引水隧洞中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用研究

游洋

摘要：近年來，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在我國的發(fā)展較為迅速并在實(shí)際工程預(yù)報(bào)中取得了較好效果，但不同的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中均有一定的局限，為使超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)效果最優(yōu)化、最大限度的提升預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，就需要結(jié)合施工地的實(shí)際情況對(duì)不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用。基于此，文章在對(duì)現(xiàn)階段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的常見方法、問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了相關(guān)的應(yīng)用優(yōu)化建議和組合使用建議，并結(jié)合工程實(shí)例實(shí)際探討了引水隧洞中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用效果，以供參考。

關(guān)鍵詞：引水隧洞;綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù);應(yīng)用;研究

一、引水隧洞中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的常用方法及存在的問題

（一）地面地質(zhì)調(diào)查法

地面地質(zhì)調(diào)查法是一種長(zhǎng)期超前的地質(zhì)預(yù)測(cè)方法，主要根據(jù)地下地表結(jié)構(gòu)的相關(guān)原理，對(duì)隧洞附近地段進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，得到不良地段的輪廓，預(yù)測(cè)范圍在200m左右，在實(shí)際施工作業(yè)中應(yīng)用性強(qiáng)，成本低[1]。

地質(zhì)調(diào)查包括隧洞勘察設(shè)計(jì)資料的收集與分析、隧洞工程地質(zhì)及水文地質(zhì)面補(bǔ)充調(diào)查、隧洞內(nèi)地質(zhì)素描。常用于隧洞可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的初步預(yù)測(cè)，適用于各種地質(zhì)環(huán)境。當(dāng)隧洞埋深較小，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單時(shí)，精度較高。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于預(yù)測(cè)范圍相對(duì)狹窄，很難預(yù)測(cè)深部地質(zhì)水平，特別是地層巖性的變化，以及巖石結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜多變，增加了隧洞綜合地質(zhì)預(yù)測(cè)的難度。

（二）TSP法

在隧洞信息化施工過程中，TSP法是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)中最常用的方法。通過地震波反射特征，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧洞施工150m范圍內(nèi)的特殊地質(zhì)條件和巖石性質(zhì)[2]。TSP法還可以提供隧洞信息化施工所需的楊氏模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)，從而促進(jìn)施工的穩(wěn)定發(fā)展。該方法能夠通過精確的預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)圍巖的等級(jí)和屬性進(jìn)行信息反饋，便于施工。在實(shí)際應(yīng)用中，能準(zhǔn)確地對(duì)不良地段進(jìn)行信息反饋，提高施工效率。

但不足在于其對(duì)斷層、節(jié)理、軟弱巖層界面異常帶在探測(cè)成果圖中的顯示較為相近，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的人員或在解釋水平不高的情況下，將很難對(duì)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的異常帶進(jìn)行區(qū)分，造成判斷失誤，繼而影響工程進(jìn)度和施工安全性。

（三）地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)方法不同于上述兩種方法，而是一種短程電磁波預(yù)報(bào)方法，通過利用電磁波在隧洞開挖前方巖體中的傳播和反射特性，根據(jù)反射脈沖波的傳播速度和傳播時(shí)間的方式，可以預(yù)測(cè)隧洞開挖面前方的地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)距離一般為10m-30m，適用于巖溶、斷層破碎帶、軟弱夾層、富水?dāng)鄬?、地下河等非均質(zhì)地質(zhì)體或其它含水巖層的預(yù)測(cè)。具有分辨率高、無損傷、檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理速度快、移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。

但最大的缺點(diǎn)是可預(yù)報(bào)范圍小，只能控制在30m以內(nèi)，用這種方法預(yù)報(bào)時(shí)，很難克服施工隧洞中的干擾因素，影響探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，信息的準(zhǔn)確性通常只能保證在10米以內(nèi)。

二、引水隧洞中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化建議

（一）科學(xué)理論指導(dǎo)

在隧洞施工過程中，施工地的地質(zhì)要素與周圍地質(zhì)系統(tǒng)的相互作用通常被視為一個(gè)整體系統(tǒng)，在對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

第一，整體性原則。要從整體出發(fā)，明確整體性原則，即從整體出發(fā)，認(rèn)識(shí)要素之間的非加性關(guān)系[4];

第二，動(dòng)態(tài)原則。系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都是靈活的，在應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持每個(gè)構(gòu)成要素都是靈活的，都是可變動(dòng)的的思想。

第三，合理優(yōu)化原則。這就要求在建設(shè)過程中，把建設(shè)中存在的問題統(tǒng)籌兼顧，實(shí)現(xiàn)效益最大化。例如，通過新技術(shù)的檢測(cè)，可以知道隧洞圍巖存在不良地質(zhì)，類似于高應(yīng)力軟巖的問題。如果施工開挖，會(huì)影響隧洞的施工，甚至導(dǎo)致變形。此時(shí)，合理的做法是不支護(hù)隧洞，讓其自然變化，直至變形程度減輕。

（二）定性分析

定性分析需要利用地質(zhì)地面調(diào)查方法來預(yù)測(cè)隧洞建設(shè)范圍。然后，根據(jù)具體情況，采用編錄、素描等方法，對(duì)存在較大問題的領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)、詳細(xì)的分析和探討。

（三）定量分析

定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，確定隧洞施工過程中不良地質(zhì)地段的類別和特征，并通過一定的公式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和定位[5]。此外，還可以利用一定的儀器設(shè)備，合理采集和限制重要地段的參數(shù)，做好隧洞監(jiān)控作業(yè)，結(jié)合具體情況為隧洞施工提供一定的科學(xué)數(shù)據(jù)。

三、工程實(shí)例分析

（一）工程概況

本次研究選取的隧洞位于秦嶺腹地，屬于秦嶺中山區(qū)。山脈總體呈東西走向。太白盆地分布于近東西向的山區(qū)。盆地南北山區(qū)為構(gòu)造侵蝕地貌，海拔1700～3500m，河谷發(fā)育，植被茂密。盆地東西長(zhǎng)約15公里，南北寬3-5公里。盆地東部五里坡是長(zhǎng)江水系與黃河水系的分水嶺，海拔1800-2000m，隧洞穿越區(qū)位于太白盆地南緣，東高西低，海拔1600-1800m。施工段的圍巖主要為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、鉀質(zhì)花崗巖，圍巖類別以Ⅱ類為主。

（二）綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法的應(yīng)用

為了合理安排施工進(jìn)度，配置施工資源，必須對(duì)該區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行宏觀的整體預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)隧洞前方一定范圍內(nèi)的圍巖條件和不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行更加精確的預(yù)測(cè)。從上文分析可知，不同地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法都有一定的局限性。為此，本項(xiàng)目探索了隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，制定了隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程。如圖1所示。

通過對(duì)區(qū)域地質(zhì)、歷次地質(zhì)勘探成果及開挖揭露的地質(zhì)條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬定補(bǔ)充地表調(diào)查路線，確定重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容，開展補(bǔ)充地表調(diào)查，復(fù)核歷次地質(zhì)資料，綜合對(duì)比不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)各自的優(yōu)劣勢(shì)，結(jié)合本隧洞工作面地質(zhì)錄井，最終擇采用TSP試驗(yàn)進(jìn)行隧洞中長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)測(cè)，采用探地雷達(dá)進(jìn)行隧洞短距離地質(zhì)預(yù)測(cè)。原因如下：（1）地面地質(zhì)調(diào)查法適用于隧洞埋深較小、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的工程施工，此時(shí)才可有較高的精度較高。而本次工程的地層巖性和巖石結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，這將使得該技術(shù)的預(yù)測(cè)精度降低，對(duì)比排除地面地質(zhì)調(diào)查法。（2）地質(zhì)雷達(dá)法雖然適用于多種含水巖層的預(yù)測(cè)，且對(duì)于數(shù)據(jù)的處理速度快，但不足在于可預(yù)報(bào)范圍小，本工程的預(yù)測(cè)范圍較大，采用地質(zhì)雷達(dá)法的費(fèi)用過高且精度不夠，因此予以排除。（3）TSP能夠進(jìn)行大范圍的預(yù)測(cè)，且工程具備經(jīng)驗(yàn)豐富的人員，因此可以有效避免判斷失誤，故最終選擇TSP法。

結(jié)合應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)后得出，里程K15+397～K15+336出現(xiàn)低阻斷裂帶，斷裂帶影響帶為K15+381～K15+360，寬度約21m，聲速約1850m/s，可能出現(xiàn)斷塊，裂隙水較發(fā)育（如表1、圖2所示）。

結(jié)合綜合地質(zhì)超預(yù)報(bào)結(jié)果，提出以下結(jié)論建議：

（1）TBM掘進(jìn)至K15+381～K15+360斷層破碎帶時(shí)，注意地下水的發(fā)育;

（2）巖體穩(wěn)定性差，易發(fā)生局部坍塌，對(duì)此，可以采用超前固結(jié)灌漿加固后及時(shí)掘進(jìn)的方式;

（3）掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，及時(shí)跟進(jìn)。

（三）綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況與隧洞實(shí)際開挖情況比較

K15+397至導(dǎo)流洞進(jìn)口開挖61m后，實(shí)際地質(zhì)情況如下：

（1） K15+397～+383巖體以微風(fēng)化為主，巖體較完整破碎，巖石堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，層間膠結(jié)一般，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，局部有掉塊現(xiàn)象。

（2） K15+383～+358.9巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖體較破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，層間粘結(jié)性差，夾軟弱夾層及粘土，崩塌、崩塌嚴(yán)重，裂隙水發(fā)育，存在斷層擦痕，夾斷層泥，巖體自穩(wěn)性差。

（3） K15+358-+336里程范圍內(nèi)，巖體性質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，由強(qiáng)風(fēng)化變?yōu)槿躏L(fēng)化，巖體較破碎，巖石堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間膠結(jié)一般，呈塊狀結(jié)構(gòu)。

結(jié)果表明，三種方法對(duì)復(fù)雜多變地質(zhì)條件的綜合評(píng)價(jià)與隧洞開挖后的實(shí)際地質(zhì)條件基本一致，對(duì)斷層位置和裂隙影響帶寬度的預(yù)測(cè)與實(shí)際開挖位置相差不大，因此，采用三種方法對(duì)隧洞開挖后的地質(zhì)條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是可行的，綜合方法在復(fù)雜地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中具有重要作用。另外需要指出的是，在圍巖由Ⅲ類進(jìn)入Ⅴ類的工程中，為了實(shí)現(xiàn)安全過渡，本次工程對(duì)于預(yù)報(bào)成果中存在的異常體，進(jìn)行超前鉆探，以探明前方圍巖完整程度，及其含水性狀，并加埋孔口封閉器，同時(shí)利用前期的長(zhǎng)探洞或超前隧洞（掌子在前方的隧洞）已揭露的地質(zhì)條件，為后期施工起到了較好的指導(dǎo)作用。

四、結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代引水隧洞工程大多具有規(guī)模大、施工周期長(zhǎng)、施工難度大、地質(zhì)情況復(fù)雜多變等特點(diǎn)，若不能準(zhǔn)確把握前方施工范圍的地質(zhì)條件，則十分容易引發(fā)塌方、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。因此，在施工前期地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，通過有效、可靠的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，可幫助明確掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖地質(zhì)條件，并用于指導(dǎo)隧洞施工，能夠有效防止工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生?？傊暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)水工隧洞防控作用明顯，水利行業(yè)需進(jìn)一步加大推廣及普及。

參考文獻(xiàn)：

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