周應(yīng)祥,王紅帥,王凱生
(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)
在TBM的施工中不可避免的會(huì)出現(xiàn)構(gòu)造引起的塌方、中等巖爆產(chǎn)生的塌方、軟弱巖體大變形、突涌水等一些地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)TBM的安全掘進(jìn)和工期造成一定的影響。為降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度,保證TBM施工洞段的施工安全,在施工中把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作放在首位。大多數(shù)學(xué)者對(duì)于TBM施工洞段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究及探討。例如鄧銘江等[1]為了避免特定地質(zhì)環(huán)境掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)大量地質(zhì)信息感知盲區(qū),提出TBM智能化掘進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)把握;李玉波[3]就秦嶺隧洞橫穿秦嶺底部時(shí)存在常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)無(wú)法適用其施工段的地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的問(wèn)題,引入引漢濟(jì)渭工程中三維地震波法進(jìn)行同類比運(yùn)用;蘇鵬[5]考慮到由于TBM機(jī)空間狹小,采用現(xiàn)有傳統(tǒng)隧道超前探測(cè)方法的設(shè)備儀器布設(shè)空間不足,強(qiáng)行采用會(huì)導(dǎo)致預(yù)告失準(zhǔn),對(duì)此提出采用聚集電流頻率域激發(fā)極化法,并進(jìn)行配適的研究;康三月[11]對(duì)TBM掘進(jìn)過(guò)程中不良地質(zhì)洞段,采用地震波法結(jié)合激發(fā)極化法進(jìn)行配適應(yīng)用,并分析論證了該綜合探測(cè)方案在相似工程中的適應(yīng)性。
XE工程是以深埋長(zhǎng)隧洞為主的輸水工程,具有復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,共采用5臺(tái)直徑7.8m的TBM施工。通過(guò)在施工中采用地質(zhì)調(diào)查法、三維地震波法測(cè)構(gòu)造、激發(fā)極化法測(cè)水、微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警巖爆、超前鉆探法等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行綜合分析與應(yīng)用,保證了TBM施工洞段的施工安全與工期安全,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
XE工程線路總長(zhǎng)148.246km,由5條輸水隧洞和4座跨河建筑物組成。5條輸水隧洞總長(zhǎng)140.669km,其中1#隧洞最長(zhǎng),為72.891km。輸水隧洞位于中山區(qū)及低山、丘陵區(qū),沿線地形起伏,隧洞埋深一般60~550m,平均埋深約207m,最大埋深720m。隧洞沿線穿越多條河流、洪溝等,地下水補(bǔ)給條件復(fù)雜,穿越2條較大規(guī)模的活動(dòng)斷裂帶,沿線還發(fā)育多條規(guī)模不等的次級(jí)斷層,約20km的隧洞處于中-高地應(yīng)力場(chǎng)區(qū)。隧洞穿越的地層巖性主要為華力西晚期變質(zhì)花崗巖、斜長(zhǎng)花崗斑巖夾閃長(zhǎng)巖,泥盆系花崗片麻巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖;其次為奧陶系黑云母石英片巖、二云石英片巖,石炭系凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、片麻巖等。根據(jù)前勘分析統(tǒng)計(jì),隧洞Ⅱ類圍巖占40.72%,Ⅲ類圍巖占43.26%,Ⅳ類圍巖占11.92%,Ⅴ類圍巖占4.1%。
本工程采用以TBM為主、人工鉆爆法為輔的施工方案,TBM施工洞長(zhǎng)占總洞長(zhǎng)的77.6%,共采用5臺(tái)直徑7.8m的TBM,單臺(tái)TBM控制的掘進(jìn)長(zhǎng)度為15.1~26.5km。TBM施工洞段的一次支護(hù)措施為:Ⅱ類圍巖洞段采用隨機(jī)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土;Ⅲa類圍巖洞段采用隨機(jī)錨桿、掛網(wǎng),系統(tǒng)噴混凝土;Ⅲb類—Ⅴ類圍巖洞段采用系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、拱架,視需要在頂拱120°范圍設(shè)置鋼筋排。
由于工程區(qū)所處的復(fù)雜地形和地質(zhì)條件,在TBM的施工中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些地質(zhì)災(zāi)害,如構(gòu)造引起的塌方、中等巖爆產(chǎn)生的塌方、軟弱巖體大變形、突涌水等,對(duì)TBM的安全掘進(jìn)和工期造成一定的影響。
對(duì)于隧洞軸線與主壓構(gòu)造線基本一致洞段,區(qū)域內(nèi)小構(gòu)造較發(fā)育,隨著隧洞開挖揭露出規(guī)模不等的斷層,易形成不同規(guī)模的塌方;對(duì)于隧洞巖體發(fā)育與洞軸線近平行的陡傾角結(jié)構(gòu)面、洞頂部位緩傾角結(jié)構(gòu)面、與洞軸線大角度相交陡傾角結(jié)構(gòu)面等組合切割,易形成楔形不穩(wěn)定體;對(duì)于隧洞的節(jié)理密集帶及層間的軟弱夾層,圍巖破碎形成局部坍塌。
隧洞深埋洞段最大水平地應(yīng)力量值為12~21.6MPa,為中等-高地應(yīng)力場(chǎng),方向N35°~46°W,與隧洞軸線呈小角度相交。受最大水平主應(yīng)力的影響,堅(jiān)硬、完整、干燥的變質(zhì)花崗巖產(chǎn)生輕微-中等巖爆,呈薄層片狀、板狀剝離和掉塊;同時(shí)局部發(fā)育的節(jié)理裂隙在高地應(yīng)力下產(chǎn)生構(gòu)造型松弛破壞,沿裂隙面產(chǎn)生應(yīng)力型坍塌。
黑云母石英片巖洞段,具薄層-中厚層狀結(jié)構(gòu),局部巖質(zhì)偏軟,受水平地應(yīng)力擠壓的影響,左側(cè)拱肩圍巖多沿片理面剪切張裂并向洞內(nèi)松弛卸荷,形成張裂變形破壞。如F17斷層帶,底板為碎裂巖、糜棱巖和斷層泥,基礎(chǔ)軟弱,受水平地應(yīng)力的影響,形成較大范圍塑性區(qū),發(fā)生底板鼓脹隆起變形。
部分洞段為弱富水區(qū)-中等富水區(qū),產(chǎn)生集中涌水現(xiàn)象,地下水致使圍巖結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度軟化,產(chǎn)生隧洞的塌方。
針對(duì)XE工程復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下的TBM施工,為進(jìn)一步查清隧洞開挖工作面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,指導(dǎo)施工順利進(jìn)行,降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度,保證TBM施工洞段的施工安全與工期安全,在工程開工之初,由業(yè)主牽頭,設(shè)計(jì)院組織水工、地質(zhì)、施工3大專業(yè)主要設(shè)計(jì)人員,在充分評(píng)估本工程TBM施工洞段的圍巖地質(zhì)條件、不同圍巖的設(shè)計(jì)處理措施和必要的施工組織條件的基礎(chǔ)上,借鑒和總結(jié)國(guó)內(nèi)其他類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),在工程和設(shè)備行業(yè)的專家、教授指導(dǎo)下,編制了本工程的TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合應(yīng)用實(shí)施方案。
本工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作原則為:以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ),結(jié)合物探法與超前鉆探法,進(jìn)行綜合應(yīng)用。具體為:
(1)對(duì)地質(zhì)簡(jiǎn)單和中等復(fù)雜的洞段,以洞內(nèi)地質(zhì)編錄為主,根據(jù)對(duì)洞內(nèi)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、地下水的分布情況的調(diào)查資料等,分析洞室圍巖的穩(wěn)定性,對(duì)隧洞掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。
(2)對(duì)地質(zhì)條件較復(fù)雜的洞段,在洞內(nèi)地質(zhì)編錄的基礎(chǔ)上,采用物探法,對(duì)隧洞掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。
(3)對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的洞段,在洞內(nèi)地質(zhì)編錄的基礎(chǔ)上,除采用上述物探手段外,必要時(shí)結(jié)合超前鉆探法進(jìn)行預(yù)報(bào)。
對(duì)本工程,需采用物探法的洞段主要包括:區(qū)域性大斷裂破碎帶、較大的次級(jí)斷層破碎帶;Ⅳ-Ⅴ類圍巖段;跨河和跨較大沖溝段;深埋隧洞段(埋深500~720m);軟巖變形段;突涌水段等。
本工程采用的物探法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)引進(jìn)第三方的專業(yè)隊(duì)伍,通過(guò)業(yè)內(nèi)調(diào)研及競(jìng)標(biāo),由山東大學(xué)的三維地震波法測(cè)構(gòu)造、激發(fā)極化法測(cè)水,東北大學(xué)的微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警巖爆。
地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)貫穿于隧洞施工的全過(guò)程,由設(shè)計(jì)院組織實(shí)施,每日或每段一報(bào),與TBM掘進(jìn)同步,具有連續(xù)性。預(yù)報(bào)長(zhǎng)度可長(zhǎng)可短,簡(jiǎn)單洞段超過(guò)100m,復(fù)雜洞段10~30m,短距離預(yù)報(bào)需滿足1個(gè)作業(yè)班或1個(gè)工作日的進(jìn)度。
地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)是在熟悉、核查和確認(rèn)初設(shè)階段的勘察成果和開工以來(lái)所補(bǔ)充的地勘資料的基礎(chǔ)上,對(duì)比隧洞線路的地層、巖性在隧洞地表的出露及接觸關(guān)系,結(jié)合斷層、褶皺、節(jié)理密集帶等地質(zhì)構(gòu)造在隧洞地表的出露位置、規(guī)模、性質(zhì)及其產(chǎn)狀變化情況,通過(guò)對(duì)已開挖隧洞出露面的地質(zhì)編錄,把隧洞所揭露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點(diǎn)位置及出水狀況、出水量等準(zhǔn)確記錄下來(lái),并繪制成圖表。再利用常規(guī)地質(zhì)理論,利用地質(zhì)作圖和趨勢(shì)分析等手段,通過(guò)地層層序?qū)Ρ?,地層分界線及構(gòu)造線地下和地表相關(guān)性分析,斷層要素和隧洞幾何參數(shù)的相關(guān)性分析,不良地質(zhì)體的可能前兆性分析等。同時(shí)結(jié)合TBM掘進(jìn)過(guò)程的貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推力、護(hù)盾壓力等一系列TBM的掘進(jìn)控制參數(shù)和皮帶機(jī)渣料形態(tài)及出渣量大小等分析,推測(cè)開挖工作面前方的地質(zhì)情況,為TBM的掘進(jìn)和支護(hù)提供依據(jù)。
截止目前,本工程采用地質(zhì)調(diào)查法發(fā)出的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的確認(rèn)單數(shù)約5810份,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)96%以上。
當(dāng)通過(guò)地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)到掌子面前方存在軟弱帶、破碎帶、斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造存在時(shí),為了進(jìn)一步確認(rèn)和驗(yàn)證,通知山東大學(xué)超前預(yù)報(bào)小組,采用三維地震波法對(duì)掌子面前方100m范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。
三維地震波法超前預(yù)報(bào)是在已開挖揭露的洞壁布置高靈敏地震信號(hào)傳感器,在震源點(diǎn)上錘擊巖體產(chǎn)生地震波,采集前方反射傳回的地震波數(shù)據(jù),通過(guò)專用軟件的分析處理,形成探測(cè)區(qū)域的地震波反射成像圖,包括地震波波速、成像和俯視圖,再通過(guò)地質(zhì)分析,推斷解釋探測(cè)區(qū)域存在的地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層等)、位置及規(guī)模,提出相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)成果。
本工程采用三維地震波法共探測(cè)了391次,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)90%以上。
當(dāng)通過(guò)地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)到掌子面前方存在滲水和突涌水可能時(shí),為了進(jìn)一步確認(rèn)和驗(yàn)證,通知山東大學(xué)超前預(yù)報(bào)小組,采用激發(fā)極化法對(duì)掌子面前方30m范圍內(nèi)存在的水體進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。
激發(fā)極化法超前預(yù)報(bào)是通過(guò)在掌子面布置一定數(shù)量的電極,包括測(cè)量電極和供電電極,同時(shí)在邊墻上布置多圈供電電極,通過(guò)供電電極供入直流電,得到兩個(gè)測(cè)量電極間的電勢(shì)差,從而計(jì)算出電阻率剖面。通過(guò)反演計(jì)算,得到探測(cè)區(qū)域圍巖的水體分布情況,提出相應(yīng)的開挖面前方巖體出水情況的預(yù)測(cè)成果。
本工程采用激發(fā)極化法共探測(cè)了602次,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)84%以上。
當(dāng)掌子面前方已進(jìn)入中-高地應(yīng)力場(chǎng)洞段,存在發(fā)生輕微-中等巖爆的可能,通知東北大學(xué)超前預(yù)報(bào)小組,通過(guò)微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)對(duì)掌子面前方10m和后方25m范圍內(nèi)的巖爆類型進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。
微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)是通過(guò)在TBM護(hù)盾后方已的洞段埋設(shè)2個(gè)斷面的傳感器,通過(guò)信號(hào)采集儀采集來(lái)自掌子面前方10m和后方25m范圍內(nèi)所發(fā)生的巖爆破裂源所釋放的數(shù)據(jù),再通過(guò)數(shù)據(jù)分析,得到微破裂事件數(shù)和微震能量等微震特征參數(shù),進(jìn)而判斷出巖爆的位置及其巖爆等級(jí)和發(fā)生概率,同時(shí)區(qū)分即時(shí)型巖爆和時(shí)滯型巖爆,并隨著掘進(jìn)動(dòng)態(tài)更新。
聲納圖像在映射過(guò)程中損失了高度信息,光學(xué)圖像中采用多視圖幾何原理,利用不同映射角度的圖像視差關(guān)系計(jì)算目標(biāo)的深度信息以恢復(fù)三維特征。但由于光學(xué)攝像機(jī)與聲納設(shè)備映射原理的差異,所以一般的基于光學(xué)的三維重建方法不能直接運(yùn)用到聲納圖像的三維重建過(guò)程中。根據(jù)多視角聲納圖像的映射特點(diǎn),本節(jié)提出一種對(duì)高度弧分段、逐級(jí)搜尋目標(biāo)的空間位置的多視角聲納圖像三維特征重建方法,用于恢復(fù)圖像的高度特征。
本工程采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)累計(jì)監(jiān)測(cè)洞段5633m,發(fā)布巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警日?qǐng)?bào)679份,整體預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)90%以上。
當(dāng)掌子面前方出現(xiàn)富水軟弱斷層破碎帶或出現(xiàn)重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件特別復(fù)雜洞段,需停機(jī)采用超前地質(zhì)鉆探法進(jìn)行預(yù)報(bào)。利用超前鉆機(jī)在隧洞開挖工作面進(jìn)行鉆探獲取地質(zhì)信息。
采用沖擊鉆時(shí),可按沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動(dòng)情況、沖洗液的顏色及流量變化等探明巖性、巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、空腔及地下水發(fā)育情況等;如果采用回轉(zhuǎn)取芯鉆,可按所取得的巖芯進(jìn)行直接鑒定。在富水區(qū)采用超前地質(zhì)鉆探法時(shí)必須設(shè)置孔口管及控制閥等防止地下水突出的措施。
本工程采用超前地質(zhì)鉆探法2次,鉆孔總進(jìn)尺70m,均精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。
在XE工程TBM施工中,共采用了5種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,其中地質(zhì)調(diào)查法作為基礎(chǔ)和先導(dǎo),與TBM的掘進(jìn)同步,采用一日一報(bào)或一段一報(bào);當(dāng)局部洞段前方存在地質(zhì)構(gòu)造和突涌水條件時(shí),根據(jù)需要實(shí)施三維地震波法測(cè)構(gòu)造、激發(fā)極化法測(cè)水,采用一事一報(bào);當(dāng)進(jìn)入中-高地應(yīng)力場(chǎng)洞段,存在發(fā)生輕微-中等巖爆的可能,實(shí)施微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警巖爆,采用一日一報(bào);當(dāng)出現(xiàn)特別復(fù)雜的地質(zhì)條件洞段,必要時(shí)實(shí)施地質(zhì)鉆探法,采用一事一報(bào)。
為了統(tǒng)一協(xié)調(diào)和分析多種預(yù)報(bào)方法所得到的結(jié)論,現(xiàn)場(chǎng)由業(yè)主組織參建各方代表組成地質(zhì)超前預(yù)報(bào)協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組,制定了一系列有利于綜合實(shí)施的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的工作流程、工作職責(zé)、審批程序、協(xié)調(diào)機(jī)制,負(fù)責(zé)及時(shí)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行綜合分析和研判,提出相應(yīng)的處理意見(jiàn)和應(yīng)對(duì)措施,督促后續(xù)施工中嚴(yán)格執(zhí)行,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤驗(yàn)證和總結(jié),提高地質(zhì)預(yù)報(bào)精度,確保工程施工安全和工期安全。
地質(zhì)調(diào)查法作為本工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的基礎(chǔ)與核心,由設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)組織實(shí)施,為此專門組建了XE工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)小組,制定了相應(yīng)的工作制度和工作職責(zé),隸屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)代處。由地質(zhì)專業(yè)副處長(zhǎng)任組長(zhǎng),成員由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程師、水工與施工專業(yè)設(shè)計(jì)代表組成,院主管院長(zhǎng)、主管總工、地勘專業(yè)總工及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)。全線5臺(tái)TBM分成5個(gè)工作點(diǎn),每個(gè)工作點(diǎn)派2名熟悉本段工程地質(zhì)勘察成果的專業(yè)地質(zhì)工程師。在工作中邀請(qǐng)施工單位和監(jiān)理單位的地質(zhì)工程師參與并監(jiān)督日常的工作,除了按照地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)的要求展開工作外,同時(shí)負(fù)責(zé)與其他預(yù)報(bào)小組的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接,并進(jìn)行初步的綜合分析工作。通過(guò)XE工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)小組審核后的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果以確認(rèn)單的型式當(dāng)日下發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。
除了認(rèn)真做好日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào),每半年組織5個(gè)地質(zhì)工作點(diǎn)的地質(zhì)工程師進(jìn)行一次正式的交流和學(xué)習(xí),取長(zhǎng)補(bǔ)短,不斷總結(jié)和改進(jìn),切實(shí)為工程建設(shè)保駕護(hù)航。
截止目前,XE工程5臺(tái)TBM已完成74.1km的掘進(jìn),通過(guò)對(duì)多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的綜合分析與研判,提出相應(yīng)的處理意見(jiàn)和應(yīng)對(duì)措施,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤驗(yàn)證和總結(jié)提高。經(jīng)統(tǒng)計(jì),確定的綜合預(yù)報(bào)總數(shù)約1320次,準(zhǔn)確率達(dá)96%以上。
XE工程具有超長(zhǎng)隧洞、深覆蓋條件、穿越活動(dòng)斷裂帶、地下水補(bǔ)給條件復(fù)雜、中等巖爆等特點(diǎn),占隧洞長(zhǎng)度81.4%的洞段采用TBM施工技術(shù),針對(duì)XE工程復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM施工,采用了以地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)為主,結(jié)合三維地震波法測(cè)構(gòu)造、激發(fā)極化法測(cè)水、巖爆微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警、超前地質(zhì)鉆探法等多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù),綜合應(yīng)用于工程實(shí)踐中,取得了很好的效果,綜合預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)96%以上。為指導(dǎo)TBM安全施工起到了非常重要的作用,保證了TBM施工洞段的施工安全與工期安全,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
由于受學(xué)識(shí)水平所限,總結(jié)還不夠全面,愿與隧洞工程的各位同行們進(jìn)行交流,也愿為類似工程的建設(shè)提供借鑒。