隧道“靶向鉆孔”綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探水技術(shù)研究

王書彬

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100076)

1 引言

成蘭鐵路起于成都，對(duì)接蘭渝鐵路，其將是我國一條在海拔3 000 m以上高原修建的“天路”。躍龍門隧道是全線的控制性工程，全長19.981 km，采用雙線分修形式。其穿越我國著名的龍門山山脈，區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)類型多、規(guī)模大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，特殊巖土分布廣泛，工程處理量大，屬于地質(zhì)條件十分復(fù)雜的艱險(xiǎn)山區(qū)極高風(fēng)險(xiǎn)隧道工程。隧址區(qū)往往具有巖溶高水壓、富水、溶洞及斷層發(fā)育的地質(zhì)特征，施工過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)料的不良地質(zhì)災(zāi)害，如突水、突泥、坍塌等，一旦發(fā)生事故將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，施工階段風(fēng)險(xiǎn)管理遠(yuǎn)高于其它類型隧道。因此在隧道掘進(jìn)前獲取掌子面前方的地質(zhì)信息，是保障隧道安全施工的重要措施。

超前水平鉆孔是最直觀的識(shí)別掌子面前方地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)方法。通過對(duì)鉆速、驅(qū)動(dòng)壓力和出水分析，可以直接獲得掌子面前方巖性、構(gòu)造、地下水、軟弱層等地質(zhì)特征。然而，超前水平鉆孔存在成本高、耗時(shí)長、“一孔之見”容易產(chǎn)生漏報(bào)的缺點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的超前水平鉆孔在掌子面的布設(shè)往往采用固定的三角式分布，無法根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整鉆孔位置和數(shù)目，具有一定盲目性。

2 工程技術(shù)背景

成蘭鐵路躍龍門隧道穿越龍門山山脈，不良地質(zhì)發(fā)育，隧道通過多個(gè)可溶巖段，斷裂裂隙、節(jié)理裂隙發(fā)育密度較大，地下水循環(huán)條件較好，沿裂隙及層面多發(fā)育巖溶化裂隙、微型洞穴和溶蝕孔洞，局部存在管道。巖溶發(fā)育構(gòu)成了隧道施工中的突涌水威脅。此外不同巖性層接觸帶、斷層破碎帶及褶皺核部地帶易富水，也是隧道突涌水的危險(xiǎn)地帶[2]。

以躍龍門隧道3號(hào)斜井灰?guī)r富水段為研究主體，基于由TSP法、瞬變電磁法、激發(fā)極化法組成的超前綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，得到掌子面前方的綜合地質(zhì)信息。根據(jù)綜合預(yù)報(bào)結(jié)論優(yōu)化靶向鉆孔的位置與數(shù)量，既節(jié)省了超前鉆孔的數(shù)量，又有效避免了超前鉆孔存在的“一孔之見”的缺點(diǎn)?？傮w上形成“長距離預(yù)報(bào)與短距離預(yù)報(bào)結(jié)合，二維宏觀探測與三維精準(zhǔn)探測結(jié)合，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與靶向鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合”的新型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[3]。通過施作靶向超前鉆孔，既可以驗(yàn)證綜合超前預(yù)報(bào)結(jié)論，還可對(duì)掌子面前方的含水構(gòu)造進(jìn)行泄水降壓(見圖1)。

圖1 躍龍門隧道3號(hào)斜井掌子面超前水平鉆孔

3 “靶向鉆孔”綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)原理

傳統(tǒng)的針對(duì)隧道突水突泥不良地質(zhì)區(qū)段，結(jié)合多種探測手段形成“長距離預(yù)報(bào)與短距離預(yù)報(bào)結(jié)合，二維宏觀探測與三維精準(zhǔn)探測結(jié)合，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與靶向鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合”的新型超前綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，通過對(duì)現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的組合優(yōu)化應(yīng)用，規(guī)避了單種方法的局限性。施工現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用效果顯著。

3.1 “長距離預(yù)報(bào)與短距離預(yù)報(bào)結(jié)合”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

針對(duì)每一種探測方法探測距離的特點(diǎn)，結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)比分析，TSP法有效探測距離為0～130 m；瞬變電磁法探測距離為20～100 m；超前水平鉆探探測距離為0～150 m；激發(fā)極化法探測距離為0～30 m。長距離超前預(yù)報(bào)探測距離較長，但準(zhǔn)確性稍差，短距離超前預(yù)報(bào)探測距離較短，但準(zhǔn)確性較高。兩者的結(jié)合可以取長補(bǔ)短，有效提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[4]。綜合各種探測方法，確定探測距離為30 m時(shí)綜合預(yù)報(bào)效果最佳。

3.2 “二維宏觀探測與三維精準(zhǔn)探測結(jié)合”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

隧道在復(fù)雜施工條件與地質(zhì)條件下，通過對(duì)現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的組合優(yōu)化應(yīng)用，規(guī)避了單種方法的局限性，還可對(duì)隧道施工可能產(chǎn)生威脅的不良地質(zhì)體進(jìn)行精準(zhǔn)的空間定位，以便更好地采取應(yīng)對(duì)措施。

(1)宏觀定性預(yù)報(bào)——TSP法。屬于地震波探測法，對(duì)可能給隧道施工帶來安全隱患的斷層、破碎帶、采空區(qū)、巖溶富水區(qū)等不良地質(zhì)構(gòu)造具有較好的定性預(yù)報(bào)效果，但很難實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)體的精準(zhǔn)定位(見圖2)[5]。

圖2 TSP超前預(yù)報(bào)原理

(2)二維定位預(yù)報(bào)——瞬變電磁法。是一種時(shí)間域電磁法，對(duì)低阻體有著異常的敏感性。因此在探水方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性，可實(shí)現(xiàn)掌子面前方含導(dǎo)水構(gòu)造及富水區(qū)域的二維精準(zhǔn)定位(見圖3)[6]。

(3)三維定位定量預(yù)報(bào)——激發(fā)極化法。是電法勘探的一個(gè)重要分支。該方法通過采用多同性源陣列式觀測方式，可以實(shí)現(xiàn)隧道掌子面及其周邊區(qū)域(20 m×20 m)、掌子面前方區(qū)域(30 m)的含導(dǎo)水構(gòu)造及富水區(qū)的三維精準(zhǔn)定位(見圖4)。通過二電流半衰時(shí)之差可以對(duì)探測范圍內(nèi)的靜水量進(jìn)行估算[7]。

圖3 瞬變電磁法原理

圖4 激發(fā)極化法原理

3.3 “超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與靶向鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合”技術(shù)

采用超前水平鉆可對(duì)掘進(jìn)前方進(jìn)行0～150 m鉆探，它可以比較直觀地探明鉆孔所經(jīng)過部位的地層巖性、巖體完整程度、巖溶及地下水發(fā)育情況等。尤其在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)必須采用[8]。

但是隨著鉆孔距離越長其鉆探角度偏差也越大，成本高、耗時(shí)長，“一孔之見”容易產(chǎn)生漏報(bào)。結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合判識(shí)結(jié)果，采用超前水平鉆針對(duì)溶槽、溶洞、富水點(diǎn)等部位進(jìn)行“打靶”式鉆孔驗(yàn)證，鉆孔長度依據(jù)含水體賦存狀態(tài)確定，一般不超過30 m。通過優(yōu)化靶向鉆孔的位置與數(shù)量，節(jié)省了施工工期和鉆孔數(shù)量。同時(shí)通過“靶向定位”鉆孔還可對(duì)富水區(qū)域進(jìn)行降壓泄水，利用系統(tǒng)化的反坡排水設(shè)施加強(qiáng)抽排水工作管理，進(jìn)而降低前方未施工區(qū)段的水壓，為后期隧道掘進(jìn)支護(hù)施工降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 “靶向鉆孔”綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施技術(shù)要求及預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)

4.1 靶向超前鉆孔法施工準(zhǔn)備

經(jīng)上述綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，需確定掌子面前方需驗(yàn)證的地質(zhì)構(gòu)造[9]:

(1)斷層、破碎帶；(2)不同巖性交界面；(3)溶洞(干溶洞、充水或充泥溶洞)；(4)含導(dǎo)水構(gòu)造三維展布形態(tài)；(5)富水區(qū)具體位置。

4.2 “靶向鉆孔”設(shè)置原則

(1)靶向鉆孔的設(shè)置應(yīng)首先覆蓋激發(fā)極化法及瞬變電磁法探測到的含水構(gòu)造與富水區(qū)，并以能探測到TSP法預(yù)報(bào)可能存在的不良地質(zhì)構(gòu)造為宜。

(2)一般地段采用沖擊鉆。沖擊鉆不能取芯，但可通過沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿振動(dòng)情況、沖洗液的顏色及流量變化粗略探明巖性、巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、溶洞、暗河及地下水發(fā)育情況等。

(3)復(fù)雜地質(zhì)地段采用回轉(zhuǎn)取芯鉆。一般只在特殊地層、特殊目的地段、需要精確判定的情況下使用。如煤層取芯及試驗(yàn)、溶洞及斷層破碎帶物質(zhì)成分的鑒定。

4.3 靶向鉆孔施作技術(shù)要求

(1)孔數(shù)。斷層、節(jié)理密集帶或其他破碎賦水地層每循環(huán)可只鉆一孔；賦水巖溶發(fā)育區(qū)每循環(huán)宜鉆3～5孔，揭示巖溶時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加，以滿足安全施工和溶洞處理所需資料為原則。具體孔數(shù)及布置方法應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及物探結(jié)論確定。

(2)孔深。不同地段不同目的的鉆孔應(yīng)采用不同的鉆孔深度。鉆探過程中應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和管理，根據(jù)鉆孔情況可適時(shí)調(diào)整鉆孔深度，以達(dá)到預(yù)報(bào)目的為原則。

(3)孔徑。鉆孔直徑應(yīng)滿足鉆探取芯、取樣和孔內(nèi)測試的要求，并符合現(xiàn)行《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》(TB 10014-2012)的規(guī)定。

富水巖溶發(fā)育區(qū)超前鉆探應(yīng)終孔于隧道開挖輪廓線以外5～8 m。

4.4 “靶向鉆孔”預(yù)報(bào)實(shí)施及評(píng)價(jià)分析

躍龍門隧道3號(hào)斜井段巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，圍巖以寒武系清平組灰?guī)r為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。躍龍門隧道3號(hào)斜井掘進(jìn)至XJ3K0＋396發(fā)生涌水，后續(xù)洞內(nèi)被淹70 m，涌水量約為1 000 m3/h。

施工現(xiàn)場進(jìn)行晝夜抽排水，水位下降后立即組織現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用TSP、瞬變電磁、激發(fā)極化多種預(yù)報(bào)手段(見圖5～圖8)。根據(jù)綜合預(yù)報(bào)判識(shí)得出的三維成像圖、低阻提取圖以及半衰時(shí)之差等數(shù)據(jù)，得出預(yù)報(bào)結(jié)論如下:

(1)XJ3K0＋393～XJ3K0＋380段落:三維反演圖像中掌子面前方出現(xiàn)低電阻率區(qū)域，分布在整個(gè)掌子面下部區(qū)域，電阻率在50 Ω·m左右。二電流半衰時(shí)之差出現(xiàn)正值，推斷可能為導(dǎo)水通道或破碎富水區(qū)。

圖5 TSP法觀測成果圖

圖6 瞬變電磁法測線布置圖及探測結(jié)果

圖7 激發(fā)極化法半衰時(shí)之差

圖8 激發(fā)極化法三維成像結(jié)果與低阻異常區(qū)提取及布孔圖

(2)XJ3K0＋379～XJ3K0＋372段落:三維反演圖像中掌子面出現(xiàn)低電阻率區(qū)域，主要分布在掌子面左側(cè)與中部區(qū)域，電阻率在80 Ω·m左右。二電流半衰時(shí)之差為正值，可推斷為導(dǎo)水通道或破碎富水區(qū)。

(3)XJ3K0＋371～XJ3K0＋363段落:三維反演圖像中掌子面出現(xiàn)低電阻率區(qū)域，分布在掌子面整個(gè)區(qū)域，電阻率在70 Ω·m左右。二電流半衰時(shí)之差為正值，可推斷為導(dǎo)水通道或破碎富水區(qū)。

根據(jù)半衰時(shí)之差數(shù)據(jù)，得出掌子面前方30 m區(qū)域內(nèi)凈水量約為700 m3。

(4)根據(jù)之前得到的綜合預(yù)報(bào)結(jié)論，在掌子面上選擇超前靶向鉆孔的位置進(jìn)行驗(yàn)證。

(5)實(shí)施效果及評(píng)價(jià):跟據(jù)超前靶向鉆孔的現(xiàn)場記錄表，4個(gè)靶向鉆孔均較好地揭示了掌子面前方的含水構(gòu)造，與預(yù)報(bào)結(jié)論吻合。

5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施過程中注意事項(xiàng)

(1)TSP法炮孔和接收器孔的角度應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，以求更好的爆破效果；炮眼的位置應(yīng)保持在同一水平面上，間距應(yīng)按要求控制均勻，如遇到拱架或格柵鋼筋，可適當(dāng)調(diào)整[10]。

(2)瞬變電磁法要60 m左右的探測深度，選擇2 m×2 m的矩形線框較為合適；探測時(shí)須將探測線框盡量平行貼近掌子面(盡量耦合)，以達(dá)到最佳觀測效果；如遇到隧道內(nèi)鋼拱架(或格柵拱架)緊跟掌子面施工的情況，可將左右邊界測點(diǎn)遠(yuǎn)離邊墻1～2 m探測，以及將鋼拱架(或格柵拱架)等金屬支護(hù)結(jié)構(gòu)退離掌子面至少10 m以外，以減少其對(duì)探測結(jié)果的影響。

(3)激發(fā)極化法測量電極、供電電極、接地電極要通過耦合劑保證與鉆孔牢固耦合(見圖9)；打孔及布設(shè)電極時(shí)要加強(qiáng)量測精度，量測誤差要小于5 cm，如遇到拱架或格柵鋼筋，可適當(dāng)調(diào)整；對(duì)于有明顯異常的采集數(shù)據(jù)，先檢驗(yàn)采集點(diǎn)處的電極是否有松動(dòng)、脫落的現(xiàn)象，之后重新采集。

圖9 激發(fā)極化測量電極及供電電極布置

(4)施作靶向鉆孔時(shí)在鉆機(jī)定位完畢后，應(yīng)通過測量根據(jù)綜合預(yù)報(bào)確定的鉆孔空間位置進(jìn)行精確放樣；當(dāng)巖層由軟變硬時(shí)應(yīng)采用慢速、輕壓鉆進(jìn)一定深度后，改用硬巖層的鉆進(jìn)參數(shù)。鉆進(jìn)中應(yīng)減少換徑次數(shù)。本循環(huán)鉆孔完畢后，根據(jù)測量結(jié)果總結(jié)出鉆具的下沉量，下一循環(huán)鉆探時(shí)通過調(diào)整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，達(dá)到技術(shù)要求的精度[11]。

(5)孔口管錨固可采用環(huán)氧樹脂、錨固劑，亦可采用快凝高強(qiáng)度膨脹的漿液錨固，錨固長度宜為1.5～2.0 m?？卓诠芡舛藨?yīng)露出工作面0.2～0.3 m，用以安裝高壓球閥。

6 “靶向鉆孔”綜合預(yù)報(bào)體系經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

“靶向鉆孔”目標(biāo)性高，可直觀揭示并驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)論中的不良地質(zhì)構(gòu)造，既節(jié)省了超前鉆孔的數(shù)量，又有效避免了超前鉆孔存在的“一孔之見”的缺點(diǎn)。該技術(shù)操作簡單、方便快捷且成本較低，基本不影響隧道正常施工。

6.1 傳統(tǒng)超前水平鉆探預(yù)報(bào)費(fèi)用

按照設(shè)計(jì)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)程要求，由于無詳細(xì)、準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，且不能針對(duì)定量區(qū)域進(jìn)行目的性鉆探，掌子面施工超前水平鉆孔數(shù)量、鉆孔深度都無法預(yù)測。根據(jù)躍龍門隧道1號(hào)斜井下穿高川河段，超前水平鉆探方案每30 m需至少進(jìn)行鉆孔20個(gè)孔，孔深共計(jì)440 m計(jì)算(此處按照整體預(yù)報(bào)90 m富水段進(jìn)行預(yù)報(bào))，超前水平鉆探費(fèi)用總計(jì)約44萬元。

6.2 “靶向鉆孔”新型預(yù)報(bào)費(fèi)用

采用TSP法平均預(yù)報(bào)距離為100 m，每次預(yù)報(bào)施工時(shí)間為4～6 h，取5 h；瞬變電磁法預(yù)報(bào)距離為80 m，預(yù)報(bào)施工時(shí)間為1 h；激發(fā)極化法預(yù)報(bào)距離為30 m，每次預(yù)報(bào)的施工時(shí)間為2.5 h；靶向鉆孔施作時(shí)間隨鉆孔數(shù)量按照5孔，孔深共計(jì)40 m計(jì)算。

(1)材料成本。設(shè)計(jì)采用TSP法預(yù)報(bào)，需要在邊墻鉆炮孔共計(jì)24個(gè)、接收器孔1個(gè)，其每延米預(yù)報(bào)成本為0.247 2＋0.696＋30＝30.94元。其中炸藥24孔成本0.247 2元、雷管0.696元；每次預(yù)報(bào)消耗一根專用接收器管30元。

瞬變電磁法預(yù)報(bào)每次探測深度為80 m，成本為5 000 元/次。

激發(fā)極化法預(yù)報(bào)需要在圍巖、掌子面及底板上鉆孔共計(jì)36個(gè)。預(yù)報(bào)需采用激發(fā)極化法專用電極及耦合劑。每延米預(yù)報(bào)成本40元，超前水平鉆探費(fèi)用總計(jì)14 300元。

(2)設(shè)備購置成本。儀器設(shè)備購置費(fèi)用:TSP 203為230萬元，隧道專用瞬變電磁儀為80萬元，隧道專用激發(fā)極化儀為80萬元。

(3)此處按照整體預(yù)報(bào)90 m富水段進(jìn)行預(yù)報(bào)，合計(jì)費(fèi)用＝30.94×90＋5 000＋14 300×3＝50 684元(約5萬元)。相較于全區(qū)段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法可直接節(jié)約成本39萬元。

6.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

“靶向鉆孔”有針對(duì)性地驗(yàn)證掌子面前方含水構(gòu)造及富水區(qū)，可以節(jié)約鉆孔量、節(jié)省超前鉆探費(fèi)用。及時(shí)改變支護(hù)參數(shù)，確保隧道穿越巖溶區(qū)時(shí)的施工安全，減少由于地質(zhì)變化原因和含水構(gòu)造揭露所帶來的經(jīng)濟(jì)損失[12]。

綜合以上原因分析，采用“靶向鉆孔”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)成本節(jié)約近120萬元，風(fēng)險(xiǎn)降低創(chuàng)效高達(dá)830萬元。

7 結(jié)束語

隧道工程“靶向鉆孔”綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)施工探水技術(shù)通過對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的優(yōu)選，可有效預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)構(gòu)造，推斷含水構(gòu)造三維空間展布形態(tài)并估算探測區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)水儲(chǔ)量。預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高、結(jié)論直觀易懂。依據(jù)綜合預(yù)報(bào)結(jié)果，可針對(duì)性地對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，節(jié)約了鉆孔數(shù)量及施工工期。本技術(shù)在躍龍門隧道施工中的應(yīng)用，確保了隧道安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工，取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。