超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在夾巖水利樞紐工程長石板隧洞開挖中的應(yīng)用

郭毅 胡畔 劉驊彪

摘要：夾巖水利樞紐工程深埋長隧洞穿越強(qiáng)巖溶地層，地下巖溶管道、暗河發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工安全隱患較大。該工程長石板隧洞果木洼地淺埋段地下水豐富，在施工過程中選擇了TSP203地震反射波+加深炮孔法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。介紹該方法在輸水隧洞淺埋段的使用情況及取得的效果。結(jié)果表明：采用上述超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，安全完成了該段的開挖工作，實(shí)際開挖的地質(zhì)條件與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果相吻合。該方法耗時(shí)短、費(fèi)用低，適合在圍巖地質(zhì)條件差、地下水豐富地區(qū)的隧洞開挖中使用。

關(guān)鍵詞：淺埋段隧洞;地質(zhì)超前預(yù)報(bào);地震反射波;隧洞開挖;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號(hào)：U452.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.004

Abstract： The deeply buried long tunnel of the Jiayan Hydro-complex Project passes through strong karst strata where the underground passages and rivers are well developed and the geological conditions are complicated， threatening construction safety. The underground water at the shallow-buried section of Guomu low-lying area of Changshiban tunnel is abundant， the advance geological forecast method using TSP203 seismic reflection plus deepened blasthole was adopted in the construction process. The application of this method in shallow-buried section of the water diversion tunnel and its effect are introduced. The results showed that the excavation was completed safely by using the method， and the actually excavated geological conditions were consistent with the forecasted results. The method is time saving and low cost， which is suitable for the tunnel excavation in areas of poor surrounding rocks and abundant underground water.

Key words： shallow-buried tunnel; advance geological forecast; seismic wave reflection; tunnel excavation; Jiayan Hydro-complex Project;Guizhou Province

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程（以下簡稱“夾巖工程”）是國家重點(diǎn)水利工程，其主要功能是城鄉(xiāng)供水和灌溉，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。該工程灌區(qū)輸水隧洞橫穿烏蒙山脈，平均埋深300～620 m（王家壩隧洞長19.2 km，貓場隧洞長15.7 km，水打橋隧洞長20.6 km，長石板隧洞長15.4 km）。該項(xiàng)目位于典型的喀斯特地區(qū)，巖石性質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，需穿越巖溶地層和地下暗河，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，富水地區(qū)極可能暴露出富水?dāng)鄬雍蛶r溶發(fā)育，巖溶和地下水問題尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)隧洞穿過暗河管道時(shí)，最大進(jìn)水量超過2 m3/s，施工存在較大安全隱患。

夾巖工程長石板隧洞果木洼地淺埋段位于長石板隧洞K8+140～K8+270段（長130 m），埋深40～52 m，隧洞穿越地層巖性為T1yn4中至厚層溶塌角礫巖、泥質(zhì)白云巖，T1yn4中至厚層灰?guī)r上部夾少量中至厚層泥質(zhì)白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r。地下水類型為基巖裂隙水、巖溶溶隙水，洞身段處于地下水位以下。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

目前，在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧洞施工過程中大力推行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)指導(dǎo)施工。由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法很多，采用一種方法進(jìn)行預(yù)報(bào)容易出現(xiàn)預(yù)報(bào)結(jié)果不準(zhǔn)確的情況?，F(xiàn)階段，我國隧洞施工中常用“物探法+鉆探法+地質(zhì)分析法”進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，該方法準(zhǔn)確性較高。通過合理的隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，能夠減少或避免隧洞施工安全事故的發(fā)生，提高隧道工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)目的

夾巖工程隧洞總長達(dá)185 km，屬于隱蔽工程，受到勘察設(shè)計(jì)精度和其他因素的制約，單純依靠勘察設(shè)計(jì)單位前期提交的設(shè)計(jì)圖紙，無法準(zhǔn)確判斷出隧洞前方的地質(zhì)情況。而在施工過程中，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以查明隧洞掌子面前方可能存在的較大不良地質(zhì)缺陷的規(guī)模、空間分布情況等，以便在施工過程中輔助設(shè)計(jì)單位及時(shí)做出正確的處理預(yù)案，特別是汛期，可以有效地預(yù)測并預(yù)防涌水涌泥等突發(fā)事故的發(fā)生，確保工程施工順利進(jìn)行，避免安全事故或造成人員傷亡。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容

（1）不良地質(zhì)預(yù)測及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方未掘進(jìn)段10～150 m范圍內(nèi)有無富水、突泥、溶洞空腔等情況，并查明其范圍區(qū)域、規(guī)模大小、具體性質(zhì)，提出合理的施工措施或處理建議。

（2）水文地質(zhì)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)隧洞內(nèi)富水段突涌水量及可能的變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)其對(duì)施工環(huán)境的影響。

（3）裂隙及其破碎帶的預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)裂隙的大致位置、涉及寬度、產(chǎn)狀分布、充填物的狀態(tài)是否為充水裂隙，并判斷裂隙穩(wěn)定程度，提出合理的施工對(duì)策。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用

夾巖工程采用地質(zhì)調(diào)查宏觀預(yù)測、TSP長距離物探預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)短距離物探預(yù)報(bào)、紅外探水物探預(yù)報(bào)、超前探孔鉆探預(yù)報(bào)、加深炮孔鉆探預(yù)報(bào)等多種方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，堅(jiān)持多種預(yù)報(bào)方法在前，先探測后掘進(jìn)，力求最大限度查明隧洞不良地質(zhì)體和地下水狀況，以確保隧洞施工安全[1]。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選擇

根據(jù)初步設(shè)計(jì)提供的地勘資料，長石板隧洞果木洼地淺埋段存在基巖裂隙水、巖溶溶隙水，洞身段處于地下水位以下。在掘進(jìn)至此段時(shí)，提出了以TSP長距離物探預(yù)報(bào)為主，其他短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

（1）TSP203地震反射波+地質(zhì)雷達(dá)法。利用地質(zhì)雷達(dá)探測隧洞掌子面前方20 m范圍內(nèi)破碎帶、空洞效果較好的特點(diǎn)進(jìn)行組合[2]，但地質(zhì)雷達(dá)無法較準(zhǔn)確探明隧洞前方的地下水情況。

（2）TSP203地震反射波+超前探孔法。結(jié)合TSP長距離物探的結(jié)果，有針對(duì)性地布孔，利用地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)掌子面前方20～30 m范圍進(jìn)行鉆孔取芯，通過鉆孔效率、出水量大小、沖洗液顏色、巖芯性質(zhì)判斷隧洞前方圍巖類別和地下水情況[2-3]。通過該方法能準(zhǔn)確預(yù)判掌子面前方的情況，但由于鉆孔取芯時(shí)間較長和價(jià)格較高，不利于工期和投資控制。

（3）TSP203地震反射波+加深炮孔法。加深炮孔可與掌子面炮孔同時(shí)作業(yè)。一般加長鉆桿在掌子面前方6～9 m，可通過鉆孔效率、出水量大小、出水顏色判斷隧洞前方圍巖類別和地下水的情況，該方法鉆孔速度快，價(jià)格低，利于控制工期和投資[2-3]。

長石板隧洞果木洼地淺埋段地下水發(fā)育豐富，初步設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行了勘察，故在施工過程中選擇超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法時(shí)選用了有利于工期和投資控制的TSP203地震反射波+加深炮孔法。本文主要介紹地震反射波超前預(yù)報(bào)法（TSP）和加深炮孔法在輸水隧洞淺埋段配合使用及取得的效果。

3.2 TSP203地震反射波超前預(yù)報(bào)法

沿著隧洞邊墻的巖體內(nèi)引爆少量炸藥，便可產(chǎn)生地震波信號(hào)。在TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)中采用高靈敏的具有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的傳感器和一對(duì)21位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證該測量系統(tǒng)具有較大的地震波記錄范圍，通過TSPwin軟件處理可以獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射在探測范圍內(nèi)的2D或3D空間分布。通過分析這些信息能夠?qū)λ矶垂ぷ髅媲胺絿鷰r工程地質(zhì)情況的性質(zhì)、位置和規(guī)模進(jìn)行比較準(zhǔn)確的探測和預(yù)報(bào)，可預(yù)報(bào)隧洞前方100～150 m范圍內(nèi)及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)狀況。

3.2.1 現(xiàn)場布設(shè)及使用過程

（1）鉆孔。接收孔：在長石板隧洞里程K8+080的右邊墻位置布置1個(gè)地震波信息接收孔，接收孔直徑為φ50 mm，距掌子面60 m，距第一個(gè)爆破孔17 m，孔深約為1.8 m，孔高約1.2 m。爆破孔：在長石板隧洞K8+097～K8+126的右邊墻，第一個(gè)爆破孔距接收孔17 m，其余19個(gè)爆破孔按約1.5 m的間距布置呈直線分布，分別激發(fā)地震波，孔徑約為φ45 mm，孔深約1.5 m。

當(dāng)接收孔和爆破孔鉆孔完成后，采用孔徑稍小于鉆孔孔徑的PVC管保護(hù)鉆孔防止塌孔，埋設(shè)完接收器或炸藥后再將PVC管取出。圖1為TSP203地震反射波觀測、接收系統(tǒng)平面示意。

（2）接收器埋設(shè)。在現(xiàn)場測試前至少12 h，將特殊接收器套管插入孔中，并將環(huán)氧樹脂注入到孔中以使其與周圍的巖體粘結(jié)，保持接收器套管和周圍的巖體耦合良好。在現(xiàn)場測試中，將接收傳感器安裝在專用外殼中，并將電纜連接到TSP主機(jī)。

（3）炸藥埋設(shè)。牢固連接瞬時(shí)動(dòng)力雷管和炸藥，將其插入爆炸孔底部，然后向孔中注水。電雷管的兩根導(dǎo)線在孔的外側(cè)連接到雷管。每個(gè)爆破孔根據(jù)周圍巖石的硬度和完整性以及與接收傳感器位置的距離（爆破孔中的裝藥量約為66～150 g），填充不同數(shù)量的乳化炸藥。

（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。收集爆破信號(hào)時(shí)，應(yīng)停止周圍300 m之內(nèi)的所有施工干擾。 地震波從第一個(gè)爆破孔（靠近接收傳感器）被激發(fā)。記錄器將同時(shí)啟動(dòng)并記錄地震波信號(hào)，記錄右壁傳感器的3個(gè)分量信號(hào)。自動(dòng)記錄后，地震波會(huì)在其他發(fā)射孔中激發(fā)，并收集現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，直到記錄最后一次發(fā)射。該測試實(shí)際上發(fā)射了20炮，并記錄了20次地震波數(shù)據(jù)。

3.2.2 探測數(shù)據(jù)處理及分析

TSPwin地震數(shù)據(jù)處理程序主要有12個(gè)步驟（數(shù)據(jù)設(shè)置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、炮能量均衡、Q值估計(jì)、反射波提取、Q濾波、P波和S波分離、速度分析、深度偏移、反射層提?。?，反射層提取后，反射層中主要反映探測范圍內(nèi)幾何空間上的構(gòu)造物理信息（包括反射強(qiáng)度和反射極性），TSP處理成果的解釋應(yīng)遵循下述準(zhǔn)則。

（1）反射幅度越強(qiáng)，反射系數(shù)越大，彈性阻抗的差異越大。正反射幅度表示正反射系數(shù)，即堅(jiān)硬巖石。負(fù)反射幅度表示巖石較弱。

（2）如果橫波（S）反射比縱波（P）反射強(qiáng)，則表明在反射巖石中富含有鹽水或飽和水。

（3）縱波波速（Vp）/橫波波速（Vs）增加或泊松比突然增大，通常是由流體的存在而引起。

（4）若縱波波速（Vp）下降，則表明裂隙度或孔隙度增加。

（5）根據(jù)TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合前期TSP預(yù)報(bào)成果及工程地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，判斷掌面前的地質(zhì)狀況，推測不良地質(zhì)體的特征和位置，分析地下水的發(fā)生和圍巖的完整性，并預(yù)測掌子面前的圍巖類型。

3.2.3 探測結(jié)果

結(jié)合設(shè)計(jì)，地勘探測結(jié)果為：前方隧洞洞身段巖體埋深淺，巖性主要為溶塌角礫巖、泥質(zhì)白云巖，遇水易軟化，巖體風(fēng)化破碎嚴(yán)重，以全風(fēng)化為主，巖體破碎～極破碎，巖質(zhì)軟～極軟，節(jié)理裂隙很發(fā)育，裂隙夾黏土，地下水發(fā)育。應(yīng)配合鉆探手段查明水質(zhì)、水量后制定合理的處理措施。圖2為TSP203地震波探測得到的反射層位及物理力學(xué)參數(shù)探測結(jié)果截圖。

3.3 加深炮孔法

加深炮孔探測是利用風(fēng)鉆或鑿巖臺(tái)車等在隧洞開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法。加深炮孔探測適應(yīng)于各種地質(zhì)條件下隧洞的超前地質(zhì)探測，尤其適用于巖溶發(fā)育區(qū)。依靠對(duì)鉆進(jìn)速度和巖渣變化以及鉆孔涌水狀況、水壓、水量、顏色、水質(zhì)等預(yù)測前方圍巖、地下水變化。

3.3.1 現(xiàn)場布設(shè)及使用過程

根據(jù)長石板隧洞果木洼地段斷面結(jié)構(gòu)形式和不良地質(zhì)情況，使加深炮孔與掌子面炮孔同時(shí)作業(yè)，在隧洞每一循環(huán)開挖爆破時(shí)布置5個(gè)加深炮孔并結(jié)合200°的外插角探測掌子面前方9 m的圍巖情況。

3.3.2 探測結(jié)果

長石板隧洞在里程K8+136使用加深炮孔時(shí)，打鉆過程中出現(xiàn)了鉆孔工效降低、鉆孔過程中卡鉆、孔內(nèi)涌水量增大、孔內(nèi)涌泥等情況。判斷隧洞前方巖性主要為溶塌角礫巖、泥質(zhì)白云巖，遇水易軟化，地下水豐富，且涌水量較大，容易發(fā)生涌水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害。

4 超前地質(zhì)探測預(yù)報(bào)結(jié)果及處理措施

綜合隧洞K8+140～K8+270（130m）段TSP地震反射波超前預(yù)報(bào)法和加深炮孔法的預(yù)報(bào)成果，結(jié)合掌子面地質(zhì)隧洞素描和地質(zhì)勘察相關(guān)資料，得到如下結(jié)論及處理措施。

（1）在K8+140、K8+154、K8+177、K8+198、K8+218附近存在軟弱夾層或節(jié)理密集帶，具備巖溶發(fā)育條件，該段位于果木盆地，地勢(shì)低洼，地表水豐富，易發(fā)生涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，預(yù)報(bào)該段總體圍巖類型為V類。

（2）根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)施工組織進(jìn)行了及時(shí)調(diào)整，封閉掌子面，對(duì)掌子面增加超前大管棚灌漿和深孔固結(jié)灌漿，改良前方地層的穩(wěn)定性，為后續(xù)施工提供基礎(chǔ);同時(shí)在施工過程中，對(duì)前段施工全過程做好監(jiān)控量測，做好應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全。

5 超前地質(zhì)探測預(yù)報(bào)取得的效果

夾巖工程長石板果木洼地淺埋段，通過采用TSP203地震反射波+加深炮孔的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法，已安全完成了該段的開挖工作，實(shí)際開挖的地質(zhì)條件與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果相吻合。該方法耗時(shí)短、費(fèi)用低，適合在圍巖地質(zhì)條件差、地下水豐富的短進(jìn)尺隧洞開挖中使用。

6 結(jié) 語

TSP203地震反射波超前預(yù)報(bào)法和地質(zhì)雷達(dá)探測預(yù)報(bào)法均屬于物探法預(yù)報(bào)，利用波的反射原理和各種特性，通過特殊計(jì)算方式預(yù)報(bào)隧洞前方地質(zhì)情況，適用于長距離和短距離的地質(zhì)預(yù)報(bào)。加深炮孔法屬于鉆孔探測法，可在不單獨(dú)占用施工時(shí)間的情況下進(jìn)行，精準(zhǔn)度高，適用于短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)，如遇涌水涌泥地段，可預(yù)測涌水量和含泥量等信息。夾巖工程灌區(qū)輸水深埋長隧洞施工全段采取TSP203中長距離預(yù)報(bào)在前，短距離加深炮孔法預(yù)報(bào)在后的方法，先探后掘。目前洞室開挖已基本完成，預(yù)測到較大涌水20余次、涌泥4次，均及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，避免了安全事故和人員傷亡事故，確保了工程施工的順利進(jìn)行，并取得較好效果。該工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值得在水利工程施工中推廣應(yīng)用。

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（編輯：李 慧）