杜 俊，廖健都，韓成力

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650000； 2.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650000)

1 研究背景

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)隧洞(道)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇期。目前，我國(guó)已成為世界上隧洞(道)修建數(shù)量最多、規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國(guó)家[1]。隧洞沿線較長(zhǎng)、埋深較大，隧洞內(nèi)地質(zhì)情況變化復(fù)雜，導(dǎo)致前期勘測(cè)資料和實(shí)際施工揭露的巖性可能會(huì)有較大的差異。由于對(duì)掌子面前方地質(zhì)圍巖情況了解不充分、不全面，施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)預(yù)料不到的塌方、涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，輕則導(dǎo)致工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失，重則致使機(jī)械損毀、人員傷亡。

為了探明掌子面前方不良地質(zhì)情況，隧洞工程常采用隧道地震預(yù)測(cè)(Tunnel Seismic Prediction,TSP)法[2-3]、隧道地質(zhì)地震(Tunnel Geological Seismic，TGS)法[4-5]、地質(zhì)雷達(dá)法[6]等物探方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。物探法可以初步判斷不良地質(zhì)洞段大概樁號(hào)位置，初步確定預(yù)報(bào)范圍內(nèi)是否有較大集中涌水點(diǎn)、淋雨?duì)罨蚓€狀出水點(diǎn)等，對(duì)于指導(dǎo)施工單位施工具有較大的幫助。然而，單一的預(yù)報(bào)方法難以全面描述異常體的地質(zhì)屬性，綜合物探法已成為當(dāng)前流行的研究趨勢(shì)。Li等[7]通過(guò)地震波法和激發(fā)極化法對(duì)吉林引松工程進(jìn)行預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確探明了掌子面前方不良地質(zhì)，保證了隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)安全施工。韓自強(qiáng)等[8]通過(guò)地震波法和瞬變電磁法對(duì)某隧道下穿庫(kù)區(qū)段落進(jìn)行預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確探明斷層和含水體。采用綜合物探方法進(jìn)行隧洞施工掌子面超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率大概在80%[9]，但仍存在10%～20%的預(yù)報(bào)誤差。

為了進(jìn)一步對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)進(jìn)行勘探，實(shí)際施工過(guò)程中常采用超前鉆探法進(jìn)行預(yù)報(bào)。采用潛孔鉆等設(shè)備進(jìn)行造孔鉆探，根據(jù)獲得的巖粉、巖芯及鉆探過(guò)程出水情況等，對(duì)該段地質(zhì)條件可以進(jìn)行較精準(zhǔn)預(yù)報(bào)[10]。通過(guò)超前鉆探鉆進(jìn)過(guò)程及取樣結(jié)果分析，可以比較準(zhǔn)確地獲得掌子面前方斷層、溶洞等不良地質(zhì)準(zhǔn)確的樁號(hào)位置，但是其覆蓋范圍小，僅根據(jù)所布置探孔的情況進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，代表性不強(qiáng)，不能較快判斷不良地質(zhì)洞段大概跨度范圍，對(duì)短期階段安排不能很快提供決策基礎(chǔ)依據(jù)。

綜上所述，為了快速準(zhǔn)確的探明掌子面前方的不良地質(zhì)，本文針對(duì)滇中引水工程富水破碎洞段，創(chuàng)新性地提出了地質(zhì)分析、物探法和超前鉆探的綜合預(yù)報(bào)體系，發(fā)揮每種方法的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確且快速預(yù)報(bào)掌子面前方的含水體、斷層等不良地質(zhì)情況，為施工單位提供施工參考，保證隧洞安全施工。

2 隧洞綜合超前預(yù)報(bào)體系

隧洞施工過(guò)程中，超前預(yù)報(bào)的開(kāi)展需緊密結(jié)合隧洞開(kāi)挖流程。本文結(jié)合云南省滇中引水工程輸水隧洞施工實(shí)際提出了如下綜合超前預(yù)報(bào)方法和施工處置流程。首先，根據(jù)隧洞地質(zhì)初勘資料和前期開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況合理安排隧洞開(kāi)挖施工，當(dāng)施工段接近初期地質(zhì)資料分析的不良地質(zhì)且隧洞內(nèi)圍巖狀況發(fā)生變化(破碎、出水)時(shí)，通過(guò)地質(zhì)分析前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)，并在洞內(nèi)開(kāi)展TSP法預(yù)報(bào)，反演時(shí)將地質(zhì)分析作為先驗(yàn)信息加入TSP反演過(guò)程，根據(jù)反演結(jié)果推斷不良地質(zhì)體可能存在的位置和分布范圍。隨后在隧洞開(kāi)挖至預(yù)報(bào)風(fēng)險(xiǎn)段落時(shí)，在掌子面開(kāi)展超前鉆探，對(duì)TSP法預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充探測(cè)和揭露驗(yàn)證。若鉆探結(jié)果和TSP法預(yù)報(bào)結(jié)果相一致，則根據(jù)聯(lián)合預(yù)報(bào)結(jié)論設(shè)計(jì)施工處置和災(zāi)害治理方案，之后根據(jù)方案開(kāi)展施工。若出現(xiàn)鉆探結(jié)果和TSP法預(yù)報(bào)結(jié)果不一致的情況，則需進(jìn)行補(bǔ)充探測(cè)，結(jié)合鉆探結(jié)果再次推斷前方不良地質(zhì)情況。之后再根據(jù)聯(lián)合預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行施工處置和災(zāi)害治理方案設(shè)計(jì)，流程如圖1所示。

圖1 綜合超前預(yù)報(bào)體系與施工處置流程Fig.1 Comprehensive advance forecast system and construction treatment processes

2.1 地質(zhì)分析

地質(zhì)分析包括工程地質(zhì)分析、水文地質(zhì)分析和洞內(nèi)地質(zhì)素描。工程地質(zhì)分析主要分析隧洞沿線地形地貌特征、地層巖性特點(diǎn)和地質(zhì)構(gòu)造特征，依據(jù)圍巖產(chǎn)狀、巖性及破碎程度，分析當(dāng)?shù)卮嬖诤w的可能性。水文地質(zhì)分析主要分析當(dāng)?shù)氐乇硭l(fā)育情況、地下水補(bǔ)給情況，從而分析當(dāng)?shù)厮矶磧?nèi)巖溶洞穴等發(fā)育情況。洞內(nèi)地質(zhì)素描在隧洞修建過(guò)程中，收集掌子面、邊墻和拱頂面所呈現(xiàn)的地質(zhì)情況，繪制成圖，分析掌子面前方含水體發(fā)育的可能性。

在隧洞修建前，在隧洞軸線地表附近，通過(guò)踏勘以及地面鉆孔的方法，推測(cè)隧洞沿線地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育情況等工程地質(zhì)條件，粗略估計(jì)隧洞范圍圍巖等級(jí)、地下水含量等地質(zhì)情況，形成初期地質(zhì)勘察資料，同時(shí)分析隧洞開(kāi)挖過(guò)程中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)已開(kāi)挖段落的節(jié)理、層理等構(gòu)造以及地下水發(fā)育情況，估計(jì)掌子面前方的地質(zhì)情況，給隧洞超前預(yù)報(bào)提供基本地質(zhì)信息與部分圍巖物理性質(zhì)信息，為TSP數(shù)據(jù)反演提供先驗(yàn)信息，保證TSP反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 TSP超前預(yù)報(bào)

TSP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是利用在隧道圍巖以排列方式激發(fā)彈性波，彈性波在向三維空間傳播的過(guò)程中，遇到聲阻抗界面，即地質(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等，會(huì)產(chǎn)生彈性波的反射現(xiàn)象，這種反射波被布置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置接收下來(lái)，輸入到儀器中進(jìn)行信號(hào)的放大、數(shù)字采集和處理[11]。TSP法探測(cè)遵循惠更斯-菲涅爾原理和費(fèi)馬原理，是在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域應(yīng)用較早的地球物理探測(cè)方法[2]。TSP法在我國(guó)隧道與地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用較廣泛，該技術(shù)的代表性產(chǎn)品有瑞士AMBERG公司的TSP203、TSP303系列產(chǎn)品和中國(guó)北京市水電物探研究所的TGP206系列產(chǎn)品[3,12]。TSP法對(duì)含水溶洞有較好的識(shí)別效果，如：白云山隧道斜井含水體探測(cè)[13]、滬昆客運(yùn)專線的壁板坡隧道[14]等。TSP法采用如圖2所示的直線觀測(cè)方式，震源和檢波器沿直線布置在隧洞邊墻上，以炸藥震源激發(fā)地震波，地震波在前方不良地質(zhì)體上發(fā)生反射，回傳的反射波被邊墻上的檢波器接收，TSP法根據(jù)接收地震波信號(hào)的能量大小和時(shí)間早晚對(duì)前方不良地質(zhì)體進(jìn)行定位與成像。與地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)不同的是，TSP受洞內(nèi)機(jī)械干擾小，探測(cè)距離較遠(yuǎn)，而且準(zhǔn)確度與地質(zhì)雷達(dá)法差別不大，滿足工程需要，在實(shí)際隧道工程應(yīng)用中，TSP應(yīng)用更為廣泛。

圖2 TSP超前預(yù)報(bào)方法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of TSP advance forecasting method

對(duì)于在洞內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，TSP法的主要處理流程包括數(shù)據(jù)設(shè)置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、炮能量均衡、Q值估計(jì)、反射波提取、P-S波分離、速度分析、深度偏移和提取反射層共11個(gè)主要步驟。其中，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析，便可根據(jù)反射信號(hào)的傳播時(shí)間獲取反射界面的距離(深度)，提供不良地質(zhì)體在掌子面前方的空間位置[15]。

2.3 超前鉆探

超前鉆探預(yù)報(bào)方法是對(duì)掌子面前方圍巖介質(zhì)進(jìn)行直接揭露并探查的有利手段，也是隧洞施工過(guò)程中最常用的預(yù)報(bào)手段之一。在采用地球物理超前預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，采用超前鉆探進(jìn)行補(bǔ)充預(yù)報(bào)，能夠更加有效準(zhǔn)確地預(yù)判不良地質(zhì)的位置、內(nèi)部充填水量等情況，及時(shí)制定相對(duì)應(yīng)的預(yù)警措施和處理對(duì)策，從而最大程度地減少施工過(guò)程中突泥、涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的概率和危險(xiǎn)程度，降低不良地質(zhì)災(zāi)害造成的損失。

在實(shí)際施工過(guò)程中，超前鉆探的實(shí)施主要根據(jù)地質(zhì)分析和物探預(yù)報(bào)結(jié)果。當(dāng)推斷前方存在不良地質(zhì)體后，根據(jù)物探預(yù)報(bào)結(jié)果和掌子面情況，采用潛孔鉆、管棚鉆機(jī)等設(shè)備在掌子面布置3～4個(gè)探孔。在非巖溶發(fā)育區(qū)、斷層、節(jié)理密集帶等一般洞段，每循環(huán)可只鉆1孔。而對(duì)于巖溶發(fā)育區(qū)及節(jié)理密集帶等一般不良地質(zhì)洞段，在掌子面左右拱腰及頂拱位置布置3個(gè)超前探孔，角度為10°～20°，以鉆孔中后段在隧洞開(kāi)挖線以外為原則，孔深12～30 m(見(jiàn)圖3)。在巖溶發(fā)育區(qū)、斷層、富水區(qū)等不良地質(zhì)洞段，在掌子面左右拱腰、頂拱及底部位置布置4個(gè)超前探孔，孔深及角度要求同上[16]。在鉆探過(guò)程中，根據(jù)巖渣的顏色，結(jié)合掌子面巖性情況，分析判斷該巖渣所屬巖性；根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中地下水噴出時(shí)的鉆桿長(zhǎng)度(或孔深)以及出水量大小，分析判斷地下水位置以及是否為滴狀水、線狀水或涌水。當(dāng)鉆進(jìn)速度突然加快時(shí)，則可能存在軟弱夾層，圍巖由較好段向較差段變化；當(dāng)鉆進(jìn)速度整體較快時(shí)，則圍巖完整性較好；當(dāng)鉆進(jìn)速度整體較慢時(shí)，則圍巖整體較破碎；當(dāng)出現(xiàn)卡鉆情況，則該位置圍巖破碎；而當(dāng)出現(xiàn)掉鉆情況，則該位置可能存在溶洞空腔。最后，可通過(guò)超前探孔所得的圍巖巖性、鉆孔出水情況、鉆進(jìn)速度等分析不良地質(zhì)洞段、富水洞段所在樁號(hào)及范圍。

圖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

通過(guò)地質(zhì)分析大范圍預(yù)測(cè)掌子面前方的含水情況、TSP法較準(zhǔn)確探測(cè)以及超前鉆孔精細(xì)預(yù)報(bào)，形成由大到小、由粗到細(xì)的綜合預(yù)報(bào)體系，可以準(zhǔn)確探查掌子面前方含水體位置和規(guī)模，提前采取相應(yīng)的施工處置措施，保證隧洞安全施工。

3 工程實(shí)例

3.1 蔡家村隧洞涌水預(yù)報(bào)

滇中引水工程昆明段1標(biāo)蔡家村隧洞長(zhǎng)16.414 km(樁號(hào)范圍KM7+020(CJCT7+020.00)至KM23+433.810(CJCT23+433.810))[17]。3號(hào)施工支洞上游洞段穿過(guò)F24及FV-128Ⅰ級(jí)斷層帶，且該洞段位于地下水位以下，隧洞施工遭遇不良地質(zhì)體并發(fā)生突涌水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大。

隧洞開(kāi)挖至樁號(hào)CJCT9+122.5處時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧洞掌子面圍巖完整性差，局部較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，且掌子面潮濕，左側(cè)見(jiàn)股狀出水和涌水，中部和右側(cè)有線狀流水和滲水，地質(zhì)素描如圖4(a)所示，掌子面情況如圖4(b)所示，初步判斷掌子面前方容易發(fā)生坍塌、突水等地質(zhì)災(zāi)害。TSP現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集照片如圖5所示。

圖4 CJCT9+122.5掌子面地質(zhì)素描和圍巖照片F(xiàn)ig.4 Geological sketch and surrounding rock photo of CJCT9+122.5 working face

圖5 TSP現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集照片F(xiàn)ig.5 TSP field data collection

為進(jìn)一步探明隧洞前方的不良地質(zhì)情況，在3號(hào)施工支洞下游控制段CJCT9+122.5掌子面處開(kāi)展了TSP法超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果如圖6所示，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度140 m，本期有效預(yù)報(bào)范圍為CJCT9+122.5—CJCT9+262.5。根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，推測(cè)在CJCT9+122.5—CJCT9+151.4的段落內(nèi)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，大部洞段圍巖中基巖裂隙水發(fā)育，圍巖以Ⅲ類為主，可能存在股狀或涌水狀出水。

圖6 蔡家村隧洞TSP三維地震波速預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.6 TSP 3D seismic wave velocity for Caijiacun tunnel

完成TSP法預(yù)報(bào)后，隧洞開(kāi)挖至CJCT9+138里程時(shí)，掌子面左側(cè)出現(xiàn)集中涌水點(diǎn)(圖7(a))，涌水量有增大趨勢(shì)，總涌水量達(dá)810 m3/h，造成洞內(nèi)積水(圖7(b))。為此對(duì)洞內(nèi)積水進(jìn)行抽排(見(jiàn)圖7(c))。由于本次涌水量超過(guò)設(shè)計(jì)出水量，為保證后續(xù)施工安全，在掌子面開(kāi)展了超前鉆探預(yù)報(bào)。鉆進(jìn)過(guò)程中，0～6 m均有出水，水壓較大，鉆進(jìn)速度較慢，6 m以后出水量穩(wěn)定，水壓無(wú)明顯變化，鉆進(jìn)速度均勻，巖石完整性較好。推測(cè)掌子面前方約有6 m富水洞段，整個(gè)富水洞段在之前TSP法預(yù)報(bào)所推斷的段落內(nèi)。之后，為保證施工安全，經(jīng)四方現(xiàn)場(chǎng)查看分析并結(jié)合出水量變化情況，綜合判斷該段涌水危險(xiǎn)等級(jí)為A級(jí)，綜合防治措施等級(jí)A1，按照“以堵為主，限量排放，深排淺堵”的原則，采用洞周及掌子面超前灌漿、徑向固結(jié)灌漿、短進(jìn)尺、分臺(tái)階等加強(qiáng)支護(hù)措施(圖7(d))，順利通過(guò)了該涌水洞段。

(a) CJCT9+138左側(cè)涌水

(b) 洞內(nèi)積水照片

(c) 應(yīng)急水泵、排水管安裝

(d) 安裝閘閥、排水泄壓和灌漿施工圖7 CJC9+138涌水情況及處理措施Fig.7 Water gushing from CJCT9+138 and its treatment measures

3.2 松林隧洞突泥涌水預(yù)報(bào)

滇中引水工程昆明段1標(biāo)松林隧洞全長(zhǎng)4 327 m(樁號(hào)范圍KM23+959.810(SLT0+000.00)至KM28+286.810(SLT4+327.00))[18]。通過(guò)前期地質(zhì)勘察，整條隧洞圍巖分布情況如表1所示；根據(jù)前期地質(zhì)分析推斷，松林隧洞屬于巖溶富水地層，涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高。

表1 松林隧洞圍巖分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Distribution statistics of surrounding rock of Songlin tunnel

隧洞開(kāi)挖至樁號(hào)SLT1+750.0處時(shí)，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，掌子面潮濕，多處滲水，拱頂有淋雨?duì)畹嗡胁坑袧B水和線狀出水，圍巖不穩(wěn)定，容易發(fā)生掉塊，地質(zhì)素描如圖8(a)所示，掌子面情況如圖8(b)所示，初步判斷掌子面前方圍巖情況較差，前方可能發(fā)生掉塊、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(a) 掌子面地質(zhì)素描

為進(jìn)一步探明隧洞前方的不良地質(zhì)情況，在SLT1+750.0處開(kāi)展了TSP法超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度140 m，有效預(yù)報(bào)范圍為SLT1+750.0—SLT1+890.0，其反演結(jié)果如圖9所示。根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，推測(cè)在SLT1+820—SLT1+840的段落內(nèi)會(huì)出現(xiàn)隧洞掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)薄弱處，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，可能存在股狀或涌水狀出水。

圖9 松林隧洞TSP 三維地震波速Fig.9 TSP 3D seismic wave velocity of Songlin tunnel

在TSP超前預(yù)報(bào)后，隧洞繼續(xù)開(kāi)挖至SLT1+826里程時(shí)，在頂拱、左右腰線位置分別設(shè)置了一個(gè)超前探孔(見(jiàn)圖10(a))。鉆進(jìn)過(guò)程中，巖體破碎、有夾層、圍巖較軟，出水量大，鉆進(jìn)速度快。其中，SLT1+831.4—SLT1+834.4洞段鉆進(jìn)時(shí)水量增加，有泥質(zhì)夾層，砂化嚴(yán)重，流出的水顏色呈黃褐色，掌子面涌水量經(jīng)估算約1 000 m3/h(見(jiàn)圖10(b))。結(jié)合前期地質(zhì)資料分析，該段埋深約為450 m，地下水位高約100 m，初步判斷前方為斷層，有較大的突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)。之后，為保證施工安全，經(jīng)四方現(xiàn)場(chǎng)查看分析并結(jié)合出水量變化情況，按照“淺堵深排，堵排結(jié)合”的原則，從SLT1+826.5開(kāi)始，采取洞周及掌子面超前灌漿(灌漿深度L=30 m)、加密工字鋼并在底板增加橫撐、加厚墊層混凝土厚度、邊頂拱范圍施作超前小導(dǎo)管與大管棚(見(jiàn)圖10(c))，短進(jìn)尺、分臺(tái)階、預(yù)留核心土等施工方法通過(guò)該段不良地質(zhì)區(qū)域。

圖10 超前探孔施工情況及涌水處理措施Fig.10 Advanced drilling construction and measuuresfor water gushing

4 結(jié) 論

針對(duì)滇中引水工程富水破碎洞段，為避免隧洞開(kāi)挖發(fā)生突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，開(kāi)展超前預(yù)報(bào)，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，通過(guò)分析，得出以下結(jié)論：

(1)在進(jìn)行隧洞超前預(yù)報(bào)之前，對(duì)隧洞不良地質(zhì)情況進(jìn)行分析，結(jié)合工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，有選擇性地選擇預(yù)報(bào)方法，保證可以較準(zhǔn)確探明不良地質(zhì)情況。

(2)通過(guò)綜合超前預(yù)報(bào)體系，揚(yáng)長(zhǎng)避短，由粗略到精細(xì)，可以準(zhǔn)確地探明含水體不良地質(zhì)的位置，在滇中引水隧洞掘進(jìn)過(guò)程中得到了成功應(yīng)用。綜合預(yù)報(bào)體系技術(shù)可以為類似隧洞施工提供指導(dǎo)，保證隧洞施工安全。

(3)本文提到的綜合超前預(yù)報(bào)體系目前還不夠完善，單一的探測(cè)方法難免會(huì)造成探測(cè)誤差，可以增加其他物探方法(激發(fā)極化法、地震波法等)進(jìn)行相互驗(yàn)證，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。