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      深埋超特長隧洞環(huán)境超前預(yù)報(bào)技術(shù)探討

      2018-03-27 01:03:29健,李
      西部探礦工程 2018年3期
      關(guān)鍵詞:物探隧洞斷層

      崔 健,李 莉

      (1.新疆天合環(huán)境技術(shù)咨詢有限公司,新疆烏魯木齊830063;2.新疆新水建設(shè)工程咨詢有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊830000)

      1 工程概況

      新疆北疆供水二期工程由西二、喀—雙、雙—三等3段組成,線路總長540.5km,隧洞長516.4km。其中:西二段隧洞長140.7km,平均埋深271m,最大埋深720m,洞徑7.8m,TBM掘進(jìn)長度112.9km;喀—雙段隧洞長283.3km,平均埋深428m,最大埋深774m,洞徑7.2m,TBM掘進(jìn)長度227.4km;雙—三段隧洞長92.4km,平均埋深158m,最大埋深295m,洞徑5.5m,TBM掘進(jìn)長度72.0km。3段隧洞施工方法,主要采用18臺(tái)敞開式TBM和3臺(tái)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。

      2 區(qū)域地質(zhì)

      2.1 地形地貌

      工程區(qū)由北向南穿越阿爾泰山南坡和東天山北坡之間所夾的準(zhǔn)噶爾盆地北部、東部邊緣。地貌形態(tài)由中山區(qū)、低山區(qū)、低山丘陵區(qū)和山前沖洪積扇區(qū),總地勢(shì)北高南低,東高西低。中山區(qū)海拔高程600~1500m,相對(duì)高差150~650m,主要為牧區(qū)天然草場。低山區(qū)海拔高程550~1300m,相對(duì)高差50~150m;低山丘陵區(qū),相對(duì)高差10~20m,均為戈壁荒漠區(qū)。沖洪積扇區(qū)海拔高程700~1000m,相對(duì)高差10~30m,主要為戈壁荒漠區(qū)。

      2.2 地層巖性

      工程區(qū)通過的地層為古生界奧陶系(O)黑云母石英片巖、泥盆系(D)凝灰?guī)r、石炭系(C)凝灰質(zhì)砂巖;華力西期(γ)片麻花崗巖、黑云母花崗巖,屬厚層狀和塊狀硬質(zhì)巖,其次還分布少量中生界二疊系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)、第三系(N)砂巖、砂礫巖、泥巖夾砂巖和第四系(Q)碎石土等,屬中厚層狀軟質(zhì)巖。其中:奧陶系(O)+泥盆系(D)+石炭系(C)地層總長343.1km,占洞長66.4%;花崗巖(γ)總長130.1km,占洞長25.2%;二疊系(P)+三疊系(T)+侏羅系(J)+白堊系(K)+第三系(N)地層總長38.2km,占洞長7.4%;第四系(Q)地層總長5.16km,占洞長1.0%。

      2.3 地質(zhì)構(gòu)造

      工程區(qū)地處阿爾泰褶皺系和準(zhǔn)噶爾—北天山褶皺系兩大地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi),褶皺構(gòu)造對(duì)地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造起著主導(dǎo)作用。隧道穿越8條區(qū)域性斷裂,破碎帶地表寬度100~200m,最寬800m。同時(shí),還分布次一級(jí)的斷層破碎帶129條。經(jīng)統(tǒng)計(jì),工程區(qū)通過的137條斷層破碎帶累計(jì)長度6.2km,約占洞長的1.2%。

      3 隧洞主要工程地質(zhì)問題

      (1)塌方問題。根據(jù)前期勘察鉆孔所揭露的巖芯、巖塊試驗(yàn)、物探波速測(cè)試來看,洞身段基本均處于新鮮巖體內(nèi),以塊狀和厚層狀為主,斷層與節(jié)理裂隙不發(fā)育,圍巖完整性較好。根據(jù)地質(zhì)條件綜合判斷,3段隧洞易發(fā)生塌方的洞段共有19處,累計(jì)長度約52km。主要處于區(qū)域性斷裂帶內(nèi)和局部較大的次級(jí)斷層帶內(nèi),其次是為隧洞淺埋段、河床段、軟質(zhì)巖段及地表水附近。

      (2)涌水問題。洞線除穿越阿拉哈克河等5條小河流外,其它洞段無地表水分布。干燥,炎熱、寒冷、多風(fēng),降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈是工程區(qū)的氣候特點(diǎn),因此地表水對(duì)基巖裂隙和斷層破碎帶補(bǔ)給量小,根據(jù)鉆孔抽壓水試驗(yàn)、勘探試驗(yàn)洞開挖揭露顯示:

      ①圍巖巖體完整洞段(如Ⅱ類或Ⅲa類圍巖、局部Ⅳ-Ⅴ類軟巖圍巖段),主要以基巖裂隙水形式產(chǎn)生滲水、滴水或干洞(如:西二3#、喀雙T1、T2+、T3、T4、T5、T6勘探試驗(yàn)洞、S1、S3豎井等)。

      ②圍巖巖體較完整洞段(如Ⅲb類圍巖段),主要以基巖裂隙水形式產(chǎn)生滲流或線狀流水(如:西二1#、喀雙T2、P2、P3勘探試驗(yàn)洞、S2豎井等)。

      ③圍巖巖體完整性較差—差洞段(如Ⅳ-Ⅴ圍巖或斷層破碎帶及影響帶)和過河段、大沖溝段,主要以基巖裂隙水形式產(chǎn)生線狀流水和小的涌水現(xiàn)象(如:西二2#、雙三KP2、KP4勘探試驗(yàn)洞)。

      根據(jù)勘探試驗(yàn)洞實(shí)際觀測(cè):西二2#,完成洞長2.4km,總涌水量Q=230m3/h(經(jīng)灌漿處理后,總涌水量Q=70m3/h);雙三 KP2,完成洞長 2.0km,總涌水量 Q=160m3/h,KP4完成洞長1.8km,總涌水量Q=197m3/h(經(jīng)灌漿處理后,總涌水量Q=60m3/h)??傊?,隧洞局部可能存在發(fā)生突水或突泥的風(fēng)險(xiǎn);易發(fā)生涌水的洞段與易發(fā)生塌方的洞段位置大致相同。

      (3)巖爆問題。3條隧洞段共布置15個(gè)鉆孔進(jìn)行了不同巖性、深度的地應(yīng)力測(cè)試,結(jié)果表明:西二段隧洞段有長度12.5km屬中等地應(yīng)力中等巖爆區(qū);喀—雙隧洞有23km屬高地應(yīng)力中等巖爆區(qū)。

      (4)軟巖變形問題。軟巖主要集中分布在喀—雙隧洞末端,總長12.15km,巖性為二疊系、三疊系砂巖、泥巖互層,屬Ⅳ-Ⅴ類圍巖;雙—三隧洞后段,總長26.0km,巖性為侏羅系、白堊系、第三系砂巖夾泥巖、第四系含土角礫等。因此,在隧洞施工開挖過程中易發(fā)生塑性變形、圍巖鼓脹(膨脹)或流變問題。如在施工的T5勘探試驗(yàn)洞樁號(hào)0+000~1+000范圍內(nèi),巖性為二疊系砂巖夾泥巖互層,隧洞按設(shè)計(jì)斷面開挖完成后,未及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌(暴露時(shí)間約2~3個(gè)月),一次支護(hù)產(chǎn)生了較大的塑性變形(累計(jì)變形量最大40cm),變形仍在繼續(xù)。為保證施工安全,該段隧洞又進(jìn)行了二次加強(qiáng)支護(hù),主要采用加長、加密錨桿,并對(duì)底部仰拱采用混凝土封閉,監(jiān)測(cè)資料顯示變形趨于穩(wěn)定。

      4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

      4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必要性

      超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是超特長隧洞施工過程中一項(xiàng)極其重要的工作,在隧洞施工過程中起到指導(dǎo)和預(yù)防作用。由于本工程隧洞線路長、埋深較大,地質(zhì)條件復(fù)雜(褶皺、斷層的異常發(fā)育),在施工過程中可能會(huì)遇到斷層破碎帶塌方或涌水、圍巖變形、巖爆、膨脹巖等誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害,限于現(xiàn)在的技術(shù)水平和各方面條件限制,這些問題在前期勘察階段無法完全查明。通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,探測(cè)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖的完整性與含水體的可能性,及時(shí)預(yù)報(bào)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果,可以及時(shí)采取措施,提前做好超前加固及其它跟進(jìn)施工措施,做到科學(xué)、安全、高效掘進(jìn),預(yù)防各種工程地質(zhì)災(zāi)害造成姿態(tài)失調(diào)、卡機(jī)、埋機(jī)等事件的發(fā)生。開展本工程復(fù)雜地質(zhì)條件下超長隧洞重大工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,對(duì)工程施工前與施工過程中超前預(yù)案制定,形成有效的地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)技術(shù)及防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對(duì)策,防止施工中對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)造成威脅,提高施工效率,具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義,通過本工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,積累豐富的識(shí)別經(jīng)驗(yàn),形成具有自主創(chuàng)新的預(yù)報(bào)方法、預(yù)測(cè)參數(shù),將國內(nèi)工程界地質(zhì)超前預(yù)報(bào)推上一個(gè)新的臺(tái)階。因此開展長隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是十分必要的。

      4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作內(nèi)容和解決的問題

      超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在分析前期地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合隧洞開挖中的施工地質(zhì)條件,采用地質(zhì)分析、物探等手段,對(duì)隧洞開挖工作面前方的地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進(jìn)行探測(cè)、分析判斷及預(yù)報(bào),并提出建議措施。為正確選擇開挖斷面、支護(hù)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù),并為預(yù)防隧洞圍巖失穩(wěn)等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息,便于施工提前做好防災(zāi)預(yù)案,保證施工安全。

      主要工作內(nèi)容是:①地層巖性預(yù)報(bào):包括對(duì)地層巖性分界、巖體的完整性,重點(diǎn)是對(duì)影響隧洞穩(wěn)定的軟弱巖層、破碎巖層和特殊巖(土)體的分布、厚度及位置進(jìn)行預(yù)報(bào);②斷裂構(gòu)造預(yù)報(bào):包括斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)及含水情況等進(jìn)行預(yù)報(bào),預(yù)測(cè)圍巖的穩(wěn)定性及圍巖類別。

      主要解決的問題是:①斷裂構(gòu)造破碎帶的塌方、卡機(jī)問題;②含水體、破碎巖體的涌水問;③軟巖大變形的問題(特別是硬巖中的軟巖);④巖爆的問題;⑤工程預(yù)案及措施。

      4.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則

      根據(jù)本工程隧洞線路長度、地質(zhì)條件等實(shí)際情況,堅(jiān)持超前地質(zhì)預(yù)報(bào)“三結(jié)合”和風(fēng)險(xiǎn)靶段劃分原則,即“地質(zhì)與物探結(jié)合,洞內(nèi)與洞外結(jié)合,長短距離及不同物探方法結(jié)合”。

      (1)地質(zhì)與物探結(jié)合。地質(zhì)分析工作是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié),在較好了解地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上,才能使物探的解釋結(jié)果更接近真實(shí)情況,大大減少物探多解性帶來的難題,離開了地質(zhì)的物探極易偏離真實(shí)的地質(zhì),離開了物探的地質(zhì)就很難將施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作細(xì)化。

      (2)洞內(nèi)外結(jié)合。野外地質(zhì)調(diào)查及已有前期勘探鉆孔與洞內(nèi)地質(zhì)素描和洞內(nèi)預(yù)報(bào)成果相結(jié)合,即宏觀地質(zhì)分析與具體的施工超前預(yù)報(bào)相結(jié)合。

      (3)長短距離及不同物探方法結(jié)合。長距離超前預(yù)報(bào)探測(cè)距離較長,但準(zhǔn)確性稍差,短距離超前預(yù)報(bào)探測(cè)距離較短,但準(zhǔn)確性較高,兩者的結(jié)合可以取長補(bǔ)短,有效提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

      (4)首先摸清大范圍的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造;由宏觀到微觀、由面到線、由線到段,實(shí)行“長—中—短,短—中—長”循環(huán)預(yù)報(bào)機(jī)制,預(yù)報(bào)在先,措施跟進(jìn),處理得當(dāng)。

      (5)開機(jī)——“515”:堅(jiān)持長距離500m~中距離100m~短距離50m的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

      掘進(jìn)——“人、機(jī)、巖三位合一”:優(yōu)秀的操作班組,先進(jìn)的TBM裝備,掌握巖—機(jī)相適、人機(jī)相融、人—機(jī)巖信息感知科學(xué)方法。

      (6)處理——“三個(gè)最”:最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,最快支護(hù)方式,最佳的處理效果。

      (7)目標(biāo)—“產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合”:打造一流的預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì),填補(bǔ)預(yù)報(bào)科研的空白,擁有自主產(chǎn)權(quán)核心裝備。

      4.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和設(shè)備

      目前國內(nèi)外廣泛使用的隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有:三維地震波法(地震反射、地震散射法)和電法。

      地震波法儀主要有:TSP(瑞士)、TRT(美國)、TST(中國)、BMST(中國)、HSP206T(中國)等。主要運(yùn)用于掌子面前方斷層、破碎巖體塌方、卡機(jī)問題的預(yù)報(bào)。

      電法儀主要有:激發(fā)極化探水儀、紅外線探水儀、復(fù)頻電導(dǎo)率CFC探水儀等。主要運(yùn)用于預(yù)報(bào)掌子面前方斷層、破碎巖體內(nèi)和含水巖體的涌水問題的預(yù)報(bào)。

      據(jù)了解,國內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的與TBM搭載的儀器設(shè)備主要有:①北京同度工程物探研發(fā)的BMST地震散射儀;②中鐵西南科學(xué)研究院研發(fā)的HSP206T型水平聲波反射儀;③山東大學(xué)研發(fā)的激發(fā)極化探水預(yù)報(bào)儀。

      4.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作重點(diǎn)及范圍

      超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要針對(duì)本工程隧洞TBM掘進(jìn)段和鉆爆開挖段,在掘進(jìn)和開挖過程中通過的不良地質(zhì)段來開展工作。

      (1)預(yù)報(bào)隧洞通過的區(qū)域性大斷裂破碎帶、較大次級(jí)斷層破碎帶段;

      (2)預(yù)報(bào)隧洞通過的Ⅳ-Ⅴ類圍巖段;

      (3)預(yù)報(bào)隧洞通過的跨河和跨較大沖溝段。

      本工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào):Ⅳ類圍巖長56.1km,Ⅴ類圍巖長35.9km,深埋隧洞巖爆段圍巖長35.5km,合計(jì)預(yù)報(bào)總長127.5km,占全隧洞總長的25%。

      4.6 隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的組織管理

      本工程由于線長、點(diǎn)多、面廣、工期長,TBM機(jī)、盾構(gòu)機(jī)集群化施工,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作必須組織常設(shè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合分析研究,資料整理,下達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果及處理建議。如果是由各專業(yè)隊(duì)伍來分段預(yù)報(bào)、個(gè)自為政,單獨(dú)工作,各預(yù)報(bào)單位資料8年下來可能形不成科學(xué)有效系統(tǒng)成果,對(duì)本世界級(jí)工程科學(xué)研究將造成不可估量的損失。所以必須建立高效、專業(yè)并與科研院校聯(lián)合的團(tuán)隊(duì),保證8年工期能按時(shí)完工。所以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要建立高效、負(fù)責(zé)、擔(dān)當(dāng)、快速的指揮管理機(jī)構(gòu)。隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組織管理框圖見圖1。

      圖1 隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組織管理框圖

      超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,責(zé)任分工要明確,要各負(fù)其責(zé),層層落實(shí),一環(huán)扣一環(huán),責(zé)任要落實(shí)到人。第一責(zé)任人為勘測(cè)設(shè)計(jì)單位,要對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià),災(zāi)害分析做到宏觀控制,微觀到位,對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料進(jìn)行全過程管理、分析、跟蹤、改進(jìn)、提高、綜合研究。

      協(xié)調(diào)管理是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的中樞。分析決策是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵,預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確率是預(yù)報(bào)的核心。

      技術(shù)支持是預(yù)報(bào)工作的強(qiáng)大的基礎(chǔ)理論支撐。成立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專業(yè)機(jī)構(gòu),配齊地質(zhì)、物探、水文等專業(yè)人員,并配備先進(jìn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)設(shè)備和儀器進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,組成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合技術(shù)平臺(tái)。騁請(qǐng)目前國內(nèi)有豐富經(jīng)驗(yàn)的咨詢?cè)菏俊<疫M(jìn)行定期不定期現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)。

      5 小結(jié)

      從已探明的3條輸水隧洞的地質(zhì)條件分析,隧洞局部段仍具備發(fā)生破碎巖體塌方、斷層破碎帶突涌水、高地應(yīng)力產(chǎn)生巖爆、高外水壓力、軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害的條件。雖然從設(shè)計(jì)思路看,具有重大地質(zhì)缺陷洞段基本采用鉆爆法提前安全通過,但TBM依然還要穿越137條次級(jí)的斷層或更多的小斷層。由于隧洞深埋超特長,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程地質(zhì)條件災(zāi)害存在不可預(yù)見性,因此,開展長距離TBM施工風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究十分必要。在施工過程中,必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,提前做好超前加固及其它跟進(jìn)施工措施,做到科學(xué)、安全、高效掘進(jìn),預(yù)防各種工程地質(zhì)災(zāi)害造成姿態(tài)失調(diào)、卡機(jī)、埋機(jī)等事件的發(fā)生,為TBM機(jī)和盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)施工保駕護(hù)航。

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