沙特NEOM隧道項(xiàng)目地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)*

樊清峰

(中國鐵建國際集團(tuán)有限公司,北京 100039)

1 工程概況

沙特NEOM隧道項(xiàng)目共6座斜井,總長8 415m,為兩座28km長并行單洞雙線高速鐵路和貨運(yùn)鐵路的先期工程,于2021年7月開工建設(shè)。隧道埋深20～380m,洞身圍巖主要為安山巖、花崗巖及砂巖地層,巖性比較單一,局部存在破碎帶,無其他不良地質(zhì),地下水不發(fā)育,局部存在基巖裂隙水,如表1所示。

表1 隧道巖性及埋深Table 1 Tunnel lithology and overburden

土建部分設(shè)計(jì)、施工均遵循英標(biāo)(BS)和歐標(biāo)(EN)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及沙特當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。施工圖設(shè)計(jì)時,斜井范圍內(nèi)未進(jìn)行地面鉆孔探明地質(zhì),只是根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、現(xiàn)場調(diào)查及正洞地面鉆孔初步對圍巖及襯砌支護(hù)類型進(jìn)行預(yù)測。施工期間洞內(nèi)通過超前探孔及開挖后進(jìn)行地質(zhì)素描,根據(jù)Q值法[1]重新定義支護(hù)類型。

目前國內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)比較成熟,主要是通過超前水平鉆探法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水等方法[2],探明隧道掌子面前方圍巖巖性、節(jié)理構(gòu)造、圍巖完整性、風(fēng)化程度及地下水發(fā)育情況[3],確定合理的隧道支護(hù)參數(shù)或采取必要的超前支護(hù)措施,從而預(yù)防塌方、涌水等事故。

在本項(xiàng)目執(zhí)行初期,每個預(yù)報(bào)循環(huán)打設(shè)3根超前鉆孔,鉆孔時間需要約3h,每次只能預(yù)報(bào)掌子面前方30m的地質(zhì)情況,平均占用每個開挖循環(huán)時間45min。該項(xiàng)目施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、工期緊,要求項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采取各種措施盡力縮短工期。因此,項(xiàng)目部考慮采用地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)代替超前水平鉆探法,其優(yōu)缺點(diǎn)對比如表2所示[4]。

表2 地震波法和超前水平鉆探法對比Table 2 Comparison between TSP and advanced horizontal drilling method

2 超前水平鉆探法設(shè)計(jì)方案

2.1 洞口段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

超前鉆孔應(yīng)使用三臂臺車沖擊鉆孔,最小直徑51mm。每組設(shè)置3個鉆孔,分別位于拱頂和隧道中心線兩側(cè)各5m處,呈45°向上傾斜(見圖1),沿隧道縱向最大間距為5m。拱頂探孔至少長8m,兩側(cè)探孔至少長10m,鉆孔每隔1m放1組巖屑。

圖1 洞口超前鉆孔Fig.1 Advanced drilling hole at portal

鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆進(jìn)速率、頂推壓力、回轉(zhuǎn)壓力、沖洗回料的顏色、巖屑記錄及水的損失或增加。探測孔完成后至少觀察30min是否有地下水流入的現(xiàn)象,然后進(jìn)行灌漿回填。如洞口附近隧道埋深小于5m,需要增加1組洞口超前鉆孔,直到埋深大于5m。

2.2 洞身段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

2.2.1鉆孔方案和記錄

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)說明中要求:每個循環(huán)至少設(shè)置3個超前鉆孔,最小直徑38mm,超前預(yù)報(bào)距離最小20m,每循環(huán)搭接至少10m,即超前預(yù)報(bào)鉆孔長30m(見圖2)。超前水平鉆孔現(xiàn)場采用三臂臺車施工,鉆孔直徑64mm,每次鉆孔長度30～40m。

圖2 超前鉆孔平面Fig.2 Plane of advanced drilling hole

鉆孔記錄需要包含以下內(nèi)容:每個鉆孔的位置、方位和長度;鉆速和鉆孔長度的關(guān)系圖;地下水出水點(diǎn)的位置、性質(zhì)和數(shù)量;任何靜態(tài)條件變化的位置和程度;每隔最多1m沖洗回料的類型/顏色;任何其他相關(guān)發(fā)現(xiàn)。

2.2.2鉆孔數(shù)據(jù)及巖性分析

三臂臺車鉆孔數(shù)據(jù)自動導(dǎo)出至excel表格,然后生成推進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)壓力、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、水壓力及水流量等曲線圖,據(jù)此進(jìn)行巖性變化分析。

2.2.3地下水監(jiān)測及注漿止水

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,若開挖過程中有地下水,需在鉆孔完成1h后測量出水量。當(dāng)出水持續(xù)大于24h,每個孔(長20m)的出水量大于120L/min時,應(yīng)采用水泥漿或化學(xué)漿液注漿止水。注漿完成后,打設(shè)2根檢查孔(長20m),檢查孔內(nèi)水流速度小于60L/min即可停止注漿。

當(dāng)出水量較大時,注漿管需配置相應(yīng)的止水裝置,防止大量高壓水沖出造成人員受傷和機(jī)械設(shè)備損失。本項(xiàng)目施工過程中,各支洞出水量不大,均未達(dá)到超前注漿條件。

3 地震波法超前預(yù)報(bào)方案

地震波法試用范圍廣,地質(zhì)條件軟硬均適用,尤其是斷層、軟硬巖接觸面等不良地質(zhì)[5-7],地震波反射信號更加明顯。通過對信號進(jìn)行分析,可預(yù)測掌子面前方圍巖和地下水的特征。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)試點(diǎn)選擇

結(jié)合地質(zhì)條件、線路條件、隧道埋深、施工進(jìn)展等,選擇2號斜井和4號斜井作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)試點(diǎn),分別代表本項(xiàng)目東、西部兩個地質(zhì)區(qū)。2號斜井可作為1～3號斜井的代表,4號斜井可以作4～6號斜井的代表。

3.2 地震波法施工工序

1)爆破孔和接收孔的布置

為避免占用關(guān)鍵路徑時間,在掌子面施作超前鉆孔的同時,進(jìn)行邊墻爆破孔卷尺測量、標(biāo)識邊墻24個爆破孔(孔位距地面1m,第1個孔距離掌子面5.5m,孔深1.5m,間距1.5m,向下直徑45～48mm),盡量選擇障礙物(水管、風(fēng)管、避車洞等)少的一側(cè)邊墻(面向掌子面左側(cè))打設(shè),并且在兩側(cè)邊墻同一里程處打兩個接收孔(接收孔距離掌子面50～55m,孔深2m,直徑48～50mm),爆破孔和接收孔應(yīng)在同一直線上,如圖3,4所示。

圖3 觀測系統(tǒng)平面布置Fig.3 Plane layout of observation system

圖4 觀測系統(tǒng)三維示意Fig.4 Three-dimensional of observation system

2)鉆孔

爆破孔可采用手持風(fēng)鉆在掌子面鉆爆破孔時同步施作,平均每個孔成孔時間在15～20min。由于巖石較硬,鉆孔速度較慢,可采用三臂臺車鉆孔,即三臂臺車完成掌子面爆破孔后,同步完成臨近開挖循環(huán)的引爆孔鉆孔。

3)TSP操作人員進(jìn)場

打孔完畢后,通知TSP操作人員進(jìn)入現(xiàn)場。操作人員進(jìn)入現(xiàn)場后,首先檢查兩個接收器孔是否合格。檢測合格后現(xiàn)場安排1名人員逐一測量爆破孔。

4)裝藥

完成以上步驟后,將提前準(zhǔn)備好的觸發(fā)用炸斷線綁在雷管上,期間可以進(jìn)行炸藥卷分割,并注水封堵爆破孔。綁好雷管、炸藥分割完成后,爆破人員(1～2名)裝填炸藥。裝炸藥期間,TSP施作人員可以進(jìn)行儀器連接組裝。

5)起爆及數(shù)據(jù)采集

待裝藥完畢,儀器組裝完畢,調(diào)試合格后進(jìn)行逐個引爆工作,爆破時所有人員返回至爆破點(diǎn)50～80m距離安全區(qū)域。

6)編制報(bào)告

待全部爆破孔爆破完畢后,收取儀器,返回駐地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并在24h內(nèi)完成報(bào)告。

4 預(yù)報(bào)結(jié)果對比分析

以2號斜井0+256.5—0+390段預(yù)報(bào)結(jié)果為例,進(jìn)行對比分析。

4.1 超前水平鉆探預(yù)報(bào)結(jié)果

該段落共進(jìn)行4次超前鉆孔,預(yù)報(bào)結(jié)果如下。

1)段落1 0+254—0+294 (見圖5)

圖5 0+254—0+294超前鉆孔波形Fig.5 Advanced borehole waveform of 0+254—0+294

由圖5可以看出,在里程0+278處沖擊壓力和推進(jìn)壓力有所降低,隨后比較平穩(wěn),整體來看鉆機(jī)推進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)壓力、推進(jìn)壓力均較平順,預(yù)報(bào)范圍內(nèi)地質(zhì)條件與當(dāng)前掌子面類似,無地下水補(bǔ)給。

2)段落2 0+281—0+321(見圖6)

圖6 0+281—0+321超前鉆孔波形Fig.6 Advanced borehole waveform of 0+281—0+321

由圖6可以看出,0+287—0+296超前鉆孔鉆機(jī)推進(jìn)速度和回轉(zhuǎn)壓力波動較大,均超過平均值,預(yù)測有軟弱破碎帶存在;水壓顯示比較平順,無地下水補(bǔ)給。

3)段落3 0+310—0+350(見圖7)

圖7 0+310—0+350超前鉆孔波形Fig.7 Advanced borehole waveform of 0+310—0+350

由圖7可以看出,0+310—0+350段超前鉆孔鉆機(jī)推進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)壓力、推進(jìn)壓力均較平順,預(yù)報(bào)范圍內(nèi)地質(zhì)條件與當(dāng)前掌子面類似,無地下水補(bǔ)給。0+340—0+390段與0+310～0+350段類似,無不良地質(zhì)情況。

4)預(yù)報(bào)結(jié)果匯總

以上4段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 超前鉆孔預(yù)報(bào)結(jié)果Table 3 Advanced drilling prediction results

4.2 地震波法(TSP)預(yù)報(bào)結(jié)果

該段落共進(jìn)行1次地震波法超前預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)長度133.5m,地震波法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)解析結(jié)果如下。

1)0+256.5—0+304段 縱波速度Vp為5 671～5 530m/s,橫波速度Vs為3 231～3 351m/s,泊松比0.26～0.22,動態(tài)楊氏模量80～78GPa。該段反射界面較多,縱、橫波波速總體變化不大;泊松比有所降低,動態(tài)楊氏模量變化較小,局部略有上升。

2)0+304—0+362段Vp為5 595～5 942m/s,Vs為3 231～3 372m/s,泊松比0.23～0.27,動態(tài)楊氏模量78～87GPa。該段反射界面較少,縱、橫波波速有所升高,泊松比總體呈上升趨勢,動態(tài)楊氏模量總體有所升高。

3)0+362—0+390段Vp為5 942～5 300m/s,Vs為3 372～3 058m/s,泊松比0.27～0.23,動態(tài)楊氏模量87～68GPa。該段反射界面較多,縱、橫波波速降低,泊松比總體先降低后升高,動態(tài)楊氏模量總體有所下降。

地震波法預(yù)報(bào)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 地震波法預(yù)報(bào)結(jié)果Table 4 Prediction results of TSP

4.3 結(jié)果驗(yàn)證及對比分析

4.3.1地質(zhì)素描[8]結(jié)果

隧道開挖后,拍攝高分辨率現(xiàn)場照片,同時對每個循環(huán)進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)素描。依據(jù)Q值系統(tǒng)使用手冊,結(jié)合開挖后揭示的巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理組數(shù)(Jn)、節(jié)理粗糙度系數(shù)(Jr)、節(jié)理面蝕變程度系數(shù)(Ja)、節(jié)理裂隙水折減系數(shù)(Jw)、地應(yīng)力折減系數(shù)(SRF)6個指標(biāo),計(jì)算出Q值,對地層情況做出綜合評價,從而作為定義支護(hù)類型的依據(jù),計(jì)算公式如下:

(1)

各掌子面素描情況如表5所示。

表5 地質(zhì)素描結(jié)論Table 5 Geological sketch conclusion

4.3.2對比分析

根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果分析,對于實(shí)際開挖后0+269.5—0+297段圍巖相對較破碎段,超前鉆探法和地震波法超前預(yù)報(bào)均比較準(zhǔn)確;0+362—0+390段超前鉆孔預(yù)報(bào)相對準(zhǔn)確,但TSP數(shù)據(jù)分析顯示有破碎帶存在,實(shí)際開挖后圍巖有變差趨勢,但尚未到達(dá)破碎帶。隨著后續(xù)的開挖顯示,圍巖的確相對當(dāng)前掌子面較差,從0+388.9里程后圍巖Q值下降明顯,主要是由于該斜井縱坡為10.3%,且起始端位于150m小曲線半徑末端,造成在0+362—0+390段預(yù)報(bào)有一定里程偏差。

5 結(jié)語

1) 在鉆爆法隧道施工中,采用地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案可行,同時可縮短每循環(huán)時間。

2) 當(dāng)出現(xiàn)地下水、空洞或破碎帶等特殊地層時,可輔以超前鉆孔進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

3) 對于海外工程項(xiàng)目,由于監(jiān)理堅(jiān)持按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施,如需采用地震波法替代超前水平鉆探法,需要提前取得監(jiān)理的同意。

4) 地震波法爆破孔若采用手持風(fēng)鉆鉆孔,空壓機(jī)進(jìn)洞作業(yè),需提前獲得監(jiān)理批復(fù)且有一定難度。若采用三臂臺車鉆孔,由于爆破孔縱向分布較長,臺車需要多次就位,占用循環(huán)時間。因此,需要和掌子面鉆孔協(xié)調(diào)安排。

5) 地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)用于小曲線、大坡度隧道,應(yīng)適當(dāng)縮短一次性預(yù)報(bào)距離,以100～120m為宜[9]。

6) 超前水平鉆探法與 TSP 地震波反射法相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法,輔以地表地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)地質(zhì)素描,能夠極大提高隧道內(nèi)不良地質(zhì)的分布及地下水的預(yù)測精度[10]。