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        綜合超前地質(zhì)預(yù)報法在花崗巖球狀風(fēng)化體探測中的應(yīng)用

        2021-09-15 10:09:39朱俊張志強
        四川建筑 2021年4期

        朱俊 張志強

        【摘要】球狀風(fēng)化體是花崗巖地層中十分常見和突出的不良地質(zhì)體,是由于花崗巖長期受不均勻風(fēng)化作用所致。球狀風(fēng)化體的存在,直接影響隧道施工的安全性、高效性和經(jīng)濟性,準(zhǔn)確地探明球狀風(fēng)化體分布情況是花崗巖地層中隧道工程面臨的難題。文章介紹利用工程地質(zhì)調(diào)查法確定球狀風(fēng)化體地表分布密集段,通過地質(zhì)探地雷達法和地震反射波預(yù)報法雙重物探手段揭示球狀風(fēng)化體密集段的風(fēng)化界面,最后采用超前水平鉆探法對掌子面前方球狀風(fēng)化體進行精確定位。結(jié)果顯示,綜合超前地質(zhì)預(yù)報法能有效揭示球狀風(fēng)化體的空間分布,可較好地解決花崗巖地層中地質(zhì)勘察難題,能為后續(xù)隧道施工提供科學(xué)依據(jù)。

        【關(guān)鍵詞】球狀風(fēng)化體; 綜合超前地質(zhì)預(yù)報法; 工程地質(zhì)調(diào)查法; 物探法; 鉆探法

        【中國分類號】U456.3+3【文獻標(biāo)志碼】A

        我國華東、華南地區(qū)分布著十分廣泛的花崗巖地層。受地質(zhì)構(gòu)造作用,花崗巖中節(jié)理裂隙發(fā)育,導(dǎo)致巖體破碎、抗風(fēng)化能力減弱,節(jié)理裂隙處花崗巖受風(fēng)化作用更為顯著,隨著風(fēng)化程度加劇,裂隙處花崗巖長石、黑云母等全風(fēng)化形成殘積土,而石英不易風(fēng)化而逐漸形成球狀風(fēng)化殘留核,俗稱“孤石”[1]。球狀風(fēng)化體是花崗巖地層中發(fā)育和突出的不良地質(zhì)體。

        球狀風(fēng)化體分布離散性大,大小、形狀都具有隨機性,且強度一般在100 MPa以上,與周圍巖土體存在較大差異,破壞了花崗巖風(fēng)化剖面的相對均勻性。未探明的孤石對隧道工程施工帶來重大安全隱患,輕則損壞機械設(shè)備,重則造成地表坍塌或支護結(jié)構(gòu)變形。

        花崗巖球狀風(fēng)化體的產(chǎn)生和分布具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性,難以準(zhǔn)確定位,為減少其對隧道工程施工的風(fēng)險,迫切需要一種快速、準(zhǔn)確的探測、定位方法。

        近年來,在國內(nèi)已有的球狀風(fēng)化體探測[2-6]工程案例中,主要采用鉆探法和物探法的手段。鉆探法能準(zhǔn)確揭示球狀風(fēng)化體在鉆孔經(jīng)過處的高度和特征,但探測范圍十分有限。物探法可以從宏觀的角度得到球狀風(fēng)化體的空間分布情況,應(yīng)用十分廣泛;目前針對花崗巖地層中球狀風(fēng)化體探測的物探法多種多樣,由于每類探測方法是以地質(zhì)介質(zhì)的某一性質(zhì)(如彈性性質(zhì)、導(dǎo)電性質(zhì)、導(dǎo)熱性質(zhì)等[7])差異為物理基礎(chǔ)的,每類技術(shù)有各自的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點,因此采用單一的物探法往往具有一定的局限性。

        鑒于此,本文提出采用“工程地質(zhì)調(diào)查法+地質(zhì)探地雷達法+地震反射波預(yù)報法+超前水平鉆探法”相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法對花崗巖球狀風(fēng)化體進行探測,并成功應(yīng)用于廣東汕湛高速公路汕頭至揭西段橫山隧道,取得了良好的效果,該方法能夠為超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展及球狀風(fēng)化體探測的工程應(yīng)用提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

        1 工程簡介

        橫山隧道位于汕頭市潮陽區(qū)河溪鎮(zhèn)華陽上坑村附近,該隧道為一座分離式雙洞長隧道,分左、右線呈直線型展布,總體軸線方向為南東約105 °。左線隧道起訖樁號為LK17+957~LK19+418,長度為1 461 m;橫山右線隧道起訖樁號為K17+959~K19+409,長度為1 450 m。橫山隧道穿過丘陵地貌區(qū),地形起伏大,山體植被茂密。隧址區(qū)地層巖性主要為第四系坡殘積砂質(zhì)黏性土(Q4dl+el)及燕山期花崗巖(γ52)及花崗閃長巖(δ),少量輝長巖(ω)。從隧道線路平面上來看,隧道左線洞口LK18+000至里程LK18+160段,地表球狀風(fēng)化體分布密集,大小不一,形狀各異,直徑從幾厘米至十幾米皆存在,但球狀風(fēng)化體直徑大多數(shù)在2~5 m之間,多分布于坡體兩側(cè),堆積于坡腳處;里程LK18+160之后的地段,地表球狀風(fēng)化體分布不集中,較為分散。

        2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案

        在橫山隧道中,采用工程地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)探地雷達法、地震反射波預(yù)報法和鉆探法相結(jié)合的方法進行球狀風(fēng)化體探測,即首先對球狀風(fēng)化體所在區(qū)域進行詳細的工程地質(zhì)調(diào)查,對球狀風(fēng)化體可能發(fā)育的區(qū)域進行預(yù)判,以指導(dǎo)物探和鉆探工作區(qū)域的選取;然后采用地質(zhì)探地雷達法和地震反射波預(yù)報法從宏觀層面上對球狀風(fēng)化體的風(fēng)化界面進行揭示,為鉆探布置深度提供指導(dǎo);最后采用鉆探法對局部地段球狀風(fēng)化體的發(fā)育情況、賦存特征、地質(zhì)特征進行詳細的揭示。

        3 預(yù)報結(jié)果分析

        3.1 工程地質(zhì)調(diào)查法分析

        在工程地質(zhì)調(diào)查工作中,沿橫山隧道左線線路兩側(cè),對距左線300 m范圍內(nèi)出露球狀風(fēng)化體的位置、大小、風(fēng)化程度等特征進行記錄和匯總分析。球狀風(fēng)化體的地表分布特征如下所述:

        (1)從隧道線路平面上來看,隧道左線洞口LK18+000至里程LK18+160段,地表球狀風(fēng)化體分布密集,多分布于坡體兩側(cè),堆積于坡腳處;里程LK18+160之后的地段,地表球狀風(fēng)化體分布不集中,較為分散。

        (2)從地表球狀風(fēng)化體形態(tài)來看,球狀風(fēng)化體往往具有近似橢球形外觀,兩頭豎向高度較小,往中部發(fā)展豎向高度變大。球狀風(fēng)化體在風(fēng)化層中賦存時,其長軸面并不都是水平的,有時呈傾斜分布。球狀風(fēng)化體的大小隨著風(fēng)化程度的增強而減小,而數(shù)量卻隨著風(fēng)化程度的增強而增加。在球狀風(fēng)化體群中,大、小直徑球狀風(fēng)化體并行出現(xiàn),說明球狀風(fēng)化體的大小受到局部巖性條件和地質(zhì)條件等因素的影響。

        綜合來看,地表球狀風(fēng)化體主要出露于LK18+000~LK18+160段,該里程段為球狀風(fēng)化體高風(fēng)險區(qū)域。因此,在采用地質(zhì)探地雷達法和地震反射波預(yù)報法進行隧道內(nèi)球狀風(fēng)化體探測的過程中,應(yīng)對該段進行詳細地探測。

        3.2 地質(zhì)探地雷達法分析

        選取橫山隧道地質(zhì)探地雷達超前預(yù)報的LK18+043~LK18+066段節(jié)理裂隙密集帶預(yù)報成果,通過將超前預(yù)報結(jié)論與實際開挖結(jié)果進行對比分析,探尋解譯圖像的規(guī)律性(圖1、圖2)。

        如圖1、圖2所示,地質(zhì)探地雷達探測掌子面里程號為LK18+043,掌子面前方5~7 m處出現(xiàn)強反射界面,同相軸錯斷,表明該處存在擠壓破碎帶;掌子面前方8~14 m處出現(xiàn)兩條節(jié)理密集發(fā)育帶,追蹤同相軸顯示節(jié)理密集帶貫穿整個掌子面,判斷該洞段巖體破碎,節(jié)理裂隙十分發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性差,洞段右側(cè)球狀風(fēng)化體分布密集,洞段左側(cè)球狀風(fēng)化體分布范圍較小,大塊球狀風(fēng)化體與小塊球狀風(fēng)化體相間分布;掌子面前方19~22 m洞段雷達反射波雜亂,表明該段巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性較差。

        3.3 隧道地震反射波預(yù)報法分析

        采用隧道地震反射波預(yù)報法進行球狀風(fēng)化體探測中,選取橫山隧道左線LK18+000~LK18+228段作為球狀風(fēng)化體探測段,每80 m探測一次,使用的儀器為TGP12隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。部分成果如圖3所示。

        綜合分析隧道左、右壁原始記錄,分離后的縱橫波(P、SH、SV)記錄,以及P波、SH波、SV波的相關(guān)偏移歸位剖面圖得知:檢測段圍巖在橫山隧道左線LK18+000~LK18+228段,縱波(Vp)速度為3 500 m/s;橫波(Vs)速度為1 640 m/s;動泊松比為0.359;巖體動彈性模量為16 082 MPa;巖體動剪性模量為5 917 MPa;巖體密度取22 kN/m3。預(yù)報解譯成果如表1所示。

        4.4 超前水平鉆探法分析

        根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查法與兩種物探法探測結(jié)果,選取LK18+030~LK18+060段作為超前水平鉆探探測段。圍巖為強風(fēng)化花崗巖、閃長巖,局部含球狀風(fēng)化體。沖擊鉆探1#鉆孔與2#鉆孔分別位于掌子面開挖方向上隧道中線的左、右兩側(cè),呈對稱布置,設(shè)計1#鉆孔、2#鉆孔分別鉆進30 m,如圖4所示。

        部分鉆進深度各參數(shù)曲線圖如圖5所示。

        根據(jù)橫山隧道1#鉆孔和2#鉆孔各鉆進工作參數(shù)隨鉆進深度變化曲線圖以及相應(yīng)的表格觀察記錄,進行鉆進區(qū)段內(nèi)的地質(zhì)解譯,預(yù)測掌子面前方圍巖地質(zhì)狀況、球狀風(fēng)化體發(fā)育及分布情況。結(jié)果表明:1 #鉆孔鉆進深度2.2~3.2 m、15.0~17.2 m、24.0~28.0 m之間,各鉆進參數(shù)值均發(fā)生了較大的變動;2 #鉆孔鉆進深度2.5~3.0 m、8.0~9.0 m、13.0~14.0 m、21.5~22.0 m、23.0~24.0 m之間,各鉆進參數(shù)值均發(fā)生了較大的變動。

        5 結(jié)論

        以“工程地質(zhì)調(diào)查法+地質(zhì)探地雷達法+地震反射波預(yù)報法+超前水平鉆探法”相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法成功應(yīng)用于橫山隧道工程中,能夠更為有效地探測出花崗巖球狀風(fēng)化體的空間分布情況,彌補了單一球狀風(fēng)化體探測方法的局限性和不足之處。該方法為隧道工程設(shè)計和施工提供了準(zhǔn)確、可靠的地質(zhì)資料,能夠為超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展及球狀風(fēng)化體探測的工程應(yīng)用提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。具體結(jié)論如下:

        (1)采用工程地質(zhì)調(diào)查法、物探法和鉆探法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報法,對球狀風(fēng)化體的探測取得很好的效果。工程地質(zhì)調(diào)查法可以對球狀風(fēng)化體可能發(fā)育的區(qū)域進行預(yù)判,指導(dǎo)物探和鉆探工作區(qū)域的選取;物探可以在宏觀層面上對花崗巖的風(fēng)化界面進行揭示,并為鉆探布置深度提供指導(dǎo);鉆探可直觀地揭露地層,對球狀風(fēng)化體進行采樣,是最為精準(zhǔn)的點位探測方法。

        (2)通過工程地質(zhì)調(diào)查法發(fā)現(xiàn),橫山隧道左線地表球狀風(fēng)化體主要出露于LK18+000~LK18+160段,多分布于坡體兩側(cè),堆積于坡腳處,在采用物探法進行隧道內(nèi)球狀風(fēng)化體探測的過程中,應(yīng)對該段進行詳細地探測。

        (3)采用地質(zhì)探地雷達法進行球狀風(fēng)化體探測,發(fā)現(xiàn)LK18+043~LK18+066段和LK18+112~LK18+147段為節(jié)理裂隙帶。建議對掌子面里程號為LK18+043前方5~7 m處、前方8~14 m處、前方19~22 m洞段采取適當(dāng)?shù)拇胧瑢嵭小岸踢M尺、弱爆破、強支護”施工。后經(jīng)開挖,該洞段巖體質(zhì)量比探測掌子面更差,從探測掌子面前方6 m開始,巖體受節(jié)理密集帶切割,更加破碎,巖體嵌合度松弛,圍巖自穩(wěn)能力差,有掉塊現(xiàn)象,如不提前采取措施,易發(fā)生坍塌。

        (4)采用地震反射波預(yù)報法進行球狀風(fēng)化體探測,發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)球狀風(fēng)化體多集中于LK18+000~LK18+060段,該段橫波反射較強,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,與地質(zhì)探地雷達法所探測結(jié)果一致。

        (5)采用超前水平鉆探法對局部地段進行球狀風(fēng)化體探測,發(fā)現(xiàn)在掌子面前方存在風(fēng)化界面及破碎帶時,扭矩、推進壓力及轉(zhuǎn)速值會有較大波動;若巖體完整性較差或存在球狀風(fēng)化體,會導(dǎo)致部分鉆進速度的突變。

        參考文獻

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