调水工程富水破碎洞段综合超前地质预报技术

2022-02-02廖健都韩成力

长江科学院院报 2022年12期

杜俊，廖健都，韩成力

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650000； 2.中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明 650000)

1 研究背景

随着中国经济的发展以及交通强国战略的实施，我国隧洞(道)迎来新的发展机遇期。目前，我国已成为世界上隧洞(道)修建数量最多、规模最大、发展速度最快的国家[1]。隧洞沿线较长、埋深较大，隧洞内地质情况变化复杂，导致前期勘测资料和实际施工揭露的岩性可能会有较大的差异。由于对掌子面前方地质围岩情况了解不充分、不全面，施工过程中经常会出现预料不到的塌方、涌水、突泥等地质灾害，轻则导致工期延误、经济损失，重则致使机械损毁、人员伤亡。

为了探明掌子面前方不良地质情况，隧洞工程常采用隧道地震预测(Tunnel Seismic Prediction,TSP)法[2-3]、隧道地质地震(Tunnel Geological Seismic，TGS)法[4-5]、地质雷达法[6]等物探方法进行超前预报。物探法可以初步判断不良地质洞段大概桩号位置，初步确定预报范围内是否有较大集中涌水点、淋雨状或线状出水点等，对于指导施工单位施工具有较大的帮助。然而，单一的预报方法难以全面描述异常体的地质属性，综合物探法已成为当前流行的研究趋势。Li等[7]通过地震波法和激发极化法对吉林引松工程进行预报，准确探明了掌子面前方不良地质，保证了隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)安全施工。韩自强等[8]通过地震波法和瞬变电磁法对某隧道下穿库区段落进行预报，准确探明断层和含水体。采用综合物探方法进行隧洞施工掌子面超前预报准确率大概在80%[9]，但仍存在10%～20%的预报误差。

为了进一步对掌子面前方不良地质进行勘探，实际施工过程中常采用超前钻探法进行预报。采用潜孔钻等设备进行造孔钻探，根据获得的岩粉、岩芯及钻探过程出水情况等，对该段地质条件可以进行较精准预报[10]。通过超前钻探钻进过程及取样结果分析，可以比较准确地获得掌子面前方断层、溶洞等不良地质准确的桩号位置，但是其覆盖范围小，仅根据所布置探孔的情况进行地质预报，代表性不强，不能较快判断不良地质洞段大概跨度范围，对短期阶段安排不能很快提供决策基础依据。

综上所述，为了快速准确的探明掌子面前方的不良地质，本文针对滇中引水工程富水破碎洞段，创新性地提出了地质分析、物探法和超前钻探的综合预报体系，发挥每种方法的优势，准确且快速预报掌子面前方的含水体、断层等不良地质情况，为施工单位提供施工参考，保证隧洞安全施工。

2 隧洞综合超前预报体系

隧洞施工过程中，超前预报的开展需紧密结合隧洞开挖流程。本文结合云南省滇中引水工程输水隧洞施工实际提出了如下综合超前预报方法和施工处置流程。首先，根据隧洞地质初勘资料和前期开挖揭露的地质情况合理安排隧洞开挖施工，当施工段接近初期地质资料分析的不良地质且隧洞内围岩状况发生变化(破碎、出水)时，通过地质分析前方可能出现的不良地质，并在洞内开展TSP法预报，反演时将地质分析作为先验信息加入TSP反演过程，根据反演结果推断不良地质体可能存在的位置和分布范围。随后在隧洞开挖至预报风险段落时，在掌子面开展超前钻探，对TSP法预报结果进行补充探测和揭露验证。若钻探结果和TSP法预报结果相一致，则根据联合预报结论设计施工处置和灾害治理方案，之后根据方案开展施工。若出现钻探结果和TSP法预报结果不一致的情况，则需进行补充探测，结合钻探结果再次推断前方不良地质情况。之后再根据联合预报结果进行施工处置和灾害治理方案设计，流程如图1所示。

图1 综合超前预报体系与施工处置流程Fig.1 Comprehensive advance forecast system and construction treatment processes

2.1 地质分析

地质分析包括工程地质分析、水文地质分析和洞内地质素描。工程地质分析主要分析隧洞沿线地形地貌特征、地层岩性特点和地质构造特征，依据围岩产状、岩性及破碎程度，分析当地存在含水体的可能性。水文地质分析主要分析当地地表水发育情况、地下水补给情况，从而分析当地隧洞内岩溶洞穴等发育情况。洞内地质素描在隧洞修建过程中，收集掌子面、边墙和拱顶面所呈现的地质情况，绘制成图，分析掌子面前方含水体发育的可能性。

在隧洞修建前，在隧洞轴线地表附近，通过踏勘以及地面钻孔的方法，推测隧洞沿线地层岩性、地质构造、地下水发育情况等工程地质条件，粗略估计隧洞范围围岩等级、地下水含量等地质情况，形成初期地质勘察资料，同时分析隧洞开挖过程中可能发生的地质灾害。在隧洞开挖过程中，根据已开挖段落的节理、层理等构造以及地下水发育情况，估计掌子面前方的地质情况，给隧洞超前预报提供基本地质信息与部分围岩物理性质信息，为TSP数据反演提供先验信息，保证TSP反演结果的准确性。

2.2 TSP超前预报

TSP隧道地质超前预报是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理[11]。TSP法探测遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，是在超前地质预报领域应用较早的地球物理探测方法[2]。TSP法在我国隧道与地下工程领域的应用较广泛，该技术的代表性产品有瑞士AMBERG公司的TSP203、TSP303系列产品和中国北京市水电物探研究所的TGP206系列产品[3,12]。TSP法对含水溶洞有较好的识别效果，如：白云山隧道斜井含水体探测[13]、沪昆客运专线的壁板坡隧道[14]等。TSP法采用如图2所示的直线观测方式，震源和检波器沿直线布置在隧洞边墙上，以炸药震源激发地震波，地震波在前方不良地质体上发生反射，回传的反射波被边墙上的检波器接收，TSP法根据接收地震波信号的能量大小和时间早晚对前方不良地质体进行定位与成像。与地质雷达法探测不同的是，TSP受洞内机械干扰小，探测距离较远，而且准确度与地质雷达法差别不大，满足工程需要，在实际隧道工程应用中，TSP应用更为广泛。

图2 TSP超前预报方法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of TSP advance forecasting method

对于在洞内采集的数据，TSP法的主要处理流程包括数据设置、带通滤波、初至拾取、拾取处理、炮能量均衡、Q值估计、反射波提取、P-S波分离、速度分析、深度偏移和提取反射层共11个主要步骤。其中，通过对采集数据进行速度分析，便可根据反射信号的传播时间获取反射界面的距离(深度)，提供不良地质体在掌子面前方的空间位置[15]。

2.3 超前钻探

超前钻探预报方法是对掌子面前方围岩介质进行直接揭露并探查的有利手段，也是隧洞施工过程中最常用的预报手段之一。在采用地球物理超前预报方法的基础上，采用超前钻探进行补充预报，能够更加有效准确地预判不良地质的位置、内部充填水量等情况，及时制定相对应的预警措施和处理对策，从而最大程度地减少施工过程中突泥、涌水、塌方等地质灾害出现的概率和危险程度，降低不良地质灾害造成的损失。

在实际施工过程中，超前钻探的实施主要根据地质分析和物探预报结果。当推断前方存在不良地质体后，根据物探预报结果和掌子面情况，采用潜孔钻、管棚钻机等设备在掌子面布置3～4个探孔。在非岩溶发育区、断层、节理密集带等一般洞段，每循环可只钻1孔。而对于岩溶发育区及节理密集带等一般不良地质洞段，在掌子面左右拱腰及顶拱位置布置3个超前探孔，角度为10°～20°，以钻孔中后段在隧洞开挖线以外为原则，孔深12～30 m(见图3)。在岩溶发育区、断层、富水区等不良地质洞段，在掌子面左右拱腰、顶拱及底部位置布置4个超前探孔，孔深及角度要求同上[16]。在钻探过程中，根据岩渣的颜色，结合掌子面岩性情况，分析判断该岩渣所属岩性；根据钻进过程中地下水喷出时的钻杆长度(或孔深)以及出水量大小，分析判断地下水位置以及是否为滴状水、线状水或涌水。当钻进速度突然加快时，则可能存在软弱夹层，围岩由较好段向较差段变化；当钻进速度整体较快时，则围岩完整性较好；当钻进速度整体较慢时，则围岩整体较破碎；当出现卡钻情况，则该位置围岩破碎；而当出现掉钻情况，则该位置可能存在溶洞空腔。最后，可通过超前探孔所得的围岩岩性、钻孔出水情况、钻进速度等分析不良地质洞段、富水洞段所在桩号及范围。

图3 超前探孔典型孔位布置和超前探孔平面及剖面布置Fig.3 Typical plane and sectional layout of advanced exploration holes

通过地质分析大范围预测掌子面前方的含水情况、TSP法较准确探测以及超前钻孔精细预报，形成由大到小、由粗到细的综合预报体系，可以准确探查掌子面前方含水体位置和规模，提前采取相应的施工处置措施，保证隧洞安全施工。

3 工程实例

3.1 蔡家村隧洞涌水预报

滇中引水工程昆明段1标蔡家村隧洞长16.414 km(桩号范围KM7+020(CJCT7+020.00)至KM23+433.810(CJCT23+433.810))[17]。3号施工支洞上游洞段穿过F24及FV-128Ⅰ级断层带，且该洞段位于地下水位以下，隧洞施工遭遇不良地质体并发生突涌水灾害的风险较大。

隧洞开挖至桩号CJCT9+122.5处时，发现隧洞掌子面围岩完整性差，局部较破碎，节理、裂隙发育，且掌子面潮湿，左侧见股状出水和涌水，中部和右侧有线状流水和渗水，地质素描如图4(a)所示，掌子面情况如图4(b)所示，初步判断掌子面前方容易发生坍塌、突水等地质灾害。TSP现场数据采集照片如图5所示。

图4 CJCT9+122.5掌子面地质素描和围岩照片Fig.4 Geological sketch and surrounding rock photo of CJCT9+122.5 working face

图5 TSP现场数据采集照片Fig.5 TSP field data collection

为进一步探明隧洞前方的不良地质情况，在3号施工支洞下游控制段CJCT9+122.5掌子面处开展了TSP法超前预报，预报结果如图6所示，预报长度140 m，本期有效预报范围为CJCT9+122.5—CJCT9+262.5。根据预报结果，推测在CJCT9+122.5—CJCT9+151.4的段落内节理、裂隙较发育，大部洞段围岩中基岩裂隙水发育，围岩以Ⅲ类为主，可能存在股状或涌水状出水。

图6 蔡家村隧洞TSP三维地震波速预报结果Fig.6 TSP 3D seismic wave velocity for Caijiacun tunnel

完成TSP法预报后，隧洞开挖至CJCT9+138里程时，掌子面左侧出现集中涌水点(图7(a))，涌水量有增大趋势，总涌水量达810 m3/h，造成洞内积水(图7(b))。为此对洞内积水进行抽排(见图7(c))。由于本次涌水量超过设计出水量，为保证后续施工安全，在掌子面开展了超前钻探预报。钻进过程中，0～6 m均有出水，水压较大，钻进速度较慢，6 m以后出水量稳定，水压无明显变化，钻进速度均匀，岩石完整性较好。推测掌子面前方约有6 m富水洞段，整个富水洞段在之前TSP法预报所推断的段落内。之后，为保证施工安全，经四方现场查看分析并结合出水量变化情况，综合判断该段涌水危险等级为A级，综合防治措施等级A1，按照“以堵为主，限量排放，深排浅堵”的原则，采用洞周及掌子面超前灌浆、径向固结灌浆、短进尺、分台阶等加强支护措施(图7(d))，顺利通过了该涌水洞段。

(a) CJCT9+138左侧涌水

(b) 洞内积水照片

(d) 安装闸阀、排水泄压和灌浆施工图7 CJC9+138涌水情况及处理措施Fig.7 Water gushing from CJCT9+138 and its treatment measures

3.2 松林隧洞突泥涌水预报

滇中引水工程昆明段1标松林隧洞全长4 327 m(桩号范围KM23+959.810(SLT0+000.00)至KM28+286.810(SLT4+327.00))[18]。通过前期地质勘察，整条隧洞围岩分布情况如表1所示；根据前期地质分析推断，松林隧洞属于岩溶富水地层，涌水突泥风险等级高。

表1 松林隧洞围岩分布统计Table 1 Distribution statistics of surrounding rock of Songlin tunnel

隧洞开挖至桩号SLT1+750.0处时，岩体较破碎，节理、裂隙发育，掌子面潮湿，多处渗水，拱顶有淋雨状滴水，中部有渗水和线状出水，围岩不稳定，容易发生掉块，地质素描如图8(a)所示，掌子面情况如图8(b)所示，初步判断掌子面前方围岩情况较差，前方可能发生掉块、坍塌等地质灾害。

(a) 掌子面地质素描

为进一步探明隧洞前方的不良地质情况，在SLT1+750.0处开展了TSP法超前预报，预报长度140 m，有效预报范围为SLT1+750.0—SLT1+890.0，其反演结果如图9所示。根据预报结果，推测在SLT1+820—SLT1+840的段落内会出现隧洞掘进的风险薄弱处，节理、裂隙较发育，可能存在股状或涌水状出水。

图9 松林隧洞TSP 三维地震波速Fig.9 TSP 3D seismic wave velocity of Songlin tunnel

在TSP超前预报后，隧洞继续开挖至SLT1+826里程时，在顶拱、左右腰线位置分别设置了一个超前探孔(见图10(a))。钻进过程中，岩体破碎、有夹层、围岩较软，出水量大，钻进速度快。其中，SLT1+831.4—SLT1+834.4洞段钻进时水量增加，有泥质夹层，砂化严重，流出的水颜色呈黄褐色，掌子面涌水量经估算约1 000 m3/h(见图10(b))。结合前期地质资料分析，该段埋深约为450 m，地下水位高约100 m，初步判断前方为断层，有较大的突泥涌水风险。之后，为保证施工安全，经四方现场查看分析并结合出水量变化情况，按照“浅堵深排，堵排结合”的原则，从SLT1+826.5开始，采取洞周及掌子面超前灌浆(灌浆深度L=30 m)、加密工字钢并在底板增加横撑、加厚垫层混凝土厚度、边顶拱范围施作超前小导管与大管棚(见图10(c))，短进尺、分台阶、预留核心土等施工方法通过该段不良地质区域。