劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

推廣應用

超前地質預報在水工隧道施工中研究和應用

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

在水工隧洞施工中，隧洞的地質條件包括圍巖類型、地下水分布是影響隧洞順利施工的重要條件，前期設計工作的不足很大程度上導致在實際施工中發(fā)生工程問題，比如塌方、涌水、突涌泥等地質災害，制約工期的同時 對人員設備造成極大的安全危害?，F(xiàn)目前國內工程地質勘探常采用超前地質預報技術，方法眾多特點不一。文章結合工程實例，基于國內外較為先進應用廣泛的幾種超前預報技術的綜合應用，最大程度上放映隧洞掌子面前方的地質情況，據實測結果和檢測結果的分析對比研究更好的指導工程施工。

地質；超前預報；隧道；施工；技術

1 超前地質預報的必要性

有關水工隧洞的地質狀況分析一般采用的方法：地面勘探、取樣調查、鉆孔測量和地球物理勘探。受制于當前國內地質勘探技術，加之工程地質的復雜性和水文地質的多變性，在設計階段進行隧洞圍巖類型和周圍不良地質的分布狀態(tài)是有極大難度的。而因為隧洞施工前方地質的未知(軟弱夾層、斷層破碎帶、暗河、溶洞)，常常會導致現(xiàn)場施工的中斷，影響施工工期，擴大工程投資，同時引發(fā)工程問題(塌方、涌水、突涌泥等)，嚴重的將會帶來工程事故。

超前地質預報是在現(xiàn)有地質資料的基礎上，利用先進的測量儀器，分析匯總出近似準確的預報施工前方圍巖強度以及地質狀況。由于地下洞室施工的客觀條件決定，一定程度上很難做到地質預報的準確性和精確性。故采用先進科學的隧洞超前地質預報是十分必要的，對于隧洞掌子面前方的地質類型的準確掌握，包括通常的地質構造，隧洞前進方向的圍巖類別和結構面分布情況。尤其是地下水分布狀況、斷層破碎帶、溶洞的預報至關重要，對整個工程有非常重要的價值意義[1]?，F(xiàn)目前，準確的超前地質預報一直都是國內外隧洞施工研究中的重點領域，因此在隧洞施工期做圍巖超前地質預報是十分必要的。

2 國內超前地質預報技術的現(xiàn)狀

目前在國內，隧洞超前地質預報方法還是比較傳統(tǒng)的，歸納為：地質雷達法、取芯鉆探法和沖擊鉆探法，預報距離一般在掌子面前方20-50m區(qū)間，預報時測量儀器安置在掌子面處，并留出空間布設儀器，對施工干擾大，施工進度直接受到影響。近些年，瑞士安伯格公司研發(fā)的TSP202、203系統(tǒng)在國內外眾多大型水利工程的廣泛應用，在實際中不斷改良，效果突出，但和工程實測數據相比系統(tǒng)仍存在一定的不足。

現(xiàn)目前國內水工隧洞對于超前地質預報技術也有一定的掌握，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和技術成熟度還有待于進一步發(fā)展，現(xiàn)有技術很大程度上難以準確預報隧洞前方圍巖狀況、地下水分布狀況等。經過國內多家科研院所和企業(yè)的深度合作與研究，現(xiàn)定義為綜合超前地質預報技術，這種預報技術原理上是結合了世界上經應用廣泛、技術論證結果明顯的幾種地質超前預報技術，如TSP203、HSP、CSAMT，結合起來一種綜合預報技術。在工程實際施工中，據掌子面狀況及對前方圍巖類型的預判情況，結合工程經驗針對性的選擇一種或幾種，做到相互論證又相互補充，這樣能夠保證最大限度反應超前預報的準確性，減小工程風險的同時能夠更好地指導現(xiàn)場施工。

3 綜合超前地質預報技術主要工作原理及應用

3.1 TSP203地質超前預報統(tǒng)

TSP203[2]地質超前預報系統(tǒng)原理上是地震反射法，特點具有高分辨率的多波多分量，一般采用微量炸藥激發(fā)出的地震波為介質，在離隧洞掌子面不遠處的邊墻位置。當地震波在斷層、軟弱夾層等巖性變化時出現(xiàn)波阻抗差異界面，此時將一部分反射波信號反射回來，另一部分繼續(xù)向前方介質傳播。被反射的這部分信號被TSP203上的高敏感度檢波器接收并作為數據存儲起來。數據通過TSPwin軟件的分析處理，然后進行解譯，最終通過解譯結果可準確預測隧洞掌子面前方地質體狀況。

TSP203的應用特點：①超前地質預報距離適中，在70-260m范圍區(qū)間預報較為準確，在鉆爆法施工中適應性較高；②測量和數據處理耗時短，施工干擾小，耗費市場一般測量1-2h，數據處理時長2-5h；③儀器安置及探測不直接接觸工作面，在隧洞施工中適應性強；④探測范圍廣泛，對于各種不良地質探測效果較好，如斷層、節(jié)理發(fā)育地帶、溶洞等。解譯出的結果包括巖石強度、容重、泊松比、波速、彈性模量等參數。

3.2 HSP聲波反射法

HSP聲波反射法是基于水平聲波剖面法的原理上，并對之改良的地質超前預報技術成果，其工作原理是聲波在兩種不同固體介質中傳播時，聲波會產生反射和折射，進行波形之間的轉換。縱波在介質中傳播時將產生兩個反射波和兩個折射波。當聲波傳播至不良地質處，會產生由高阻抗介質到低阻抗介質的變化情況，據這種特性阻抗比值可解譯出聲壓與聲強的透射系數。故通過解譯反射波信號，可以對掌子面前方的地質進行超前預報。

HSP的應用范圍范疇屬中距離預報，其特點：①一般探測距離在40-90m，平均距離為60m，但據現(xiàn)場工作面實際情況會作出部分修正調整；②數據采集和解譯耗時短，對施工形成一定干擾，平均占用施工時間3h左右；③聲波的產生無需爆破，節(jié)省資源；④經過與實際對比和論證HSP的預報準確率較高，保持在70%。

3.3 CSAMT探測原理

CSAMT探測原理是基于電磁波傳播和麥克斯韋方程組，推導出的水平電偶極源的電磁場公式，現(xiàn)目前此項技術已較為成熟，制造出的的測量儀器系統(tǒng)首先在野外工作進行測試并獲得了工程經驗，但普遍在國外得到應用，近些年在國內的一些工程也得到應用。

CSAMT應用特點：①抗干擾能力強，因其使用人工場源，信號強度可人為控制；②可減少外來因素如地形地貌的干擾，測量參數為電磁場之比，得出卡尼亞電阻率；③發(fā)射1次電磁場可完成若干點的電磁測深，改變頻率所測深度不同，有效提高效率并降低工作強度；④探測范圍大，距離一般在1.5km左右；⑤橫向分辨率高，對于不良地質反應明顯；⑥探測與數據處理時間長，結果分析花費大量時間。

4 工程實例

4.1 工程概況

該工程位于青海省境內，是省內跨流域引水工程的引水隧洞，全長5.62km，該隧洞斷面形式為城門洞型，工程設計斷面尺寸為7.6m×6.8m，襯砌厚度40cm[3]，施工單位為水電四局。隧洞斷面設計形式如圖1所示。

圖1 隧洞斷面設計圖

4.2 地質情況和探測目的

本隧洞的地質構造主要形跡是燕山運動形式的地質格局，土層巖性以斷層和褶皺居多。依據前期的地質勘察、物探法和鉆探法的設計勘察發(fā)現(xiàn)，該地形地貌的底層結構較為復雜，局部的巖體裂隙發(fā)育，巖石巖性較為單一包括花崗巖、閃長巖，片麻巖等。施工前期，結合隧洞現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)圍巖類型近似于工程地質報告所述，圍巖分布松散破碎，斷層破碎帶大量存在，隧洞局部區(qū)域有明顯滲水，且滲水量隨季節(jié)變化突出，夏天出水量明顯增加。

巖土物理力學指標[4]如表1所示。

表1 隧洞巖土物理力學指標

4.3 TSP地質超前預報結果

文章以隧洞左側邊墻的超前地質預報為例進行說明，首先同步將信號接收器孔和炮孔設置在掌子面50m處，炮點單排設15個，炮孔深和炮點間距均為1.5m，然后先行放置接收器套管，并將把接收器安設在套管內，信號接收線兩端分別連接接收器和記錄單元。完成上述工作后，開啟記錄單元并設置參數(分X-Y-Z三向接收)，制作炸藥并安設于指定位置，封堵炮孔，引爆炸藥后進行數據采集[5]。TSP工作原理見圖2。

對TSP深度偏移剖面圖及2D成果圖進行翻譯，成果見圖3和圖4,并將計算結果和實際工程圍巖情況對比分析見表2。

圖2 TSP探測原理圖

圖3 波深度偏移位移

圖4 R2傳感器2D成果圖

內容實際情況TSP-203探測結果里程寬度里程寬度原設計方案F4DK176+107-+1103DK176+110-+1082新發(fā)現(xiàn)斷層F新1DK176+022-+0275DK176+022-+0275F新2DK175+840-+8355DK175+839-+8345F新5DK175+835-+82015DK175+831-+82011f5DK175+813-+8094DK175+813-+8094F新6DK175+798-+78810DK175+799-+78910F新7DK175+785-+7769DK175+785-+7778F新8DK175+674-+6695DK175+675-+6705f6DK175+650-+64610DK175+650-+6455地層邊界DK175+814-+648166DK175+817-+648169富水砂巖砂1DK175+821-+8192DK175+822-+8193砂2DK175+811-+8092DK175+811-+8092砂3DK175+802-+8011DK175+802-+8011

對比某水電站下游導流洞的TSP203探測結果與工程實測，對TSP203的預報準確進行進一步說明。

表3 某水電站下游導流洞TSP-203探測結果與實際對比

從上述成果對比分析得出，TSP超前預報技術與工程實測數據基本吻合，對掌子面前方的圍巖地質狀況均能較好反應，同時通過對比發(fā)現(xiàn)以下結論：該技術的適用面范圍，對于任何圍巖類型的判斷基本準確，無論是軟巖或是硬巖；預報距離長，考慮外界的干擾影響基本能達到準確預報工作面100-350m；施工干擾小，預報時只需要在接受信號階段暫停施工；測量耗時小，測量中耗時≤1h，測量前后的準備和系統(tǒng)清除耗時≤4h，測量與工程施工的同步性較好；減少工程造價，據不完全統(tǒng)計分析，TSP法在水工隧洞中的成功應用將節(jié)省工程投資15%左右；成果匯總與提交及時，一般在數據采集結束后的第2天即可提交正式資料。

不同力學性質的斷層其圍巖穩(wěn)定性也不同，基于構造體系的機理，結合TSP的探測成果，較為準確的預報出斷層走向，破碎帶的圍巖級別，預測塌方的可能性，有效的預防施工中地質條件不同帶來的工程安全和經濟問題，對工程施工具有很大的指導意義。

5 總 結

隨著中國國民經濟的快速發(fā)展，基礎建設的逐步建設，在工程的各個領域如公路、鐵路、水利等，大型地下洞室的設計與施工將廣泛采用。綜合性超前地質預報技術通過在水工隧道施工中的應用研究，能夠有效的規(guī)避工程上的地質風險，同時避免了因前方工程地質狀況不明造成的經濟損失，很大程度上保障了施工的安全性、質量的穩(wěn)定性和工程總體經濟效益。綜合超前地質預報技術的廣泛成功應用可為國內眾多地下洞室的在預報領域下的指導施工提供參考價值。

[1]宋先海.我國隧道地質超前預報技術述評[J].地球物理學展，2006,21(02):605-613.

[2]趙永貴.國內外隧道超前預報技術評析與推介[J].地球物理學進展，2007,22(04):1344-1352.

[3]李術才.隧道施工超前地質預報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2014,33(06):1090-1113.

[4]陳建峰.隧洞施工地質超前預報技術比較[J].地下空間，2003,23(01)：5-8.

[5]丁恩保，凌榮華，馬繼平.隧洞地質預報方法探討[J].工程地質學報，1995(01)：7.

ResearchandApplicationofGeologicalPredictioninHydraulicTunnelConstruction

LIUShu-hui

(QiqihaerUrbanWaterConservancyInvestigation,DesignandResearchInstitute,Qiqihaer161006,China)

The geological conditions of tunnels are composed of coffer rock type and groundwater distribution for the tunnel construction, also the important conditions of effecting smooth construction of the tunnels. Lack of previous design works will cause greatly the project problems in the construction site, as the geological disasters of collapse, surging, sudden boiling of sediment, limiting the construction period, meanwhile, endangering the safety of staff and equipment. At present, there are many ways for the geological prediction technology always to be adopted with various characters in domestic project geological investigation. In combination with the project cases, based on several advanced prediction technologies applied widely at home and abroad, the geological conditions ahead of the heading face is reflected to the most maximum extend in this paper, which may guide better the engineering construction according to comparison and analysis for the observed results and inspected results.

geology; prediction; tunnel; construction; technology

1007-7596(2017)07-0129-05

2017-06-26

劉殊慧(1965-)，女，山東肥城人，工程師，從事水利工程地質勘查工作。

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