淺析超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在富水隧道的綜合應(yīng)用

李 平，何翰林*，羅天宇，李 陽

（1.四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都；2.四川振通檢測股份有限公司，四川 綿陽）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及國家“一帶一路”和交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)，不可避免的，隧道工程項(xiàng)目越來越多，進(jìn)而遇到的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。隧址所處巖層往往會(huì)遇到各種各樣的不良地質(zhì)情況，如軟弱圍巖、含水帶、溶洞、斷層等，若施工措施不當(dāng)或不及時(shí)，輕則延緩施工進(jìn)度、造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，重則造成安全生產(chǎn)事故或者質(zhì)量事故。為了保證施工的順利進(jìn)行，避免各種地質(zhì)問題的威脅，對隧道圍巖進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是非常重要的一個(gè)手段。窩子溝隧道存在的一段高壓富水段對施工造成了極大的困擾，本文結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況，簡要分析了幾種常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物探手段，通過不同的預(yù)報(bào)探測技術(shù)的對比分析，結(jié)合工程實(shí)例，通過開挖對比驗(yàn)證綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在涌水等不良地質(zhì)問題能夠進(jìn)行比較全面、準(zhǔn)確的預(yù)判。

1 窩子溝隧道工程概況

窩子溝隧道工作區(qū)地處四川省西南部，位于四川盆地向云貴高原過渡地帶，主要穿越云貴高原北部的橫斷山區(qū)，山脈走向近南北向，基本與金沙江平行，嶺谷相間，山高谷深，地表起伏大，高差懸殊。場地大地構(gòu)造單元屬于川西高原康滇隆起的中、東部位置，處于區(qū)域安可斷裂帶和馬邊－鹽津斷裂帶之間，線路附近發(fā)育的斷裂主要有拉租斷裂F0、馬路斷裂F1、蓮峰斷裂F2、峨邊- 金陽斷裂F3 及其支斷裂。離本工程最近的構(gòu)造為馬路斷裂Fl。

圖1 路線與主干斷裂的關(guān)系

2 幾種常見的地下水探測技術(shù)

針對窩子溝隧道所處的地理位置環(huán)境和施工中存在的主要工程地質(zhì)問題，在施工過程中采用的預(yù)報(bào)方法主要有以下幾種：地質(zhì)素描法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前水平鉆孔法、隧道地震波預(yù)報(bào)法（TSP）、瞬變電磁儀法（TEM）等[1]。

2.1 地質(zhì)素描法

應(yīng)在每循環(huán)開挖后對掌子面及掌子面附近開挖段落進(jìn)行詳細(xì)觀察。通過手觸、錘擊、采集樣本、觀察等方法對開挖面圍巖產(chǎn)狀、巖性、巖體完整性、圍巖風(fēng)化變質(zhì)情況、節(jié)理裂隙、斷層分布和形態(tài)、出水量大小等方面進(jìn)行大范圍的前后左右對比分析，對圍巖做一個(gè)宏觀把控[2]。對于節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地下水出水情況、巖層顏色、硬度等進(jìn)行重點(diǎn)觀察，根據(jù)觀察結(jié)果繪制地質(zhì)素描圖，將繪制的地質(zhì)素描圖與地勘資料進(jìn)行比對，推測開挖面前方的圍巖地質(zhì)情況，以此指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法的原理是通過發(fā)射并接受從各典型界面上發(fā)射回來的電磁波，根據(jù)反射電磁波的時(shí)間、振幅、頻率等單項(xiàng)和組合特征來獲得反射界面的深度、形態(tài)和屬性特征，不同圍巖界面的介電性差異是地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用的基礎(chǔ)[3]。地質(zhì)雷達(dá)法可以用于對掌子面前方30 米范圍內(nèi)的隧底、邊墻和拱部等進(jìn)行精細(xì)探測，可以探測出較近范圍內(nèi)的巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育情況，巖層變化情況，完整性情況以及地層中的含水、含泥預(yù)報(bào)。

2.3 超前水平鉆孔法

通過鑿巖臺(tái)車、超前地質(zhì)鉆機(jī)等鉆孔設(shè)備在鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)速度、施鉆阻力、洗孔水壓力、巖屑變化等對掌子面前方一定距離內(nèi)的鉆孔附近的地質(zhì)情況進(jìn)行較準(zhǔn)確的判斷，并可以通過鉆孔泄水情況測定涌水的水壓、涌水時(shí)間、結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告預(yù)測涌水量。

2.4 隧道地震波預(yù)報(bào)法（TSP）系統(tǒng)技術(shù)

該技術(shù)是一種用于超前預(yù)報(bào)隧道前方地質(zhì)變化的地下反射技術(shù)。在指定的震源點(diǎn)用小藥量激發(fā)產(chǎn)生地震波，地震波在圍巖中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，另一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)[4]。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。通過計(jì)算機(jī)軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及掌子面的距離。該設(shè)備和技術(shù)適用于復(fù)雜地質(zhì)條件的公路、鐵路等隧道工程施工，用于劃分地層界線、查找地質(zhì)構(gòu)造、探測不良地質(zhì)體的厚度和范圍，但儀器在作業(yè)過程中對環(huán)境的要求較高，若噪聲過大則會(huì)影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.5 瞬變電磁儀法（TEM）探測技術(shù)

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法（Timedomain electromagnetic methods），簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法[5]。其基本工作方法是：于地面或隧道中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

3 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用

以窩子溝隧道出口段K133+078～K132+958 為例，此段圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖，整體較破碎～破碎，地下水為滴水、淋雨或小股狀出水。共采取了地質(zhì)調(diào)查、TSP 長距離地震波法、超前地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)等綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

3.1 地質(zhì)調(diào)查法

通過對K133+078～K132+958 段設(shè)計(jì)地勘資料、掌子面地質(zhì)素描并結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查分析，該段圍巖主要以強(qiáng)風(fēng)化棕紅色砂巖為主，錘擊聲較清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎，巖體較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水發(fā)育，呈滴水、淋雨或小股狀出水，穩(wěn)定性差。

3.2 TSP 地震波探測

TSP 檢測結(jié)果分析：

經(jīng)軟件處理，由預(yù)報(bào)成果圖（圖2） 可知：K133+078～K133+020 段，長度58 m，推測該段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖為主，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差。K133+020～K132+958 段，長度62 m，推測該段圍巖以節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，存在破碎體，局部區(qū)域存在節(jié)理裂隙密集帶或軟弱夾層，地下水呈發(fā)育趨勢，可能出現(xiàn)滴水、滲水等情況，圍巖自穩(wěn)能力較差。

3.3 瞬變電磁儀法（TEM）探測技術(shù)

瞬變電磁結(jié)果分析

通過掌子面觀察、地質(zhì)資料以及視電阻率圖像（圖3）綜合分析推斷掌子面前方K133+040～K133+020(0～20 m)范圍內(nèi)以砂巖為主，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，存在破碎體，地下水沿節(jié)理裂隙面滲出，圍巖穩(wěn)定性差，施工擾動(dòng)后，易發(fā)生冒頂、片幫、滑塌等不良地質(zhì)危險(xiǎn)； 推斷掌子面前方K133+020～K132+940(20～100 m)范圍內(nèi)圍巖巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體破碎，局部存在節(jié)理裂隙密集帶，巖層存在一定的富水性，開挖過程中可能會(huì)發(fā)生滑塌、涌水突泥等不良地質(zhì)問題。

圖3 掌子面視電阻率斷面扇形

3.4 超前地質(zhì)鉆探

鉆探結(jié)果分析：

本次鉆探掌子面為K133+030，探測長度80 m，左中右共3 個(gè)鉆孔。前兩次預(yù)報(bào)在K133+020～K132+958 段均為物探異常區(qū)域，為此超前地質(zhì)鉆探來驗(yàn)證TSP 法、瞬變電磁法的準(zhǔn)確性。窩子溝隧道出口右線K133+030～K132+950 段以灰黑色粉砂巖為主，該段在鉆進(jìn)中巖性未見明顯變化，但返漿顏色夾有紫紅色，推測該段局部層間風(fēng)化有少量泥質(zhì)填充，鉆進(jìn)到15 m 處返水量增大，成孔后孔內(nèi)水呈股狀流出，現(xiàn)場實(shí)測（容積法）該孔涌水量約為2.0 m3/h，推測該段局部裂隙或溶蝕孔發(fā)育，地下水呈發(fā)育趨勢，本次鉆探未探測到斷層帶、破碎體。

3.5 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果分析：

經(jīng)專業(yè)軟件處理后探測結(jié)果見圖4。K133+020～K132+990 段反射界面明顯，多次反射信號(hào)且振幅較強(qiáng)。推斷該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，可能存在含水破碎帶，整體穩(wěn)定性差。

圖4 雷達(dá)法預(yù)報(bào)成果

3.6 掌子面開挖驗(yàn)證

通過上述地質(zhì)調(diào)查、TSP 地震波探測、瞬變電磁、超前地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果得出K133+020～K132+958 段圍巖存在含水軟弱破碎帶，巖體破碎，地下水發(fā)育，整體穩(wěn)定性差的預(yù)報(bào)結(jié)論。后與開挖揭示的地質(zhì)情況驗(yàn)證對比發(fā)現(xiàn)，在K133+010 處掌子面圍巖破碎，且有股狀水流出，伴隨地下水的影響掌子面出現(xiàn)了小塌方（圖5）。圍巖破碎區(qū)段持續(xù)到ZK132+960 圍巖開始好轉(zhuǎn)，巖石強(qiáng)度變高，整體穩(wěn)定性變好（圖6）。通過在K133+020～K132+958 段，實(shí)際開挖圍巖與綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論高度吻合，綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)取得了較好的預(yù)報(bào)效果，實(shí)際施工中及時(shí)采用了徑向注漿及超前預(yù)注漿加固等措施，保證了隧道施工安全。

圖5 K133+010 掌子面

圖6 K132+960 掌子面

4 結(jié)論

根據(jù)窩子溝隧道復(fù)雜的水文地質(zhì)，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，以地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，長短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合，不同預(yù)報(bào)方法互相驗(yàn)證，物探解譯具有多解性、局限性，根據(jù)不同地質(zhì)情況采取合理且較經(jīng)濟(jì)的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組合模式，有效地解決了單一物探方法帶來的誤判、漏判現(xiàn)象，為今后隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)提供一種全面的具有系統(tǒng)性、時(shí)效性強(qiáng)的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)工作體系。