綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在巖溶隧洞中的應(yīng)用

張宇弛，白少國(guó)

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問(wèn)題的提出

隨著我國(guó)城市化的進(jìn)展，城市人口的增加加劇了對(duì)水資源的需求，而城市自身水資源短缺以及分配不均等問(wèn)題日益突出，調(diào)水工程越來(lái)越多。埋深大、距離長(zhǎng)的輸水隧洞會(huì)遇到斷層、溶洞等特殊地質(zhì)地段，易發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害，而這些在長(zhǎng)距離輸水隧洞勘察設(shè)計(jì)階段往往無(wú)法面面俱到，尤其是埋深大的洞段勘察更為困難。在遇到巖溶破碎帶等不良地質(zhì)時(shí)，開(kāi)展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，可減少施工盲目性，對(duì)確保工程安全具有重要的意義[1]。

隧道施工中的各種超前預(yù)報(bào)方法具有其局限性和缺陷，單一方法預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性還有待提高[2]。王振宇[3]等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，建立了工程地質(zhì)調(diào)查法、洞內(nèi)掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合預(yù)報(bào)方法。劉和文[4]等針對(duì)超長(zhǎng)破碎帶的特點(diǎn)，有目的性的確定了一套預(yù)報(bào)方法及預(yù)報(bào)流程，達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)巖層信息，以指導(dǎo)巖溶地區(qū)破碎帶施工。呂喬森[5]等應(yīng)用TSP法和紅外探水的特點(diǎn)，長(zhǎng)短結(jié)合，進(jìn)行穿河隧道的地質(zhì)預(yù)報(bào)。本文以某輸水隧洞為背景，在開(kāi)挖過(guò)程中遇到巖溶破碎帶，并伴有高壓突水等險(xiǎn)情，采用掌子面地質(zhì)編錄、地質(zhì)雷達(dá)、導(dǎo)洞開(kāi)挖和智能鉆孔全景成像技術(shù)的綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，為險(xiǎn)情處理方案和施工開(kāi)挖提供可靠信息，保證施工安全。

2 巖溶超前預(yù)報(bào)方法

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可分為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)和短距離預(yù)報(bào)。長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)（100 ～ 200 m）主要為地震反射波法（TSP）；短距離預(yù)報(bào)（15 ～ 30 m）包括地質(zhì)素描、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水，鉆孔全景數(shù)字成像、超前導(dǎo)洞、瞬變電磁等，其中，超前導(dǎo)洞和鉆孔全景數(shù)字成像為直接法，其余為間接法。本文綜合使用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，利用不同方法的優(yōu)點(diǎn)，互相補(bǔ)充和驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的目的。

2.1 地震反射波法（T S P）

TSP法利用人工爆破引發(fā)的弱地震波在巖體中的傳播，界面處反射后的地震波被高精度傳感器接收，通過(guò)計(jì)算及軟件分析前方圍巖地質(zhì)情況。地震反射波法需要消耗大量的施工時(shí)間，且成本較高，巖溶處理只需要了解掌子面前方短距離的地質(zhì)條件信息，因此不適用于巖溶地質(zhì)處理。

2.2 地質(zhì)素描

掌子面地質(zhì)素描是專業(yè)地質(zhì)人員對(duì)已開(kāi)挖揭露的巖石，通過(guò)觀察其地質(zhì)現(xiàn)象，記錄巖性、地質(zhì)構(gòu)造面、圍巖破碎程度、地下水、圍巖穩(wěn)定性、爆破后洞形等內(nèi)容，以掌子面地質(zhì)的變化情況為依據(jù)，結(jié)合前期勘察成果，對(duì)前方圍巖狀態(tài)進(jìn)行推斷，分析巖性變化。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)即電磁波反射法（GPR），利用地下介質(zhì)對(duì)廣譜電磁波（107 ～ 109 Hz）的不同響應(yīng)，根據(jù)電磁波雙程走時(shí)的長(zhǎng)短差別來(lái)確定地下介質(zhì)的分布特征[6]，主要是觀測(cè)位移電流的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)其探測(cè)目的。此方法對(duì)于含水帶、破碎帶具有較高的識(shí)別能力，其探測(cè)距離較短（20 ～ 30 m）。在隧道短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，地質(zhì)雷達(dá)具有分辨率高、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短、具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能等優(yōu)勢(shì)。

2.4 紅外探水

不同的地質(zhì)體輻射不同強(qiáng)度的紅外輻射場(chǎng)，紅外探水儀根據(jù)接收到不同變化幅度的紅外場(chǎng)強(qiáng)，據(jù)此判斷隧洞掌子面前或洞壁四周是否有隱伏的含水體。如果圍巖中存在含水結(jié)構(gòu)，其紅外輻射場(chǎng)將疊加在正常輻射場(chǎng)上，通過(guò)數(shù)據(jù)分析即可預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體。這種方法相比于其方法優(yōu)勢(shì)是便攜且操作簡(jiǎn)單[7]，同時(shí)具有成果易處理、預(yù)報(bào)精確度高、與隧道施工同步的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是只能探測(cè)出隧道前方隱伏的含水體，而不能對(duì)斷層、破碎帶等不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)[8]。因此，在巖溶處理過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合其他技術(shù)，綜合預(yù)報(bào)地質(zhì)情況。

2.5 鉆孔全景數(shù)字成像

鉆孔全景數(shù)字成像系統(tǒng)包括硬件和軟件2大部分，硬件部分包括全景攝像探頭、圖像捕獲卡、深度脈沖發(fā)射器、計(jì)算機(jī)、以及專用電纜等，軟件包括實(shí)施監(jiān)視系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)。對(duì)于軟弱或破碎巖體，鉆孔后孔壁保持完整地質(zhì)特征，通過(guò)對(duì)鉆孔孔壁的探測(cè)和數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行定性描述和定量分析，達(dá)到超前預(yù)報(bào)的目的。

2.6 超前導(dǎo)洞

超前導(dǎo)洞（導(dǎo)坑）法是針對(duì)無(wú)法探測(cè)或有危險(xiǎn)性的掌子面，在掌子面局部開(kāi)挖超前導(dǎo)洞，通過(guò)直接觀測(cè)圍巖條件，以達(dá)到超前預(yù)測(cè)的目的。超前導(dǎo)洞可應(yīng)用于處理方案實(shí)施后的開(kāi)挖，一方面可以保證開(kāi)挖安全，另一方面可以驗(yàn)證處理結(jié)果的有效性，若沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，可在導(dǎo)洞內(nèi)再次進(jìn)行加固處理。

3 預(yù)報(bào)實(shí)例

某輸水隧洞掌子面在實(shí)施打鉆作業(yè)過(guò)程中，巖體突發(fā)涌水險(xiǎn)情（見(jiàn)圖1）。首先采用地質(zhì)雷達(dá)法探明前方不良地質(zhì)段情況，為處理方案提供可靠依據(jù)。通過(guò)灌漿處理后，再次采用地質(zhì)雷達(dá)、智能鉆孔全景成像和超前導(dǎo)洞的綜合預(yù)報(bào)方法，進(jìn)一步指導(dǎo)施工。

圖1 掌子面涌水情況圖

3.1 掌子面地質(zhì)概況及第1次地質(zhì)雷達(dá)

掌子面地質(zhì)概況（見(jiàn)圖2），高度7.90 m，底寬5.13 m，其樁號(hào)K1 + 940 m，灰色厚層灰?guī)r，裂隙發(fā)育，充填方解石，膠結(jié)較好，巖體較完整，掌子面軸線左側(cè)中下部沿裂隙有溶蝕現(xiàn)象，靠左壁距洞底2.50 m左右沿炮孔集中射水，初步估計(jì)水壓約2 MPa，水質(zhì)黃色含泥。圖中3組裂隙：① N60°E/NW ∠ 40°； ② N10°E/NW ∠ 20°； ③ N60°W/NE ∠ 70°。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)涌水主要集中在左側(cè)區(qū)域，測(cè)線布置見(jiàn)圖3，從右壁至掌子面至左壁分別布置 1、2、3條測(cè)線，其中第1條測(cè)線左右壁向后方延長(zhǎng)20.00 m，第2、3條測(cè)線左右壁向后方延長(zhǎng)5.00 m，第1條測(cè)線距洞底約1.50 m，各測(cè)線間距約1.50 m。對(duì)于溶蝕破碎帶或發(fā)育溶洞的異常區(qū)域，地質(zhì)雷達(dá)圖中會(huì)顯示能量較強(qiáng)的反射同相軸，見(jiàn)圖4（1）、（3）、（5），結(jié)果表明：①整個(gè)掌子面前方K1 +938 ～ K1 + 918 m洞段為溶蝕破碎帶，發(fā)育中小規(guī)模溶洞或管道，富水。雷達(dá)波形反映溶腔主要分布在掌子面左前方，左側(cè)巖溶發(fā)育程度較右側(cè)嚴(yán)重，開(kāi)挖時(shí)左側(cè)先遇巖溶，右側(cè)推后。②右邊墻K1+960 ～ K1+940 m段下部深 20.00 m內(nèi)裂隙發(fā)育，局部溶蝕，有分散滲水，其中腰線中下部較上部溶蝕程度稍強(qiáng)。 ③左邊墻K1+960 ～ K1+940 m段下部深20.00 m內(nèi)裂隙發(fā)育，局部溶蝕，有分散滲水，K1+945 ～K1+940 m 探測(cè)深度內(nèi)裂隙發(fā)育，局部溶蝕成縫或溶孔，含裂隙水。

針對(duì)巖溶破碎帶的處理選擇灌漿方案，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，需要灌漿的部位不僅包括掌子面前方，還包括已開(kāi)挖洞壁兩側(cè)。在灌漿范圍的選擇方面，縱向長(zhǎng)度應(yīng)不少于20.00 m，橫向?qū)挾仍趲r壁以外5.00 m范圍內(nèi)。

圖2 掌子面地質(zhì)概況圖

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

3.2 第2次地質(zhì)雷達(dá)

根據(jù)第1次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)情況，需要對(duì)對(duì)前方巖體及已開(kāi)挖洞段側(cè)壁內(nèi)的溶腔進(jìn)行灌漿固結(jié)。灌漿結(jié)束后，進(jìn)行第2次地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試，測(cè)線位置不變。成果圖像見(jiàn)圖4（2）、（4）、（6）。

第 1 條測(cè)線反映，掌子面下部正前方K1 + 932 ～ K1 +924 m靠洞軸線部位巖體溶蝕破碎，發(fā)育溶縫或小溶洞，富水跡象明顯，靠左右邊墻側(cè)不明顯；K1 + 938 ～ K1 +932 m段裂隙發(fā)育，有溶蝕，但巖體破碎程度較灌漿前有明顯改善，特別是左邊墻附近原推測(cè)的溶洞跡象反映已不很明顯，富水跡象也沒(méi)有灌漿前表現(xiàn)明顯。 右邊墻K1 +960 ～ K1 + 940 m段探測(cè)深20.00 m內(nèi)探測(cè)情況與灌漿前雷達(dá)探測(cè)結(jié)果無(wú)明顯變化；左邊墻 K1 + 960 ～ K1 + 940 m 段探測(cè)深 20.00 m 內(nèi)巖體完整程度及富水跡象較灌漿前有一定改善。

圖4 灌漿處理前后2次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖

第 2 條測(cè)線反映，掌子面中部正前方K1 + 923 ～ K1 +910 m段總體裂隙發(fā)育，巖體溶蝕較破碎，富水跡象較明顯；K1 + 940 ～ K1 + 923 m段裂隙發(fā)育，有溶蝕，左側(cè)巖體破碎程度較灌漿前有所改善，原推測(cè)的溶洞跡象表現(xiàn)程度明顯降低，富水跡象也較灌漿前有所降低。右邊墻K1 + 945 ～K1 + 940 m段探測(cè)深20.00 m內(nèi)探測(cè)情況與灌漿前雷達(dá)探測(cè)結(jié)果無(wú)明顯變化；左邊墻 K1 + 945 ～ K1 + 940 m段探測(cè)深20.00 m 內(nèi)巖體完整程度變化不明顯，但富水程度較灌漿前略有降低。

第3條測(cè)線反映，掌子面上部正前方 K1 + 940 ～K1 + 925 m 段裂隙發(fā)育，有溶蝕，但巖體破碎程度較灌漿前有一定改善，左邊墻附近原推測(cè)的溶洞跡象已不明顯，富水程度也較灌漿前有所降低。右邊墻K1 + 945 ～ K1 + 940 m段探測(cè)深20.00 m內(nèi)探測(cè)情況與灌漿前雷達(dá)探測(cè)結(jié)果無(wú)明顯變化；左邊墻K1 + 945 ～ K1 + 940 m段探測(cè)深 20.00 m內(nèi)巖體完整程度及富水跡象較灌漿前有一定改善。

探測(cè)結(jié)果表明灌漿處理后，巖溶破碎帶已有明顯改善，原先連通的溶腔已被水泥漿液充填，為提高探測(cè)精確度，局部進(jìn)行智能鉆孔全景成像技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。

3.3 智能鉆孔全景成像

鉆孔成像目的是了解掌子面前方巖溶發(fā)育情況、巖體完整狀況及灌漿處理初步情況，對(duì)于左側(cè)原先較破碎的區(qū)域，利用掌子面已打好的 2 個(gè)灌漿孔進(jìn)行孔內(nèi)全景數(shù)字成像測(cè)試，測(cè)試孔孔深20.00 m，孔徑90 mm。圖5為全景成像圖。圖5顯示掌子面前方 20.00 m檢測(cè)范圍內(nèi)，總體裂隙發(fā)育，巖體完整性差至破碎，部分腔體已被水泥漿液充填，在鉆孔內(nèi)多處見(jiàn)水柱沿孔壁冒水，但水壓力不大，表明可以進(jìn)行施工開(kāi)挖作業(yè)。

圖5 全景成像圖

3.4 超前導(dǎo)洞與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)

超前導(dǎo)洞開(kāi)挖具有安全可靠、可直接觀察圍巖情況、處理方案可靈活實(shí)施的優(yōu)勢(shì)。因此，進(jìn)一步采用超前導(dǎo)洞及導(dǎo)洞內(nèi)布置地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方式，導(dǎo)洞位于掌子面中部下方，從右壁至掌子面至左壁分別布置2條測(cè)線，延長(zhǎng)6.00 m，即測(cè)線尾端延伸至未開(kāi)挖導(dǎo)洞前掌子面（樁號(hào)K1+940 m，見(jiàn)圖6）。地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果見(jiàn)圖7，圖7顯示導(dǎo)洞掌子面正前方探測(cè)深度內(nèi)未反映有明顯富水異常，推測(cè)巖體較完整，局部分散水；右邊墻K1+940 ～ K1+934 m段探測(cè)深5.00 ～ 10.00 m內(nèi)發(fā)育溶蝕裂隙，巖體較破碎，有賦水跡象；左邊墻K1+940 ～ K1+934 m 段探測(cè)深 5.00 m 內(nèi)巖體裂隙發(fā)育，溶蝕，巖體較破碎，有賦水跡象，但較處理之前已有明顯改善。探測(cè)結(jié)果顯示水泥漿有效填充溶腔，為再次開(kāi)挖提供有利條件。

圖6 導(dǎo)洞及測(cè)線布置圖

圖7 地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了處理巖溶地質(zhì)帶過(guò)程中，運(yùn)用綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，為施工處理提供決策依據(jù)，明確了灌漿范圍，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證灌漿的有效性，得出結(jié)論：

（1）超前預(yù)報(bào)技術(shù)與巖溶破碎帶施工處理緊密結(jié)合，合理運(yùn)用綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)可進(jìn)行方案的確定并有效指導(dǎo)施工。

（2）地質(zhì)雷達(dá)能夠提供準(zhǔn)確破碎帶及富水等不良地質(zhì)情況，通過(guò)灌漿前后2次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，印證了灌漿處理方案的有效性。

（3）智能鉆孔全景成像技術(shù)可對(duì)局部重點(diǎn)部位進(jìn)行加強(qiáng)探測(cè)，與地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果結(jié)合，提高預(yù)報(bào)的精確性。

（4）導(dǎo)洞開(kāi)挖與地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合，具有再次處理靈活、保證開(kāi)挖安全的作用。