構(gòu)造發(fā)育，圍巖不穩(wěn)定至極不穩(wěn)定。

2.測線設(shè)計

根據(jù)探測目的和隧洞具體的地形、工程地質(zhì)特征，采用地面與洞內(nèi)探測相結(jié)合方式，即沿隧洞軸線和掌子面采用相應(yīng)物探方法探測，將地面和洞內(nèi)物性參數(shù)聯(lián)合分析和解釋。測線布置示意軸線剖面見圖1，瞬變電磁超前探測水平測點布置見圖2。

圖1 測線布置示意軸線剖面圖

圖2 瞬變電磁超前探測水平測點布置

（1）隧洞軸線測線設(shè)計

地面測線起點距當(dāng)前掌子面后退50～100 m，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)。測線方向一般沿隧洞軸線，測點距3～5 m。測線遇障礙物時（如河流）可平移并增加垂直檢查測線。

（2）掌子面測線

掌子面測線利用當(dāng)日掌子面空間布置，瞬變電磁采用扇形測線，布置多方向。地震反射沿掌子面和邊墻布置成U形系統(tǒng)。

二、唐縣—尚市隧洞超前探測試驗應(yīng)用

試驗工區(qū)選擇在唐縣—尚市隧洞進(jìn)口172+444～172+771段，該段為低山丘陵地形，地表為第四系全新統(tǒng)沖積坡積土，部分為基巖裸露，隧道埋深 34～58 m。

本段試驗?zāi)康模?/p>

①獲取表面土層，片巖、片麻巖層的波速、電阻率物性參數(shù)。

②對掌子面前方巖體的完整性、結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育、含富水性探測評價。

③分析面波法及直流電法探測到的深度，并對深部巖層進(jìn)行分辨。

1.隧洞工程地質(zhì)條件

唐縣—尚市隧洞位于輸水線路樁號為158+120～174+670，連續(xù)長度16.55km。進(jìn)口底板高程117.94m，出口底板高程 116.44 m，縱坡為 1∶11 000，沿程輸水流量為20.2 m3/s。隧洞最大埋深79 m，平均埋深49 m。隧洞橫斷面形式為馬蹄形，過水?dāng)嗝鎯魧?.8 m，開挖洞徑 6.6～7.4 m。 試驗段（171+350～174+610）隧洞長 3.26 km，綜合判定為Ⅲ類圍巖，局部穩(wěn)定性差。圍巖為下元古界萬和店群獅子口組灰綠色、灰白色白云納長片麻巖，呈弱風(fēng)化狀。巖體透水率為1.47～4.63 Lu，為弱透水。上覆巖體厚30～70 m。該段巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為32.0 MPa（弱風(fēng)化），飽和吸水率0.65%，巖石強(qiáng)度為中硬巖；巖體完整程度為較完整；結(jié)構(gòu)面狀態(tài)起伏粗糙，裂隙寬度1～5 mm，石英脈充填；地下水活動狀態(tài)為滲水或滴水。

2.數(shù)據(jù)采集與處理

試驗工作安排在2016年10月18日，該日掌子面已開挖至里程172+494。掌子面巖性為片巖、片麻巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育有充水，拱頂有淋水，部分巖體遇到水軟化。掌子面為整斷面開挖，巖體自穩(wěn)性尚可，掌子面拱頂位置的巖體有失穩(wěn)掉塊現(xiàn)象，圍巖等級Ⅳ級。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，采用地面與掌子面探測相結(jié)合，綜合多種物探方法探查方案，即在地表沿隧洞軸線布置測線，選用面波法、高密度電法等方法進(jìn)行探測；利用掌子面空間，采用反射地震法和瞬變電磁法進(jìn)行探測。

（1）地面高密度電阻率與面波法數(shù)據(jù)采集

①地面直流電阻率法測線沿隧洞軸線布置，測線里程范圍172+444～172+771，測線長度327 m，測點距3 m，共完成測點110個，測線方向自小里程指向大里程。

②地面面波法測線沿隧洞軸線布置，測線里程范圍172+444～172+694，測線長度250 m，測點間距2 m，共完成測點110個。測線方向自小里程指向大里程；172+444～172+600里程范圍使用夯機(jī)震源，172+600～172+771里程范圍使用人工錘擊激震。唐縣—尚市 172+444～172+771段地面測線布置見圖3。

（2）掌子面反射地震與瞬變電磁數(shù)據(jù)采集

當(dāng)日掌子面里程172+494。瞬變電磁法采用扇形觀測系統(tǒng)自左到右布置12個點，每點兩個探測方向：水平、斜向拱頂 45°（見圖 4-a）。 掌子面反射地震法在掌子面上等距布置7個接收點，點間距1 m;在掌子面的兩邊和掌子面布置震源激發(fā)點，從右邊墻—掌子面—左邊墻順序逐次激發(fā)，激發(fā)點數(shù)19個，左右邊墻各6次，掌子面7次（見圖 4-b）。

圖3 唐縣—尚市172+444～172+771段地面測線布置圖

圖4 唐縣—尚市掌子面超前探測布置圖（里程172+494）

三、探測結(jié)果分析與解釋

1.地面面波與電法結(jié)果分析與解釋

通過地面面波與電法探測對唐縣—尚市隧洞 172+444～172+771段工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析和解釋如下：

從面波速度剖面與隧洞的對應(yīng)關(guān)系得知，隧洞所經(jīng)過的位置均為面波相對高速區(qū)且速度較均勻。當(dāng)前掌子面已開挖揭露的巖體完整性較差，主要為弱風(fēng)化，局部有強(qiáng)風(fēng)化的節(jié)理裂隙面，故可解釋認(rèn)為探測段內(nèi)巖體主要為中等至弱風(fēng)化，且風(fēng)化程度相對均一。

根據(jù)電阻率剖面與隧洞的位置關(guān)系，對比電阻率的橫向和垂向變化，可見在隧洞所經(jīng)過的位置，電阻率橫向不均勻，根據(jù)電阻率高低特征，將探測段劃分為6段分別解釋分析。

①172+444～172+495里程范圍，該段隧洞已開挖。該面為白云鈉長片巖、灰白色夾棕紅色，呈強(qiáng)—弱風(fēng)化狀，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，該洞段主要發(fā)育片理，產(chǎn)狀N60°W SW∠15°，拱頂至兩側(cè)拱肩沿片理掉塊甚至坍塌，該段圍巖等級主體為Ⅲ類，局部為Ⅳ類。該段電阻率值中等偏高，可將該段電阻率值與巖體完整性建立對應(yīng)關(guān)系，并用于未開挖段的圍巖等級及完整性的對比分析。

②172+495～172+595里程段電阻率整體相對較低且雜亂。其中，172+495～172+538里程段面波速度和電阻率均整體有減小趨勢，且和淺部低阻區(qū)溝通，可見該段巖體完整性變差，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙含水增強(qiáng)，圍巖等級Ⅳ級；172+538～172+595段的深部存在低阻異常區(qū)，且與淺部低阻帶溝通，該段巖體裂隙發(fā)育，較破碎，風(fēng)化程度高，完整性差，裂隙充水明顯，圍巖等級Ⅳ～V類。

圖5 唐縣—尚市隧洞掌子面地震與瞬變電磁探測剖面及解釋（里程172+194）

③172+592～172+689里程范圍，該段地表至洞身范圍內(nèi)電阻率值均較高，可認(rèn)為該段巖體完整性較好，無較寬的裂隙破碎帶，風(fēng)化程度低，裂隙水較少，圍巖等級為Ⅲ級。

④172+689～172+715里程范圍，該段洞身范圍電阻率整體較高，但與淺部低阻區(qū)有聯(lián)系。認(rèn)為該段巖體完整性較好，裂隙水相對增強(qiáng)，圍巖等級為Ⅲ～Ⅳ級。

⑤172+715～172+771里程范圍，該段整體電阻率高且均勻，認(rèn)為該段巖體完整性較好，無較寬的裂隙破碎帶，風(fēng)化程度低，裂隙水較少，圍巖等級為Ⅲ級。

2.掌子面反射地震與瞬變電磁法結(jié)果分析與解釋

通過反射地震剖面中的反射界面來解釋掌子面前方巖體的巖性變化帶、裂隙帶等不均一地質(zhì)體。可利用瞬變電磁的低阻區(qū)來分析前方的裂隙含水程度（見圖5）。據(jù)此，本段掌子面超前探測解釋如下：

①掌子面前方存在多組較為明顯的反射界面，在里程172+504、172+514、172+525、172+531、172+554 處提取出6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，完整性較差。

②掌子面前方整體電阻率較高，僅在172+508～172+520段存在局部低阻異常區(qū)，認(rèn)為該段裂隙水整體不豐富，涌水現(xiàn)象發(fā)生概率小，但在低阻異常區(qū)內(nèi)裂隙水相對增多。

四、成果分析

根據(jù)現(xiàn)場探掘驗證表明，探測解釋地質(zhì)條件與隧洞實際開挖后基本一致，對隧洞的安全開挖起到較好的指導(dǎo)作用。探測成果超前圈定了較大規(guī)模的不良地質(zhì)體（破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、富含水區(qū)等），進(jìn)一步細(xì)分了圍巖等級單元，有助于施工中提前采取合理的開挖和支護(hù)方式，起到了較好的安全預(yù)警作用。

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[7]劉盛東,吳榮新,胡水根,等.網(wǎng)絡(luò)分布式并行電法勘探系統(tǒng)[C]//中國地球物理學(xué)會年會，2006.

[8]方前發(fā),張宏兵.電法勘探方法在水文和工程地質(zhì)中的應(yīng)用[J].大眾科技,2006(4).

Adoption of advanced detection technology for safety pre-warning in tunnel construction of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provinc

Si Peiyu,Bao Dan,Cai Xinming

Water Allocation Scheme in North Hubei Province has long water diversion tunnels with potential safety hazard.In order to have proper safety pre-warning for excavation of tunnel,ground detection and tunnel face detection are combined so as to take their advantages of having more parameters,low cost and high efficiency.Detection technologies such as ground resistivity method,dual source surface wave method,reflection seismic method and transientelectromagnetic method in tunnelface are employed.With approvalof methodologies,on-site experiments and digging tests,a series of comprehensive advanced detection methods have been developed for tunnel construction,so as to provide technical support for safety pre-warning.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;tunnel;geophysical technology;safety pre-warning

TV68+P631

B

1000-1123（2017）22-0019-04

2017-10-11

司培育，工程師。

責(zé)任編輯 韋鳳年