丁寨防洪排澇隧洞超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用分析

李建林，項海玲，李 勁

（湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，武漢 430056）

隨著我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量地發(fā)展，西部大開發(fā)、一帶一路等政策的實(shí)施，我國的基礎(chǔ)建設(shè)得到高速的發(fā)展。隧道工程不但能克服高程限制，縮短各地路線長度，還能引導(dǎo)水流用以排澇、發(fā)電、輸水等，在交通、水利等工程建設(shè)中顯得尤為重要。隨著公路、鐵路、水利、跨海等高難度隧道工程的發(fā)展，其距離特長、埋深特深、地質(zhì)條件特復(fù)雜等問題隨之增多［1］。隧道工程作為隱蔽工程，其設(shè)計的基本依據(jù)是地質(zhì)勘察資料，施工的依據(jù)主要是設(shè)計文件。但前期地質(zhì)勘察的水平和精度受到技術(shù)方法、現(xiàn)場條件、勘察周期、成本等條件的限制，難以滿足精細(xì)化設(shè)計的要求，特別是對于復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道施工，根據(jù)地勘資料做出的設(shè)計與實(shí)際施工中不符合的情況經(jīng)常發(fā)生［2］，使得復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道工程建設(shè)過程中存在許多安全隱患，主要的安全隱患是隱藏在山體中的不良地質(zhì)，不良地質(zhì)容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，常見的地質(zhì)災(zāi)害有巖爆、突泥、涌水、塌方等［3-6］，此外破碎帶和巖溶等不良地質(zhì)體的存在，也不利于工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全控制［7］。因此在隧道施工時需要提前開展超前地質(zhì)預(yù)報工作，用以補(bǔ)充地質(zhì)勘察工作的不足，進(jìn)一步探明不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模，為提前采取防范措施和及時調(diào)整施工方案提供依據(jù)，確保隧道安全、高效施工。

常用的超前地質(zhì)預(yù)報方法有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法（超前鉆孔法、超前導(dǎo)坑法）、物理探測法（聲波法、電磁法、地震波法）等［8，9］，這些方法的應(yīng)用一定程度上能有效避免不良地質(zhì)體對隧道工程建設(shè)的不利影響，但隧道施工區(qū)域地質(zhì)條件往往具有復(fù)雜性，單一物探法存在各自的缺點(diǎn)［10-12］，通常不能滿足查明不良地質(zhì)情況的要求。為彌補(bǔ)單一物探法的不足，綜合物探預(yù)報法應(yīng)運(yùn)而生，將各種預(yù)報方法優(yōu)勢互補(bǔ)，從而降低預(yù)報的多解性，同時提高預(yù)報的準(zhǔn)確性［13-15］。此外，國外研究者針對隧道TBM 施工提出了新的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，如：德國國家地球科學(xué)研究中心研發(fā)的綜合地震圖像系統(tǒng)（ISIS）具有占用TBM 的掘進(jìn)時間較少，數(shù)據(jù)處理簡單，預(yù)報準(zhǔn)確率高的優(yōu)勢；德國Geohydraulik Data 公司研發(fā)BEAM 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)預(yù)報時不需要TBM停機(jī)，不占用掘進(jìn)時間，可隨著TBM的掘進(jìn)實(shí)時探測。

本文依托咸豐縣新城區(qū)丁寨防洪排澇隧洞工程，針對隧洞施工區(qū)域巖體內(nèi)部巖溶發(fā)育、富水等復(fù)雜地質(zhì)條件，采用地震反射波法與震電效應(yīng)法相結(jié)合的方法，對巖體內(nèi)不良地質(zhì)體及巖體富水情況進(jìn)行探測，并提出了相應(yīng)的工程措施，為隧洞的安全高效開挖提供了保障，同時也為同類工程施工建設(shè)提供了參考。

1 工程概況

湖北省咸豐縣新城區(qū)總用地面積約36 km2，橫跨新城區(qū)的曲江河流域面積達(dá)357 km2，水量充沛，但河道下游為盲谷，主要靠天然溶洞、地下暗河及1條已建成的排洪隧洞泄水，其排洪流量小，導(dǎo)致河道兩岸大片土地和房屋經(jīng)常受淹。咸豐縣新城區(qū)丁寨防洪排澇工程保護(hù)對象為咸豐縣新城區(qū)，能有效地提高咸豐縣新城區(qū)綜合防洪能力，促進(jìn)人與自然和諧相處和生態(tài)文明建設(shè)。丁寨防洪排澇隧洞屬于丁寨防洪排澇工程項目的關(guān)鍵部分，隧洞工程進(jìn)口位于丁寨鄉(xiāng)天星孔，出口位于斷明峽丁寨水電站右岸，隧洞采用城門洞型斷面，無壓明流隧洞，將曲江河洪水通過新建排洪隧洞的形式宣泄至斷明峽河道，隧洞工程布置圖如圖1所示。隧洞全長4 574.1 m，斷面尺寸為9 m×12 m，隧洞進(jìn)口底板設(shè)計高程729 m，出口底板設(shè)計高程548 m，主洞開挖采取從支洞向上游單向進(jìn)尺掘進(jìn)。隧洞線路區(qū)主要以Ⅱ、Ⅲ圍巖為主，部分為Ⅳ、Ⅴ圍巖。工程區(qū)巖性主要為碳酸鹽巖，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，存在溶縫、落水洞、溶洞、天窗、地下管道系統(tǒng)、排泄泉及地下暗河等地下埋藏型巖溶現(xiàn)象，發(fā)育的天星孔地下暗河系統(tǒng)對擬建防洪排澇隧洞影響較大。

丁寨防洪排澇隧洞主要工程地質(zhì)問題有巖溶、涌水及突泥、洞室圍巖穩(wěn)定問題，隧洞穿越區(qū)域地下水豐富，采取爆破開挖的方式進(jìn)行施工，當(dāng)待開挖巖體含水豐富、工程地質(zhì)條件較差時，容易誘發(fā)工程地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致施工安全事故。因此，需要提前做好超前地質(zhì)預(yù)報，通過超前預(yù)報，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化爆破施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時提供信息，提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全。

2 地震反射波法與震電效應(yīng)法超前預(yù)報原理

目前常用的地質(zhì)超前預(yù)報的方法主要有三種：即地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法和物理探測法。地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報距離短，但適用范圍廣，是其他各種地質(zhì)超前預(yù)報的基礎(chǔ)。超前鉆探法屬于破壞性方法，有超前鉆孔法和超前導(dǎo)坑法，速度較慢，在巖溶發(fā)育的喀斯特地貌預(yù)報的準(zhǔn)確率較低。物理探測法可認(rèn)為是無損檢測，目前使用最為廣泛常見的物理探測方法主要有電磁法、地震波法，目前在隧洞施工過程中使用最為廣泛其中地震反射波法勘測范圍長、解釋精度高、耗時較短，還可以分析圍巖的動彈性模量、體積模量、密度以及縱橫波波速進(jìn)行計算，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用普遍。

地震反射波法超前預(yù)報原理是利用地震反射波和繞射波原理，對隧洞掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行探測。由震源產(chǎn)生的地震波向隧洞前方傳播的過程中，遇到巖體中相對大的聲阻抗界面會產(chǎn)生反射波，遇到相對小的聲阻抗界面會產(chǎn)生繞射波，統(tǒng)稱為地震回波。利用設(shè)備采集隧洞圍巖中界面的地震回波，通過專業(yè)處理系統(tǒng)提取回波的界面位置、空間分布、回波極性和回波能量等信息，并結(jié)合隧洞地質(zhì)勘察資料綜合分析，實(shí)現(xiàn)隧洞地質(zhì)超前預(yù)報目的。由掌子面后方炮孔處激發(fā)直接到達(dá)檢波器的地震波叫直達(dá)波，根據(jù)地震波的傳播路徑和時間可估算其在圍巖中傳播速度，進(jìn)而分析巖體的物理力學(xué)性能。地震波傳播反射幾何關(guān)系如圖2所示，可根據(jù)反射時間及巖體地震波速度可估算反射面的位置。

由于地震反射波法在含水巖體的探測工作中不具有優(yōu)勢，而丁寨防洪排澇隧洞是含不良地質(zhì)體的富水隧洞，為做好隧洞巖體的超前地質(zhì)預(yù)報，將地震反射波法與探水方法結(jié)合，解決富水底層的超前地質(zhì)預(yù)報問題。丁寨防洪排澇隧洞選用震電效應(yīng)法用以探測巖體富水情況。震電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制主要是電阻效應(yīng)和流動電勢效應(yīng)。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘叵潞黧w飽和孔隙介質(zhì)中傳播時，帶電液體和骨架會產(chǎn)生非同相振動，引起孔隙液體與固體骨架的相對運(yùn)動，導(dǎo)致電荷密度發(fā)生波動，從而使孔隙流體中的帶電離子形成微電流并在不連續(xù)邊界處將會激發(fā)電磁波，與此相反的逆效應(yīng)亦存在。由于地震反射波法是以炸藥爆破為震源，不管含水地質(zhì)體在隧道掌子面前方、四周及后方，都是以爆破點(diǎn)周圍為原點(diǎn)，地震波向周圍傳播，當(dāng)遇到含水地質(zhì)體時都會產(chǎn)生震電信號；利用觀測信號的極性、時間和一定距離的多次觀測，可以分析含水地質(zhì)體的位置，由此可見將地震反射波法與震電效應(yīng)法結(jié)合對本工程含溶洞、破碎帶、泥質(zhì)夾層等不良地質(zhì)體的富水巖體探測工作具有較好的適用性。

3 超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)場實(shí)施

丁寨防洪排澇隧洞超前地質(zhì)預(yù)報，采用TSEP（Tunnel Seismic eletric Prediction）隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)，是三維地震反射和震電效應(yīng)一體化探測的綜合超前預(yù)報系統(tǒng)。探測使用的儀器為JL-TSEP306 隧道地質(zhì)超前探測儀，由超前探測儀主機(jī)（含軟件）、采集箱、觸發(fā)盒、傳感器、震電電級及相關(guān)配件等組成。JL-TSEP306 隧道地質(zhì)超前預(yù)報觀測示意圖如圖3所示。

激發(fā)孔選擇在構(gòu)造界面與隧道夾角小的一側(cè)洞壁，離掌子面1～10 m 開始，高度1 m 左右，以1.5 m 間距連續(xù)布置24 個。之后退15～20 m 在隧道左右洞壁的相同里程各布置一個接收孔。接收孔深度均為1.7 m，激發(fā)鉆孔深度為1.5 m，接收孔水平布置，激發(fā)孔向下傾斜，傾角約100～150，以方便注水，接收孔向上傾斜，傾角約為50°～10°。炸藥激震的同步信號采取開路觸發(fā)方式，即爆炸的同時觸發(fā)儀器采集，保證地震波信號的時間精度。藥量控制在75～100 g，各孔藥量一致。接收探頭采用定向工具安裝和黃泥直接耦合鉆孔壁。儀器采集參數(shù)設(shè)置中，采樣率選擇125 ms檔，通過選擇采樣點(diǎn)數(shù)保證地震記錄長度不小于100 ms。在地震反射法探測的同時布置X、Y方向的二對電極觀測震電效應(yīng)值。

進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報時，需對激發(fā)炮孔段和掌子面巖體進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，詳細(xì)記錄巖體的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征，探測時掘進(jìn)面巖性情況如圖4所示，并認(rèn)真記錄探測信息。本次以咸豐縣新城片區(qū)丁寨防洪排澇隧洞工程預(yù)報段里程P3+647 至P3+797 為例進(jìn)行應(yīng)用分析，掌子面里程為P3+647，接收孔里程為P3+590，炮孔段里程為P3+601至P3+636，激發(fā)孔實(shí)際間距為1.35～1.65 m。

4 預(yù)測成果分析

4.1 現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)

現(xiàn)場接收孔采集得到的與各激發(fā)孔相對應(yīng)的原始波形圖如圖5所示。通過計算得到預(yù)報里程段巖體力學(xué)性質(zhì)圖，如圖6所示。為了便于展示，將計算得到的預(yù)報里程段縱波波速分別繪制成二維云圖，如圖7所示。探測得到的預(yù)報里程段震電探水圖如圖8所示。由圖7可直觀地看出，掌子面（P3+647）前方巖體縱波波速較大，巖體比較完整，這與圖4中掘進(jìn)面揭示的地質(zhì)情況相吻合，從側(cè)面驗(yàn)證了本工程采用地震反射波法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作的可靠性。

4.2 預(yù)報結(jié)果與工程措施

通過對圖4所示的施工開挖揭示地質(zhì)情況及圖5～圖8所示的超前預(yù)報成果的綜合分析，可得到掌子面前方150 m 范圍的隧道圍巖情況預(yù)測結(jié)果。由圖5～圖7可得，P3+653～P3+670 段、P3+690～P3+715 段、P3+733～P3+760 段、P3+775～P3+790段存在橫波負(fù)反射界面，正負(fù)反射交替出現(xiàn)，偏移成像圖出現(xiàn)密集斷層反應(yīng)，預(yù)測此處節(jié)理裂隙很發(fā)育或存在軟巖夾層，巖石破碎，圍巖與目前已開挖掌子面相比穩(wěn)定性差，施工時建議采用短進(jìn)尺多循環(huán)的爆破開挖方案，并提前做好相應(yīng)類別隧洞圍巖的支護(hù)方案，根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露圍巖工程地質(zhì)條件的及時做好支護(hù)。

根據(jù)圖8所示的震電信號反演圖可知，P3+700～P3+715 存在少面積富水區(qū)，P3+660～P3+670 段、P3+790～P3+800 段存在中等面積富水區(qū)，P3+735～P3+778 段存在大面積富水區(qū)，在這些洞段施工時需特別注意，建議施工過程中，在隧洞斷面中下部鉆設(shè)20～40 m 長的超深孔，穿越富水區(qū)，進(jìn)行進(jìn)一步的探測，防止出現(xiàn)災(zāi)害性的突水事故。

5 結(jié) 論

（1）采用地震反射波法與震電效應(yīng)法相結(jié)合的方法，對丁寨防洪排澇隧道巖溶發(fā)育情況或存在軟弱夾層及巖體富水情況進(jìn)行高精度探測，獲得了掌子面前方150 m 范圍的隧道圍巖情況預(yù)測結(jié)果，預(yù)測了節(jié)理裂隙發(fā)育或存在軟巖夾層地層的位置，以及隧洞軸線不同地層的含水量。

（2）根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)，針對節(jié)理裂隙很發(fā)育或存在軟巖夾層巖體，或富水巖體，分別提出了相應(yīng)的工程防護(hù)措施，為丁寨防洪排澇隧洞的安全高效開挖提供了技術(shù)保障?！?/p>