綜合地質(zhì)手段在隧道富水接觸帶判識(shí)中的應(yīng)用

李立川, 牟元存, 李 星

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

長大隧道掘進(jìn)過程中經(jīng)常穿越巖性接觸帶，不同巖性的交界面會(huì)引起斷裂韌性、巖體彈塑性、地應(yīng)力等產(chǎn)生變化，而且接觸帶巖體影響水力裂隙的延伸能力，往往也是富含地下水的地段[1]。若未采取有效地質(zhì)手段對接觸帶空間位置、含水狀況等進(jìn)行準(zhǔn)確判識(shí)，易引發(fā)隧道塌方、涌水等工程事故，輕則影響工程進(jìn)度，重則造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

接觸帶的空間發(fā)展規(guī)律復(fù)雜，特別是當(dāng)長大隧道埋深較大時(shí)，單一地質(zhì)手段難以獲得全面準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，可能造成漏報(bào)或誤報(bào)。因此，在勘察階段與施工階段，應(yīng)根據(jù)探測接觸帶的實(shí)際情況,搭配不同方法進(jìn)行綜合判識(shí), 相互對比、印證。筆者以某長大隧道為例，介紹一種利用綜合手段判識(shí)接觸帶的應(yīng)用實(shí)例：在勘察階段，采用地質(zhì)調(diào)繪及鉆探等方法，初步劃定接觸帶位置；在施工階段，以TSP法為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，再利用超前地質(zhì)鉆孔對TSP法異常段落進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確判識(shí)了接觸帶的空間范圍。

1 勘察階段地質(zhì)工作

隧道地質(zhì)勘察手段主要包括地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探、遙感、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等。工作隧道全長超過12 km，設(shè)置輔助坑道兩座，隧道為單面坡，最大埋深450 m，為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，是全線關(guān)鍵控制工程。

1.1 地質(zhì)調(diào)繪

在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分區(qū)上，工程場地位于閩東-粵東沿海差異隆起區(qū)內(nèi)，以繼承性的斷塊差異為特征，間歇性的緩慢上升為總的趨勢。在大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐稚?，隧道場地位于閩東火山斷拗帶內(nèi)，閩東火山斷拗帶區(qū)內(nèi)廣泛分布晚中生代火山巖和燕山期侵入巖，地殼運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為隆起-坳陷-隆起交替，其基底起伏劇烈[5]。因此，該隧道多次穿越接觸帶，此為該隧道重要地質(zhì)特征。

隧址區(qū)內(nèi)上覆地層為第四系人工棄土層(Q4ml)，全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土，坡洪積層(Q4dl+pl)軟土，粉質(zhì)黏土，沖洪積層(Q4al+pl) 粉質(zhì)黏土、卵石土；下伏基巖為晚侏羅世古竹超單元(J3gk)花崗巖，侏羅系上統(tǒng)南園群赤小組下段(Jch1)凝灰熔巖、凝灰?guī)r，晚白堊世石牌前單元(K2s)花崗巖，早白堊世瑪坑超單元(K1mk)花崗巖，早白堊世鐘騰洋坑單元(K1y)花崗閃長巖。

隧區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育，具雨漲晴消，暴漲暴跌的山區(qū)水流特點(diǎn)?；鶐r裂隙水主要賦存于巖體的節(jié)理裂隙中，主要接受大氣降水補(bǔ)給。接觸帶易富水，施工過程中(特別是雨季施工過程中)應(yīng)重點(diǎn)防止涌水災(zāi)害。

該隧道D1K380+150對應(yīng)地表附近見凝灰熔巖及花崗巖出露，推測存在一接觸帶，為進(jìn)一步了解接觸帶空間位置，布置一地質(zhì)鉆孔做進(jìn)一步探測。

1.2 地質(zhì)鉆探

在隧道D1K380+100右側(cè)約15 m處實(shí)施鉆孔1孔，詳見鉆孔柱狀圖(圖1)，鉆孔揭示雨季靜止水位約為地下17 m。

圖1 地質(zhì)鉆孔柱狀圖

上覆0～4 m為粉質(zhì)黏土夾碎石，4～32.4 m為全風(fēng)化夾弱風(fēng)化凝灰熔巖。

鉆孔芯樣32.4～190.6 m為弱風(fēng)化凝灰熔巖，塊狀構(gòu)造，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，質(zhì)硬，敲擊聲脆、不易碎。

鉆孔芯樣190.6～196.8 m段為青灰色夾灰白色，弱風(fēng)化。凝灰熔結(jié)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)硬，巖芯多呈25～30 cm柱狀，最長70 cm，其中，193.4～195.3 m段節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯破碎。

鉆孔芯樣196.8～197 m段可見與花崗巖接觸帶，近似垂直，接觸面密閉。

197～460.5 m段為灰白色、青灰色花崗巖，夾黑色斑點(diǎn)，弱風(fēng)化，局部強(qiáng)風(fēng)化。中—粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，質(zhì)硬，敲擊聲脆、不易碎，巖芯較完整，多呈柱狀、長柱狀，多呈30～50 cm,最長120 cm。

在勘察階段，地表地質(zhì)調(diào)繪資料及鉆孔資料表明：一接觸帶由隧道小里程端向隧道D1K380+150處對應(yīng)地表發(fā)育，該接觸帶上覆(小里程端)為侏羅系上統(tǒng)南園群赤小組下段(Jch1)凝灰熔巖，下伏(大里程端)早白堊世瑪坑超單元(K1mk)花崗巖，初步推斷隧道D1K380+040～+090段為凝灰熔巖與花崗巖接觸帶，埋深大于400 m，如圖2、表1所示。

表1 勘察推斷侵入巖接觸帶位置

圖2 勘察推斷侵入巖接觸帶位置

2 施工階段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施

在隧道施工階段，該處向小里程方向施工，開挖過程中，D1K380+106～D1K379+998段圍巖巖性均為花崗巖，未見凝灰熔巖出露和巖體接觸跡象。為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)施工，須判識(shí)該隧道是否與勘察推斷接觸帶相交；若相交，則須準(zhǔn)確判斷該接觸帶在隧道出露的里程及影響范圍。鑒于此，應(yīng)當(dāng)實(shí)施洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法做進(jìn)一步研判。

隧道超前地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法主要有以下幾種: 地質(zhì)調(diào)查法、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法、超前鉆探法以及物探法。目前常用的物探法包括彈性波反射法(TSP法、負(fù)視速度法、TGP法、HSP法、TST法等)、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、高分辨直流電法、激發(fā)極化法等;超前鉆探法主要包括超前地質(zhì)鉆孔及加深炮孔等。

根據(jù)勘察資料，接觸帶兩側(cè)分別為花崗巖及凝灰熔巖，均為較完整硬質(zhì)巖。接觸帶與其兩側(cè)圍巖相比，完整度下降，裂隙更為發(fā)育，彈性參數(shù)差異明顯，且接觸帶與隧道大角度相交，這為TSP法預(yù)報(bào)工作提供了良好的地球物理前提。因此，先行采取TSP法作為該接觸帶的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，利用TSP法預(yù)報(bào)成果劃定物探異常段落，再對TSP法物探異常段落采用超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 TSP法超前預(yù)報(bào)

本次TSP法預(yù)報(bào)采用瑞士Amberg公司生產(chǎn)的TSP303Plus儀器，主要由三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置組成。三分量檢波器用來接收地震波信號；記錄單元將接收到的地震波信號進(jìn)行放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)還進(jìn)行測量過程控制；起爆裝置則用于引爆雷管和炸藥，人工激發(fā)地震波。

2.1.1 洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集

掌子面里程：D1K379+998，在隧道D1K380+052邊墻上對稱布置接收孔2 個(gè)，孔上傾5°，深約1.8 m；在掌子面與接收孔間右側(cè)邊墻布置24個(gè)激發(fā)孔，孔下傾10°，孔間距約1.5 m，深約1.5 m。激發(fā)孔裝填的藥量均約為60 g，數(shù)據(jù)采集過程中水封炮孔。觀測系統(tǒng)布置如圖3所示。隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集時(shí)間約2 h。

圖3 TSP法觀測系統(tǒng)布置示意圖

掌子面里程：D1K379+998，巖性為花崗巖，巖質(zhì)硬，弱風(fēng)化，圍巖較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙不發(fā)育，掌子面有少量裂隙水滲出，判識(shí)為Ⅲ級圍巖。

2.1.2 TSP法數(shù)據(jù)處理

TSP303數(shù)據(jù)處理的主要步驟包括：偏移距計(jì)算、時(shí)變高截、帶通濾波、初至拾取、炮能量均衡、反射波提取、P波及S波分離、速度分析、深度偏移、反射層拾取等[3]。通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得隧道掌子面前方的縱橫波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果資料，同時(shí)還可得到反射層的二維和三維空間分布[5]。

2.1.3 TSP法資料分析及解譯

根據(jù)本次TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖(圖4)，可以看出：

注：圖中Vp、Vs為地震縱波波速、橫波波速；靜態(tài)楊氏模量、動(dòng)態(tài)楊氏模量反應(yīng)了巖體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，是表征巖體剛性特征的重要物性參數(shù)

(1)掌子面前方0～66 m段及86～120 m段反射層零星分布，縱波速度6 000～6 400 m/s，為相對高速段落。

(2)在掌子面前方66～86 m段落存在明顯物探異常：該段反射層密集，與隧道大角度相交，且反射系數(shù)主要為負(fù)值；縱、橫波速相對下降，巖石密度及楊氏模量下降。

依據(jù)本次物探成果，結(jié)合勘察設(shè)計(jì)資料，推測掌子面前方0～66 m段及86～120 m段分別為弱風(fēng)化花崗巖、凝灰熔巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，呈塊狀結(jié)構(gòu)；掌子面前方66～86 m(D1K379+932～+912段)為接觸帶，接觸帶處圍巖完整度下降，節(jié)理裂隙發(fā)育，如表2所示。

表2 TSP法預(yù)報(bào)成果

該處施工時(shí)正值夏季多雨時(shí)節(jié)，大氣降水補(bǔ)給充分，因此推測接觸帶富含地下水，施工過程中應(yīng)重點(diǎn)防止隧道涌水及塌方。

2.2 超前地質(zhì)鉆孔

為驗(yàn)證TSP法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，對隧道物探異常段落采用超前地質(zhì)鉆孔做進(jìn)一步探測，超前地質(zhì)鉆孔鉆至D1K379+923(TSP法掌子面前方75 m)時(shí)，鉆速變化，出現(xiàn)頂鉆現(xiàn)象，地下水承壓，鉆孔出水量突然增大，從孔口突涌而出，如圖5所示。

圖5 超前地質(zhì)鉆孔出水情況

由于隧道地質(zhì)報(bào)工作充分，結(jié)論準(zhǔn)確，施工現(xiàn)場提前備足了排水設(shè)備，并嚴(yán)格落實(shí)了應(yīng)急方案，本次突水未造成財(cái)產(chǎn)損失。

3 結(jié)論

本文以勘察階段地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，對隧道接觸帶進(jìn)行初判。在施工階段采用TSP法、超前地質(zhì)鉆孔等對接觸帶進(jìn)行詳探，通過超前地質(zhì)鉆孔驗(yàn)證情況及跟蹤實(shí)際開挖情況，取得以下結(jié)論：

(1)本次綜合地質(zhì)手段判識(shí)結(jié)果與實(shí)際開挖基本一致，通過判識(shí)工作降低了突涌水對施工安全的影響，取得了較好效果。

(2)為準(zhǔn)確探測隧道富水接觸帶，各階段地質(zhì)工作應(yīng)層層加深、層次分明，針對性的采用地質(zhì)手段進(jìn)行綜合判識(shí)。

(3)為準(zhǔn)確判識(shí)隧道的各類復(fù)雜地質(zhì)情況，勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作與施工階段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作兩者密不可分、相輔相成?？辈煸O(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作可指導(dǎo)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法、方案選取，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果則能修正勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作，兩者有機(jī)結(jié)合，方能取得最優(yōu)效果。