超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧洞開挖中的應(yīng)用

公 瑾

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830091)

現(xiàn)階段，在不良地質(zhì)條件下開展的水利工程隧洞開挖工程，均會(huì)應(yīng)用到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，采用多種探測(cè)手段對(duì)隧洞開挖前方地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，確定前方實(shí)際的地質(zhì)條件、水文條件，以及巖石類型、巖性、巖質(zhì)等，以指導(dǎo)后續(xù)的開挖施工，有利于隧洞開挖的安全順利推進(jìn)。夾巖水利樞紐工程為大型水利工程，施工難度可想而知，輸水渠道施工有時(shí)需穿過(guò)山脈，面臨著復(fù)雜的隧洞開挖地質(zhì)條件，需準(zhǔn)確、合理、有效的運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以為隧洞開挖創(chuàng)造良好的條件。

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程具有供水、發(fā)電、灌溉等功能，輸水隧洞包括了水打橋隧洞、長(zhǎng)石板隧洞，其中長(zhǎng)石板隧洞長(zhǎng)17.3km，埋深38～52m，位于地下水位之下。隧洞開挖遇到碎屑巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖等多種較差的巖性，地質(zhì)構(gòu)造斷裂發(fā)育，屬于喀斯特地區(qū)，巖層破碎、整體性較差。該地降水豐沛，地下水存儲(chǔ)良好，山脈地下存在暗河，富水區(qū)開挖施工情況較差，需要提前制定應(yīng)對(duì)方案，以保證隧洞開挖的安全。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)報(bào)目的

夾巖水利樞紐長(zhǎng)石板隧洞為隱蔽工程，面臨著不可預(yù)知的地質(zhì)條件，開挖施工難度大，在隧洞開挖期間采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行隧洞前方地質(zhì)勘察，精確獲悉不良地質(zhì)，以及對(duì)其分布情況進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)開挖施工方案的制定提供依據(jù)，達(dá)到提高施工質(zhì)量進(jìn)度的目的。

2.2 預(yù)報(bào)方案

基于長(zhǎng)石板隧洞開挖施工的難度與復(fù)雜性，單一的地質(zhì)勘察技術(shù)手段難以保證勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性與全面性，需靈活采用多種勘察組合，以保證地質(zhì)預(yù)報(bào)的質(zhì)量，目前應(yīng)用較多且表現(xiàn)優(yōu)異的組合是“物探法+鉆探法+地質(zhì)分析法”，本工程基于該勘察方案，進(jìn)行預(yù)報(bào)方法的制定，對(duì)長(zhǎng)石板隧洞開挖進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[1]。

2.3 預(yù)報(bào)內(nèi)容

①地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)隧洞開挖前方地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，確定有無(wú)不良地質(zhì)條件，明確分布狀況、面積、性質(zhì)等，同時(shí)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)，提前制定開挖應(yīng)對(duì)措施；②水文預(yù)報(bào)，隧洞開挖前方有無(wú)富水區(qū)，發(fā)生水害的可能性，預(yù)測(cè)突涌水量，并摸清水文變化規(guī)律，評(píng)估對(duì)開挖施工造成的影響程度；③裂隙預(yù)報(bào)，確定其大小、分布、充填物等，評(píng)價(jià)其狀態(tài)，以指導(dǎo)開挖施工。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具體運(yùn)用

3.1 預(yù)報(bào)組合選用

根據(jù)夾巖水利樞紐工程前期的地質(zhì)勘察報(bào)告，采取TSP長(zhǎng)距離物探與其他短距離預(yù)報(bào)組合的長(zhǎng)石板隧洞預(yù)報(bào)方法。本工程超前預(yù)報(bào)使用的長(zhǎng)距離物探是TSP203地震波反射法，在開挖隧洞巖土中安放適量炸藥，炸藥爆炸形成地震波，使用TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行地震波的采集，經(jīng)TSPwin處理，獲取隧洞前方不良地質(zhì)的空間分布，與P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)等。基于獲取的探測(cè)成果開展隧洞前方地質(zhì)分析，得到150m以內(nèi)準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。短距離預(yù)報(bào)方法有以下3種：①地質(zhì)雷達(dá)法，勘察范圍20m以內(nèi)，進(jìn)行破碎帶與空洞預(yù)報(bào)，但是不能探測(cè)地下水；②超前探孔法，探孔范圍為30m以內(nèi)，在開挖面鉆孔取芯，預(yù)報(bào)巖石類型、水文條件，實(shí)際應(yīng)用的缺點(diǎn)是探測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)，并且成本較高；③加深炮孔法，探測(cè)深度為9m，直接使用長(zhǎng)鉆桿鉆孔，快速確定前方的地質(zhì)條件，該方法與TSP203地震波反射法聯(lián)合運(yùn)用，經(jīng)濟(jì)效益與開挖施工效益表現(xiàn)良好，下文以該預(yù)報(bào)方法為例，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在長(zhǎng)石板隧洞開挖中的運(yùn)用分析[2]。

3.2 TSP203地震波反射法實(shí)踐運(yùn)用

3.2.1 運(yùn)用基本理論

該方法專門用于長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在長(zhǎng)石板隧洞的撐子面進(jìn)行鉆孔，至設(shè)計(jì)深度后埋設(shè)炸藥，引爆炸藥后形成地震波，地震波在巖土層中傳播，遇到特殊介質(zhì)后反射回地震波信號(hào)，使用接收端收集信號(hào)，獲取地震波的傳播速度、波形、方向等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。然后應(yīng)用TSPwin處理及評(píng)估軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，獲取開挖前方的地質(zhì)信息，超前預(yù)報(bào)最長(zhǎng)距離可達(dá)150m，如果長(zhǎng)石板隧洞地質(zhì)條件不良，適當(dāng)?shù)臏p少預(yù)報(bào)距離，可提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。此外，地震波有兩種形式，一種是面波，在物體表面?zhèn)鞑ァＡ硪环N是體波，分為以下兩種波，縱波，該波的特點(diǎn)是振動(dòng)與傳播方向相同，其張拉介質(zhì)時(shí)使介質(zhì)稀疏，壓縮則使介質(zhì)緊密；橫波在介質(zhì)中傳播時(shí)，振動(dòng)與傳播方向垂直，可剪切介質(zhì)。利用縱波與橫波在介質(zhì)中傳播的特點(diǎn)，進(jìn)行兩種波在巖土層傳播速度的計(jì)算，計(jì)算公式為v=x/t，其中x是震源至接收單元的距離，t是地震波從炮孔至接收單元的傳播時(shí)間。

3.2.2 選用TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：①記錄單元，移動(dòng)筆記本電腦為測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備，信號(hào)處理箱在獲取接收單元傳遞的地震波反射信號(hào)后，將該信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，筆記本進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)與處理；②接收單元，本質(zhì)是一個(gè)非常靈敏的傳感器；③起爆裝置及輔助工具，主要包括了起爆裝置(起爆器、觸發(fā)器)，電子測(cè)角儀(測(cè)量方位角)，套管(安放接收單元)，以及電纜、安裝工具等。

3.2.3 鉆孔

TSP203地震波反射法在長(zhǎng)石板隧洞預(yù)報(bào)中的運(yùn)用，首先在隧洞中進(jìn)行接收孔與爆破孔的設(shè)置，具體詳見(jiàn)圖1。接收孔與炮孔S1距離為17m，與掌子面60m，孔徑50mm、深1.8m、高1.2m。爆破孔共設(shè)置19個(gè)，為S1-S19，孔徑45mm、深1.5m，孔間距1.5m，呈一條直線布設(shè)，用于爆炸后形成地震波。完成鉆孔之后，在鉆孔中插入直徑合適的PVC管，以避免鉆孔塌孔。在接收孔中安設(shè)接收器，在爆破孔中安設(shè)炸藥，最后取出PVC管，至此完成隧洞地震波的構(gòu)建。

注：尺寸單位m

3.2.4 安設(shè)接收器與炸藥

接收器需提前安放，在探測(cè)前的15h，將接收器套管安放在接收孔中，取出PVC管后，灌入環(huán)氧樹脂，使套管與孔凝結(jié)成一個(gè)整體。接收傳感器采用專用外殼安裝，隧洞內(nèi)鋪設(shè)電纜與主機(jī)相連。爆破炸藥安放需要專業(yè)的人員操作，以確保爆炸作業(yè)的安全性，雷管與炸藥連接需可靠，將炸藥安放至炮孔底部，灌滿水封堵炮孔，最后將雷管引線與起爆裝置連接好后，做好爆破的準(zhǔn)備工作。在安放炸藥時(shí)需要注意S1～S19距離接收器孔位置不同，周邊巖石性質(zhì)和硬度也有可能存在差異，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行乳化炸藥裝藥量的精確設(shè)計(jì)。

3.2.5 采集數(shù)據(jù)

在爆破之前隧洞所在位置350m的范圍內(nèi)，停止一切施工作業(yè)，并清理現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，做好爆破準(zhǔn)備。從S1炮孔開始爆破，記錄器同步采集傳感器反饋的信號(hào)，其他18個(gè)炮孔依次爆破形成地震波，記錄器依次記錄，完成地震波數(shù)據(jù)的采集[3]。

3.2.6 地震波數(shù)據(jù)處理

地震波數(shù)據(jù)處理與分析使用的是TSPwin處理及評(píng)估軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置、拾取處理、P波與S波的分類等，最后提取反射層，獲取隧洞探測(cè)的空間構(gòu)造。具體數(shù)據(jù)處理流程如下：①確定幾何參數(shù)，長(zhǎng)板石隧洞斷面的實(shí)際尺寸，炮孔與接收單元所處的坐標(biāo)、角度等。②數(shù)據(jù)設(shè)定，計(jì)算出隧洞超前預(yù)報(bào)處理數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(H)，注意在開始測(cè)量階段將儀器清零，使用公式H=2×2.5×H1/v，其中H1為探測(cè)深度，V地震波縱波波速，2地震波傳輸與反射時(shí)間，2.5安全系數(shù)。③濾波處理，提升有效波頻率，降低干擾波頻率，獲取準(zhǔn)確的濾波頻率。④縱波拾取，計(jì)算縱波波速，使用公式v1=x1/t1，(x1震源至接收單元的距離，t1地震波及反射波傳播時(shí)間)。⑤橫波處理，橫波傳播速度慢于縱波，接收單元先接收到縱波，然后才能接收到橫波，致使橫波中干擾波較多，但兩個(gè)波的路程相同，使用公式x=v1t1=v2t2，v2是橫波波速，t2是橫波傳播的時(shí)間。在TSPwin軟件中使用該公式進(jìn)行試算，以獲取準(zhǔn)確的橫波數(shù)據(jù)。

3.2.7 地震波數(shù)據(jù)分析

具體分析方法如下：①反射幅度分析，幅度越大反射系數(shù)就越大，彈性阻抗也就越大，因此，正反射幅度表示為堅(jiān)硬巖石，負(fù)反射幅度則正好相反；②橫波與縱波比較分析，如果橫波反射強(qiáng)，探測(cè)的巖石中富含水；③泊松比值異常，證明探測(cè)巖石存在流體；④縱波波速突然減少，巖石裂隙度較大；⑤在獲取以上分析結(jié)果后，根據(jù)工程前期的地質(zhì)勘察資料，對(duì)隧洞前方地質(zhì)進(jìn)行綜合分析，預(yù)報(bào)前方地質(zhì)的實(shí)際情況。

3.2.8 預(yù)報(bào)成果

通過(guò)綜合性的地質(zhì)分析后，確定長(zhǎng)石板隧洞前方的巖性情況，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，整體較為破碎，存在溶塌角礫巖，巖質(zhì)極軟，遇水好軟化，并且裂隙與地下水發(fā)育。所以，在完成TSP203地震波反射法探測(cè)后，還需進(jìn)行短距離的鉆探，確定隧洞開挖前方的水質(zhì)、水量情況，為后續(xù)開挖施工提供準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果。

3.3 加深炮孔法

加深炮孔法一般用于巖溶發(fā)育地質(zhì)勘察，使用鑿巖臺(tái)車在隧洞開挖面鉆小孔，進(jìn)行短距離地質(zhì)探測(cè)。在鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)有水、巖渣涌出，通過(guò)對(duì)出水量、水壓、顏色、巖渣等的分析，完成地質(zhì)條件與水文狀況的判斷。

3.3.1 炮孔布設(shè)

根據(jù)本工程前期的地質(zhì)勘察，以及隧洞開挖面的斷面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行加深炮孔與開挖面炮孔的布設(shè)。在開挖面爆破之前，進(jìn)行加深炮孔鉆孔，深度9m左右，共鉆6個(gè)加深炮孔，開始進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)。

3.3.2 預(yù)報(bào)結(jié)果

在該工程長(zhǎng)石板隧洞實(shí)際鉆孔過(guò)程中，鉆孔進(jìn)度緩慢，并出現(xiàn)了卡鉆問(wèn)題，孔中大量涌水、涌泥，表明隧洞前方存在不良地質(zhì)且富含水較大，預(yù)測(cè)在隧洞開挖過(guò)程中，涌水涌泥的概率較大，需提前制定地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防措施。

4 預(yù)報(bào)結(jié)果的應(yīng)用

針對(duì)軟弱夾層，破碎與風(fēng)化嚴(yán)重巖體，以及裂隙發(fā)育區(qū)、富含水區(qū)等，發(fā)布圍巖類型為V類預(yù)報(bào)。根據(jù)圍巖預(yù)報(bào)的等級(jí)，進(jìn)行開挖施工方案的改進(jìn)，做好開挖面的支護(hù)施工，增加超前支護(hù)的力度，聯(lián)合使用深孔固結(jié)灌漿以封閉開挖面，穩(wěn)定隧洞前方結(jié)構(gòu)，為后續(xù)安全開挖打好提前量。以及在實(shí)際的開挖過(guò)程中，切實(shí)做到勤測(cè)量、早封閉，同時(shí)根據(jù)預(yù)報(bào)成果，進(jìn)行開挖地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估，制定解決方案，以奠定安全開挖、高效開挖的基礎(chǔ)保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

夾巖水利樞紐工程長(zhǎng)石板隧洞開挖階段，在運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中，應(yīng)采用組合探測(cè)法，長(zhǎng)距離與短距離探測(cè)相結(jié)合，聯(lián)合使用多種預(yù)報(bào)方法，提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性與可行性。并以先探測(cè)后開挖為基本守則，探明隧洞前方的實(shí)際地質(zhì)狀況，評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害、涌水、涌泥發(fā)生的可能性，最后根據(jù)預(yù)報(bào)成果，制定切實(shí)可行的開挖方案與災(zāi)害處理措施，以此保障長(zhǎng)石板隧洞開挖的安全。