馮 義

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

隧道工程設(shè)計之前的地質(zhì)勘查工作，不僅受到地形條件、勘探方法、技術(shù)以及勘探成本的限制，而且由于地質(zhì)體本身變化復(fù)雜，地勘工作不能準確地將地質(zhì)情況真實反映出來，往往導(dǎo)致隧道施工過程中出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，無法滿足安全快速施工的要求，也無法兌現(xiàn)施工工期[1-5]。目前，較為常見的地質(zhì)預(yù)報方法有：傳統(tǒng)的地質(zhì)分析法，如地質(zhì)調(diào)查法、超前導(dǎo)坑(洞)法和超前水平鉆孔法；現(xiàn)有的隧道負視速度法、隧道地震預(yù)報法(TSP)、隧道反射成像法(TRT)、極小偏移距地震波法等；基于電磁法原理的預(yù)報方法，如地質(zhì)雷達法、隧道瞬變電磁法等；以及其他方法，如核磁共振法、紅外探水法、溫度探測法等。雖然超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)發(fā)展迅速，但也存在一些問題，例如單一的探測手段適應(yīng)性有限，并且存在探測結(jié)果的多解性，這就造成了隧道超前預(yù)報工作的準確性不高，施工事故頻發(fā)。因此，隧道地質(zhì)預(yù)報相關(guān)工作還需深入研究，以解決存在的各種問題[6-10]。

1 工程概況

貴廣(貴陽—廣州)高速鐵路是中國在巖溶山區(qū)修建的高標準、高橋隧比(高達81.95%)的客運專線，全線長856.899 km，設(shè)計速度為250 km·h-1。貴陽至廣西五通段地形起伏大，僅隧道占線路長度的比例就高達78%，施工難度大；該地區(qū)是中國巖溶發(fā)育最典型的地區(qū)之一，全線 23座隧道中碳酸鹽巖隧道占有16座，共計40 800 m，隧道洞身穿越可溶巖段落達60%，共計24 480 m。其中16座揭露干溶洞、溶槽，占隧道總數(shù)的70%，共計45處，發(fā)育規(guī)模大小不一，并存在瓦斯等有害氣體，一旦發(fā)生突涌水(泥)、瓦斯突出，后果難以想象。

2 鉆孔地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

2.1 基本原理與探測方法

對隧道掌子面前方進行探測時，在掌子面上不同位置打3個或3個以上鉆孔，孔深不小于15 m，并把探頭放入鉆孔中進行測試，根據(jù)各個孔所測得的異常分布和各個孔的位置，用空間幾何交匯的方法判定掌子面前方不良地質(zhì)體的位置與規(guī)模。發(fā)射天線和接受天線同在1個鉆孔中，并以固定間距沿鉆孔從內(nèi)向外移動，以固定間距觸發(fā)，一般采用的間隔為0.5～1 m。鉆孔地質(zhì)雷達介質(zhì)中的反射波形成雷達剖面，通過異常體反射波的走時、振幅和相位特征識別目標體，判明其位置、巖性及幾何形態(tài)。圖1為孔內(nèi)雷達探測工作原理。從幾何形態(tài)來看，地下異常體可概括為點狀體和面狀體兩類，前者如洞穴等，后者如裂隙、層面等，它們在雷達圖像上有各自的特征，其中點狀體反射呈現(xiàn)雙曲線，面狀體反射呈現(xiàn)“V”字型。異常體的位置可通過反射波的走時確定，巖性則可通過反射波振幅判斷[11-15]。

圖1 鉆孔雷達探測工作原理

2.2 觀測系統(tǒng)

所謂觀測系統(tǒng)就是布設(shè)超前鉆孔。超前孔一般以梅花型布置，這樣可以確保在探測范圍內(nèi)儀器的分辨率相同、管道定位準確。超前鉆孔的直徑一般大于65 mm，根據(jù)探測目標體深度設(shè)定鉆孔深度。如果是簡單的探測掌子面前方地質(zhì)情況且不需要定位時，一般打1個或2個鉆孔；如果需要準確定位不良地質(zhì)體的具體情況，則需要在掌子面打3個以上的鉆孔(圖2)，并且保持鉆孔之間盡量平行，鉆孔之間的距離盡可能拉大，這樣才能有效計算探測目標的產(chǎn)狀及地質(zhì)體特征。

圖2 鉆孔雷達孔位布置

預(yù)報工作分2步完成，即初步探測、精確探測。

(1)初步探測。中心孔CZ1一次鉆進深度30 m，造孔完成后立即進行鉆孔雷達探測，這樣可初步探明洞身60 m深度范圍內(nèi)有無含水巖溶管道和裂隙。

(2)精確探測。分兩次打周邊超前孔CZ2～CZ5，一次鉆進30 m，并分別在CZ2～CZ5孔中作雷達測試、孔斜測試，必要時作水流監(jiān)測測試。

2.3 數(shù)據(jù)處理與成果解釋

數(shù)據(jù)處理、分析、解釋分3個階段：中心孔CZ1雷達資料收集、周邊超前孔CZ2～CZ5雷達資料(含中心孔)收集、地質(zhì)分析與處理建議(探測到巖深管道或裂隙時)。

(1)中心孔CZ1雷達資料收集。初步對探測范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進行定性，當探測范圍內(nèi)無任何涌水異常管道或裂隙時，可以讓施工快速通過。

(2)周邊超前孔CZ2～CZ5(含中心孔)雷達資料收集。井中高分辨率雷達天線可以分辨出幾厘米的巖溶管道，將5個水平孔的雷達數(shù)據(jù)進行成像處理，得到以隧道軸線為中心，半徑為7 m、長為30 m的立體雷達圖像，依據(jù)管道水的低阻、強反射特點，用空間幾何交匯的方法精確確定涌水異常規(guī)模、位置。當管道水流動時，可以采用地下噪聲監(jiān)測技術(shù)估算管道水的流速，排除非涌水異常。

2.4 工程應(yīng)用

將鉆孔地質(zhì)雷達技術(shù)用于探明胡家寨隧道出口掌子面DK93+040前方不良地質(zhì)情況。

2.4.1 鉆孔布置

采用YGL-100鉆機在掌子面進行超前水平地質(zhì)鉆探。設(shè)計4個鉆孔，分別為1#、2#、3#和4#，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場鉆孔布置

超前地質(zhì)預(yù)報組對2#、3#、4#三個鉆孔分別進行了孔內(nèi)雷達探測，而1#鉆孔因水壓太大未能探測。2#、3#、4#三個鉆孔呈三角形布置，其探測參數(shù)如表1所示。

表1 超前鉆孔參數(shù)

2.4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

采用的地質(zhì)雷達為美國SIR-20雷達，并利用400兆孔內(nèi)天線進行數(shù)據(jù)采集，采集軟件為SIR-20。采用分析軟件RADAN 6.6對孔內(nèi)地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)的采集記錄進行處理與判讀，以獲得孔內(nèi)雷達探測的分析結(jié)果。雷達剖面判讀及分析是以雷達波形、電磁波反射強度、振幅和雙程走時等參數(shù)推斷掌子面前方地質(zhì)的不良情況。實測鉆孔2#、3#、4#的雷達成果剖面分別如圖4～6所示。

圖4 2#鉆孔探測結(jié)果

圖5 3#鉆孔探測結(jié)果

圖6 4#鉆孔探測結(jié)果

本次鉆孔地質(zhì)雷達探測的綜合解釋圖如圖7所示。由圖7可以看出：掌子面前方DK93+040～DK93+033之間圍巖整體較完整，為白云巖，局部溶蝕裂隙較發(fā)育，由于后方巖溶管道補給水的作用，局部溶蝕較破碎，圍巖較富巖溶水；掌子面前方DK93+033～DK93+025之間推測為溶蝕破碎帶，受此影響該段圍巖溶蝕較破碎，由于后方巖溶管道補給水的作用，圍巖較富巖溶水；掌子面前方DK93+025～DK92+008之間推測發(fā)育有巖溶管道，巖溶通道的直徑大致在0.2～0.3 m，地下水發(fā)育，該段圍巖開挖過程中發(fā)生突水的可能性極大。

圖7 綜合地質(zhì)解釋

3 高精度孔內(nèi)成像技術(shù)

3.1 孔內(nèi)成像的原理與適用性

孔內(nèi)成像技術(shù)的原理主要是依靠放在探孔中能自動調(diào)節(jié)光圈的廣角攝像頭，通過360°全方位彩色攝像對所測探孔壁面進行拍攝，在系統(tǒng)控制器上合成所得到的視頻信號和計數(shù)脈沖，輸出后的信號可在電視屏幕上將圍巖破碎程度、松動層及裂隙產(chǎn)狀直觀地顯示出來。當攝像機向下拍攝時，可獲得全景孔壁圖像環(huán)。針對不同直徑的鉆孔，在采集系統(tǒng)中需要調(diào)整攝像機的焦距，直到可以拍攝到清晰的孔壁圖像為止?？變?nèi)成像儀對鉆孔進行成像采集，可獲得高分辨率的孔壁圖像。

孔內(nèi)成像技術(shù)對于鉆孔有很好的適應(yīng)性，不僅可以用于水平孔、垂直孔和傾斜孔(俯角、仰角)，還可適用于地質(zhì)鉆孔、混凝土鉆孔和錨索(桿)孔等多種鉆孔類型。由于該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化鉆孔，巖芯可以長期保存，彌補了在破碎地層無法獲得實際巖芯的不足[16-20]。

3.2 探測方法與數(shù)據(jù)解釋

為了使探測過程中鉆孔內(nèi)的探管處于居中位置，當正常安裝并調(diào)試好鉆孔電視成像儀后，需要根據(jù)鉆孔參數(shù)對探頭扶正器的大小進行適當調(diào)整。根據(jù)設(shè)計精度要求調(diào)整成像探頭下行速度、聲波探頭內(nèi)步進電機的轉(zhuǎn)速和圖像聚焦環(huán)窗口寬度等參數(shù)。設(shè)定的所有參數(shù)達到成像電視探測工作要求后，便可以正式開始成像數(shù)據(jù)采集工作。

3.3 工程應(yīng)用

油竹山隧道平導(dǎo)(出口)DK89+965～DK89+941段鉆孔錄像測試成果如圖8所示。通過分析可知：導(dǎo)洞掌子面前方DK89+965～DK89+941段探測深度內(nèi)總體無較大不良地質(zhì)缺陷，其中DK89+959～DK89+949段距鉆孔中軸線1.5～3 m巖層面有溶蝕現(xiàn)象，局部溶蝕成寬縫。

圖8 DK89+965～DK89+941鉆孔成像成果

4 其他幾種超前預(yù)報技術(shù)在巖溶隧道中的應(yīng)用

4.1 地表踏勘

油竹山隧道進口平導(dǎo)洞P1K82+906處穿越高坡山，地形復(fù)雜，山高谷深，植被覆蓋較好，河流分布廣泛，如圖9所示。出水掌子面位置隧道埋深約400 m，其對應(yīng)的地表附近山丘集中，3條季節(jié)性沖刷河溝交匯且斜跨洞身，并在局部河段有突然斷流現(xiàn)象(未在隧道正上方)，但未發(fā)現(xiàn)明顯落水洞，測得斷流溝兩側(cè)2組代表性巖層產(chǎn)狀為30°∠10°、355°∠3°，推斷掌子面附近可能有斷層與隧道軸線相交。

圖9 平導(dǎo)洞頂?shù)孛?/p>

4.2 TSP預(yù)報技術(shù)

油竹山隧道進口平導(dǎo)P1K82+894～P1K83+014段進行了TSP超前預(yù)報。結(jié)果表明：探測范圍巖性為灰白色白云巖，巖質(zhì)硬，巖體較完整，局部破碎，地下水不發(fā)育。P1K82+894～P1K82+938段圍巖與掌子面基本一致，屬硬巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，地下水較發(fā)育，局部可能存在線狀出水；P1K82+938～P1K82+976段圍巖較完整，局部較破碎，地下水不發(fā)育；P1K82+976～P1K83+014段圍巖較完整，屬硬巖，地下水不發(fā)育，P1K83+000附近可能存在線狀出水。揭露巖溶水之后，為了進一步探明前方的地質(zhì)情況，進行了第2次TSP探測，如圖10所示。由圖10可知：掌子面前方P1K82+906～P1K83+006范圍內(nèi)，圍巖總體表現(xiàn)為溶蝕裂隙較發(fā)育,由于地下水位線位于隧道頂部，與巖溶管道連通，P1K82+936～P1K82+951及P1K82+971～P1K82+989段出現(xiàn)較發(fā)育的巖溶富水區(qū)，存在巖溶水突出的施工風險。

圖10 TSP 2D成果

4.3 超前鉆孔預(yù)報技術(shù)

為探明油竹山隧道平導(dǎo)工程P1K82+906處前方地質(zhì)情況，采用TEC-14鉆機超前地質(zhì)鉆探作業(yè)。本次鉆探共施作鉆孔3個，孔位布置及參數(shù)如圖11和表2所示。

圖11 超前鉆孔布置

通過鉆孔情況，對該段的地質(zhì)情況得出以下結(jié)論。

(1)P1K82+906～P1K82+936段巖性為白云巖，其中P1K82+906～P1K82+925段巖體較破碎～破碎，巖溶作用發(fā)育，地下水發(fā)育，P1K82+910、P1K82+917、P1K82+921、P1K82+924四處水量分別約為20、20、25、20 m3·h-1。P1K82+925～P1K82+936段巖性為白云巖，巖體較完整，地下水不發(fā)育。

表2 超前探孔參數(shù)

(2)P1K82+910～P1K82+911段發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+916～P1K82+917段隧道左側(cè)發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+920～P1K82+923段隧道左側(cè)發(fā)育溶洞，洞徑大于3 m，洞內(nèi)富水，有泥沙充填，開挖該范圍易出現(xiàn)突水涌砂，應(yīng)予以特別重視。

基于對油竹山隧道的綜合地質(zhì)預(yù)報，推斷掌子面前方P1K82+906～P1K83+006范圍內(nèi)，圍巖總體表現(xiàn)為溶蝕裂隙發(fā)育，如圖12所示。P1K82+910～P1K82+911段發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+916～P1K82+917段隧道左側(cè)發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+920～P1K82+923段隧道左側(cè)發(fā)育溶洞，洞徑大于3 m，洞內(nèi)富水，有泥沙充填，開挖該范圍易出現(xiàn)突水涌砂，應(yīng)予以特別重視。P1K82+936～P1K82+951及P1K82+971～P1K82+989段出現(xiàn)較發(fā)育的巖溶富水區(qū)，存在巖溶水突出的施工風險。

圖12 P1K82+906～P1K82+936溶洞預(yù)測

4.4 地質(zhì)雷達預(yù)報技術(shù)

采用地質(zhì)雷達對翁檔隧道D3K97+863特大型溶洞進行預(yù)報，探測的結(jié)果如圖13、14所示，掌子面前方圍巖巖溶強烈發(fā)育，巖溶水富集，施工中有遇大型巖溶管道水突泥的風險。從圖13、14可知：D3K97+868～D3K97+875溶蝕裂隙、溶穴發(fā)育，富集巖溶水；從D3K97+875處起向掌子面右側(cè)延伸至D3K97+893，巖溶水與前一段連通。上述異常段巖體穩(wěn)定性較差，巖溶水富集。

圖13 雷達探測剖面

圖14 解釋成果

5 結(jié) 語

(1)孔內(nèi)雷達對富水區(qū)隧道施工中富水構(gòu)造、含水情況、軟弱破碎帶及節(jié)理和斷層等不連續(xù)體的超前探測準確性較高，同時也有效減少了在隧道掌子面打設(shè)超前探孔的數(shù)量。超前鉆孔難以有效預(yù)報隧道掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，對于與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面的預(yù)報更是困難，而孔內(nèi)雷達正好彌補了這一缺陷。

(2)將孔內(nèi)成像技術(shù)運用到隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中，能夠?qū)︺@孔中地質(zhì)體的不同特征和構(gòu)造進行直觀觀測，可以直接掌握地層的巖性、巖石結(jié)構(gòu)、裂隙、斷層、夾層、巖溶等，并編錄地質(zhì)柱狀圖，彌補超前鉆孔在鉆孔取芯困難部位的難以獲取地質(zhì)信息的不足，尤其適用于巖溶地區(qū)地質(zhì)預(yù)報。

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