震波超前探測(cè)技術(shù)在水工隧洞地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

史玉潔，朱建文

（1.山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030012；2.山西中部引黃水務(wù)開發(fā)有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

中部引黃工程西干輸水隧洞主要位于柳林泉域范圍內(nèi)，根據(jù)工程施工支洞已開挖的隧洞圍巖，揭示工程主洞圍巖主要為節(jié)理發(fā)育、圍巖較破碎且伴有滲水。施工過程中對(duì)滲水點(diǎn)（帶狀）進(jìn)行封堵處理，并根據(jù)出水量投入相關(guān)的設(shè)施進(jìn)行抽排作業(yè)。洞內(nèi)正常作業(yè)時(shí)，下游掌子面底板出水點(diǎn)突發(fā)涌水，洞內(nèi)積水急劇增加，經(jīng)過不到一天時(shí)間，水位穩(wěn)定在支洞樁號(hào)K1+065 處，斜長(zhǎng)達(dá)250 m，水頭高達(dá)88 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水測(cè)試、過程分析及實(shí)際排水效果，估算下游突水點(diǎn)涌水量為495 m3/h（包含補(bǔ)給水源）。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

西干線輸水隧洞從呂梁山南麓穿過，沿線地形起伏較大，河流及沖溝發(fā)育，最高山峰為木孤臺(tái)，山頂高程為1976 m，隰縣出水口昕水河河床高程為920 m，相對(duì)高差約1050 m。其中西干線起點(diǎn)至暖泉段為侵蝕構(gòu)造山區(qū)，地面高程為1100 m～1640 m；暖泉至隰縣段為低山及黃土塬區(qū)，地面高程為922 m～1225 m。沿線主要河流有南川河、暖泉河、東石羊河、龍交河、屈產(chǎn)河及城川河等，均為黃河水系；較大的沖溝主要有韓尾溝、老羊頭溝、炭窯溝、岔溝、干河溝、前岔溝、瑪瑙溝、小溝、寺溝等。

2.2 地層巖性

2.2.1 沿線鉆孔巖芯采取率及RQD

本次勘察隧洞沿線共計(jì)10 個(gè)鉆孔，鉆孔巖芯采取率及RQD 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，從中可以看出，三疊系地層、奧陶系下統(tǒng)、寒武體上統(tǒng)地層巖芯采取率及RQD 值較高。需要說明的是，由于已完成的鉆孔數(shù)量較少，且揭露到所統(tǒng)計(jì)地層的鉆孔數(shù)量不均勻（如石炭系地層僅有1 孔揭露），加之鉆孔大多位于溝內(nèi)，可能受到構(gòu)造及應(yīng)力影響，故該項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表有一定片面性。

表1 西干沿線鉆孔巖芯采取率及RQD 值統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 沿線鉆孔聲波測(cè)試成果

本次勘察西干沿線共有9 個(gè)鉆孔進(jìn)行了圍巖巖體聲波測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試成果見表2。據(jù)中莊ZK11D-1 號(hào)鉆孔圍巖巖體聲波測(cè)試成果資料，該段隧洞圍巖巖體縱波波速為3161 m/s～3489 m/s，平均值為 3377 m/s。

表2 中莊ZK11D-1 鉆孔（樁號(hào)28+836）聲波測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

3 探測(cè)目的及任務(wù)

采用震波超前探測(cè)技術(shù)對(duì)8#支洞下游樁號(hào)20+851 處掘進(jìn)迎頭進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘探，探測(cè)范圍為100 m。

4 技術(shù)原理及設(shè)備參數(shù)

4.1 地震勘探技術(shù)原理

震波勘探是以不同巖性的巖層具有不同的彈性的事實(shí)為依據(jù)的。反射共偏移探測(cè)技術(shù)是依據(jù)反射波勘探原理見圖1。

圖1 共偏移距記錄野外施工示意圖

圖2 為共偏移法現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖。適用于礦井煤巖巷道或工作面構(gòu)造及異常地質(zhì)體的調(diào)查工作。

圖2 單道觀測(cè)系統(tǒng)波路圖

根據(jù)反射波勘探原理，以水平反射界面為例，則單道觀測(cè)系統(tǒng)有相應(yīng)波路圖（圖3），且它的時(shí)距曲線方程為：

式中：x 即為偏移距，v 為探測(cè)介質(zhì)的地震波波速，t 為地震波旅行時(shí)間，而h 是目標(biāo)體的界面深度，是需要求解的。

圖3 共偏移巷幫測(cè)線布置

4.2 地震勘探儀器參數(shù)

本次探測(cè)采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)礦井地質(zhì)探測(cè)儀，采用設(shè)備參數(shù)設(shè)置為：觸發(fā)電壓，0.5 V；最小源間距，2 m；道間距，1 m；移動(dòng)步距，2 m；通道數(shù)，采用通道數(shù)為3 道。

5 工作方法及工作量

5.1 震波超前探測(cè)技術(shù)工作方法

采用反射共偏移法（見圖4）進(jìn)行觀測(cè)，錘擊方向和檢波器方向一致。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)時(shí)，在平面范圍內(nèi)朝多個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，以獲得掘進(jìn)迎頭前方盡可能完整的地質(zhì)信息（見圖5）。

圖5 掘進(jìn)隧道迎頭超前探測(cè)示意圖

5.2 震波超前探測(cè)技術(shù)工作量

該隧道掘進(jìn)前方中心線上設(shè)置側(cè)線，探測(cè)隧道方向100 m范圍內(nèi)，測(cè)線上布置19 個(gè)錘擊點(diǎn)，每個(gè)錘擊點(diǎn)為3 道數(shù)據(jù)，共計(jì)57 道。

5.3 震波超前探測(cè)干擾分析及數(shù)據(jù)質(zhì)量

本次探測(cè)作業(yè)時(shí)，各方積極參與大力支持，盡可能減少各種干擾，現(xiàn)場(chǎng)較好，錘擊能量較大，激發(fā)條件好，震動(dòng)干擾小，數(shù)據(jù)可靠。

6 物探解釋成果及建議

本次探測(cè)灰?guī)r、白云巖波速采用經(jīng)驗(yàn)波速4500m/s。圖6 中指示區(qū)域?yàn)榻忉尩牟ㄐ萎惓^(qū)域。

圖6 震波超前探測(cè)成果解釋示意圖

探測(cè)范圍內(nèi)存在兩處波形異常界面，位置如下：

Ⅰ號(hào)反射界面：掘進(jìn)前方48 m 附近（標(biāo)示位置）；

Ⅱ號(hào)異常區(qū)：掘進(jìn)前方80 m～95 m 范圍（圈定范圍）；

Ⅰ號(hào)反射界面相對(duì)于其他探測(cè)斷面，反射系數(shù)較大，波形有一定變化，通過分析相關(guān)條件，可以得出Ⅰ號(hào)異常區(qū)主要為灰?guī)r、石灰質(zhì)白云巖、白云巖巖層界面或局部節(jié)理裂隙發(fā)育形成較強(qiáng)反射所致；該異常區(qū)位于隧道掘進(jìn)迎頭的正前方向，對(duì)該區(qū)域請(qǐng)予以重視；

Ⅱ號(hào)波形異常區(qū)相對(duì)于其他探測(cè)范圍，波形有較大變化，通過分析相關(guān)條件，可以得出II 號(hào)異常區(qū)主要為巖層界面或局部節(jié)理裂隙發(fā)育形成較強(qiáng)反射所致，有存在溶洞的可能；該異常區(qū)位于隧道掘進(jìn)迎頭的正前方向，對(duì)該區(qū)域請(qǐng)予以重視。

7 結(jié)論及建議

采用震波超前探測(cè)技術(shù)對(duì)主洞樁號(hào)20+851 處掘進(jìn)迎頭進(jìn)行超前探測(cè)，通過對(duì)數(shù)據(jù)解釋，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，綜合分析探測(cè)范圍（前方100 m 范圍）的水文地質(zhì)情況，具體結(jié)論見表3。

表3 主要相對(duì)低阻異常區(qū)一覽表

異常界面在隧道掘進(jìn)迎頭的正前方向,分析為受巖層界面或節(jié)理裂隙發(fā)育影響，局部有溶洞發(fā)育可能，有涌水可能，采取鉆探等其他探測(cè)方法進(jìn)一步驗(yàn)證，并進(jìn)行超前處理措施，確保掘進(jìn)安全。

地震超期探測(cè)成果圖中解釋的異常界面位置主要受巖層波速的影響較大，因本次探測(cè)巖層柏采用經(jīng)驗(yàn)波速4500 m/s，探測(cè)距離會(huì)有一定誤差，待探測(cè)揭露進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)波速予以修正，提高后續(xù)的探測(cè)精度。對(duì)于測(cè)得的波形異常區(qū)域或界面，請(qǐng)施工方加以重視，應(yīng)采取鉆探等其他方法進(jìn)一步驗(yàn)證。將探測(cè)和驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，完善地層的波形變化特征和實(shí)際地層特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

隧道繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)，對(duì)異常區(qū)域予以重視，提前做好預(yù)防措施，尤其是強(qiáng)排水設(shè)施布置，確保及時(shí)排水，保證安全。

探測(cè)距離的延長(zhǎng)，分辨率也有一定的下降，根據(jù)探測(cè)結(jié)論，建議向前掘進(jìn)探測(cè)距離的70%～80%時(shí)，在對(duì)隧道前方進(jìn)行物探，根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)掘進(jìn)方案適時(shí)調(diào)整，以應(yīng)對(duì)相關(guān)不良地質(zhì)情況。

8 結(jié)語

本次隧道掘進(jìn)迎頭綜合物探技術(shù)超前探測(cè)項(xiàng)目，了解了迎頭正前方100 m 范圍內(nèi)巖層波形變化情況，劃分出了重點(diǎn)防治范圍，為下一步施工過程中防治水提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果可為類似水利隧洞工程穿越復(fù)雜地質(zhì)提供參考。