小斷面輸水隧洞TBM 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探析

郭燕青，蒙 雷

1.湖北廣播電視大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)基建與維修處，湖北 武漢 430070

1 基本情況

某隧洞穿越區(qū)地面高程 100～700m，屬于丘陵-低山地貌類型，該隧洞沿線主要存在基巖裂隙水，整體水量較為貧乏，且存在局部不均衡，補(bǔ)充來源主要為地表降雨，附近河溝為其排泄基準(zhǔn)面。通過探測(cè)發(fā)現(xiàn)地下水位高程為115.26～145.04m，隧洞處于地下水之下。其沿線的斷層多為膠結(jié)較好的糜棱巖，其透水性較弱，斷層沿線未見泉水出露。根據(jù)計(jì)算，某部位預(yù)測(cè)最大用水量為155.2m3/d［1］。施工時(shí)建議采用超前鉆進(jìn)行預(yù)報(bào)，須根據(jù)施工工法分別采用不同措施處理。

2 TST 方法原理

本次隧洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)方法采用北京同度物探公司研發(fā)的隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng) TST（Tunnel Seismic Tomography），超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中獲得的波速為未開挖巖石的原位彈性波速Vpr，在圍壓條件下波速值較高。各種巖土規(guī)范中作為圍巖工程分類的波速是巖塊卸荷后的波速Vpm。工程中早已發(fā)現(xiàn)兩者之間有較大的差異，兩者的關(guān)系用完整性系數(shù)表征：

完整性系數(shù)的取值：0.15 ≤K ≤0.75；

或可表示為：

這就是說，巖體工程分類中的波速值應(yīng)該比超前探測(cè)得到的波速值低，大約在0.4～0.8 倍之間，取決于巖體的完整性。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅酱嬖诓ㄗ杩共町惖膸r石界面時(shí)，其中一部分地震波信號(hào)會(huì)反射回來，另一部分地震波信號(hào)會(huì)透射進(jìn)入前方介質(zhì)［2］。數(shù)據(jù)通過相關(guān)軟件處理后，便可了解隧洞工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)和位置及規(guī)模。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)每一次預(yù)報(bào)距離與隧洞直徑有關(guān)，一般為100m，需連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后兩次應(yīng)重疊至少10m，以便保障探測(cè)面全覆蓋［3］。

3 儀器設(shè)備

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)硬件包括振動(dòng)震源和信號(hào)采集系統(tǒng)兩部分。信號(hào)采集系統(tǒng)由檢波器、連接線纜及數(shù)字信號(hào)記錄器組成；本次預(yù)報(bào)的振動(dòng)源采用的是TDIS 編碼沖擊震源［4］。

地震信號(hào)記錄器有24 通道，24 位A/D 轉(zhuǎn)換，其中最大采樣頻率156Khz，最大采樣長度100K。檢波器部分為內(nèi)置的IC放大器壓電晶體帶阻尼，頻帶范圍為0.5Hz～5000Hz。TDIS 編碼沖擊震源是一種新型震源。它的工作原理是通過編碼控制震源的重復(fù)頻率，通過相關(guān)處理將小能量信號(hào)累集成大能量信號(hào)，提高信噪比。沖擊震源的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不用打孔，不破壞洞壁。本次預(yù)報(bào)中，沖擊震源使用的參數(shù)為：重復(fù)頻率2～8 次/秒，沖擊時(shí)間50s，沖擊次數(shù)250 次/點(diǎn)，沖擊能量為1.2 萬J/點(diǎn)。

4 測(cè)線布置

本次預(yù)報(bào)區(qū)域?yàn)椋?49+066～248+966。根據(jù)設(shè)計(jì)資料顯示，該區(qū)域?qū)儆诠こ痰刭|(zhì)第4段（247+500～253+450），長 5.950km，圍巖等級(jí)劃分為Ⅱ類，即圍巖基本穩(wěn)定。圍巖為太古界桐柏山群新店組（Arx）混合片麻巖和太古界桐柏山群黃土寨組（Arh）黑云奧長混合片麻巖，呈新鮮狀，地下水活動(dòng)輕微，可能會(huì)有裂隙性滲水現(xiàn)象。隧洞走向?yàn)?100°，片麻理產(chǎn)狀為45～76°∠22～80°，片理走向與洞線交角為35～66°。上覆巖體厚度為 70～646m，其中 樁號(hào)253+973部位鉆孔聲波成果揭示洞身段巖石完整性系數(shù) 0.64，巖體屬于較完整性巖體，圍巖整體穩(wěn)定較好。

表1 隧洞地質(zhì)構(gòu)造分段表

本次TST 數(shù)據(jù)采集采用的方案為：①震源激發(fā)數(shù)總計(jì)8 個(gè)，布置在洞室兩側(cè)壁，其中每側(cè)4 個(gè)；②檢波器采用洞壁表面耦合方式；③檢波器數(shù)總計(jì)8 個(gè)，布置在洞壁兩側(cè)，其中每側(cè)4 個(gè)，間距為2.0m。除每側(cè)第1 個(gè)震源孔距檢波器2m 外，其余激發(fā)點(diǎn)間距均為8m，設(shè)計(jì)點(diǎn)位詳見下圖。由于隧洞施工環(huán)境，實(shí)際布設(shè)與設(shè)計(jì)略有偏差。

圖1 TST 激發(fā)與接收方式

5 結(jié)論

該隧洞掌子面前方100m 內(nèi)圍巖的地質(zhì)體偏移圖像和圍巖波速曲線如下。

利用上述成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果：隧洞TST地質(zhì)超前預(yù)報(bào)報(bào)告，掌子面249+066前方100m區(qū)間內(nèi)，具體分段描述如下表:

根據(jù)TST 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析的成果，各地質(zhì)單元的分析推斷與施工建議如下［6］：

（1）249+066～249+049，長度17m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節(jié)理裂隙欠發(fā)育。

（2）249+049～249+039，長度10m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析［7］，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較差，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在軟弱夾層建議按IIIa 級(jí)圍巖的支護(hù)類型施工并及時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)［8］，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行超挖回填，二次襯砌應(yīng)在初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定時(shí)及時(shí)施作，盡早開挖和澆筑仰拱使隧道形成封閉環(huán)，改善隧道受力分布。

（3）249+039～249+026，長度13m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節(jié)理裂隙弱發(fā)育。

（4）249+026～249+013，長度13m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖圍巖，完整性較差，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。建議按IIIa 級(jí)圍巖的支護(hù)類型施工并及時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行超挖回填，二次襯砌應(yīng)在初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定時(shí)及時(shí)施作，盡早開挖和澆筑仰拱使隧道形成封閉環(huán)，改善隧道受力分布［9］。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造偏移圖和波速V 分布曲線

（5）249+013～248+994，長度19m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節(jié)理裂隙弱發(fā)育。

（6）248+994～248+984，長度10m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析［10］，該段圍巖巖性為片麻巖圍巖，完整性較差，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。建議按IIIa 級(jí)圍巖的支護(hù)類型施工并及時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行超挖回填，二次襯砌應(yīng)在初期支護(hù)變形趨于穩(wěn)定時(shí)及時(shí)施作，盡早開挖和澆筑仰拱使隧道形成封閉環(huán)，改善隧道受力分布。

（7）248+984～248+966，長度18m，原設(shè)計(jì)為II 級(jí)圍巖。通過地震波地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像以及速度曲線并結(jié)合地質(zhì)資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節(jié)理裂隙弱發(fā)育。