武蘭珍

（甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

水工隧洞的圍巖地質(zhì)條件具有復雜性和多變性，加之勘測手段的局限性，要在勘查設計階段準確的判定圍巖地質(zhì)狀態(tài)、特性，并準確的預測隧道施工中可能引發(fā)的地質(zhì)災害的位置、規(guī)模、性質(zhì)十分困難。這些問題的解決，必須依靠隧道施工中展開的超前地質(zhì)預報工作。目前在我國用于隧洞綜合超前地質(zhì)預報的單一方法主要有隧道地震超前預報系統(tǒng)TSP、水平聲波剖面法(HSP)、陸地聲納法、探地雷達法、瞬變電磁法、超前鉆孔法和超前平導法等幾種[1]，每種方法都有各自的局限性，本文重在研究一種相對完善和易于推廣的綜合預報模式。

1 工程概況

廣西桂中治旱馬良隧洞單項工程位于來賓市興賓區(qū)遷江鎮(zhèn)，距柳州市130 km，距來賓市約60 km，隧洞設計引水流量為31.72 m3/s，輸水線路總長7560 m。隧洞進口水面線高程102.99 m，底高程為99.01 m，出口處水面線高程101.17 m，底板高程為97.19 m，底坡為1/4200。按無壓隧洞設計，城門洞型，底寬為5.3 m，高5.92 m。

2 地質(zhì)概況

隧洞總體走向為南北向，所在山體為巖溶峰叢地貌,巖溶洼地和落水洞眾多。整體地勢西側(cè)高、東側(cè)低，山體地形較平緩,隧洞沿線山體自然坡度 15°～25°。

2.1 巖溶及地下河發(fā)育特征

隧洞所在地區(qū)碳酸鹽巖類廣泛存在,且深大節(jié)理裂隙和巖溶較為發(fā)育。地表巖溶形態(tài)以峰叢洼地、落水洞為主。根據(jù)工程地質(zhì)測繪成果隧洞軸線兩側(cè)各500 m的范圍內(nèi)(計算面積約9 km2),上覆山體的落水洞及巖溶洼地數(shù)量超過60個。根據(jù)物探大地電磁法探測,隧洞軸線沿線巖溶發(fā)育高程0 m～170 m不等。根據(jù)地面地質(zhì)測繪及物探成果,推測隧洞沿線共發(fā)育6條地下河。

2.2 水文地質(zhì)條件

隧洞位于峰叢洼地邊緣，地勢西高東低，地下水位整體由西北經(jīng)過隧洞流向東南側(cè)，與隧洞大角度相交，隧洞洞身段位于地下水活動強烈變化帶內(nèi)。隧洞西側(cè)山體雄厚,巖溶洼地眾多，匯水面積較大，巖溶水豐富，枯水季節(jié)地下水位高于隧洞頂，施工時可能出現(xiàn)大量涌水和涌泥現(xiàn)象。

由于本隧洞位于山區(qū)向合山盆地過渡區(qū)域，碳酸鹽巖類廣泛存在，本區(qū)巖溶發(fā)育較好，落水洞及暗河眾多，水文地質(zhì)條件極其復雜。隧洞開挖過程中存在涌水或突泥的可能性大，危害性大，且?guī)r溶發(fā)育隨機性強，巖溶管道與地下暗河聯(lián)通關(guān)系復雜，與隧洞交叉關(guān)系難以明確。為確保隧洞施工安全，施工時必須對隧洞全線進行連續(xù)超前地質(zhì)預報。

3 現(xiàn)場綜合地質(zhì)預報方法

3.1 TSP法

地震波反射法超前預報是利用地震波在巖體傳播過程中，在聲阻抗界面會產(chǎn)生地震反射波，利用儀器設備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過相關(guān)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，實現(xiàn)對隧道前方地質(zhì)條件的推斷，達到超前地質(zhì)預報的目的，探測距離一般為100 m～150 m。隧洞G3+259～G3+109段采用TSP203型隧道超前地質(zhì)預報系統(tǒng)進行檢測。TSP預報地質(zhì)構(gòu)造偏移成像圖及波速衰減處理成果圖見圖1。

根據(jù)成果圖并結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析分段預報推斷結(jié)論如下：

G3+259～G3+222段,該段長度37 m，結(jié)合該段成果圖及地質(zhì)情況綜合分析，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度呈上升趨勢，橫波波速略有起伏，縱波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：94°與74°，橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：90°與64°；預報里程段圍巖主要為微風化灰?guī)r，以堅硬巖為主，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈厚層狀-鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，可能存在溶蝕裂隙，夾層甚至巖溶溶腔。

G3+222～G3+168段,該段長度54 m，結(jié)合該段成果圖及地質(zhì)情況綜合分析，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度有所上升，橫波趨于穩(wěn)定，但橫波波速較低，縱波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：86°與-89°；預報里程段圍巖主要為微風化灰?guī)r，以堅硬巖為主，圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整，多呈厚層狀結(jié)構(gòu)。

G3+168～G3+109段,該段長度59 m，結(jié)合該段成果圖及地質(zhì)情況綜合分析，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度趨于平穩(wěn)，橫波速度略有起伏，橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：90°與90°；預報里程段巖溶稍發(fā)育。

3.2 地質(zhì)雷達探測法

根據(jù)TSP的預報結(jié)果，為了進一步明確圍巖情況，針對巖層較為發(fā)育的G3+259～G3+222段，采用地質(zhì)雷達進行進一步探測。地質(zhì)雷達探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅、頻率和相位不同來判斷前方傳播介質(zhì)的變化。介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強弱程度和其相位的正負。巖石巖性、風化程度及其含水量等的變化將影響其介電常數(shù)，電磁波反射的頻率、振幅、相位也將發(fā)生變化，因此，根據(jù)電磁波反射的特征推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，一般探測距離為20 m～30 m。

圖2 地質(zhì)雷達系統(tǒng)組成圖

圖3 地質(zhì)雷達探測原理圖

選用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達，使用中心頻率為100 MHz的天線，沿測線進行數(shù)據(jù)采集，連續(xù)探測，并得出雷達反射剖面。采集參數(shù)為：采集方式為連續(xù)，每掃描采樣數(shù)為1024，采集時窗為600 ns。在G3+259掌子面上布置雷達，沿水平和垂直方向共布置了4條地質(zhì)雷達測線，經(jīng)雷達圖像處理分析后得到雷達波形，見圖4。

圖4 地質(zhì)G3+259～G3+234段雷達波形圖

根據(jù)以上地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理成果圖并結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況綜合分析，可得出以下結(jié)論：在樁號為G3+259～G3+234的25 m探測范圍內(nèi)，根據(jù)所做的地質(zhì)雷達波譜圖可以看出，電磁波能量反射較強，深部電磁波衰減明顯，結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析推測預報里程段范圍內(nèi)，圍巖巖性為微風化灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈中薄層狀結(jié)構(gòu)。預報里程段巖溶略發(fā)育，局部存在溶蝕裂隙、裂隙夾泥；預報里程段地下水稍發(fā)育，受大氣降水影響較明顯，可能出現(xiàn)沿溶蝕裂隙滲流等現(xiàn)象。同時，此結(jié)果還驗證了TSP預測結(jié)果中里程段G3+259～G3+234裂隙間多泥質(zhì)充填或存在溶蝕裂隙，局部可能存在巖溶裂隙的情況。

3.3 超前鉆孔

根據(jù)TSP預報及地質(zhì)雷達探測的結(jié)果，基本可以確認里程段G3+259～G3+234裂隙間多泥質(zhì)充填或存在溶蝕裂隙，為了進一步明確掌子面的情況，以便明確爆破設計參數(shù)。在人工鉆爆破孔前，采用氣腿式鉆機，在地質(zhì)雷達不能全面覆蓋的拱角和拱頂區(qū)域進行超前鉆孔，鉆桿采用5 m加長，通過對鉆孔的難易程度（是否出現(xiàn)卡鉆情況）及鉆孔的透水情況進行全斷面分析。對G3+259掌子面處進行鉆孔，確認孔正常、局部有泥水流出，進一步驗證了局部巖溶較發(fā)育，局部存在溶蝕裂隙、溶蝕通道的可能。

4 結(jié)語

根據(jù)上述檢測結(jié)果，G3+259～G3+234在實際施工中采用了短進尺、弱爆破的方式，按Ⅴ類圍巖進行開挖，由原來的2m鉆爆距離縮短到0.8 m的鉆爆安全距離，經(jīng)過實際開挖完成后比對，綜合地質(zhì)預報的結(jié)論準確，確保了隧洞施工的安全，同時加快了施工功效。本文依托廣西桂中治旱某隧洞單項工程的巖溶發(fā)育特征，利用TSP超前預報系統(tǒng)和地質(zhì)雷達等物探手段對隧洞不良地質(zhì)缺陷進行了探測，結(jié)合掌子面揭露情況和超前鉆探結(jié)果，推斷出有探測段圍巖的地質(zhì)狀況，很好地驗證了此次TSP超前預報和探地雷達相結(jié)合探測不良地質(zhì)缺陷的準確性，可供類似工程參考借鑒。