綜合超前地質(zhì)預(yù)報在隧道項目中的應(yīng)用研究

摘要 為進一步探究綜合超前地質(zhì)預(yù)報在隧道工程中的應(yīng)用要點內(nèi)容，文章以某隧道工程項目為研究對象，針對其自身存在的復(fù)雜因素，綜合應(yīng)用地震波反射法（TSP）、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達法，對該隧道項目進行綜合超前地質(zhì)預(yù)報，以探究該隧道區(qū)段內(nèi)存在的巖體破碎特征、溶蝕裂隙發(fā)育特征和地下水發(fā)育特征。從現(xiàn)場開挖驗證結(jié)果來看，現(xiàn)場開挖與綜合超前地質(zhì)預(yù)報得到的探測結(jié)果基本相同，因此證明了該綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法較為準確，研究成果具有一定應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 綜合超前地質(zhì)預(yù)報；隧道工程項目；TSP；瞬變電磁法；地質(zhì)雷達法

中圖分類號 U452.11 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0098-03

0 引言

在當前的新建交通工程中，進行隧道開挖施工已經(jīng)成為難以回避的任務(wù)。隧道開挖施工具有相當高的復(fù)雜性，特別是這一過程通常會擾亂原有巖石圈的應(yīng)力平衡，由此產(chǎn)生的風險因素在施工過程中也變得更加顯著，包括但不限于塌方冒頂、大變形、巖爆、突水突泥等。為有效地應(yīng)對這些風險因素，則需要結(jié)合具體隧道工程案例，對超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)進行綜合應(yīng)用，以及時識別和規(guī)避風險。

1 項目概況

該研究主要針對某新建公路工程中的隧道施工項目進行，該隧道全長約為8.5 km，除進出口段有一定彎度，中間為直線，隧道軸線方向約為180°，埋深最深約1 386 m，全線均為單向兩車道分離式道路，設(shè)計速度80 km/h。通過前期地質(zhì)勘察結(jié)果獲知，由于該項目隧道區(qū)域地質(zhì)水文條件復(fù)雜度均較高，加之地層巖性不均勻，區(qū)域性巖溶地段分布較多，因此在實際施工過程中，主要存在以下幾方面的風險因素：（1）由于隧道埋深較大，且含水量較為豐富，因此發(fā)生涌水突泥風險較高；（2）由于隧道內(nèi)巖體松散破碎特征較為顯著，因此在施工過程中容易發(fā)生塌方風險；（3）因隧道內(nèi)存在巖體破碎帶，圍巖自承能力較差，整體穩(wěn)定性較差，加之地下水作用使得襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖壓力較大，易發(fā)生大變形。針對上述問題，決定應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法對該施工區(qū)段進行全面探測，從而為后續(xù)施工提供參考。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作方法

2.1 地震波反射法（TSP）相關(guān)流程

結(jié)合該隧道工程設(shè)計方案，該工程基于TSP的探測工作確定在隧道擬施工區(qū)域K43+065掌子面的邊墻位置進行，并以TSP303超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)進行作業(yè)，具體步驟如下：根據(jù)隧道內(nèi)巖層的走向確定炮孔布置在左邊墻或右邊墻位置，從掌子面附近的邊墻位置開始布置第一個激發(fā)孔，以后每間距1.5 m處布置下一個激發(fā)孔，激發(fā)孔向下傾斜10～20 °，孔深為1.5 m，連續(xù)布置24個激發(fā)孔。在第24個激發(fā)孔朝著洞口的方向量測15～20 m，分別在左、右邊墻的位置布置一個地震波信息接收孔，孔徑為50 mm，深度為2 m。激發(fā)孔與接收孔基本保持在同一個高度上，待鉆孔全部完成需要對孔間距進行量測并與隧道里程發(fā)生關(guān)系，測線和測點全部布置完成后，將起爆線、檢波器和終端設(shè)備進行連接，從第24個起爆點開始作業(yè)，逐一進行，直至第1個起爆點作業(yè)完成，在終端設(shè)備上對檢測到的信號進行采集。

2.2 瞬變電磁法及其相關(guān)流程

結(jié)合該次隧道擬施工區(qū)域?qū)嶋H地形特征，應(yīng)用Terra TEM瞬變電磁勘探系統(tǒng)，按照垂直于該研究區(qū)的構(gòu)造方向進行布置測線和探測，以進行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集完成，為得到直觀的可視化參數(shù)，基于如下步驟對數(shù)據(jù)進行處理：

進行數(shù)據(jù)濾波處理，以消除環(huán)境因素帶來的噪聲信號的干擾，此文選取6個同時運行的卡爾曼濾波器（每個濾波器的噪聲協(xié)方差矩陣相互獨立），將濾波器的輸出結(jié)果N進行加權(quán)計算，計算公式如下：

（1）

式（1）中，Wh——每個濾波器分配的權(quán)值；Xh——各個濾波器的輸出結(jié)果。結(jié)合實際需要，該次各個濾波器的權(quán)值均相等。

進行時深轉(zhuǎn)換，野外采集到的數(shù)據(jù)是隨時間變化的二次場，需要利用反演后得到的視電阻率和修正深度。對圖件進行繪制。將研究區(qū)內(nèi)測線按照線號對轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)進行分解，以得到各測線視電阻率擬斷面圖（電性隨深度變化）。最后以目的層的標高變化再繪制各目的層視電阻率順層切片圖。由此得到視電阻率ρ計算公式如下：

（2）

在式（2）中，q——接收線圈的有效面積（㎡）；V（t）——感應(yīng)電壓（V）；m——發(fā)射磁矩（N·m）；t——時窗時間（s）；u——磁導(dǎo)率。

出于深層次視電阻率分析的需要，明確視深度和視縱向電導(dǎo)S兩方面的指標，計算公式分別如下：

（3）

（4）

在式（3）與式（4）中，A——發(fā)射回線面積（㎡）；V（t）/I——歸一化感應(yīng)電壓（V）；d（V（t）/I）/dt——歸一化感應(yīng)電壓對時間t的導(dǎo)數(shù)；q——接收線圈的有效面積（㎡）；u——磁導(dǎo)率。

基于上述流程與公式，數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件采用Terra TEM配套軟件 TEMPlot_terra TEM 和針對重疊小回線方法編寫預(yù)處理程序，再利用IX1D V3.46進行反演，即可對數(shù)據(jù)進行綜合解釋[1-2]。

2.3 雷達探測方法及其相關(guān)流程

在該項目地質(zhì)雷達探測過程中，結(jié)合隧道初步擬定施工方案，在隧道掌子面上布置三條水平橫測線和一條縱測線，具體則在拱腰、墻腰和距離隧道底部高約1.5～2 m處各布置一條，縱向測線設(shè)置在隧道中心。以100 MHz雷達波信號對數(shù)據(jù)進行采集，并對采集到的原始數(shù)據(jù)依次進行數(shù)據(jù)文編輯、波速估計、數(shù)字濾波、反褶積、偏移歸位五個步驟的處理，以得到雷達探測結(jié)果。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果分析

3.1 斷層破碎帶探測

在斷層破碎帶探測工作中，首先針對該隧道工程標段K43+065～K43+185進行探測。根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料得知，該區(qū)段主要表現(xiàn)為硬質(zhì)巖層，結(jié)構(gòu)面貼合度較低，存在一定程度上的裂隙和巖溶發(fā)育。因此，通過在該隧道工程標段K43+065邊墻位置布置炮孔和傳感器進行探測，得到TSP探測結(jié)果。

在該次探測的隧道標段內(nèi)，典型測試范圍及其表現(xiàn)如下：（1）在隧道K43+065～K43+113區(qū)間內(nèi)，主要表現(xiàn)為破碎和易掉塊的巖體，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，地下水浸潤特性較為突出，同時也存在滴水狀地下水；（2）在K43+113～K43+132區(qū)間內(nèi)，存在較破碎巖體，節(jié)理裂隙同樣具有較高的發(fā)育程度，但未見顯著地下水浸潤情況；（3）在K43+132～K43+155區(qū)間內(nèi)，巖體破碎程度較高，節(jié)理裂隙高度發(fā)育，地下水表現(xiàn)為浸潤狀；（4）在K43+155～K43+185區(qū)間內(nèi)，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，但未見顯著地下水浸潤情況[3-4]。

基于上述特征，進一步在K43+065點位的掌子面上應(yīng)用地質(zhì)雷達做進一步探測，以判斷前方巖體完整度，得到該掌子面各條測線上的雷達探測結(jié)果。在該次探測的K43+065～K43+185區(qū)間內(nèi)，巖體因強度較低表現(xiàn)出較為破碎的特點，且同時表現(xiàn)出較為明顯的嚴重風化特征，另外，該區(qū)間內(nèi)溶蝕裂隙發(fā)育程度也較高，且仍然存在著進一步發(fā)育溶蝕裂隙的可能。據(jù)此進一步分析可知，受地層地貌及斷層控制因素等的影響，裂隙巖體中含水量仍然存在著增大的可能性。

3.2 涌突水探測

在涌突水探測環(huán)節(jié)中，基于TSP法并結(jié)合地質(zhì)分析進行第一階段分析，預(yù)測范圍則設(shè)定為K43+065～K43+113，據(jù)此首先以TSP法進行探測。

基于TSP探測結(jié)果進行解譯后，可得到以下幾方面的探測結(jié)果：（1）在區(qū)段K43+065～K43+083內(nèi)，巖體質(zhì)量偏差，巖體破碎程度較高，節(jié)理和巖溶裂隙水均表現(xiàn)出較強的發(fā)育特征，同時巖體內(nèi)部也具有較高含水量，為典型的富水區(qū)段；（2）在區(qū)段K43+083～K43+096內(nèi)，巖體具有較高破碎程度，但未見顯著節(jié)理裂隙，僅存在少量的裂隙水；（3）在區(qū)段K43+096～K43+113內(nèi)，巖體完整程度相對較高，但節(jié)理裂隙也已經(jīng)較為發(fā)育。

根據(jù)上述解譯結(jié)果可知，區(qū)段K43+065～K43+113內(nèi)的實際情況相對最為復(fù)雜，涌突水風險明顯高于其他區(qū)段，因此以該區(qū)段為基礎(chǔ)，進一步應(yīng)用瞬變電磁法進行短距離探測，得到探測解譯結(jié)果如圖1所示。

另外，為進一步提高涌突水風險探測的全面性，研究人員同時應(yīng)用地質(zhì)雷達進行補充探測，根據(jù)上述基于瞬變電磁法和雷達探測法獲得的解譯結(jié)果進行綜合分析后，可得出如下分析結(jié)果：（1）通過應(yīng)用瞬變電磁法進行探測后，得到區(qū)段K43+065～K43+096內(nèi)存在大面積視電阻率較低區(qū)域，據(jù)此推斷，該區(qū)域巖層富水性普遍較強，巖體含水量大，為強富水區(qū)，同時掌子面前方也可能存在一定的巖溶裂隙發(fā)育特征。（2）通過應(yīng)用地質(zhì)雷達進行探測后，得到區(qū)段K43+096～K43+113內(nèi)表現(xiàn)為典型的巖體破碎和溶蝕裂隙發(fā)育特征，存在較高的巖層掉塊脫落與崩塌等風險；同時該區(qū)域地下水發(fā)育程度較高，推斷巖體的富水性也較高，存在著一定的涌水風險。

4 鉆探驗證結(jié)果對比分析

為檢驗上述超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果的準確性，研究人員進一步進行現(xiàn)場驗證工作。首先，針對該次探測的K43+065～K43+185區(qū)間進行現(xiàn)場開挖驗證，并將驗證結(jié)果與基于TSP和雷達的分析結(jié)果進行對比，得到對比驗證結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的探測結(jié)果對比分析可知，現(xiàn)場開挖驗證結(jié)果和前文中的基于TSP與雷達的探測結(jié)果之間基本不存在顯著差異，因此可以認為該區(qū)段的探測結(jié)果較為準確。

其次是進一步應(yīng)用超前鉆探方法，對涌突水探測區(qū)段K43+065～K43+113進行分析，得到分析結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中的超前鉆探結(jié)果可見，在該區(qū)段內(nèi)，隨著里程數(shù)的增大，巖體的整體變化趨勢轉(zhuǎn)差，特別是在K43+113～K43+104區(qū)段內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了地下水較發(fā)育和巖體完整性較差的特征。根據(jù)上述特征推斷，探測區(qū)段前方可能存在地下水充填型溶洞或暗河通道。

基于上述超前鉆探結(jié)果，進一步通過現(xiàn)場隧道開挖模式對上述各類型的探測結(jié)果進行驗證。結(jié)果顯示，在開挖的初始階段（對應(yīng)K43+083～K43+065區(qū)段）未出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，而在開挖到K43+104～K43+083區(qū)段時，巖體處于較破碎～較完整特征，但已經(jīng)發(fā)生涌水現(xiàn)象，主要以淋雨狀和點滴狀，最大涌水量約為30 m3/h。此后，隨著開挖的進一步推進，在開挖到K43+113～K43+104區(qū)段時，涌水問題進一步突出，主要表現(xiàn)為股狀水涌出，最大涌水量也迅速增長到200 m3/h左右，同時，該區(qū)段也伴隨著破碎巖體剝落、掉塊等特征，初步推斷該區(qū)段如不進行支護則容易造成崩塌現(xiàn)象。從上述現(xiàn)場開挖驗證結(jié)果來看，其與前文所述的預(yù)報和探測結(jié)果基本吻合，因此可以認為該工程綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作具有較高的準確性。

5 結(jié)束語

在該研究工作中，針對某隧道工程的復(fù)雜地質(zhì)條件，綜合應(yīng)用TSP、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達探測三種方法進行超前地質(zhì)預(yù)報，以此明確該隧道工程內(nèi)部巖層的基本特征，包括斷層破碎帶、地下水發(fā)育情況等。通過上述分析，確定了探測區(qū)段內(nèi)存在的巖石破碎特征、裂隙發(fā)育和富水性等因素，同時通過現(xiàn)場開挖驗證確定了該綜合超前地質(zhì)預(yù)報的準確性。該綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果為后續(xù)的施工作業(yè)提供參考借鑒。

參考文獻

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收稿日期：2024-04-15

作者簡介：楊剛（1987—），男，本科，工程師，研究方向：隧道實驗檢測。