南洪隧道不良地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)研究

摘要：依托洪灣泵站至南屏水庫(kù)隧道工程，采用彈性波反射法，對(duì)掌子面K0+022.0處進(jìn)行隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探測(cè)前方可能出現(xiàn)的斷層，以及影響帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等不良地質(zhì)體的厚度、范圍、形式、規(guī)模。通過(guò)測(cè)試獲取原始的有效波形數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件先將波場(chǎng)分離再進(jìn)行波速計(jì)算，隨后對(duì)TST成果圖進(jìn)行解釋。研究結(jié)果表明：K0+022～K0+041段圍巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，K0+041～K0+051段局部存在裂隙帶，K0+051～K0+122圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖較完整。

關(guān)鍵詞：隧道不良地質(zhì)；彈性波反射；TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理

0" "引言

我國(guó)地域遼闊，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，這給公路、鐵路隧道的施工帶來(lái)了很大的困難。隧道建設(shè)過(guò)程中，突水、突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給隧道施工安全及人員生命安全帶了顯著影響，因此對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行提前勘察非常必要。

目前，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者已對(duì)不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法開(kāi)展了一系列研究與應(yīng)用，研究方法包括地震波法和聲波法、物探法、瞬變電磁法。其中，黃凱等[1]以某公路隧道為研究對(duì)象，分析TGP的原理及操作步驟，并對(duì)隧道掌子面前方的斷層破碎帶不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)。張龍[2]依托浦梅鐵路蓮花山隧道工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、物探、超前鉆探等多種技術(shù)，對(duì)隧道F14大型斷層破碎帶進(jìn)行預(yù)測(cè)。賈艷領(lǐng)等[3]依托工程以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，采用鉆探法、陸地聲納法、超高密度電阻法綜合超前預(yù)報(bào)手段進(jìn)行勘測(cè)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷掌子面前方地質(zhì)情況。

洪慶仁等[4]基于西成客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)大秦嶺險(xiǎn)隧道工程背景，采用地質(zhì)編錄與物探法相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)掌子面前方斷層、褶皺、富水帶等不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。朱炯等[5]以大金山隧道工程為例，詳細(xì)介紹了TGP12超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)施工方法及原理，通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整了原設(shè)計(jì)。劉少成[6]詳細(xì)介紹了TGP206原理以及施工現(xiàn)場(chǎng)中的操作方法，結(jié)合某隧道工程，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

本文依托洪灣泵站至南屏水庫(kù)隧道工程，采用彈性波反射法，對(duì)掌子面K0+022.0處進(jìn)行隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探測(cè)前方可能出現(xiàn)的斷層，以及影響帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等不良地質(zhì)體的厚度、范圍、形式、規(guī)模。通過(guò)測(cè)試獲取原始的有效波形數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件先將波場(chǎng)分離再進(jìn)行波速計(jì)算，隨后對(duì)TST成果圖進(jìn)行解釋。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

本工程原水隧洞起點(diǎn)位于洪灣泵站，終點(diǎn)位于南屏水庫(kù)，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模70萬(wàn)m3/d。原水經(jīng)新洪灣泵站加壓后，經(jīng)隧洞穿越幌傘頂、石盤(pán)頭、蛇地尾、老虎尾、黑面將軍等山體，進(jìn)入南屏水庫(kù)。輸水隧洞沿線(xiàn)全長(zhǎng)約4252m，其中隧洞段長(zhǎng)約4100m。其中TBM施工段長(zhǎng)約3984.5m，雙向懸臂掘進(jìn)段100.5m，明渠段長(zhǎng)約38m。隧洞凈尺寸直徑為3.0m，隧洞外壓力管道采用DN3000鋼管，掘進(jìn)方法采用TBM施工方式。

本項(xiàng)目屬于長(zhǎng)距離隧洞，擬采用TBM專(zhuān)用連續(xù)皮帶出渣+洞外轉(zhuǎn)渣皮帶+洞外自卸汽車(chē)轉(zhuǎn)渣至棄渣場(chǎng)的方式，進(jìn)行TBM掘進(jìn)期間的石渣外運(yùn)。隧洞設(shè)計(jì)起點(diǎn)為洪灣泵站，洞內(nèi)底標(biāo)高2.50m，終點(diǎn)為南屏水庫(kù)，設(shè)計(jì)終點(diǎn)洞內(nèi)底標(biāo)高14.00m。隧洞全線(xiàn)上坡坡度約0.275%，明渠接入南屏水庫(kù)。沿線(xiàn)共設(shè)兩座豎井，進(jìn)入南屏水庫(kù)的隧洞出口豎井處設(shè)閘門(mén)井1座。

1.2" "工程地質(zhì)構(gòu)造

勘察揭露隧洞沿線(xiàn)無(wú)大型斷裂，石盤(pán)頭段發(fā)育一條較大規(guī)模沖溝。該地帶為擠壓破碎帶，總體走向北東-南西，經(jīng)過(guò)魚(yú)塘后走向改為北西-南東，且局部伴生較小型擠壓破碎帶，勘察揭露圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。黑白將軍山南側(cè)地表發(fā)育一條較大沖溝，走向北東-南西。該地帶為擠壓破碎帶，勘察揭露圍巖等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。

原生裂隙J2與J3的交線(xiàn)（北東53°）與隧洞走向呈小角度相交，在該方向隧洞圍巖穩(wěn)定性最差，同時(shí)，J3裂隙（北東50°）與隧洞走向亦呈小角度相交，這三個(gè)方向容易產(chǎn)生破碎、掉塊或崩落。其余裂隙及交線(xiàn)與隧洞大角度相交，穩(wěn)定性好。3組構(gòu)造裂隙均閉合-微張，裂面較平直，但粗糙無(wú)填充，力學(xué)性質(zhì)屬于壓性和壓扭性。

1.3" "工程地質(zhì)條件

TBM隧洞段巖土構(gòu)成從上至下依次為：粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化（中等風(fēng)化）花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。TBM隧洞范圍以微風(fēng)化花崗巖為主，為堅(jiān)硬巖。隧洞Ⅳ級(jí)圍巖占比5.8%，Ⅴ級(jí)圍巖占比1.5%。

1.4" "水文地質(zhì)條件

上層滯水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水垂直補(bǔ)給、地表水補(bǔ)給、相鄰含水層側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給量受降雨和季節(jié)的影響明顯，穩(wěn)定水位深度介于0.5～2.0m之間；基巖裂隙水主要賦存于構(gòu)造裂隙帶中，接受高處地下水、地表水或第四系孔隙水的補(bǔ)給，在局部基巖出露的地方形成下降泉，或在切割較深的沖溝匯集而成地表逕流，其富水程度與構(gòu)造發(fā)育有關(guān)基巖裂隙水穩(wěn)定水位深度介于1.6～37.50m。

勘察揭露TBM隧洞范圍內(nèi)主要為透水性較小地層，地下水儲(chǔ)水量較小，但因南屏水庫(kù)水的補(bǔ)給及強(qiáng)風(fēng)化裂隙的連通性，隧道出口地段的補(bǔ)給量很大。

2" "探測(cè)方法

本次預(yù)報(bào)采用彈性波反射波法，利用TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)圍巖地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。

2.1" "數(shù)據(jù)采集

2.1.1" "觀(guān)測(cè)系統(tǒng)布置

本次TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)沿隧洞兩側(cè)圍巖布置，最后檢波器離掌子面的距離為L(zhǎng)。觀(guān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)盡量靠近機(jī)頭，具體布置要點(diǎn)如下：檢波接收點(diǎn)8個(gè)，S1～S8布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)壁分別4個(gè)。檢波器間距2.0m，耦合在圍巖表面。震源激發(fā)點(diǎn)為P1至P4這4個(gè)，每側(cè)布置2個(gè)在側(cè)壁上。P1震源孔距S8檢波器以及P2震源孔距S1檢波器均為2m，其余每側(cè)震源孔之間距離為8m，離地面約1.5m。檢波器孔采用手風(fēng)鉆成孔，鉆頭直徑φ50。采用石膏粉耦合，現(xiàn)場(chǎng)激發(fā)順序P1～P4。TST地震波激發(fā)與接收布設(shè)平面如圖1。

2.1.2" "精度控制方法

TST觀(guān)測(cè)坐標(biāo)需要較準(zhǔn)確的位置測(cè)量度，要求測(cè)量精度達(dá)到10cm。具體控制方法如下：逐孔測(cè)量孔口坐標(biāo)、里程x和相對(duì)高程z；測(cè)量鉆孔深度，由此換算出孔底坐標(biāo)y；對(duì)測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù)做好記錄，進(jìn)行樁號(hào)統(tǒng)一編排，將樁號(hào)與坐標(biāo)對(duì)應(yīng)制表，并用圖示標(biāo)明震源點(diǎn)與檢波器編號(hào)與位置；開(kāi)始采集數(shù)據(jù)前，為了減少外界施工引起的噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響，停止洞內(nèi)所有施工操作。

2.2" "數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程分為5大步驟，包括資料預(yù)處理、觀(guān)測(cè)幾何系統(tǒng)編輯、方向?yàn)V波與波場(chǎng)分離、圍巖波速分布掃描分析、地質(zhì)構(gòu)造偏移成像和地質(zhì)解釋預(yù)報(bào)等環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2。

3" "超前預(yù)報(bào)成果解釋

3.1" "TST成果資料說(shuō)明

TST超前預(yù)報(bào)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)采集的32道原始的有效波形數(shù)據(jù)，利用處理軟件進(jìn)行波場(chǎng)分離和波速計(jì)算，最終的處理結(jié)果為地質(zhì)偏移圖像和速度分布圖像?，F(xiàn)場(chǎng)采集的原始的單次激震波形如圖3所示。波場(chǎng)分離后的典型記錄如圖4。

地質(zhì)偏移圖像中的紅藍(lán)條帶代表圍巖中的巖石反射界面，紅色代表巖石的波阻抗由小增大反射界面，藍(lán)色代表巖石的波阻抗由大減小的反射界面。圍巖波速表征圍巖的力學(xué)強(qiáng)度高低，波速高表示巖體完整致密，波速低表示巖體破碎。當(dāng)出現(xiàn)斷裂時(shí)，在地質(zhì)偏移圖像中的相應(yīng)里程位置出現(xiàn)先藍(lán)、后紅的條帶組合，同時(shí)在速度分布圖像中相應(yīng)里程位置的橫波波速降低。

3.2" "TST成果圖解釋

K0+022.0～K0+122.0地質(zhì)偏移圖像和速度分布圖像如圖5所示。通過(guò)對(duì)TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)成果的分析，劃分掌子面前方100m范圍的隧道圍巖為3個(gè)地質(zhì)單元，成果解釋如表1所示。

4" "相關(guān)建議

如遇降雨等情況，應(yīng)加強(qiáng)觀(guān)測(cè)洞內(nèi)地下水變化情況。如遇地下水量較大時(shí)，注意地下水沖刷引起的拱頂及側(cè)壁掉塊或小范圍滑塌的事故。由于物探方法的間接性、多解性以及所提供參數(shù)的單一性，使得對(duì)某些災(zāi)害體的性質(zhì)預(yù)測(cè)會(huì)有缺欠，使用資料時(shí)應(yīng)引起注意。

施工單位應(yīng)根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)變化，選擇合理掘進(jìn)參數(shù)，確保施工安全。TBM掘進(jìn)過(guò)程中，支護(hù)級(jí)別需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以避免因圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象。如遇與預(yù)報(bào)結(jié)果不一致時(shí)應(yīng)立即停止開(kāi)挖，綜合分析各方資料做出合理決策。掌子面開(kāi)挖到K0+112.0里程樁號(hào)之前，必須提前安排下一次超前預(yù)報(bào)工作。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文以洪灣泵站至南屏水庫(kù)隧道為例，對(duì)掌子面進(jìn)行隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探測(cè)前方可能出現(xiàn)的斷層及影響帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等不良地質(zhì)體。主要獲得以下主要結(jié)論：K0+022～K0+041里程內(nèi)圍巖波阻抗變化反射界面少，可能?chē)鷰r節(jié)理裂隙不發(fā)育；K0+041～K0+051里程內(nèi)巖體波阻抗變化反射界面較多，波阻抗差異變化呈連續(xù)性，可能局部存在裂隙帶；K0+051～K0+122里程內(nèi)圍巖巖體波阻抗反射界面較多但不連續(xù)，可能?chē)鷰r節(jié)理裂隙較發(fā)育。

參考文獻(xiàn)

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