淺談綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在施工中的應(yīng)用

武蘭珍

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

水工隧洞的圍巖地質(zhì)條件具有復(fù)雜性和多變性，加之勘測(cè)手段的局限性，要在勘查設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確的判定圍巖地質(zhì)狀態(tài)、特性，并準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)隧道施工中可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模、性質(zhì)十分困難。這些問(wèn)題的解決，必須依靠隧道施工中展開(kāi)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。目前在我國(guó)用于隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的單一方法主要有隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)TSP、水平聲波剖面法(HSP)、陸地聲納法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、超前鉆孔法和超前平導(dǎo)法等幾種[1]，每種方法都有各自的局限性，本文重在研究一種相對(duì)完善和易于推廣的綜合預(yù)報(bào)模式。

1 工程概況

廣西桂中治旱馬良隧洞單項(xiàng)工程位于來(lái)賓市興賓區(qū)遷江鎮(zhèn)，距柳州市130 km，距來(lái)賓市約60 km，隧洞設(shè)計(jì)引水流量為31.72 m3/s，輸水線路總長(zhǎng)7560 m。隧洞進(jìn)口水面線高程102.99 m，底高程為99.01 m，出口處水面線高程101.17 m，底板高程為97.19 m，底坡為1/4200。按無(wú)壓隧洞設(shè)計(jì)，城門(mén)洞型，底寬為5.3 m，高5.92 m。

2 地質(zhì)概況

隧洞總體走向?yàn)槟媳毕颍谏襟w為巖溶峰叢地貌,巖溶洼地和落水洞眾多。整體地勢(shì)西側(cè)高、東側(cè)低，山體地形較平緩,隧洞沿線山體自然坡度 15°～25°。

2.1 巖溶及地下河發(fā)育特征

隧洞所在地區(qū)碳酸鹽巖類(lèi)廣泛存在,且深大節(jié)理裂隙和巖溶較為發(fā)育。地表巖溶形態(tài)以峰叢洼地、落水洞為主。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪成果隧洞軸線兩側(cè)各500 m的范圍內(nèi)(計(jì)算面積約9 km2),上覆山體的落水洞及巖溶洼地?cái)?shù)量超過(guò)60個(gè)。根據(jù)物探大地電磁法探測(cè),隧洞軸線沿線巖溶發(fā)育高程0 m～170 m不等。根據(jù)地面地質(zhì)測(cè)繪及物探成果,推測(cè)隧洞沿線共發(fā)育6條地下河。

2.2 水文地質(zhì)條件

隧洞位于峰叢洼地邊緣，地勢(shì)西高東低，地下水位整體由西北經(jīng)過(guò)隧洞流向東南側(cè)，與隧洞大角度相交，隧洞洞身段位于地下水活動(dòng)強(qiáng)烈變化帶內(nèi)。隧洞西側(cè)山體雄厚,巖溶洼地眾多，匯水面積較大，巖溶水豐富，枯水季節(jié)地下水位高于隧洞頂，施工時(shí)可能出現(xiàn)大量涌水和涌泥現(xiàn)象。

由于本隧洞位于山區(qū)向合山盆地過(guò)渡區(qū)域，碳酸鹽巖類(lèi)廣泛存在，本區(qū)巖溶發(fā)育較好，落水洞及暗河眾多，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜。隧洞開(kāi)挖過(guò)程中存在涌水或突泥的可能性大，危害性大，且?guī)r溶發(fā)育隨機(jī)性強(qiáng)，巖溶管道與地下暗河聯(lián)通關(guān)系復(fù)雜，與隧洞交叉關(guān)系難以明確。為確保隧洞施工安全，施工時(shí)必須對(duì)隧洞全線進(jìn)行連續(xù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3 現(xiàn)場(chǎng)綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

3.1 TSP法

地震波反射法超前預(yù)報(bào)是利用地震波在巖體傳播過(guò)程中，在聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生地震反射波，利用儀器設(shè)備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過(guò)相關(guān)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道前方地質(zhì)條件的推斷，達(dá)到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的，探測(cè)距離一般為100 m～150 m。隧洞G3+259～G3+109段采用TSP203型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。TSP預(yù)報(bào)地質(zhì)構(gòu)造偏移成像圖及波速衰減處理成果圖見(jiàn)圖1。

根據(jù)成果圖并結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析分段預(yù)報(bào)推斷結(jié)論如下：

G3+259～G3+222段,該段長(zhǎng)度37 m，結(jié)合該段成果圖及地質(zhì)情況綜合分析，通過(guò)分析縱橫波對(duì)比速度及反射符號(hào)分布曲線圖，縱波速度呈上升趨勢(shì)，橫波波速略有起伏，縱波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：94°與74°，橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：90°與64°；預(yù)報(bào)里程段圍巖主要為微風(fēng)化灰?guī)r，以堅(jiān)硬巖為主，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈厚層狀-鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，可能存在溶蝕裂隙，夾層甚至巖溶溶腔。

G3+222～G3+168段,該段長(zhǎng)度54 m，結(jié)合該段成果圖及地質(zhì)情況綜合分析，通過(guò)分析縱橫波對(duì)比速度及反射符號(hào)分布曲線圖，縱波速度有所上升，橫波趨于穩(wěn)定，但橫波波速較低，縱波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：86°與-89°；預(yù)報(bào)里程段圍巖主要為微風(fēng)化灰?guī)r，以堅(jiān)硬巖為主，圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整，多呈厚層狀結(jié)構(gòu)。

G3+168～G3+109段,該段長(zhǎng)度59 m，結(jié)合該段成果圖及地質(zhì)情況綜合分析，通過(guò)分析縱橫波對(duì)比速度及反射符號(hào)分布曲線圖，縱波速度趨于平穩(wěn)，橫波速度略有起伏，橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：90°與90°；預(yù)報(bào)里程段巖溶稍發(fā)育。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法

根據(jù)TSP的預(yù)報(bào)結(jié)果，為了進(jìn)一步明確圍巖情況，針對(duì)巖層較為發(fā)育的G3+259～G3+222段，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅、頻率和相位不同來(lái)判斷前方傳播介質(zhì)的變化。介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù)。巖石巖性、風(fēng)化程度及其含水量等的變化將影響其介電常數(shù)，電磁波反射的頻率、振幅、相位也將發(fā)生變化，因此，根據(jù)電磁波反射的特征推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，一般探測(cè)距離為20 m～30 m。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成圖

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理圖

選用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，使用中心頻率為100 MHz的天線，沿測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，連續(xù)探測(cè)，并得出雷達(dá)反射剖面。采集參數(shù)為：采集方式為連續(xù)，每掃描采樣數(shù)為1024，采集時(shí)窗為600 ns。在G3+259掌子面上布置雷達(dá)，沿水平和垂直方向共布置了4條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，經(jīng)雷達(dá)圖像處理分析后得到雷達(dá)波形，見(jiàn)圖4。

圖4 地質(zhì)G3+259～G3+234段雷達(dá)波形圖

根據(jù)以上地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理成果圖并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況綜合分析，可得出以下結(jié)論：在樁號(hào)為G3+259～G3+234的25 m探測(cè)范圍內(nèi)，根據(jù)所做的地質(zhì)雷達(dá)波譜圖可以看出，電磁波能量反射較強(qiáng)，深部電磁波衰減明顯，結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析推測(cè)預(yù)報(bào)里程段范圍內(nèi)，圍巖巖性為微風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈中薄層狀結(jié)構(gòu)。預(yù)報(bào)里程段巖溶略發(fā)育，局部存在溶蝕裂隙、裂隙夾泥；預(yù)報(bào)里程段地下水稍發(fā)育，受大氣降水影響較明顯，可能出現(xiàn)沿溶蝕裂隙滲流等現(xiàn)象。同時(shí)，此結(jié)果還驗(yàn)證了TSP預(yù)測(cè)結(jié)果中里程段G3+259～G3+234裂隙間多泥質(zhì)充填或存在溶蝕裂隙，局部可能存在巖溶裂隙的情況。

3.3 超前鉆孔

根據(jù)TSP預(yù)報(bào)及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果，基本可以確認(rèn)里程段G3+259～G3+234裂隙間多泥質(zhì)充填或存在溶蝕裂隙，為了進(jìn)一步明確掌子面的情況，以便明確爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。在人工鉆爆破孔前，采用氣腿式鉆機(jī)，在地質(zhì)雷達(dá)不能全面覆蓋的拱角和拱頂區(qū)域進(jìn)行超前鉆孔，鉆桿采用5 m加長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)鉆孔的難易程度（是否出現(xiàn)卡鉆情況）及鉆孔的透水情況進(jìn)行全斷面分析。對(duì)G3+259掌子面處進(jìn)行鉆孔，確認(rèn)孔正常、局部有泥水流出，進(jìn)一步驗(yàn)證了局部巖溶較發(fā)育，局部存在溶蝕裂隙、溶蝕通道的可能。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，G3+259～G3+234在實(shí)際施工中采用了短進(jìn)尺、弱爆破的方式，按Ⅴ類(lèi)圍巖進(jìn)行開(kāi)挖，由原來(lái)的2m鉆爆距離縮短到0.8 m的鉆爆安全距離，經(jīng)過(guò)實(shí)際開(kāi)挖完成后比對(duì)，綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)論準(zhǔn)確，確保了隧洞施工的安全，同時(shí)加快了施工功效。本文依托廣西桂中治旱某隧洞單項(xiàng)工程的巖溶發(fā)育特征，利用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地質(zhì)雷達(dá)等物探手段對(duì)隧洞不良地質(zhì)缺陷進(jìn)行了探測(cè)，結(jié)合掌子面揭露情況和超前鉆探結(jié)果，推斷出有探測(cè)段圍巖的地質(zhì)狀況，很好地驗(yàn)證了此次TSP超前預(yù)報(bào)和探地雷達(dá)相結(jié)合探測(cè)不良地質(zhì)缺陷的準(zhǔn)確性，可供類(lèi)似工程參考借鑒。