隧道穿越溶洞富水區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與處置

李堅(jiān) 張鐸 鄧朝陽 郭亞欣 孫興邦

摘要：

隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是對(duì)地表勘探的有效補(bǔ)充，可在隧道施工期提供掌子面前方不良地質(zhì)災(zāi)害源信息。以滇中引水工程為例，通過地質(zhì)勘測(cè)資料分析、地震波法和電阻率法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，探測(cè)出該工程區(qū)4個(gè)易出現(xiàn)突泥涌水災(zāi)害的區(qū)段，并針對(duì)性地提出了超前預(yù)注漿的處理方案?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果表明：提出的預(yù)報(bào)方法對(duì)隧道穿越溶洞富水區(qū)時(shí)掌子面前方不良地質(zhì)條件實(shí)現(xiàn)了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，基于預(yù)報(bào)結(jié)果提出的施工處置技術(shù)可以針對(duì)不良地質(zhì)條件進(jìn)行有效治理。

關(guān) 鍵 詞：

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)； 溶洞富水區(qū)； 不良地質(zhì)條件； 地震波法； 電阻率法； 滇中引水工程

中圖法分類號(hào)： TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.024

0 引 言

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展更加迅猛，隧道和地下工程領(lǐng)域尤為突出［1-3］。隨著隧道建設(shè)快速推進(jìn)，隧道工程建設(shè)過程中，特別是隧道穿越溶洞富水區(qū)時(shí)，可能會(huì)遇到大型溶洞、突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害［4］，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，降低了隧道施工的安全性和高效性。所以，對(duì)于隧道穿越溶洞富水區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和施工技術(shù)研究已刻不容緩［5］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于隧道的綜合超前探測(cè)做了大量的研究，對(duì)地震波法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了探索［6］。聶利超［6］提出了多同性源陣列激發(fā)極化超前探測(cè)新方法，結(jié)合水量預(yù)測(cè)以及三維反演成像，對(duì)隧道含水構(gòu)造進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究；孫懷鳳［7］針對(duì)瞬變電磁探測(cè)與預(yù)報(bào)，結(jié)合隧洞含水構(gòu)造與突水災(zāi)害問題進(jìn)行了研究；李術(shù)才等［8］對(duì)隧道施工過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢(shì)及其中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；雷明峰等［9］提出構(gòu)建針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道淺埋段全空間綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，并進(jìn)行了工程實(shí)踐應(yīng)用；李術(shù)才等［10］以激發(fā)極化法為基礎(chǔ)，提出利用三維電阻率反演方法對(duì)隧道含水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)；韓自強(qiáng)等［11］利用波速差異，研究了特殊地質(zhì)條件下地震波法和瞬變電磁法相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。因此，隧道綜合超前預(yù)報(bào)已成為目前研究的主流趨勢(shì)之一［12-15］。

相對(duì)于其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，地震波法探測(cè)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，可定量反映巖體參數(shù)，對(duì)于工作面前方遇到與隧道軸線近乎垂直的不連續(xù)體（溶洞、節(jié)理、裂隙等）界面的確定，結(jié)果比較可靠。相對(duì)于瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法等，電阻率法受到電磁干擾影響較小，能夠探查掌子面前方的預(yù)測(cè)斷層、溶洞和富水帶的位置和規(guī)模。

本文以滇中引水工程為例，通過地震波法和電阻率法相結(jié)合，對(duì)隧道穿越溶洞富水區(qū)進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以探明溶洞富水區(qū)情況，并進(jìn)行施工處置技術(shù)研究，確保隧道施工安全。

1 工程概況與主要工程問題

1.1 工程概況

滇中引水工程地處云南省西北部，該工程所處山地峽谷區(qū)屬橫斷山系切割。區(qū)內(nèi)高山、深谷、盆地構(gòu)成了長(zhǎng)條狀斷陷盆地，山體上部為北西高、南東低的特征。石鼓水源工程水源1-1號(hào)、2-1號(hào)進(jìn)水隧道分別長(zhǎng)2 564.19 m和2 488.19 m，兩隧道中心線間距為30 m，凈洞徑6.7 m；1號(hào)、2號(hào)沖江河進(jìn)水涵管長(zhǎng)度分別為815.19 m和828.19 m，單孔斷面尺寸6.3 m×6.3 m。采用鉆爆法施工，雙孔布置。該隧道工程地質(zhì)圖如圖1所示。

1.2 主要工程問題

如圖2所示，滇中引水工程中水源1-1隧道位于鮮水河-中甸-麗江-大理地震活動(dòng)帶西側(cè)緣。該區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)的強(qiáng)度與頻度偏大，地震震中位于區(qū)內(nèi)北東、東部，主要與活動(dòng)斷裂的分布相關(guān)。由于石鼓水源工程場(chǎng)地在大地構(gòu)造上屬于松潘-甘孜褶皺系內(nèi)，屬二級(jí)構(gòu)造單元，所以該區(qū)域重磁異常較為明顯。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來，差異活動(dòng)較強(qiáng)，場(chǎng)址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。所以該隧道工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧道穿越溶洞富水區(qū)時(shí)施工難度與施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

隧道工程區(qū)圍巖巖性以石英片巖及片理巖化灰?guī)r為主，局部溶蝕風(fēng)化加劇并發(fā)育溶洞。由于當(dāng)?shù)氐膬?nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用較活躍，巖體的整體裂隙程度偏高，又由于雨水與圍巖長(zhǎng)期的物理化學(xué)反應(yīng)，圍巖強(qiáng)度偏低。地下水主要類型為巖溶水，地層富水性強(qiáng)，開挖時(shí)易出現(xiàn)股狀水和坍塌。局部溶蝕風(fēng)化加劇處極易出現(xiàn)垮塌、突涌水災(zāi)害，嚴(yán)重影響隧道穿越溶洞富水區(qū)時(shí)的施工安全。

2 隧道穿越溶洞富水區(qū)超前探測(cè)方法

針對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)情況，采用綜合超前預(yù)報(bào)方法進(jìn)行探測(cè)預(yù)報(bào)，包括地質(zhì)分析、地震波法以及電阻率法。

（1） 地質(zhì)勘測(cè)資料分析。

在隧道施工前，通過鉆探和地面勘探相結(jié)合的方法，分析隧道施工過程中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。在隧道施工過程中，根據(jù)開挖段的節(jié)理、層理等構(gòu)造等地質(zhì)信息，對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)情況進(jìn)行估計(jì)。

（2） 地震波法。

利用地震波法對(duì)隧道掌子面前方0～120 m進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探測(cè)斷層、巖溶、破碎帶等不良地質(zhì)體的位置和范圍。地震波法的基本原理（見圖3（a））是：當(dāng)彈性波在巖石中進(jìn)行傳播時(shí)，遇到波阻抗界面會(huì)產(chǎn)生反射波，界面兩側(cè)圍巖的波阻抗差別越大，反射波能量表現(xiàn)越強(qiáng)，更加容易被探測(cè)發(fā)現(xiàn)。通過收集布置在隧洞兩側(cè)的地震檢波器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（采用Ashida等［16］提出的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)成像）可以對(duì)隧道工作面前方不良地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)和預(yù)報(bào)［17］。

（3） 電阻率法。

電阻率法可以利用探測(cè)對(duì)象與周圍介質(zhì)之間的電阻率差異，對(duì)電場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而探測(cè)含水構(gòu)造體。通過分析測(cè)量電極所探測(cè)到的電位變化，就可以了解到隧洞掌子面前方不良地質(zhì)的位置和規(guī)模等情況，從而達(dá)到對(duì)探測(cè)區(qū)域地質(zhì)情況探測(cè)的目的。

本文采用的隧道電阻率法探測(cè)原理如圖3（b）所示，在掌子面后方隧洞兩側(cè)布置供電電極A，將供電電極B與N電極布置在隧道后方無窮遠(yuǎn)處。實(shí)際探測(cè)過程中，將供電電極系A(chǔ)供入相同電流進(jìn)行測(cè)量，不斷沿隧道軸線方向向后移動(dòng)供電電極A，測(cè)量至預(yù)定探測(cè)位置［18-20］。

本文采用電阻率法探明掌子面前方0～30 m范圍內(nèi)含水構(gòu)造體狀況，預(yù)測(cè)掌子面前方含水構(gòu)造體分布特征；主要探測(cè)對(duì)象是巖溶發(fā)育的中小型充水溶洞、向斜儲(chǔ)水構(gòu)造及其它富水地層等含水不良地質(zhì)構(gòu)造。

3 工程實(shí)踐

在1號(hào)施工支洞下穿溶洞富水區(qū)時(shí)，進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)范圍為K0+420～K0+520，掌子面附近涌水狀況如圖4所示。針對(duì)該段可能存在的塌腔涌水、強(qiáng)風(fēng)化破碎帶、破碎富水區(qū)、強(qiáng)風(fēng)化破碎區(qū)、風(fēng)化破碎區(qū)、裂隙股狀水等地質(zhì)情況，使用前述3種方法進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而制定對(duì)應(yīng)的施工處置技術(shù)方案。

3.1 工程地質(zhì)分析

樁號(hào)K0+420處掌子面巖性為片理巖化灰?guī)r，完整性程度為較破碎-破碎。圍巖風(fēng)化程度為弱風(fēng)化，右側(cè)溶蝕風(fēng)化發(fā)育成溶洞，充填少量塊石，溶洞出水呈股狀涌出。區(qū)段內(nèi)巖體破碎較多，節(jié)理裂隙發(fā)育復(fù)雜，易形成風(fēng)化槽，隧道圍巖穩(wěn)定性較差，強(qiáng)度較低。探測(cè)段由于節(jié)理裂隙發(fā)育等影響，涌水量增加，可能會(huì)發(fā)生突泥涌水等隧道災(zāi)害。

3.2 地震波探測(cè)分析

探測(cè)采用便攜式WSAP，觀測(cè)系統(tǒng)布置在掌子面后方10～50 m范圍內(nèi)的隧洞輪廓上。12個(gè)震源點(diǎn)布置在隧洞兩側(cè)的邊墻上，距離掌子面10 m位置，呈對(duì)稱式分布，震源點(diǎn)間距1～2 m。12個(gè)檢波點(diǎn)布置在隧洞兩側(cè)的邊墻上，呈對(duì)稱式分布，檢波點(diǎn)間距為2～3 m。隧道地震波探測(cè)成像如圖5所示。

（1） K0+420～K0+480段。該段地震波速度在 2 300～3 200 m/s的范圍內(nèi)變化，存在明顯正負(fù)反射。其中，在K0+440～K0+450以及K0+470～K0+480附近區(qū)域，地震波速明顯下降，該段圍巖與掌子面類似，圍巖破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，開挖時(shí)易發(fā)生坍塌。

（2） K0+480～K0+520段。該段地震波速度在 2 000～3 500 m/s的范圍內(nèi)變化，反射波能量較上一段有所減弱，在K0+490～K0+500及K0+510～K0+520附近區(qū)域，地震波速明顯下降，同時(shí)出現(xiàn)零星正負(fù)反射，該段圍巖較破碎-破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，開挖時(shí)易發(fā)生坍塌。

3.3 電阻率法探測(cè)分析

為了確定隧道穿越溶洞的情況，在隧道掌子面中部共布置12～20個(gè)測(cè)量電極，供電電極探測(cè)8～10圈，每圈4個(gè)供電點(diǎn)。第1圈與掌子面間隔10 m，第2圈、第3圈、第4圈與前一圈的間隔均為2 m，第5圈與第4圈間隔5 m。同時(shí)借助于模型參數(shù)約束反演，得到電阻率反演三維成像圖和切片圖，如圖6所示。坐標(biāo)原點(diǎn)為掌子面中心位置，X方向代表豎直方向，Y方向代表掌子面寬度方向，Z方向代表開挖方向?？梢钥吹剑?/p>

在K0+420～K0+450段，反演電阻率在400～1 000 Ω·m 范圍內(nèi)變化，掌子面前方存在大片團(tuán)狀分部的低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)內(nèi)的電阻率為400～600 Ω·m。掌子面前方存在含水構(gòu)造，地層富水性強(qiáng)，開挖時(shí)易出現(xiàn)股狀涌水，局部可能出現(xiàn)突涌水。

4 施工處置技術(shù)措施及驗(yàn)證

4.1 施工處置技術(shù)措施

由上文可知，隧道穿越溶洞富水區(qū)過程中有掉塊、塌腔等不良地質(zhì)狀況發(fā)生，為了防止溶洞富水區(qū)進(jìn)一步發(fā)育，應(yīng)及時(shí)采取合理的施工處置技術(shù)措施進(jìn)行處理。

針對(duì)已開挖的隧道掉塊坍塌部分，需要進(jìn)行立拱處理，防止二次災(zāi)害事故發(fā)生。立拱措施完成后，首先實(shí)施混凝土注漿加固，然后進(jìn)行回填工作。注漿管布置如圖7（a）所示，注漿管結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示。在注漿管埋設(shè)工作完成后，應(yīng)對(duì)注漿加固段進(jìn)行全環(huán)應(yīng)急噴混凝土封閉工作，同時(shí)在這個(gè)過程中要及時(shí)鏟除鼓包，防止發(fā)生漏漿現(xiàn)象。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

探測(cè)結(jié)果顯示，K0+440～K0+450、K0+470～K0+480、K0+490～K0+500、K0+510～K0+520這4個(gè)區(qū)段在開挖時(shí)易出現(xiàn)股狀涌水，突涌水災(zāi)害。開挖至該樁號(hào)附近，圍巖破碎情況嚴(yán)重，掌子面涌水量增大，如圖8（a）所示，與前文隧道穿越溶洞富水區(qū)綜合超前探測(cè)結(jié)果一致。然后采取超前預(yù)注漿對(duì)溶洞涌出巖溶水進(jìn)行及時(shí)封堵處理，注漿后效果如圖8（b）所示。

5 結(jié) 語

利用地震波法和電阻率法相結(jié)合對(duì)隧道掌子面前方的探測(cè)，可以較好地反映掌子面前方不良地質(zhì)情況，完成對(duì)隧道穿越溶洞富水區(qū)綜合超前預(yù)報(bào)，確保安全、高效施工。

根據(jù)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行合理的施工處置技術(shù)選擇，可有效避免突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

The comprehensive advanced geological prediction of tunnel is an effective supplement prediction to the ground surface exploration work，which can reveal the bad geological disaster source in front of the tunnel face during construction.Taking the water diversion project in central Yunnan as an example，through the comprehensive advanced geological prediction system and geological survey data analysis，the seismic wave method and the resistivity method，four sections prone to mud and water inrush disasters in the project area were detected，and the treatment scheme of advanced pre-grouting was put forward.The field verification results showed that the proposed prediction method can realize the advanced geological prediction of the unfavorable geological conditions in front of the tunnel face when the tunnel crosses the karst cave of the water-rich arer.The construction disposal technology based on the prediction results can help effectively deal with the unfavorable geologic conditions.

Key words：

comprehensive advanced geological prediction；karst cave in water-rich area；bad geological condition；seismic wave method；resistivity method；water diversion project in central Yunnan