侯俊偉,左利兵,徐文騰
(中煤科工重慶設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,重慶 400016)
近年來我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,隧道工程建設(shè)隨之快速發(fā)展。由于當(dāng)前工程勘察手段有限,在前期勘察階段不能完全探明隧道穿越路線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況,若隧道周圍地下水發(fā)育,地表有水庫、河流等水源補(bǔ)給,并且?guī)r石裂隙發(fā)育,會(huì)使隧道周圍地下水賦存量較大,在隧道開挖過程中易導(dǎo)致涌水突水等災(zāi)害發(fā)生,給隧道施工帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此,在隧道施工時(shí),需要提前開展地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,以確保隧道施工安全。目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有地質(zhì)鉆探法、地質(zhì)分析法和物探法(地震波法、電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法)[1]。近年來,眾多學(xué)者對(duì)富水類隧道或下穿水庫隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)開展了大量的研究工作。有學(xué)者研究分析了某種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在某實(shí)際工程中的應(yīng)用,取得了一定的工程實(shí)效[2-5]。但每種方法都有其自身的局限性,為了保證施工安全,往往采用多種物探方法相結(jié)合的手段,精確查明隧道圍巖體和地下水的特征[6-9]。
本文根據(jù)某下穿水庫隧道工程的地質(zhì)和水文情況,采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了超前預(yù)測,預(yù)測結(jié)論為隧道施工提前采取有效的保護(hù)措施提供了科學(xué)依據(jù)。
重慶市大足區(qū)龍水鎮(zhèn)至珠溪鎮(zhèn)城鎮(zhèn)飲用水水源污水截流管網(wǎng)工程屬于重慶市重點(diǎn)環(huán)境整治類項(xiàng)目。管網(wǎng)工程起點(diǎn)位于大足區(qū)龍水鎮(zhèn)污水處理廠,沿瀨溪河和玉灘水庫河岸布置,途中接入龍水工業(yè)園區(qū)污水處理廠排水,部分管段跨越瀨溪河或下穿玉灘水庫。玉灘水庫位于長江水系沱江流域左岸一級(jí)支流瀨溪河中上游,是重慶市西部四大供水工程之一,主要任務(wù)是灌溉32.84萬畝農(nóng)田,并為59.1萬人提供城鄉(xiāng)供水和工業(yè)用水。若該項(xiàng)目能夠成功實(shí)施,玉灘水庫水質(zhì)將有重大改善,對(duì)提高居民健康水平及促進(jìn)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展具有積極的影響。
污水截流管網(wǎng)工程滿足遠(yuǎn)期雨季輸送污水5.0萬m3/d的要求。項(xiàng)目由A、B、C三段組成,全長約9.0km。將龍水鎮(zhèn)污水處理廠排放口接到玉灘水庫取水口500m以下。其中A、B段為地面管網(wǎng),總里程5.5km。C段為隧道工程,總里程3.5km,共有三段分別穿越玉灘水庫,里程編號(hào)分別為K0+830.8~K0+915.8、K1+229.2~K1+298.9、K2+583.5~K2+937.1,下穿水庫段總里程共計(jì)約510m,如圖1所示,隧道出口位于玉灘水庫大壩泄水段。
圖1 下穿隧道平面示意圖Fig.1 Schematic plan of underpass tunnel
圖2 地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Geological profile diagram
隧道全長橫跨大足區(qū)龍水鎮(zhèn)、珠溪鎮(zhèn),沿瀨溪河左岸分布,部分區(qū)段下穿玉灘水庫,采用倒虹吸設(shè)計(jì),出入口均為斜井,斜井傾角為25°,埋深由0m變化為83m,由淺埋變化為深埋。在隧道內(nèi)布置2條DN610的涂塑復(fù)合鋼管,隧道采用半圓拱斷面,凈寬3.0m,直墻高度1.25m,隧道拱頂凈高2.75m,凈空面積為7.3m2。錯(cuò)車硐室最大凈寬5.0m,毛洞寬度6.0m,凈空面積為16.1m2。
工程場地屬構(gòu)造剝蝕丘陵河谷岸坡地貌,地形起伏變化較大,最大相對(duì)高差達(dá)80m。河谷、階地發(fā)育,沖洪積、殘坡積、湖積層分布較廣,瀨溪河及其支流河谷較開闊,多呈“U”型,河曲發(fā)育,兩岸局部保存有Ⅰ級(jí)階地,第四系河流沖積沿河流兩岸分布,殘坡積堆積于丘陵和槽地內(nèi),地質(zhì)條件復(fù)雜。
場地位于螺觀山背斜末端西翼,西鄰華鎣山基底斷裂,東鄰西山背斜,巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀354°∠11°,巖層呈單斜產(chǎn)出,砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖呈中厚層狀,層面裂隙發(fā)育,局部砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖結(jié)合層面遇水軟化嚴(yán)重,結(jié)合差,為軟弱結(jié)構(gòu)面。場地地表大多為土層覆蓋,根據(jù)對(duì)場區(qū)周邊巖石出露地帶的地面調(diào)查,主要有以下兩組裂隙:L1組裂隙產(chǎn)狀138°∠83°;L2組裂隙產(chǎn)狀225°∠72°;裂隙發(fā)育,部分富水性較好。工程區(qū)內(nèi)巖土分布有第四系沖洪積粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)與坡殘積層粉質(zhì)黏土(Q4el+dl),局部分布有素填土(Q4ml)及湖積淤泥(Q4l),下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。
支線線路橫跨瀨溪河,主線線路穿越瀨溪河支流,并下穿玉灘水庫。地下水類型主要為第四系松散覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水,受大氣降水、瀨溪河河水及玉灘水庫水的補(bǔ)給。巖土層的滲透性對(duì)本項(xiàng)目尤其是暗挖隧洞、豎井的影響大,玉灘水庫下隧道頂板巖層最小厚度23.5m,工程遇涌水、透水風(fēng)險(xiǎn)大。
勘察期間,在下穿玉灘水庫段進(jìn)行壓水試驗(yàn)12段,根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果,部分砂巖區(qū)段裂隙發(fā)育程度為發(fā)育時(shí),透水率大于100Lu,屬于強(qiáng)透水;砂巖裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育—不發(fā)育時(shí),透水率介于14.79~52.05Lu之間,為中等透水;砂質(zhì)泥巖、泥巖裂隙發(fā)育程度為發(fā)育—較發(fā)育時(shí),透水率介于12.28~98.15Lu之間,為中等透水,裂隙發(fā)育程度為不發(fā)育時(shí),透水率小于10Lu,為弱透水。
隧洞穿越的各地層透水性、貯水條件及水動(dòng)力特征有一定的差異性,為了較準(zhǔn)確地預(yù)測計(jì)算隧洞的涌水量,勘察期間按各巖組的巖性及水文地質(zhì)特征,進(jìn)行涌水量初步預(yù)測。下穿玉灘水庫段分段預(yù)測最大涌水量為11.45m3·d-1·m-1。
由于下穿水庫隧道工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變,要在施工前準(zhǔn)確預(yù)測隧道施工中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的位置和規(guī)模等十分困難,因此采用科學(xué)先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法是非常必要的[10]。結(jié)合本項(xiàng)目,主要用到的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法包括地質(zhì)調(diào)查、超前地質(zhì)鉆探、瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)、水化學(xué)分析。
地質(zhì)調(diào)查法主要包括洞內(nèi)開挖工作面地質(zhì)素描和洞身地質(zhì)素描、地層分界線及構(gòu)造線的地下和地表相關(guān)性分析、地質(zhì)作圖等。本項(xiàng)目主要利用地質(zhì)理論和作圖法,將隧道所揭露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點(diǎn)位置及出水狀態(tài)、出水量等準(zhǔn)確記錄下來,并繪制成表,結(jié)合已有勘測資料,進(jìn)行隧道開挖面前方地質(zhì)條件的預(yù)測預(yù)報(bào)。
超前地質(zhì)鉆探是最直觀和最傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[11]。通過分析轉(zhuǎn)速、扭矩、驅(qū)動(dòng)壓力和流量,可以直觀獲得地層巖性、地層結(jié)構(gòu)、軟弱破碎帶、地下水和其他地質(zhì)特征,如有必要,可以提取巖芯樣品。超前地質(zhì)鉆探被用作高風(fēng)險(xiǎn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必要方法。本項(xiàng)目隧道設(shè)計(jì)采用3個(gè)超前地質(zhì)鉆孔,主要用于探測地下水情況,均勻布置于隧道掌子面,外傾角3°,每次鉆探長度30~50m,開挖后保留10m探水孔開始下一次探水,超前探測鉆孔孔口設(shè)置防突水閘門。
瞬變電磁法[12,13]是通過向地下發(fā)射一次脈沖磁場,并觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場,從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。
本次瞬變電磁法儀器裝置采用重疊回線形式,線框?yàn)?.5m×1.5m矩形回線,數(shù)據(jù)采集疊加次數(shù)為32次,采樣長度10ms。探測剖面分垂直剖面和由左向右水平及斜上方切面。
垂直剖面共5個(gè),見圖3,剖面1垂直隧道左幫,剖面2為隧道正前方左偏45°,剖面3為隧道正前方,剖面4為隧道正前方右偏45°,剖面5為垂直隧道右?guī)推拭妗C總€(gè)剖面起始探測角度為向隧道正上方+90°方向,每間隔10°作為1個(gè)探測方向,最后一個(gè)探測方向?yàn)榇怪彼淼赖装逑蛳拢?0°方向。
圖3 瞬變電磁法探測剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of transient electromagnetic method detection profile
向隧道前方由左向右水平及斜上方探測切面3個(gè),見圖4,水平0°切面、仰角30°切面及仰角60°切面,切面的中心方向?yàn)樗淼赖木蜻M(jìn)方向,每個(gè)切面由正前方向左偏80°至向右偏80°方向探測,每間隔10°為1個(gè)探測方向,共計(jì)探測17個(gè)方向(切面1為19個(gè)探測方向)。
圖4 瞬變電磁法探測切面示意圖Fig.4 Schematic diagram of transient electromagnetic method detection section
為了確定掌子面前方出水裂隙通道,本次通過地質(zhì)雷達(dá)來進(jìn)行探測,地質(zhì)雷達(dá)采用的是時(shí)間域脈沖雷達(dá),其理論基礎(chǔ)為高頻電磁波理論[14-17]。本次雷達(dá)探測不僅向掌子面正前方,還在掌子面向后6m范圍布置向上及側(cè)幫方向進(jìn)行探測,以便確定裂隙延展情況。地質(zhì)雷達(dá)測線布置具體見圖5和圖6,合計(jì)布置20條測線。圖5為掌子面測線布置示意圖,測線探測方向都是垂直掌子面向隧道正前方進(jìn)行探測,H1測線為掌子面上方水平測線,測線方向從隧道左壁向右壁布置,長度約3.2m,距隧道底高2.6m左右;H2測線為掌子面中下部水平測線,測線方向從隧道左壁向右壁布置,長度約3.6m,距隧道底高1.55m;Z1測線為掌子面左側(cè)垂直測線,測線方向由上向下,測線長度1.2m左右,距離隧道中線1.5m;Z2測線為掌子面中心垂直測線,測線方向由隧道頂向下,測線長度1.9m左右;Z3測線為掌子面右側(cè)垂直測線,測線方向由上向下,測線長度1.2m左右,距離隧道中線1.5m。圖6為測線方向由掌子面(測線0m位置)向后沿隧道縱向布置,L1、L5測線位于隧道左側(cè)壁和右側(cè)壁,測線高度和H2測線一致,探測方向垂直隧道左側(cè)壁;L2、L4測線位于隧道左側(cè)壁和右側(cè)壁,測線高度和H1測線一致,探測方向垂直隧道左側(cè)壁;L3測線位于隧道中心頂部,測線距底板高度3.45m左右,探測方向垂直隧道頂部向上,測線長度都是6m。除了沿隧道的縱向布置5條縱向測線,在縱向測線的0m、2m、4m、6m位置布置環(huán)向測線,測線方向從隧道頂部中心沿左側(cè)隧道壁向下至橫向測線L1位置止,分別布置了CZ0、CZ2、CZ4、CZ6測線;測線方向從隧道頂部中心沿右側(cè)隧道壁向下至橫向測線L5位置止,分別布置了CY0、CY2、CY4、CY6測線。另外,在掌子面左右拐角45°方向布置CZ0-45°及CY0-45°測線,測線位置分別同CZ0和CY0。
圖5 隧道掌子面地質(zhì)雷達(dá)測線布置Fig.5 Layout of geological radar survey lines on tunnel face
圖6 掌子面6m范圍地質(zhì)雷達(dá)測線布置位置投影Fig.6 Projection map of geological radar survey line layout within a 6mrange of the palm face
地下水化學(xué)分析法目的是用于了解隧道地下水化學(xué)成分的基本情況,在隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中可以作為一種輔助方法[18]。本次為明確隧道涌水與地表水庫的相關(guān)關(guān)系,采用水化學(xué)分析方法識(shí)別隧道涌水水源,分別在隧道掌子面涌水點(diǎn)處、隧道上方水庫、K3+000裂隙水滲透處收集相應(yīng)數(shù)量的水樣進(jìn)行水化學(xué)分析,分析水庫水的水化學(xué)特征、相應(yīng)地層的巖石裂隙水的水化學(xué)特征,最終綜合進(jìn)行水源識(shí)別,起到各技術(shù)手段結(jié)論相互驗(yàn)證的作用。
隧道掘進(jìn)揭露巖層主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖,其中隧道拱頂以下主要為紫褐色、褐黃色砂巖,拱頂附近主要為紫褐色砂質(zhì)泥巖、紫紅色及灰綠色泥巖。掌子面拱頂處砂巖與砂質(zhì)泥巖及泥巖交界面處,巖石較破碎,施工過程中順層面裂隙見伴有滴水、淋水現(xiàn)象。這與壓水試驗(yàn)結(jié)果,即砂巖區(qū)段裂隙發(fā)育程度為發(fā)育時(shí),透水率大于100Lu,屬于強(qiáng)透水相吻合。圖7為隧道掌子面施工至玉灘水庫以下K2+863時(shí)現(xiàn)場照片,1號(hào)鉆孔為新一輪施工超前鉆孔,2號(hào)、3號(hào)孔為上一輪施工超前鉆孔。1號(hào)超前鉆施工至2m左右時(shí),鉆孔開始涌水,4m左右鉆孔涌水量增大,鑒于安全因素停止施工,擬采用綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)一步探測隧道圍巖和地下水的變化情況。
圖7 掌子面超前鉆探現(xiàn)場Fig.7 Site map of advanced drilling in the palm face
采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟,得到K2+863掌子面處五個(gè)方向的垂直剖面視電阻率值等值線圖及掌子面前方三個(gè)方向的切面視電阻率等值線圖。
4.2.1 垂直剖面探測情況
根據(jù)電阻率等值線圖進(jìn)行分析,整體上探測區(qū)域視電阻率值變化相對(duì)較為均勻,不存在畸變或者突變的情況。而頂板的視電阻率值相對(duì)偏低,這在隧道正前方方向(剖面3)視電阻率等值線圖上尤為明顯,見圖8,說明是受隧道頂部上方泥巖及水庫水體的影響造成的;并且遠(yuǎn)端的視電阻率值較近端偏低,一方面受視電阻率晚期公式的影響,一方面受遠(yuǎn)端地表水庫的影響,初步推測富含水區(qū)域在隧道掘進(jìn)處上部30m之外。
圖8 剖面3視電阻率等值線Fig.8 Apparent resistivity contour map of profile 3
4.2.2 隧道前方切面探測情況
采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,可得三個(gè)方向的切面視電阻率值等值線圖。整體上探測區(qū)域視電阻率值變化相對(duì)較為均勻,不存在大的畸變或者突變的情況。但從水平切面1的視電阻率等值線圖上可以看出(圖9),在探測的左40°至左50°方向,探測前方30m以內(nèi)(近區(qū)由于盲區(qū)無法判斷),存在一低阻異常區(qū),推測為含水裂隙帶?,F(xiàn)在隧道頂部靠左上部位置探孔出水,推測就是該裂隙出水。結(jié)合地質(zhì)資料和垂直剖面探測成果,推測隧道前方不存在大的地質(zhì)構(gòu)造,隧道出水主要是來自巖層的砂巖裂隙水。掘進(jìn)隧道處的出水水源主要是由隧道左前方45°裂隙帶含水造成。
圖9 切面1視電阻率等值線Fig.9 Apparent resistivity contour map of profile 1
地質(zhì)雷達(dá)主要目的是為了探測隧道K2+863處涌水點(diǎn)附近的地層情況和徑流通道空間位置的分布情況。鑒于瞬變電磁法初步推測結(jié)論:探測的左40°至左50°方向、探測前方30m以內(nèi)(近區(qū)由于盲區(qū)無法判斷)存在一低阻異常區(qū),推測為含水裂隙帶,初步判斷該異常區(qū)與隧道掌子面1號(hào)鉆孔涌水點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。圖10為K2+863掌子面處CZ0-45°測線和H1測線地質(zhì)雷達(dá)探測成果。
圖10 地質(zhì)雷達(dá)探測成果剖面Fig.10 Geological radar detection result profile map
從CZ0-45°彩色剖面圖上可以看出:測線長1.9m,在測線1~1.2m處有暗紫色強(qiáng)充水區(qū),深度和超前鉆探見水深度3m相當(dāng);深度2.5~7.0m為綠色間夾有黃色條帶,反應(yīng)此段地層為中—細(xì)砂巖而且向湖內(nèi)小角度傾斜,層間有充水裂隙;測線長度1.2~1.9m有紅色區(qū)域,含水反應(yīng)較強(qiáng)。從H1彩色剖面圖可以看出,整個(gè)部面有三種顏色,紅色夾雜黃色條帶,分布在左半部0~1.4m,為含水區(qū)。右大半部分為淺綠色和深綠色相間,為中砂—細(xì)砂巖含水垂直裂隙區(qū)。從地質(zhì)雷達(dá)探測成果分析綜合得出:隧道掌子面周邊砂巖層裂隙較發(fā)育。隧道中掌子面1號(hào)孔水來源于左前方45°砂巖層中張扭性裂隙,沿探測方向沿伸到30m。
分別采集隧道滲水水樣(編號(hào)1)、隧道掌子面出水點(diǎn)(編號(hào)2)以及玉灘水庫(編號(hào)3、4)的水樣進(jìn)行化驗(yàn),并對(duì)化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行舒卡列夫分類,得出1~4號(hào)水樣水質(zhì)類型分別為SO4Cl-Na(Ca)、SO4-NaCa、HCO3SO4-Ca、HCO3SO4-Ca型水。將結(jié)果疊加在piper三線圖上,見圖11。由圖11可知,玉灘水庫水與隧道滲水和K2+863掌子面出水的水質(zhì)類型存在明顯的差異。而隧道滲水和K2+863掌子面出水的水質(zhì)類型基本一致,兩者的差別主要在于離子濃度絕對(duì)值的差異,而毫克當(dāng)量百分比較為相似。
圖11 疊加的piper三線圖Fig.11 Stacked piper three line diagram
隧址區(qū)編號(hào)1和編號(hào)2的地下水鈉離子分別為1238.31mg/L、482.74mg/L,遠(yuǎn)超過水庫水中鈉離子含量。氨氮和總氮濃度較大,是湖泊、水庫的典型水質(zhì)特征,而化驗(yàn)結(jié)果顯示水庫水的硝酸根和亞硝酸根離子以及氨氮的數(shù)值比隧道地下水明顯偏大。這表明K2+863掌子面出水尚未直接溝通玉灘水庫水。結(jié)合水文地質(zhì)資料,推測鉆孔出水主要來源為賦存于砂質(zhì)泥巖、泥巖及砂巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中的基巖裂隙水。該類型地下水受基巖裂隙控制,分布不連續(xù),含水量小,儲(chǔ)水能力較弱。
同為基巖裂隙水的隧道滲水與K2+863掌子面出水點(diǎn)的水,盡管水質(zhì)類型一致,但是礦化度以及各離子含量絕對(duì)值相差較大,并且數(shù)值顯示K2+863掌子面出水點(diǎn)水質(zhì)呈現(xiàn)為經(jīng)過一定程度混合稀釋后的隧道滲水,由此可以推斷:K2+863掌子面出水盡管未直接溝通玉灘水庫水,但是基巖裂隙水受玉灘水庫水的補(bǔ)給,使得裂隙水的各離子濃度含量下降。
1)由于下穿水庫隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性,為了提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的精度和準(zhǔn)確性,開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是十分必要的。本文以龍水鎮(zhèn)至珠溪鎮(zhèn)城鎮(zhèn)飲用水源污水截流管網(wǎng)工程2#隧道C段(K2+863)掌子面涌水為例,將多種超前預(yù)報(bào)技術(shù)結(jié)合起來,取長補(bǔ)短,在隧道下穿水庫建設(shè)工程中得到了較好的應(yīng)用,研究成果可為類似項(xiàng)目提供有益的參考和借鑒。
2)通過瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法探測得出掌子面前方特別是左前方砂巖層裂隙發(fā)育,推斷3號(hào)孔突水水源為砂巖層裂隙水,推斷工作面左45°左右前方張扭性裂隙與水庫相連。通過水化學(xué)分析法判斷掌子面涌水尚未直接溝通玉灘水庫庫水,但是基巖裂隙水受玉灘水庫水的補(bǔ)給,為下一步隧道施工方案提供了科學(xué)依據(jù)。多種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法互相補(bǔ)充,相互驗(yàn)證,成果可靠。
3)根據(jù)超前預(yù)報(bào)成果,對(duì)下穿水庫出水段范圍內(nèi)采用注漿加固措施,防止隧洞內(nèi)大面積出水。采用超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)后再掘進(jìn),防止頂部垮塌。隧道施工工藝調(diào)整采用綜掘機(jī)作業(yè),解決了河床下施工易突水,危及施工安全的難題。