宋寶玉，劉洪鋮，關(guān)鑲鋒

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 隧洞地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題分析

隧洞工程區(qū)圍巖的地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜、水文地質(zhì)條件等變化較大，且限于目前的施工前期地質(zhì)勘察工作量布置有限，技術(shù)手段和水平及勘察階段精度控制要求等等，在前期勘察過(guò)程中，完全查明地下巖體地質(zhì)情況很困難。在施工過(guò)程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的展開(kāi)，可以有效的解決這些問(wèn)題，減少因缺少超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而造成的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了隧洞常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[1- 12](見(jiàn)表1)和分析。

表1 隧洞地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查表

表2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要物探技術(shù)調(diào)查表

通過(guò)上表的國(guó)內(nèi)外工程事故，不難分析出隧洞施工主要存在的問(wèn)題分為以下幾類：第一類：突水、泥和涌水、泥災(zāi)害；第二類：隧洞結(jié)構(gòu)坍塌堆積問(wèn)題；第三類：斷層、構(gòu)造、軟弱結(jié)構(gòu)面及破碎帶卡機(jī)問(wèn)題等。

2 隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)調(diào)查

我國(guó)是20世紀(jì)70年代后開(kāi)始重視隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究和應(yīng)用；90年代瑞士研究并開(kāi)發(fā)了TSP技術(shù)，鐵道工程學(xué)報(bào)報(bào)道了何振起等提出的“負(fù)視速度法”的引入，TSP開(kāi)始風(fēng)靡全國(guó)。2006年北京物探研究所劉云幀等研發(fā)的TGP預(yù)報(bào)技術(shù)，再到同度的TST，美國(guó)的TRT系統(tǒng)等。在方法、儀器設(shè)備上，包括軟件建模，分析處理開(kāi)發(fā)上都有了飛躍的發(fā)展[4]。

在不斷開(kāi)展和應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的同時(shí)，其技術(shù)暴露出來(lái)的虛報(bào)漏報(bào)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性不高，不良地質(zhì)體解譯缺乏明確的判斷原則等缺陷，已逐步為人們了解。研究其原因是各方面的，側(cè)重可用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法系統(tǒng)應(yīng)用，對(duì)方法原理的邊界條件考慮不周全，準(zhǔn)確性考慮不多，如數(shù)學(xué)建模模型本身就存在缺陷導(dǎo)致有效反射信息缺失，判斷缺乏依據(jù)往往依賴工作人員的經(jīng)驗(yàn)等等[1- 12]。

當(dāng)前隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法較多。直接手段有超前鉆探、超前平行導(dǎo)坑等；間接手段主要以物探技術(shù)為主。其主要技術(shù)具體見(jiàn)表2。

由于采用單一的預(yù)報(bào)方法具有極大的局限性，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)、方法、模式和反映的物理特征等方面的局限，導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果往往出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)和精準(zhǔn)度差等問(wèn)題。目前綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的方法和手段多種多樣，雖然各類方法的準(zhǔn)確度和精確度還有待提高，需要不斷去實(shí)踐探索和研究，但在隧洞工程建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用，已成為隧洞工程中不可缺少的重要部分[1- 12]。

3 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程的供水范圍橫跨吉林省中部的11個(gè)市、縣區(qū)及26個(gè)城鎮(zhèn)，屬于大面積、跨流域、長(zhǎng)距離的城鎮(zhèn)供水工程。輸水線路總長(zhǎng)635.09km，設(shè)計(jì)引水流量為38.00m3/s，最大年引水量為10.40億m3，分為輸水干線和輸水支線，其中輸水干線長(zhǎng)263.58km，輸水支線長(zhǎng)371.51km，等級(jí)為I等工程。總干線工程中的永久性主要水工建筑物級(jí)別為1級(jí)，包括隧洞、埋管及交叉建筑物，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。僅包括總干線TBM施工段的隧洞，線路樁號(hào)2+000～71+855m，總長(zhǎng)度69855m。根據(jù)TBM施工臺(tái)數(shù)和線路特點(diǎn)劃分為：TBM1(ZG2)、TBM2(ZG3)、TBM3(ZG4)三個(gè)標(biāo)段。TBM1標(biāo)段(樁號(hào)2+000～24+600m，長(zhǎng)22600m)；TBM2標(biāo)段(樁號(hào)24+600～48+900m，長(zhǎng)24300m)；TBM3標(biāo)段(樁號(hào)48+900～71+855m，長(zhǎng)22955m，其中7000m穿灰?guī)r，隧洞設(shè)計(jì)洞徑7.79m)[6]。

地質(zhì)情況較復(fù)雜，主要穿過(guò)有灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂(礫)巖，泥巖、角礫巖、安山巖、花崗巖、斑巖、閃長(zhǎng)巖等。因此在進(jìn)行工程建設(shè)施工時(shí)，采取恰當(dāng)?shù)某暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)方法，給予適當(dāng)?shù)墓こ痰刭|(zhì)綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)施工信息化的重要基礎(chǔ)，也是該工程最大限度的確保隧洞施工安全的首要問(wèn)題。

4 綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)選取

技術(shù)的選取應(yīng)考慮方法的科學(xué)性和合理性，還有可操作性，盡可能多的利用地質(zhì)體的多種物性參數(shù)等來(lái)進(jìn)行地質(zhì)分析。吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究(下簡(jiǎn)稱吉水院)院采用地質(zhì)調(diào)查與分析方法結(jié)合物探成果進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。其中地質(zhì)分析分為地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描和地質(zhì)測(cè)繪等，為隧洞工程中采用何種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法提供了宏觀建議和依據(jù)。通過(guò)結(jié)合已知的地質(zhì)資料，更準(zhǔn)確地判定圍巖的完整性，進(jìn)行圍巖分級(jí)，預(yù)測(cè)隧洞前方的地質(zhì)情況等。物探技術(shù)方法主要采用洞內(nèi)外相結(jié)合，立體式預(yù)報(bào)方式。

4.1 洞外方法(EH- 4原理及數(shù)據(jù)處理)

考慮隧洞埋深，埋深深度對(duì)斷層構(gòu)造等不良地質(zhì)體的判斷有差異及對(duì)水和破碎帶的敏感性等因素，吉水院采用基于平面波卡尼亞電阻率的電磁法，輕設(shè)備，小功率的EH- 4方法，從垂直方向來(lái)分辨，通過(guò)電磁波異常的分析來(lái)預(yù)測(cè)隧洞圍巖情況，目前此方法比較成熟[14]。

EH- 4是基于平面波穿透深度或趨膚深度同不同的電磁波頻率相關(guān):

(1)

式中，δ—趨膚深度，m。通過(guò)發(fā)射、接收不同頻率的電磁波，得到不同深度的卡尼亞電阻率或電導(dǎo)率[13]。由式(1)反推得到的電阻率通常為視電阻率。

在一個(gè)1～750kHz相對(duì)固定的寬頻帶上，同時(shí)接收x方向和y方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，反演得出x-y電導(dǎo)率張量成像剖面，對(duì)判斷確定地下構(gòu)造及破碎帶和接觸帶等二維結(jié)構(gòu)特別有利。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理時(shí)，根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)給出的視電阻率、相位、相關(guān)度及振幅曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的實(shí)時(shí)分析。對(duì)于一些不可靠的數(shù)據(jù)可以從曲線中剔除，然后繼續(xù)測(cè)量，或者整條曲線的數(shù)據(jù)質(zhì)量太差，采取措施，實(shí)施重復(fù)測(cè)量。在完成整條測(cè)線的連續(xù)觀測(cè)后，可在現(xiàn)場(chǎng)采用EMAP法(該法可以有效地消除靜態(tài)效應(yīng))給出擬二維反演解釋結(jié)果的灰度圖。

4.2 洞內(nèi)方法(TRT6000原理及數(shù)據(jù)處理)

運(yùn)用地震體波的傳播特性，遇到波阻抗(密度和波速的乘積)不同界面時(shí)，在界面會(huì)發(fā)生反射、折射等。采用地震設(shè)備，拾取界面回波，從水平方向來(lái)分辨，通過(guò)地震波異常的分析來(lái)預(yù)測(cè)隧洞圍巖情況，目前采用彈性波法(TRT6000)，此方法比較成熟，取得了較好的效果[7]。

TRT6000采用隧洞地震波反射速度掃描偏移成像技術(shù)，通過(guò)接收巖體中不均勻面的反射地震波進(jìn)行超前探測(cè)。該技術(shù)的原理：地震波遇波阻抗不同界面時(shí)，一部分地震波被反射，一部分地震波透射進(jìn)入前方介質(zhì)。依據(jù)地層巖體界面的地球物理特性：地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)間斷界面的波阻抗往往是不同的。利用高靈敏度的傳感器接收反射的地震體波信號(hào)。反射體越完整、尺寸越大，波阻抗越大，其回波越明顯，越易被探測(cè)。經(jīng)過(guò)分析處理探測(cè)到的回波，反演出隧道工作面前方各個(gè)斷面剖面影像圖，來(lái)了解前方地質(zhì)體的位置、大小、形狀及性質(zhì)(構(gòu)造斷層、破碎帶、軟弱帶或夾層、含水或富水等)，達(dá)到了解和判斷隧洞開(kāi)挖面前方地質(zhì)體的性質(zhì)位置及規(guī)模。

判斷圍巖類別原則:

(1)根據(jù)異常區(qū)域圖像相對(duì)于圍巖背景，從背景波速分析異常的波速差異，進(jìn)而判斷圍巖類別；

(2)對(duì)圍巖類別的判斷必須與地質(zhì)情況相結(jié)合，綜合分析。

5 綜合超前預(yù)報(bào)成果與評(píng)價(jià)

2015年7月，在吉林省中部城市引松供水工程TBM2標(biāo)段施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)F23- 2構(gòu)造斷層，TBM卡機(jī)，經(jīng)施工處理塌方厲害，經(jīng)有關(guān)方現(xiàn)場(chǎng)商定，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試。測(cè)試方案采用選取的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，地表用EH- 4儀器，巖洞軸線及兩側(cè)作地質(zhì)剖面測(cè)試。洞內(nèi)用TRT6000儀器對(duì)掌子面前放進(jìn)行超前測(cè)試。經(jīng)以上兩種物探技術(shù)手段，測(cè)試后成果結(jié)合地質(zhì)調(diào)查與分析綜合解譯，給出預(yù)報(bào)結(jié)論。如圖1、2所示。

通過(guò)地質(zhì)調(diào)查與分析綜合，預(yù)報(bào)結(jié)論如下：

樁號(hào)47+381.2～47+350m段，超前管棚注漿處理區(qū)，實(shí)測(cè)視電阻率ρs為500～1100Ω·m，為斷裂構(gòu)造F23- 2次生構(gòu)造擠壓破碎區(qū)，圍巖破碎，碎裂-碎屑散體結(jié)構(gòu)，巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖V類為主。

樁號(hào)47+350～47+322m段，實(shí)測(cè)視電阻率ρs為300～500Ω·m，為原斷裂構(gòu)造F23- 2次生構(gòu)造影響區(qū)，巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖破碎，碎裂-碎屑散體結(jié)構(gòu)，圍巖V類為主。

圖1 地面EH- 4洞軸線視電阻率測(cè)試剖面圖

圖2 洞內(nèi)TRT6000三維成像側(cè)視圖

序號(hào)工作日期樁號(hào)準(zhǔn)確基本準(zhǔn)確不準(zhǔn)確定量定性巖性備注1三標(biāo)段第1次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2015.7.31～8.1447+450～950▲石英閃長(zhǎng)巖2三標(biāo)段第2次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2015.12.12～1347+183～072▲石英閃長(zhǎng)巖3三標(biāo)段第3次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2015.12.1947-068～46+940▲花崗巖4三標(biāo)段第4次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2015.12.22～2346+905～46+805▲花崗巖5三標(biāo)段第5次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2015.12.28～2946+761～46+48▲凝灰?guī)r6三標(biāo)段第6次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2016.1.446+552～46-452▲凝灰?guī)r7三標(biāo)段第7次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2016.1.746+424～46+324▲凝灰?guī)r

樁號(hào)47+322～47+281.2m段，實(shí)測(cè)視電阻率ρs為250～300Ω·m，為原斷裂構(gòu)造F23- 2次生構(gòu)造影響區(qū)，巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖較破碎-破碎，圍巖IV～V類為主。

樁號(hào)47+281.2～47+110m段，實(shí)測(cè)視電阻率ρs為120～350Ω·m，為原斷裂構(gòu)造F23- 2主要影響區(qū)。巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖破碎，碎裂-碎屑散體結(jié)構(gòu)，圍巖V類為主。

樁號(hào)47+110m～46+950m段，實(shí)測(cè)視電阻率ρs為500～1000Ω·m，巖體逐漸變好[10]。

經(jīng)施工通過(guò)驗(yàn)證，本次預(yù)報(bào)了423m的長(zhǎng)度范圍，誤差約在8m之內(nèi)。后接著又預(yù)報(bào)了6次，施工方反饋見(jiàn)表3。

根據(jù)回訪施工方和監(jiān)理業(yè)主、預(yù)報(bào)成果與施工揭示對(duì)比，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在吉林省中部城市引松供水隧洞的實(shí)踐應(yīng)用效果比單項(xiàng)超前預(yù)報(bào)要好得多。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，選取了洞內(nèi)和洞外立體式的結(jié)合技術(shù)。洞內(nèi)選擇成熟度高的TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，宜適用于TBM掘進(jìn)短、中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。洞外選擇比較成熟先進(jìn)的EH- 4系統(tǒng)，宜適用于中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，且對(duì)富水帶、構(gòu)造、破碎帶，巖溶及軟硬巖體接觸帶等有較好的分辨效果。通過(guò)這種立體式的探測(cè)結(jié)果與地質(zhì)資料相結(jié)合，得到更加準(zhǔn)確、更加真實(shí)的探測(cè)結(jié)果。

在吉林省中部引松供水工程大量實(shí)踐中，這種相對(duì)較全面的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，發(fā)揮了巨大的優(yōu)越性，為隧洞工程的安全施工提供了準(zhǔn)確信息，指導(dǎo)優(yōu)化了工程設(shè)計(jì)，節(jié)省了勘察資源。