超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在某隧洞工程施工中的應(yīng)用實(shí)踐

李標(biāo) 張?jiān)释?楊風(fēng)學(xué) 梁海洋

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2大慶油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價(jià)中心運(yùn)行協(xié)調(diào)部

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧洞施工中非常重要，它可以進(jìn)一步查明和復(fù)核隧洞掌子面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，降低地質(zhì)災(zāi)害事故發(fā)生的概率和危害程度，為優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案提供可靠的地質(zhì)資料，預(yù)防隧洞施工過程中塌方、突水、突泥等可能形成的災(zāi)害事故，指導(dǎo)工程施工順利進(jìn)行。因此，在施工階段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)十分必要，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧洞工程施工安全管理的重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)場施工安全的重要保障[1-4]。

1 工作方法及原理

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一個(gè)系統(tǒng)工作，可用的方法很多，也都有各自的效果。但是，對具體工程來說，根據(jù)工程性質(zhì)、工區(qū)基本地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境的不同，所采用的方法也有所差異。因此，在選擇方法時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況合理采用[5-6]。某遂洞工程主要采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法為地質(zhì)編錄法和物探法。

（1）地質(zhì)編錄法。該法是隧洞施工地質(zhì)勘察最基本的工作方法，也是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)分析獲取第一手資料的重要手段，它既能反應(yīng)開挖段的地質(zhì)特征，又能預(yù)示前方一定范圍內(nèi)未開挖段的潛在地質(zhì)問題。任何不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展，總會有一些特殊的前兆特征。通過地質(zhì)編錄掌握了這些變化規(guī)律和地質(zhì)特征，就能從地質(zhì)學(xué)角度分析、指導(dǎo)物探資料的解釋成果[7]。

（2）物探法。該法是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中不可或缺的重要手段，具有快捷、直觀、探測距離大、對施工干擾小的特點(diǎn)。但是物探法受限于場地和地質(zhì)條件，有局限性。因此，物探法的關(guān)鍵就是利用地質(zhì)學(xué)知識和工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工區(qū)地質(zhì)背景，通過物探數(shù)據(jù)對圍巖中的物理現(xiàn)象進(jìn)行定性或定量的分析。

本工程采用的TGS360Pro（以下簡稱TGS 物探法）是物探法中的一種，是一種極小偏移距地震反射法。將8個(gè)高精度三分量地震檢波器按照一定規(guī)則布置于隧洞掌子面上，利用錘擊激發(fā)地震波，地震波以球面波的形式在周圍的巖體中傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅酱嬖诓ㄗ杩共町惖慕缑鏁r(shí)（斷層破碎帶、溶洞、地下水等不良地質(zhì)構(gòu)造界面），一部分地震波信號會產(chǎn)生反射，利用提前布置好的檢波器接收三分量的地震波信號，通過反演、計(jì)算、分析，獲取掌子面前方一定范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力、波速、動泊松比、楊氏模量等巖石物理參數(shù)分布情況，從而推斷不良地質(zhì)構(gòu)造的分布特征[8-10]。其探測原理如圖1 所示。

2 工作成果及分析

2.1 地質(zhì)編錄

預(yù)報(bào)掌子面樁號為0+004 m，隧洞埋深約8.5 m。掌子面巖性為二長花崗巖以及閃長玢巖巖脈，母巖及巖脈錘擊聲啞～稍清脆，以強(qiáng)風(fēng)化狀為主，但巖脈強(qiáng)度稍弱于母巖。巖脈侵入接觸面不清晰，地質(zhì)分析推測為沿陡傾角結(jié)構(gòu)面侵入的巖墻狀巖脈。巖體整體以塊裂狀為主，掌子面中部分布有碎裂狀巖體，夾泥滲水。J4為掌子面的控制性結(jié)構(gòu)面，傾向洞外，外側(cè)仰坡亦見此組結(jié)構(gòu)面，預(yù)報(bào)過程中可見不穩(wěn)定性塊體沿J4光面滑落現(xiàn)象。掌子面節(jié)理發(fā)育情況見圖2。掌子面地質(zhì)編錄素描見圖3。掌子面描述見表1。

圖2 掌子面節(jié)理發(fā)育情況Fig.2 Development situation of joint in the working face

圖3 掌子面地質(zhì)編錄素描示意圖Fig.3 Sketch diagram of geological logging in the working face

通過對掌子面節(jié)理發(fā)育總體情況的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合坡面及臨近溝谷地層巖性的出露情況，綜合分析：

（1）J4為控制性結(jié)構(gòu)面，不僅控制著外部仰坡的穩(wěn)定性，也控制著洞內(nèi)頂拱的穩(wěn)定性，預(yù)報(bào)過程中可見不穩(wěn)定塊體沿J4光面滑落的現(xiàn)象。后續(xù)施工過程中仍存在掉塊的可能，開挖后應(yīng)及時(shí)清除不穩(wěn)定塊體，并按設(shè)計(jì)要求做好支護(hù)措施。

（2）閃長玢巖巖脈推測為沿陡傾角結(jié)構(gòu)面侵入的巖墻狀巖脈，巖脈走向與洞軸線大角度相交；另一方面頂拱出露的閃長玢巖節(jié)理多密集發(fā)育，亦與洞軸線大角度相交。推測該巖脈發(fā)育寬度不大，對洞室整體穩(wěn)定性影響一般，開挖通過后加強(qiáng)監(jiān)測即可。

（3）就目前揭露情況來看，隧洞圍巖具有巖塊強(qiáng)度高、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育多的特性，且目前上覆強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度小于5 m，后期若采用鉆爆法開挖應(yīng)少藥量、短進(jìn)尺，并應(yīng)著重注意上部邊坡的變形情況。

2.2 渣樣分析

依據(jù)設(shè)計(jì)方案，樁號0+000 m-0+030 m已進(jìn)行管棚施工，在管棚孔鉆進(jìn)過程中采取了渣樣（圖4）。

圖4 管棚孔典型渣樣Fig.4 Typical soil sample of pipe shed hole

管棚孔渣樣以礫砂狀、碎屑狀為主，局部夾少量泥質(zhì)，干燥—稍濕狀。依據(jù)渣樣性狀判斷，樁號0+000 m—0+030 m 圍巖類別為Ⅳ類～Ⅴ類?？紤]上覆巖體厚度較小，為保證安全，建議按Ⅴ類設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)。

2.3 TGS物探法成果

圖5 為應(yīng)力梯度的水平切片圖，縱坐標(biāo)為里程樁號，橫坐標(biāo)為預(yù)報(bào)段的左右兩側(cè)覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實(shí)線為推測的異常區(qū)域。設(shè)定第一層開挖線為0 m 的位置，取3 m、-3 m、-6 m三個(gè)不同深度的切片。

圖5 應(yīng)力梯度水平切片F(xiàn)ig.5 Stress gradient horizontal slice

圖6 為含水概率的水平切片圖，縱坐標(biāo)為里程樁號，橫坐標(biāo)為預(yù)報(bào)段的左右兩側(cè)覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實(shí)線為推測的異常區(qū)域。設(shè)定第一層開挖線為0 m的位置，取3 m、-3 m 兩個(gè)不同深度的切片。

圖6 含水概率水平切片F(xiàn)ig.6 Water cut probability horizontal slice

圖7、圖8 分別為TGS 物探法獲取的地震波縱波波速和橫波波速的水平切片圖，縱坐標(biāo)為里程樁號，橫坐標(biāo)為預(yù)報(bào)段的左右兩側(cè)覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實(shí)線為推測的異常區(qū)域。設(shè)定第一層開挖線為0 m的位置，取-3 m深度的切片。

圖7 地震波縱波波速切片F(xiàn)ig.7 Slice of longitudinal wave velocity of seismic wave

圖8 地震波橫波波速切片F(xiàn)ig.8 Slice of shear wave velocity of seismic wave

圖9為圍巖危險(xiǎn)等級水平切片圖，縱坐標(biāo)為里程樁號，橫坐標(biāo)為預(yù)報(bào)段的左右兩側(cè)覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實(shí)線為推測的異常區(qū)域。設(shè)定第一層開挖線為0 m的位置，取-3 m深度的切片。圖10、圖11 分別為應(yīng)力梯度三維分布圖和含水概率三維分布圖。

圖9 圍巖危險(xiǎn)等級水平切片F(xiàn)ig.9 Hazard grade of surrounding rock horizontal slice

圖10 應(yīng)力梯度三維分布圖Fig.10 Three dimensional distribution of stress gradient

圖11 含水概率三維分布圖Fig.11 Three dimensional distribution of water cut probability

3 解譯成果

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯成果：①樁號0+004 m—0+014 m，地震縱波波速為1 600～1 900 m/s，以強(qiáng)風(fēng)化為主，應(yīng)力梯度整體變化較大。表明巖體破碎，含水概率較低，以潮濕狀或點(diǎn)滴狀出水為主。②樁號0+014 m—0+049 m，地震縱波波速為1 400～1 800 m/s，以強(qiáng)風(fēng)化為主。整段應(yīng)力梯度變化大，縱波波速偏低，樁號0+020 m—0+030 m 及樁號0+035 m—0+040 m 甚至出現(xiàn)“紅色”高梯度帶，說明巖體破碎，圍巖條件差。該段含水概率整體較高，預(yù)計(jì)圍巖將以線狀或淋雨?duì)畹嗡疄橹?，但無突水、涌水風(fēng)險(xiǎn)。③樁號0+049 m—0+069 m，地震縱波波速為1 700～2 000 m/s，應(yīng)力梯度變化稍大，表明該段圍巖整體條件偏差。其中樁號0+054 m—0+059 m應(yīng)力梯度變化較大，且含水概率稍大，但數(shù)值不高，推測該段圍巖將以點(diǎn)滴狀或線狀滴水為主，其余段則以潮濕狀或滴水狀出水為主，無突水、涌水風(fēng)險(xiǎn)。④樁號0+069 m—0+124 m，地震縱波波速為1 200～1 600 m/s，應(yīng)力梯度變化稍大，表明該段圍巖整體條件偏差。從含水概率圖上看，含水概率整段偏低，推測圍巖將以潮濕狀或點(diǎn)滴狀出水為主。

4 結(jié)論

本次某遂洞工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)針對樁號0+004 m-0+124 m進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查分析及地質(zhì)編錄工作，采用TGS物探法對掌子面前方進(jìn)行了物探測試及數(shù)據(jù)分析，綜合預(yù)測得出如下結(jié)論：

（1）樁號0+004 m—0+049 m 以強(qiáng)風(fēng)化為主，圍巖類別Ⅵ～Ⅴ類。

（2）樁號0+049 m—0+124 m 整體縱波波速偏低、應(yīng)力梯度變化稍大，表明巖體破碎，圍巖條件差，開挖時(shí)應(yīng)注意圍巖的變化情況，及時(shí)通知相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行圍巖條件記錄和圍巖級別確認(rèn)。

（3）圍巖均以點(diǎn)滴狀出水為主，局部可能出現(xiàn)沿張性裂隙的線狀出水，無突水、涌水風(fēng)險(xiǎn)。

通過開挖段的地質(zhì)素描驗(yàn)證，以上預(yù)測結(jié)論與實(shí)際地質(zhì)情況基本相符，在兩處多組不利節(jié)理交叉發(fā)育的地方提前告知施工單位采取了多循環(huán)、少進(jìn)尺的施工開挖方法，避免了極易發(fā)生順坡滑塌的風(fēng)險(xiǎn)。并且有兩段股狀流水位置與物探位置基本一致，證明了本次超前預(yù)報(bào)結(jié)論的準(zhǔn)確性，能夠有效指導(dǎo)施工作業(yè)。