巖溶地區(qū)城市淺埋輸水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)特點(diǎn)分析

韋 斯，楊 剛

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 520005)

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化的進(jìn)一步發(fā)展，城市供水需求也越來越多大，一大批城市供水工程開始建設(shè)。在城市供水工程建設(shè)中，有大量的地下輸水工程要修建，而地下輸水隧洞的開挖也面臨著各種各樣的復(fù)雜地質(zhì)問題，特別是在巖溶地區(qū)，輸水隧洞的開挖遇到涌水突泥、塌方冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害問題也更加頻繁，因此在巖溶地區(qū)，做好城市淺埋輸水隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作顯得尤為重要[1]。目前，國內(nèi)隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)有了長足發(fā)展,常用的預(yù)報(bào)方法有：地質(zhì)調(diào)查法、地震波法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、聚焦電流法、紅外探測(cè)法、超前鉆探法等。隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各類隧道開挖施工中，特別是在一些復(fù)雜深埋長隧洞中的應(yīng)用，也取得較好效果，對(duì)于城市淺埋輸水隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而言，雖然相較復(fù)雜深埋長隧洞會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單些，但是在巖溶地區(qū)，城市淺埋輸水隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作也有自身的特點(diǎn)，文章將通過工程實(shí)例，介紹巖溶地區(qū)城市淺埋輸水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的特點(diǎn)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

貴陽某輸水隧洞工程總長8.256km，隧洞最大埋深85m，最小埋深15m，均處于地下水位以下。隧洞開挖斷面為4.2m×4.1m(寬×高)城門洞形，頂拱高2.1m，為180°圓弧，直墻高2m。

1.2 水文、地質(zhì)概況

工程區(qū)地處云貴高原由中低山向丘陵過渡之斜坡地帶，屬貴州高原中部淺切剝蝕型巖溶低中山丘陵區(qū)，境內(nèi)地貌破碎。東南邊沿為高坡背斜，背斜軸部為海拔1400～1655m；西南邊沿與平壩、長順接壤，海拔1300～1500m；東西兩翼地處背斜地帶，海拔1200m以上；中槽、花溪、青巖一部分地處中部斷層之間的巖溶和侵蝕盆地，海拔1100m左右。

工程區(qū)三迭系灰?guī)r廣泛分布，地表落水洞、洼地、石林、峰叢等發(fā)育，小河流、溪流、山塘、泉眼眾多。

工程區(qū)第四系殘坡積層為黏土夾碎石，厚0～15m，主要分布在沖溝及巖溶洼地底部，以及緩坡地帶。隧洞穿越地層巖性主要為三疊系下統(tǒng)大冶組第一段(T1d1)灰?guī)r，偶夾紫灰色薄層夾板片狀灰?guī)r、時(shí)夾薄至中厚層灰?guī)r、具平行層理；大冶組第二段(T1d2)為淺灰、灰色厚層灰?guī)r，時(shí)夾薄至中厚層灰?guī)r；安順組(T1a)灰色薄至中層白云巖、時(shí)夾泥質(zhì)白云巖、溶塌角礫狀白云巖；花溪組(T2h)淺灰色中厚白云巖、泥質(zhì)白云巖與泥巖互層夾溶塌角礫巖[2]。

工程區(qū)地表水系發(fā)育，區(qū)內(nèi)分布的水庫有花溪水庫及阿哈湖水庫，在低洼或沖溝位置分布有眾多山塘。區(qū)內(nèi)小河、溪流眾多，總體上至西向東流向花溪水庫或啊哈湖水庫，阿哈湖及花溪水庫為區(qū)內(nèi)相對(duì)最低排泄基準(zhǔn)面，其正常蓄水位高程分別為1110.0m及1145m。

區(qū)內(nèi)地下水埋藏淺，普遍埋深為0～30m。地下水主要接受降雨補(bǔ)給，降雨通過洼地、溝谷等匯集，然后通過落水洞、豎井、溶隙等快速下滲，補(bǔ)給地下水?；蛲ㄟ^覆蓋層孔隙、基巖裂隙緩慢下滲，補(bǔ)給地下水。地下水接受補(bǔ)給后，或通過巖溶管道向較遠(yuǎn)的海拔較低處徑流，排泄于河谷；或通過溶隙、裂隙及孔隙等向附近低洼處徑流，排泄于溝谷或洼地。除此之外，地下水還接受水庫、山塘及河流小溪等地表水補(bǔ)給。地下水通過井(泉)、巖溶管道等排泄于河流、沖溝，最后匯集于花溪水庫或阿哈湖水庫[3]。

1.3 預(yù)報(bào)方案設(shè)計(jì)

本輸水隧洞采用旋挖機(jī)進(jìn)行開挖掘進(jìn)，根據(jù)其工程地質(zhì)條件特點(diǎn)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用的預(yù)報(bào)方法及內(nèi)容見表1。

表1 預(yù)報(bào)方法與預(yù)報(bào)內(nèi)容對(duì)應(yīng)表

預(yù)報(bào)工作按如下流程進(jìn)行。

1)地質(zhì)調(diào)查分析法：跟隨隧洞掘進(jìn)同步進(jìn)行，貫穿隧洞施工全過程。

2)TETSP長距離預(yù)報(bào)：每次預(yù)報(bào)距離100m(根據(jù)地質(zhì)情況略有差異)，相鄰兩次預(yù)報(bào)重疊≥10m，貫穿整個(gè)隧洞。

3)短距離探地雷達(dá)預(yù)報(bào)：每次預(yù)報(bào)距離約20m(根據(jù)地質(zhì)情況略有差異)，相鄰兩次預(yù)報(bào)重疊≥5m，貫穿整個(gè)隧洞。

4)紅外探水預(yù)報(bào)：紅外線探測(cè)作為分析地下水類型及賦存態(tài)狀的一種輔助手段，用于定性判斷開挖斷面前方及洞壁外側(cè)一定范圍內(nèi)有無水體存在及其方位，預(yù)報(bào)距離5～30m。根據(jù)隧洞地形地貌及工程地質(zhì)條件紅外探水預(yù)報(bào)采用連續(xù)觀測(cè)的方式隨施工循環(huán)進(jìn)行，每個(gè)循環(huán)在掌子面、洞頂、左右拱腰、左右側(cè)壁均布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，相鄰兩次預(yù)報(bào)重疊3～5m。

5)短距離預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)的物探異常，根據(jù)具體情況采用超前地質(zhì)鉆探(或加深炮孔)驗(yàn)證。

6)單次預(yù)報(bào)工作完成后，及時(shí)提交預(yù)報(bào)成果，長距離預(yù)報(bào)成果報(bào)送≤48h，短距離預(yù)報(bào)無重大異常情況下≤24h。屬于警報(bào)應(yīng)在12h內(nèi)提交預(yù)報(bào)成果，屬于緊急警報(bào)應(yīng)在6h內(nèi)提交預(yù)報(bào)成果，并電話通知業(yè)主建管部、施工方及相關(guān)部門。

7)根據(jù)預(yù)報(bào)成果確定施工方案后進(jìn)行隧洞施工。

8)對(duì)比開挖實(shí)際情況與預(yù)報(bào)情況差異，分析原因，提高下一循環(huán)預(yù)報(bào)精度。

1.4 預(yù)報(bào)實(shí)施情況

根據(jù)之前的預(yù)報(bào)方案設(shè)計(jì)，隧洞每開挖20m左右做一次地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水預(yù)報(bào)，每100m左右做一次TETSP預(yù)報(bào)，對(duì)有重大異常段采用超前地質(zhì)鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。后來，根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況，調(diào)整了預(yù)報(bào)方法和方案，采用瞬變電磁法代替地震TETSP預(yù)報(bào)方法，超前地質(zhì)鉆探也改為除預(yù)報(bào)異常段的驗(yàn)證外，開挖過程中掌子面出現(xiàn)異常也進(jìn)行超前鉆探，接近取水口全洞段進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探。結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查情況，還實(shí)施了地面瞬變電磁探測(cè)，并對(duì)重要洞段在采用鉆孔電磁波CT等方法[4]。

1.5 預(yù)報(bào)成果分析

綜合整個(gè)輸水隧洞開挖的地質(zhì)情況，此次隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果總體吻合，但是也出現(xiàn)了一下誤報(bào)或漏報(bào)的情況，分析其原因，除了預(yù)報(bào)方法上的缺陷，還有該隧洞自身的特點(diǎn)所造成的。

1.5.1 預(yù)報(bào)方法上的缺陷

1)地質(zhì)調(diào)查分析法適用長短距離預(yù)報(bào)，除開挖工作面地質(zhì)編錄外，幾乎不占用隧洞施工時(shí)間，對(duì)掌子面地質(zhì)情況的預(yù)判可指導(dǎo)超前鉆探的布置，可對(duì)易發(fā)生涌水、突泥的洞段進(jìn)行預(yù)判，但無法不良地質(zhì)體進(jìn)行定量判別。

2)地震TSP中長距離預(yù)報(bào)，接收孔鉆孔會(huì)干擾部分施工，信號(hào)激發(fā)和接收過程需暫停相應(yīng)工作面施工約兩個(gè)小時(shí)，由于隧洞埋深較淺，且位于市區(qū)，地面人類活動(dòng)的震動(dòng)干擾信號(hào)會(huì)傳導(dǎo)到隧洞內(nèi)，同時(shí)地表及地表建筑物的反射信號(hào)也會(huì)進(jìn)入接收信號(hào)中，導(dǎo)致異常信號(hào)難以判別。

3)地質(zhì)雷達(dá)短距離預(yù)報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)需要旋挖機(jī)退離掌子面50m以上，圍巖較差洞段受到提前支護(hù)的鋼拱架、鋼支撐影響較大，因隧洞埋深較淺，有時(shí)會(huì)受到地表高壓線及民用電磁干擾器的影響，同時(shí)地質(zhì)雷達(dá)只能得到掌子面前方隧洞洞身的反射信號(hào)，無法取得掌子面前方隧洞洞身以外的反射信號(hào)。

4)瞬變電磁法適用于中距離預(yù)報(bào)，對(duì)含水地層較為敏感，是巖溶地區(qū)比較有效的預(yù)報(bào)方法，它可獲得掌子面前方隧洞洞身及洞身以外的地質(zhì)情況信息，但和地質(zhì)雷達(dá)一樣，同時(shí)會(huì)受到各種各樣的電磁干擾，且會(huì)存在一定盲區(qū)。

5)紅外探水預(yù)報(bào)主要用于短距離的涌水、突泥預(yù)報(bào)，但效果不是很理想，主要是干擾因素較多，難以獲得理想的測(cè)試環(huán)境，比如探測(cè)時(shí)旋挖機(jī)才退出掌子面，掌子面巖體溫度仍然很高，由于隧洞埋深較淺，地下水局部會(huì)與地表水連通，受地面溫度影響較大。

6)超前地質(zhì)鉆探法是最直觀的預(yù)報(bào)方法，是預(yù)防涌水、突泥的最主要手段，通過鉆孔可直觀的獲得掌子面前方的地質(zhì)信息，并通過出水量、出水壓力的大小，判斷前方地層含水量的情況，同時(shí)起到釋放水壓力的作用；缺點(diǎn)就是占有開挖工作面的時(shí)間較長，預(yù)報(bào)的距離較短，只是一孔之見，不能完全反映掌子面前方隧洞洞身及洞身以外的地質(zhì)情況。

1.5.2 輸水隧洞自身特點(diǎn)

1)本隧洞施工穿越巖溶、地下暗河、臨近水庫等不良地質(zhì)段及特殊巖土，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高，且工程位于市區(qū)內(nèi)，各支洞洞口鄰近既有建筑、居民區(qū)，周邊有橋梁地基，穿越市政道路、鐵路既有線等，施工斷面較小，工程難度大。

2)本次隧洞開挖出現(xiàn)幾次較大規(guī)模涌水、突泥，其主要因素有：①掌子面前方洞身有較大泥水充填的溶洞；②掌子面前方洞身頂部有較大泥水充填的溶洞；③掌子面前方洞身兩側(cè)有巖溶通道或地下暗河通過；④掌子面前方洞身裂隙與地表水連通。第1種因素通過地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)很容易發(fā)現(xiàn)，第2種因素通過瞬變電磁法也能夠探測(cè)到，第3和第4種因素就很難進(jìn)行預(yù)報(bào)，因?yàn)楫惓５囊?guī)模較小，且裂隙的連通性也未可知，只有在開挖遇見后才能揭露，由于有水源的補(bǔ)給，特別是雨季，其涌水量甚至更加嚴(yán)重。而靠近取水口的洞段，由于隧洞低于庫水位，在一定水壓的作用下，庫水會(huì)貫穿裂隙倒灌到隧洞內(nèi)[5]。

3)本次隧洞開挖出現(xiàn)塌方冒頂情況，主要是由于部分洞段巖體泥質(zhì)含量較重，巖質(zhì)較軟，且埋深較淺，當(dāng)掘進(jìn)時(shí)遇到溶蝕破碎帶時(shí)，來不及進(jìn)行支護(hù)，就發(fā)生了塌方冒頂?shù)那闆r。

2 結(jié) 語

在巖溶地區(qū)，城市淺埋輸水隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作也是個(gè)相對(duì)復(fù)雜和細(xì)致的工作，因各個(gè)方法都存在各自的局限性，需結(jié)合各個(gè)方法的特點(diǎn)采用洞內(nèi)、洞外多種方法搭配使用，同時(shí)隧道開挖時(shí)應(yīng)隨時(shí)注意掌子面地質(zhì)情況變化，做好掌子面涌水、突泥的前兆觀察，短進(jìn)尺、勤支護(hù)，才能有效預(yù)防涌水突泥、塌方冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。