綜合超前地質(zhì)預(yù)報法在花崗巖球狀風(fēng)化體探測中的應(yīng)用

朱俊 張志強(qiáng)

【摘要】球狀風(fēng)化體是花崗巖地層中十分常見和突出的不良地質(zhì)體，是由于花崗巖長期受不均勻風(fēng)化作用所致。球狀風(fēng)化體的存在，直接影響隧道施工的安全性、高效性和經(jīng)濟(jì)性，準(zhǔn)確地探明球狀風(fēng)化體分布情況是花崗巖地層中隧道工程面臨的難題。文章介紹利用工程地質(zhì)調(diào)查法確定球狀風(fēng)化體地表分布密集段，通過地質(zhì)探地雷達(dá)法和地震反射波預(yù)報法雙重物探手段揭示球狀風(fēng)化體密集段的風(fēng)化界面，最后采用超前水平鉆探法對掌子面前方球狀風(fēng)化體進(jìn)行精確定位。結(jié)果顯示，綜合超前地質(zhì)預(yù)報法能有效揭示球狀風(fēng)化體的空間分布，可較好地解決花崗巖地層中地質(zhì)勘察難題，能為后續(xù)隧道施工提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】球狀風(fēng)化體; 綜合超前地質(zhì)預(yù)報法; 工程地質(zhì)調(diào)查法; 物探法; 鉆探法

【中國分類號】U456.3+3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

我國華東、華南地區(qū)分布著十分廣泛的花崗巖地層。受地質(zhì)構(gòu)造作用，花崗巖中節(jié)理裂隙發(fā)育，導(dǎo)致巖體破碎、抗風(fēng)化能力減弱，節(jié)理裂隙處花崗巖受風(fēng)化作用更為顯著，隨著風(fēng)化程度加劇，裂隙處花崗巖長石、黑云母等全風(fēng)化形成殘積土，而石英不易風(fēng)化而逐漸形成球狀風(fēng)化殘留核，俗稱“孤石”[1]。球狀風(fēng)化體是花崗巖地層中發(fā)育和突出的不良地質(zhì)體。

球狀風(fēng)化體分布離散性大，大小、形狀都具有隨機(jī)性，且強(qiáng)度一般在100 MPa以上，與周圍巖土體存在較大差異，破壞了花崗巖風(fēng)化剖面的相對均勻性。未探明的孤石對隧道工程施工帶來重大安全隱患，輕則損壞機(jī)械設(shè)備，重則造成地表坍塌或支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

花崗巖球狀風(fēng)化體的產(chǎn)生和分布具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，難以準(zhǔn)確定位，為減少其對隧道工程施工的風(fēng)險，迫切需要一種快速、準(zhǔn)確的探測、定位方法。

近年來，在國內(nèi)已有的球狀風(fēng)化體探測[2-6]工程案例中，主要采用鉆探法和物探法的手段。鉆探法能準(zhǔn)確揭示球狀風(fēng)化體在鉆孔經(jīng)過處的高度和特征，但探測范圍十分有限。物探法可以從宏觀的角度得到球狀風(fēng)化體的空間分布情況，應(yīng)用十分廣泛;目前針對花崗巖地層中球狀風(fēng)化體探測的物探法多種多樣，由于每類探測方法是以地質(zhì)介質(zhì)的某一性質(zhì)（如彈性性質(zhì)、導(dǎo)電性質(zhì)、導(dǎo)熱性質(zhì)等[7]）差異為物理基礎(chǔ)的，每類技術(shù)有各自的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點，因此采用單一的物探法往往具有一定的局限性。

鑒于此，本文提出采用“工程地質(zhì)調(diào)查法+地質(zhì)探地雷達(dá)法+地震反射波預(yù)報法+超前水平鉆探法”相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法對花崗巖球狀風(fēng)化體進(jìn)行探測，并成功應(yīng)用于廣東汕湛高速公路汕頭至揭西段橫山隧道，取得了良好的效果，該方法能夠為超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展及球狀風(fēng)化體探測的工程應(yīng)用提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

1 工程簡介

橫山隧道位于汕頭市潮陽區(qū)河溪鎮(zhèn)華陽上坑村附近，該隧道為一座分離式雙洞長隧道，分左、右線呈直線型展布，總體軸線方向為南東約105 °。左線隧道起訖樁號為LK17+957～LK19+418，長度為1 461 m;橫山右線隧道起訖樁號為K17+959～K19+409，長度為1 450 m。橫山隧道穿過丘陵地貌區(qū)，地形起伏大，山體植被茂密。隧址區(qū)地層巖性主要為第四系坡殘積砂質(zhì)黏性土（Q4dl+el）及燕山期花崗巖（γ52）及花崗閃長巖（δ），少量輝長巖（ω）。從隧道線路平面上來看，隧道左線洞口LK18+000至里程LK18+160段，地表球狀風(fēng)化體分布密集，大小不一，形狀各異，直徑從幾厘米至十幾米皆存在，但球狀風(fēng)化體直徑大多數(shù)在2～5 m之間，多分布于坡體兩側(cè)，堆積于坡腳處;里程LK18+160之后的地段，地表球狀風(fēng)化體分布不集中，較為分散。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案

在橫山隧道中，采用工程地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)探地雷達(dá)法、地震反射波預(yù)報法和鉆探法相結(jié)合的方法進(jìn)行球狀風(fēng)化體探測，即首先對球狀風(fēng)化體所在區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查，對球狀風(fēng)化體可能發(fā)育的區(qū)域進(jìn)行預(yù)判，以指導(dǎo)物探和鉆探工作區(qū)域的選取;然后采用地質(zhì)探地雷達(dá)法和地震反射波預(yù)報法從宏觀層面上對球狀風(fēng)化體的風(fēng)化界面進(jìn)行揭示，為鉆探布置深度提供指導(dǎo);最后采用鉆探法對局部地段球狀風(fēng)化體的發(fā)育情況、賦存特征、地質(zhì)特征進(jìn)行詳細(xì)的揭示。

3 預(yù)報結(jié)果分析

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查法分析

在工程地質(zhì)調(diào)查工作中，沿橫山隧道左線線路兩側(cè)，對距左線300 m范圍內(nèi)出露球狀風(fēng)化體的位置、大小、風(fēng)化程度等特征進(jìn)行記錄和匯總分析。球狀風(fēng)化體的地表分布特征如下所述：

（1）從隧道線路平面上來看，隧道左線洞口LK18+000至里程LK18+160段，地表球狀風(fēng)化體分布密集，多分布于坡體兩側(cè)，堆積于坡腳處;里程LK18+160之后的地段，地表球狀風(fēng)化體分布不集中，較為分散。

（2）從地表球狀風(fēng)化體形態(tài)來看，球狀風(fēng)化體往往具有近似橢球形外觀，兩頭豎向高度較小，往中部發(fā)展豎向高度變大。球狀風(fēng)化體在風(fēng)化層中賦存時，其長軸面并不都是水平的，有時呈傾斜分布。球狀風(fēng)化體的大小隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)而減小，而數(shù)量卻隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)而增加。在球狀風(fēng)化體群中，大、小直徑球狀風(fēng)化體并行出現(xiàn)，說明球狀風(fēng)化體的大小受到局部巖性條件和地質(zhì)條件等因素的影響。

綜合來看，地表球狀風(fēng)化體主要出露于LK18+000～LK18+160段，該里程段為球狀風(fēng)化體高風(fēng)險區(qū)域。因此，在采用地質(zhì)探地雷達(dá)法和地震反射波預(yù)報法進(jìn)行隧道內(nèi)球狀風(fēng)化體探測的過程中，應(yīng)對該段進(jìn)行詳細(xì)地探測。

3.2 地質(zhì)探地雷達(dá)法分析

選取橫山隧道地質(zhì)探地雷達(dá)超前預(yù)報的LK18+043～LK18+066段節(jié)理裂隙密集帶預(yù)報成果，通過將超前預(yù)報結(jié)論與實際開挖結(jié)果進(jìn)行對比分析，探尋解譯圖像的規(guī)律性（圖1、圖2）。

如圖1、圖2所示，地質(zhì)探地雷達(dá)探測掌子面里程號為LK18+043，掌子面前方5～7 m處出現(xiàn)強(qiáng)反射界面，同相軸錯斷，表明該處存在擠壓破碎帶;掌子面前方8～14 m處出現(xiàn)兩條節(jié)理密集發(fā)育帶，追蹤同相軸顯示節(jié)理密集帶貫穿整個掌子面，判斷該洞段巖體破碎，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，洞段右側(cè)球狀風(fēng)化體分布密集，洞段左側(cè)球狀風(fēng)化體分布范圍較小，大塊球狀風(fēng)化體與小塊球狀風(fēng)化體相間分布;掌子面前方19～22 m洞段雷達(dá)反射波雜亂，表明該段巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。

3.3 隧道地震反射波預(yù)報法分析

采用隧道地震反射波預(yù)報法進(jìn)行球狀風(fēng)化體探測中，選取橫山隧道左線LK18+000～LK18+228段作為球狀風(fēng)化體探測段，每80 m探測一次，使用的儀器為TGP12隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。部分成果如圖3所示。

綜合分析隧道左、右壁原始記錄，分離后的縱橫波（P、SH、SV）記錄，以及P波、SH波、SV波的相關(guān)偏移歸位剖面圖得知：檢測段圍巖在橫山隧道左線LK18+000～LK18+228段，縱波（Vp）速度為3 500 m/s;橫波（Vs）速度為1 640 m/s;動泊松比為0.359;巖體動彈性模量為16 082 MPa;巖體動剪性模量為5 917 MPa;巖體密度取22 kN/m3。預(yù)報解譯成果如表1所示。

4.4 超前水平鉆探法分析

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查法與兩種物探法探測結(jié)果，選取LK18+030～LK18+060段作為超前水平鉆探探測段。圍巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、閃長巖，局部含球狀風(fēng)化體。沖擊鉆探1#鉆孔與2#鉆孔分別位于掌子面開挖方向上隧道中線的左、右兩側(cè)，呈對稱布置，設(shè)計1#鉆孔、2#鉆孔分別鉆進(jìn)30 m，如圖4所示。

部分鉆進(jìn)深度各參數(shù)曲線圖如圖5所示。

根據(jù)橫山隧道1#鉆孔和2#鉆孔各鉆進(jìn)工作參數(shù)隨鉆進(jìn)深度變化曲線圖以及相應(yīng)的表格觀察記錄，進(jìn)行鉆進(jìn)區(qū)段內(nèi)的地質(zhì)解譯，預(yù)測掌子面前方圍巖地質(zhì)狀況、球狀風(fēng)化體發(fā)育及分布情況。結(jié)果表明：1 #鉆孔鉆進(jìn)深度2.2～3.2 m、15.0～17.2 m、24.0～28.0 m之間，各鉆進(jìn)參數(shù)值均發(fā)生了較大的變動;2 #鉆孔鉆進(jìn)深度2.5～3.0 m、8.0～9.0 m、13.0～14.0 m、21.5～22.0 m、23.0～24.0 m之間，各鉆進(jìn)參數(shù)值均發(fā)生了較大的變動。

5 結(jié)論

以“工程地質(zhì)調(diào)查法+地質(zhì)探地雷達(dá)法+地震反射波預(yù)報法+超前水平鉆探法”相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法成功應(yīng)用于橫山隧道工程中，能夠更為有效地探測出花崗巖球狀風(fēng)化體的空間分布情況，彌補(bǔ)了單一球狀風(fēng)化體探測方法的局限性和不足之處。該方法為隧道工程設(shè)計和施工提供了準(zhǔn)確、可靠的地質(zhì)資料，能夠為超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展及球狀風(fēng)化體探測的工程應(yīng)用提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。具體結(jié)論如下：

（1）采用工程地質(zhì)調(diào)查法、物探法和鉆探法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報法，對球狀風(fēng)化體的探測取得很好的效果。工程地質(zhì)調(diào)查法可以對球狀風(fēng)化體可能發(fā)育的區(qū)域進(jìn)行預(yù)判，指導(dǎo)物探和鉆探工作區(qū)域的選取;物探可以在宏觀層面上對花崗巖的風(fēng)化界面進(jìn)行揭示，并為鉆探布置深度提供指導(dǎo);鉆探可直觀地揭露地層，對球狀風(fēng)化體進(jìn)行采樣，是最為精準(zhǔn)的點位探測方法。

（2）通過工程地質(zhì)調(diào)查法發(fā)現(xiàn)，橫山隧道左線地表球狀風(fēng)化體主要出露于LK18+000～LK18+160段，多分布于坡體兩側(cè)，堆積于坡腳處，在采用物探法進(jìn)行隧道內(nèi)球狀風(fēng)化體探測的過程中，應(yīng)對該段進(jìn)行詳細(xì)地探測。

（3）采用地質(zhì)探地雷達(dá)法進(jìn)行球狀風(fēng)化體探測，發(fā)現(xiàn)LK18+043～LK18+066段和LK18+112～LK18+147段為節(jié)理裂隙帶。建議對掌子面里程號為LK18+043前方5～7 m處、前方8～14 m處、前方19～22 m洞段采取適當(dāng)?shù)拇胧?，實行“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”施工。后經(jīng)開挖，該洞段巖體質(zhì)量比探測掌子面更差，從探測掌子面前方6 m開始，巖體受節(jié)理密集帶切割，更加破碎，巖體嵌合度松弛，圍巖自穩(wěn)能力差，有掉塊現(xiàn)象，如不提前采取措施，易發(fā)生坍塌。

（4）采用地震反射波預(yù)報法進(jìn)行球狀風(fēng)化體探測，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)球狀風(fēng)化體多集中于LK18+000～LK18+060段，該段橫波反射較強(qiáng)，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，與地質(zhì)探地雷達(dá)法所探測結(jié)果一致。

（5）采用超前水平鉆探法對局部地段進(jìn)行球狀風(fēng)化體探測，發(fā)現(xiàn)在掌子面前方存在風(fēng)化界面及破碎帶時，扭矩、推進(jìn)壓力及轉(zhuǎn)速值會有較大波動;若巖體完整性較差或存在球狀風(fēng)化體，會導(dǎo)致部分鉆進(jìn)速度的突變。

參考文獻(xiàn)

[1] 黨如姣. 孤石的物探探測方法[J]. 隧道建設(shè)，2012，32（S2）：56-60.

[2] 宗成兵，田恒星. 花崗巖地層地鐵隧道盾構(gòu)孤石探測及處置新方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（26）：11-18.

[3] 汪傳斌. 花崗巖球狀風(fēng)化體孔中物探法探測效果分析[J]. 廣東土木與建筑，2018，25（12）：66-68.

[4] 郭云峰. 地震波層析成像方法于孤石探測的應(yīng)用分析[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2016，31（5）：2103-2107.

[5] 張業(yè)，謝昭暉，師學(xué)明.跨孔雷達(dá)層析成像法在孤石探測中的數(shù)值模擬研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2015（10）：55-58+73.

[6] 鐘宇，陳健，閔弘，等.跨孔聲波CT技術(shù)在花崗巖球狀風(fēng)化體探測中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2017.

[7] 鐘世航，孫宏志，李術(shù)才，等.隧道及地下工程施工中巖溶裂隙水及斷層、溶洞等隱患的探查、預(yù)報[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012（5），3298-3327.