物探檢測技術(shù)在深埋水工隧洞施工中的應(yīng)用

，

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，311122)

物探檢測技術(shù)在深埋水工隧洞施工中的應(yīng)用

王鋒，鄭曉紅

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，311122)

物探檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，但每種檢測手段都存在一定的局限性，本文從錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中遇到的難題出發(fā)，對物探檢測技術(shù)在解決這些問題時的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，分析了各檢測技術(shù)在本工程應(yīng)用時的特點及適用性，為同類工程的建設(shè)提供參考。

物探檢測技術(shù) 水工隧洞 深埋 錦屏二級水電站

1 引言

物探檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)過程中，覆蓋工程建設(shè)的各個階段。相比較工程建設(shè)前期地質(zhì)勘探及已有結(jié)構(gòu)的各種檢測技術(shù)，施工期的各項檢測技術(shù)有其獨特的特點。錦屏二級水電站4條引水隧洞平均長16.67km，沿線上覆巖體一般埋深1500m～2000m，最大埋深2525m，常規(guī)的物探檢測手段在解決深埋隧洞開挖過程中的問題面臨各自的不足。本文以錦屏二級輔助洞及引水隧洞為例，以施工過程中出現(xiàn)的軟巖大變形及塌方、高地應(yīng)力引起的硬巖巖爆、巖溶與涌突水等主要工程地質(zhì)問題為出發(fā)點，總結(jié)檢測技術(shù)在反映及解決這些問題時的適用性及發(fā)揮的作用，并將這些經(jīng)驗運用到引水隧洞之后的施工中，為工程順利建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 深埋軟巖大變形檢測

錦屏二級引水隧洞西端在開挖過程中遇到T1綠泥石片巖地層，綠泥石片巖自身強(qiáng)度低、剛度小，而該洞段埋深1700m，地應(yīng)力高，開挖后出現(xiàn)變形量大、變形持續(xù)時間長、松弛深度大等問題。綜合斷面尺寸測量、松動圈檢測、收斂監(jiān)測等手段，對該段軟巖變形持續(xù)情況進(jìn)行判斷，有效地指導(dǎo)了該部位支護(hù)結(jié)構(gòu)的實施。

2.1 預(yù)留變形量

在綠片巖洞段開挖完成后，洞室圍巖向洞內(nèi)產(chǎn)生變形，而且累計變形量較大，變形持續(xù)時間長，局部部位隧洞“縮徑”現(xiàn)象明顯，圍巖已侵占隧洞有效斷面。隧洞開挖完成后采用全站儀進(jìn)行斷面測量，發(fā)現(xiàn)圍巖向凈空變形大部分在20cm～60cm之間，局部超過1m。同時收斂監(jiān)測最大累計變形量達(dá)到383.28mm，收斂測點累計測值較大部位為邊墻下部(DE測線)，其次是左右拱肩之間(BC測線)，頂拱的下沉量相對較小。嚴(yán)重侵占了設(shè)計混凝土襯砌凈空。通過對各監(jiān)測斷面變形持續(xù)時間的統(tǒng)計顯示，不論開挖后變形量值大小，開挖變形穩(wěn)定時間一般在8～12個月。

綠泥石片巖變形洞段各區(qū)域地質(zhì)條件、原系統(tǒng)支護(hù)施工質(zhì)量等情況均有差異，圍巖累計變形量也不同。本工程采用Hoek的分級評價方法將圍巖變形程度分成以下幾類：輕微～中等擠壓變形(6cm～32cm)、嚴(yán)重擠壓變形(32cm～63cm)、極其嚴(yán)重擠壓變形(大于63cm)。根據(jù)現(xiàn)場斷面測量、變形監(jiān)測和物探檢測等成果，1號引水隧洞大變形洞段引(1)1+635m～1+800m段長約175m，布置78個掃描斷面，其中74.36%的斷面屬于嚴(yán)重擠壓變形，23.08%的斷面屬于中等擠壓變形，其它斷面為輕微擠壓變形，之后通過嚴(yán)格的理論分析確定預(yù)留變形量的范圍，對各類型洞段進(jìn)行擴(kuò)挖加固處理設(shè)計。

圖1 綠泥石片巖洞段收斂斷面典型過程線

2.2 調(diào)整支護(hù)設(shè)計

從松動圈的測試結(jié)果顯示，綠泥石片巖IV類圍巖洞段松弛范圍較大，圍巖松弛深度普遍較深，在5.4m～13m之間，部分樁號的個別部位松弛深度甚至達(dá)到14m，圍巖低波速值為3300m/s，平均波速也僅為4300m/s，大范圍和高深度的巖體松弛和較低的圍巖波速條件均反映了該段軟巖的持續(xù)變形情況。

由上述松動圈測試成果可知，原松動圈檢測斷面的設(shè)計孔深為10m，可能無法測出綠泥石片巖洞段松動圈的實際深度，后經(jīng)過綜合分析，在部分較差洞段增設(shè)松動圈測試孔，孔深為15m。多點變位計測值也同樣顯示，部分變形較大洞段，埋深10m測點仍有較大變形。所以9m錨桿將無法穿過松動圈，不能很好地發(fā)揮加固圍巖的作用，對極其嚴(yán)重擠壓變形洞段需要采用錨索支護(hù)，并增加襯砌厚度，來保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

3 深埋硬巖巖爆的檢測預(yù)報

錦屏二級引水隧洞中段出露白山組大理巖，最大埋深達(dá)2525m，地應(yīng)力高，現(xiàn)場開挖時多次發(fā)生巖爆。大理巖段的脆性破壞是引水隧洞沿線最主要的高應(yīng)力破壞形式，現(xiàn)場主要表現(xiàn)為應(yīng)力破損、片狀破壞、應(yīng)力節(jié)理和巖爆4種形式。各種巖爆類型中影響最突出的是與地質(zhì)構(gòu)造直接關(guān)聯(lián)的構(gòu)造型巖爆，當(dāng)高應(yīng)力區(qū)域遇到隱性結(jié)構(gòu)面時可能形成大范圍巖爆，給施工安全和進(jìn)度造成很大影響，所以需要檢測掌子面前方可能存在的不利地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而判斷發(fā)生巖爆的可能性及其等級，提出建議措施。

本工程通過現(xiàn)場試驗確定了適合錦屏深埋地質(zhì)條件檢測預(yù)報的方法：地質(zhì)分析+TSP法+地質(zhì)雷達(dá)法。聲發(fā)射法和微震監(jiān)測法對檢測巖爆有一定的作用，但需進(jìn)一步完善。

3.1 不良地質(zhì)條件檢測預(yù)報

3.1.1 TSP地震波技術(shù)

TSP(Tunnel seismic Prediction)技術(shù)是一種用于檢測預(yù)報隧道前方地質(zhì)變化的地下反射技術(shù)，檢測時在掌子面后方側(cè)墻上一定范圍內(nèi)布置一排爆破點，依次進(jìn)行微弱爆破，產(chǎn)生的地震波信號在隧洞周圍巖體內(nèi)傳播，當(dāng)巖體強(qiáng)度(波阻抗)發(fā)生變化時，如遇到斷層、地下水或巖層變化時，信號的一部分被反射回來。界面兩側(cè)巖體的波阻抗差別越大，反射回來的信號也就越強(qiáng)。返回的信號被經(jīng)過特殊設(shè)計的接收器接收轉(zhuǎn)化為電信號。

TSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)將隧洞的掌子面前方劃分為四個區(qū)域，根據(jù)施工隧洞的地質(zhì)情況和主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，確定爆破孔布置位置?，F(xiàn)場實施工序包括：鉆孔(爆破孔及接收孔)、接收器埋設(shè)及灌漿、炸藥埋設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及分析、地質(zhì)解釋。

經(jīng)過現(xiàn)場實踐，TSP對圍巖類別、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模和位置、出水預(yù)報準(zhǔn)確率33.3%，基本準(zhǔn)確占53.3%，兩者合計86.6%，不準(zhǔn)確占13.4%。TSP在錦屏輔助洞預(yù)報有效距離為100m～200m，具有不干擾施工、用時短、預(yù)報距離長等優(yōu)點，對工作面前方遇到與隧洞軸線近垂直的不連續(xù)體(夾層、斷層破碎帶等)的界面，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但如果不連續(xù)體的界面形狀不規(guī)則或與洞軸線小角度相交，準(zhǔn)確度較低；對溶洞及含水層的預(yù)報精度也較低，還需綜合地質(zhì)情況、巖體力學(xué)參數(shù)以及其他方法所取得的資料進(jìn)行綜合分析評判。

3.1.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是利用反射界面兩側(cè)介質(zhì)相對介電常數(shù)的反射系數(shù)的大小探測前方不良地質(zhì)體。表面地質(zhì)雷達(dá)檢測是在隧洞左右側(cè)墻、掌子面及底板各布置測線，發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)時，在側(cè)墻或掌子面的另一高程處增加測線，以便準(zhǔn)確定位?？變?nèi)地質(zhì)雷達(dá)檢測時在掌子面布置三個鉆孔，鉆孔成等邊三角形。但地質(zhì)雷達(dá)可探測的距離較短(<30m)，數(shù)據(jù)處理和資料解釋難點較多，需要專業(yè)人員作正確判斷。同時地質(zhì)雷達(dá)易受隧道中金屬物等干擾，影響掌子面前方水體的預(yù)報位置和精度。

表面地質(zhì)雷達(dá)對巖性界面、斷層主要含水構(gòu)造反映靈敏，較TSP地震波技術(shù)對含水層敏感，與地質(zhì)分析相結(jié)合后，是引水隧洞地質(zhì)預(yù)報的理想儀器。但遇到與洞向夾角小或近平行的結(jié)構(gòu)面時檢測不明顯；受制于測線的布置，出露在洞頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)面無法準(zhǔn)確預(yù)報；對于緩傾角的結(jié)構(gòu)面在水平面的投影位置也有較大誤差。孔內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)占用掌子面掘進(jìn)時間較長、存在檢測期間人員設(shè)備安全、解釋復(fù)雜等問題限制了其在地下工程的應(yīng)用。

單一的檢測手段在地質(zhì)預(yù)報時存在缺陷，為了進(jìn)一步提高檢測預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性，須形成多種物探方法互相配合應(yīng)用、聯(lián)合判別準(zhǔn)則的綜合檢測方法。經(jīng)過現(xiàn)場實踐表明：TSP長距離預(yù)報與地質(zhì)雷達(dá)短距離預(yù)報相結(jié)合，并結(jié)合地質(zhì)分析后，能夠較準(zhǔn)確地檢測預(yù)報不良結(jié)構(gòu)面。

3.2 聲發(fā)射及微震技術(shù)的實踐

為了更深入地研究巖爆的發(fā)生及發(fā)展機(jī)理，本工程在2號與3號引水隧洞之間布置試驗洞，在3號引水隧洞TBM掘進(jìn)機(jī)通過試驗洞時采用聲發(fā)射法和微震監(jiān)測技術(shù)對檢測巖爆發(fā)生進(jìn)行了探索研究。聲發(fā)射法是監(jiān)測巖體破裂和巖爆的有效手段，但需事先打孔安裝設(shè)備，在無平行支洞的情況下難以實施，該方法只能在宏觀預(yù)報有重大問題時，作為局部的一種預(yù)報手段。微震監(jiān)測技術(shù)可以對強(qiáng)巖爆做出一定的預(yù)警，但目前還處于試驗階段，尚不能作為生產(chǎn)性預(yù)報。

3.2.1 聲發(fā)射

隧洞開挖時導(dǎo)致圍巖破裂損傷，并以彈性波的形式釋放能量，利用聲發(fā)射傳感器捕捉彈性波，將巖體的裂紋萌生與擴(kuò)展、斷裂破壞振動轉(zhuǎn)換為電信號，以此分析判斷圍巖破裂損傷的程度。

圖2 聲發(fā)射鉆孔及聲發(fā)射傳感器位置分布

現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)：在TBM掘進(jìn)機(jī)掌子面距離監(jiān)測中心位置3.5倍洞徑前無明顯的聲發(fā)射破裂信號發(fā)生；距離-0.5～+0.5倍洞徑范圍時，圍巖變形明顯，破裂信號高頻率發(fā)生，巖體破裂信號以隧洞軸線中心位置呈輻射狀向隧洞四周分布。聲發(fā)射破裂信號主要分布在距洞壁1.5m～5m范圍內(nèi)，其中2m～4m洞壁范圍內(nèi)破裂信號數(shù)量最為集中，與聲波監(jiān)測的松弛成果基本一致。據(jù)此可將距洞壁0～1.5m范圍劃為巖體完全松弛區(qū)，1.5m～5m范圍劃為巖體擾動區(qū)，5m范圍之外劃為原巖狀態(tài)區(qū)。聲發(fā)射法是監(jiān)測巖體破裂和巖爆的有效手段，但需事先打孔安裝設(shè)備，在無平行支洞的情況下難以實施。

3.2.2 微震監(jiān)測技術(shù)

微震監(jiān)測技術(shù)用于監(jiān)測巖體在變形和破壞過程中，裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、摩擦?xí)r內(nèi)部積聚的能量以應(yīng)力波的形式釋放，產(chǎn)生微震事件。

現(xiàn)場在距離掌子面約50m～150m處布置加速度傳感器，當(dāng)傳感器探測到掌子面前方區(qū)域出現(xiàn)震級和能量較大的事件，或事件發(fā)生相對密集，則有可能存在一定的軟弱結(jié)構(gòu)面，有發(fā)生巖爆的可能?，F(xiàn)場檢測顯示，在巖爆之前，微震活躍程度顯著增加，巖體微破裂釋放的能量呈上升趨勢，累積釋放能力開始陡增，高于正常的能量釋放水平。根據(jù)施工過程中的微震監(jiān)測結(jié)果表明，巖爆發(fā)生前微震監(jiān)測均可記錄定位微破裂前兆，多數(shù)強(qiáng)巖爆危險區(qū)域的位置可以被微震監(jiān)測系統(tǒng)定位。

4 施工期突涌水及巖溶檢測

引水隧洞末端位于可溶巖洞段，近岸坡地下水位變動帶局部巖溶較發(fā)育，考慮到內(nèi)水壓力較大，工程可靠度要求較高，有必要采用物探手段對隧洞周邊巖體質(zhì)量及巖溶發(fā)育進(jìn)行系統(tǒng)探測。

紅外線技術(shù)是一種輔助探水的方法，采用在掌子面鉆孔測試巖體內(nèi)部溫度，若前方有大范圍水體，則該部位巖體溫度將受到地下水影響。由于錦屏深埋隧洞巖體溫度與地下水溫度很低(小于12℃)、溫差較小(2℃以內(nèi))，且溫度受到破碎帶、溶洞、含水地層等影響，該方法不適用于在錦屏隧洞內(nèi)進(jìn)行突涌水預(yù)報。

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在經(jīng)過結(jié)構(gòu)面突涌水或溶蝕通道突涌水帶時，其突水帶或突水點均具有強(qiáng)反射特征，因此地質(zhì)雷達(dá)在檢測富水通道時具有一定優(yōu)勢。溶蝕通道的雷達(dá)反射波圖象呈“亮點”特征，對于較大規(guī)模的溶蝕空腔或充水、充泥巖溶，其雷達(dá)反射波同相軸呈“雙曲線”形態(tài)。不同的地層、巖性、裂隙、巖溶等地質(zhì)體的雷達(dá)圖像特征各不相同，需要通過現(xiàn)場實踐，總結(jié)出合適的判別方法。由于突涌水的發(fā)生不僅與富水構(gòu)造有關(guān)，還與地下水的補(bǔ)給、連通性以及圍巖巖性、水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)，突涌水的發(fā)生受到多方面因素的控制，因此在分析與判斷突涌水時還應(yīng)綜合多方面因素進(jìn)行綜合分析。

5 結(jié)論

錦屏二級引水隧洞建設(shè)過程中遇到軟巖大變形、高地應(yīng)力巖爆及高外水壓等地質(zhì)難題，通過運用物探檢測手段對現(xiàn)場遇到的難題進(jìn)行解讀，得到以下結(jié)論：

(1)斷面測量、聲波測試與收斂監(jiān)測相結(jié)合對軟巖大變形洞段變形發(fā)展進(jìn)行判斷，為擴(kuò)挖及后期支護(hù)預(yù)留變形量提供了重要的參考依據(jù)；

(2)綜合TSP地震波技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)探測及地質(zhì)分析，實現(xiàn)對不良地質(zhì)條件的檢測預(yù)報；

(3)聲發(fā)射及微震技術(shù)在檢測巖爆發(fā)生上有各自的特點，但作為生產(chǎn)性預(yù)報有待進(jìn)一步實踐研究；

(4)地質(zhì)雷達(dá)在檢測溶洞及突涌水不良地質(zhì)條件時有一定優(yōu)勢，但掛網(wǎng)支護(hù)屏蔽雷達(dá)信號現(xiàn)象明顯；

(5)工程中受物探檢測技術(shù)的局限及復(fù)雜地質(zhì)條件限制，沒有一種檢測技術(shù)完全有效，需要綜合多方面檢測手段及因素進(jìn)行綜合分析。

〔1〕周春宏.深埋長隧洞地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2005，16(4)：419-424.

〔2〕廖 卓.綜合地質(zhì)超前預(yù)報方法在超深埋長隧洞中的應(yīng)用[J].科技通報，2015，31(3)：128-131.

〔3〕陳建峰.隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)比較[J].地下空間，2003，23(1)：5-8.

〔4〕張春生，褚衛(wèi)江，侯 靖，等.錦屏二級水電站引水隧洞大型原位試驗研究Ⅰ——試驗方案[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(8)：1691-1701.

〔5〕褚衛(wèi)江，張春生，陳平志，等.錦屏二級水電站引水隧洞大型原位試驗研究Ⅱ——試驗成果分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(8)：1702-1710.

〔6〕揭秉輝，趙周能，陳炳瑞，等.基于微震監(jiān)測技術(shù)的深埋長大隧洞群巖爆時空分布規(guī)律分析[J].長江科學(xué)院院報，2012，29(9)：69-73.

P631∶TV554

B

2095-1809(2017)06-0084-04

王 鋒(1987-)，男，漢族，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)從事水工結(jié)構(gòu)安全性評價工作。