宋寶玉，劉洪鋮，關(guān)鑲鋒

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

1 隧洞地質(zhì)災害問題分析

隧洞工程區(qū)圍巖的地質(zhì)情況相對復雜、水文地質(zhì)條件等變化較大，且限于目前的施工前期地質(zhì)勘察工作量布置有限，技術(shù)手段和水平及勘察階段精度控制要求等等，在前期勘察過程中，完全查明地下巖體地質(zhì)情況很困難。在施工過程中，超前地質(zhì)預報工作的展開，可以有效的解決這些問題，減少因缺少超前地質(zhì)預報而造成的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

在此基礎上，我們進行了隧洞常見地質(zhì)災害調(diào)查[1- 12](見表1)和分析。

表1 隧洞地質(zhì)災害調(diào)查表

表2 超前地質(zhì)預報主要物探技術(shù)調(diào)查表

通過上表的國內(nèi)外工程事故，不難分析出隧洞施工主要存在的問題分為以下幾類：第一類：突水、泥和涌水、泥災害；第二類：隧洞結(jié)構(gòu)坍塌堆積問題；第三類：斷層、構(gòu)造、軟弱結(jié)構(gòu)面及破碎帶卡機問題等。

2 隧洞超前地質(zhì)預報技術(shù)調(diào)查

我國是20世紀70年代后開始重視隧洞超前地質(zhì)預報的研究和應用；90年代瑞士研究并開發(fā)了TSP技術(shù)，鐵道工程學報報道了何振起等提出的“負視速度法”的引入，TSP開始風靡全國。2006年北京物探研究所劉云幀等研發(fā)的TGP預報技術(shù)，再到同度的TST，美國的TRT系統(tǒng)等。在方法、儀器設備上，包括軟件建模，分析處理開發(fā)上都有了飛躍的發(fā)展[4]。

在不斷開展和應用超前地質(zhì)預報技術(shù)的同時，其技術(shù)暴露出來的虛報漏報，預報準確性不高，不良地質(zhì)體解譯缺乏明確的判斷原則等缺陷，已逐步為人們了解。研究其原因是各方面的，側(cè)重可用于超前地質(zhì)預報的方法系統(tǒng)應用，對方法原理的邊界條件考慮不周全，準確性考慮不多，如數(shù)學建模模型本身就存在缺陷導致有效反射信息缺失，判斷缺乏依據(jù)往往依賴工作人員的經(jīng)驗等等[1- 12]。

當前隧洞超前地質(zhì)預報方法較多。直接手段有超前鉆探、超前平行導坑等；間接手段主要以物探技術(shù)為主。其主要技術(shù)具體見表2。

由于采用單一的預報方法具有極大的局限性，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)、方法、模式和反映的物理特征等方面的局限，導致預報結(jié)果往往出現(xiàn)誤報、漏報和精準度差等問題。目前綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)的方法和手段多種多樣，雖然各類方法的準確度和精確度還有待提高，需要不斷去實踐探索和研究，但在隧洞工程建設中發(fā)揮了巨大的作用，已成為隧洞工程中不可缺少的重要部分[1- 12]。

3 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程的供水范圍橫跨吉林省中部的11個市、縣區(qū)及26個城鎮(zhèn)，屬于大面積、跨流域、長距離的城鎮(zhèn)供水工程。輸水線路總長635.09km，設計引水流量為38.00m3/s，最大年引水量為10.40億m3，分為輸水干線和輸水支線，其中輸水干線長263.58km，輸水支線長371.51km，等級為I等工程?？偢删€工程中的永久性主要水工建筑物級別為1級，包括隧洞、埋管及交叉建筑物，次要建筑物級別為3級。僅包括總干線TBM施工段的隧洞，線路樁號2+000～71+855m，總長度69855m。根據(jù)TBM施工臺數(shù)和線路特點劃分為：TBM1(ZG2)、TBM2(ZG3)、TBM3(ZG4)三個標段。TBM1標段(樁號2+000～24+600m，長22600m)；TBM2標段(樁號24+600～48+900m，長24300m)；TBM3標段(樁號48+900～71+855m，長22955m，其中7000m穿灰?guī)r，隧洞設計洞徑7.79m)[6]。

地質(zhì)情況較復雜，主要穿過有灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂(礫)巖，泥巖、角礫巖、安山巖、花崗巖、斑巖、閃長巖等。因此在進行工程建設施工時，采取恰當?shù)某暗刭|(zhì)預報方法，給予適當?shù)墓こ痰刭|(zhì)綜合評價，優(yōu)化工程設計是實現(xiàn)施工信息化的重要基礎，也是該工程最大限度的確保隧洞施工安全的首要問題。

4 綜合超前預報技術(shù)選取

技術(shù)的選取應考慮方法的科學性和合理性，還有可操作性，盡可能多的利用地質(zhì)體的多種物性參數(shù)等來進行地質(zhì)分析。吉林省水利水電勘測設計研究(下簡稱吉水院)院采用地質(zhì)調(diào)查與分析方法結(jié)合物探成果進行綜合超前地質(zhì)預報。其中地質(zhì)分析分為地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描和地質(zhì)測繪等，為隧洞工程中采用何種地質(zhì)預報方法提供了宏觀建議和依據(jù)。通過結(jié)合已知的地質(zhì)資料，更準確地判定圍巖的完整性，進行圍巖分級，預測隧洞前方的地質(zhì)情況等。物探技術(shù)方法主要采用洞內(nèi)外相結(jié)合，立體式預報方式。

4.1 洞外方法(EH- 4原理及數(shù)據(jù)處理)

考慮隧洞埋深，埋深深度對斷層構(gòu)造等不良地質(zhì)體的判斷有差異及對水和破碎帶的敏感性等因素，吉水院采用基于平面波卡尼亞電阻率的電磁法，輕設備，小功率的EH- 4方法，從垂直方向來分辨，通過電磁波異常的分析來預測隧洞圍巖情況，目前此方法比較成熟[14]。

EH- 4是基于平面波穿透深度或趨膚深度同不同的電磁波頻率相關(guān):

(1)

式中，δ—趨膚深度，m。通過發(fā)射、接收不同頻率的電磁波，得到不同深度的卡尼亞電阻率或電導率[13]。由式(1)反推得到的電阻率通常為視電阻率。

在一個1～750kHz相對固定的寬頻帶上，同時接收x方向和y方向的電場和磁場，反演得出x-y電導率張量成像剖面，對判斷確定地下構(gòu)造及破碎帶和接觸帶等二維結(jié)構(gòu)特別有利。

數(shù)據(jù)實時處理時，根據(jù)每個測點給出的視電阻率、相位、相關(guān)度及振幅曲線，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時分析。對于一些不可靠的數(shù)據(jù)可以從曲線中剔除，然后繼續(xù)測量，或者整條曲線的數(shù)據(jù)質(zhì)量太差，采取措施，實施重復測量。在完成整條測線的連續(xù)觀測后，可在現(xiàn)場采用EMAP法(該法可以有效地消除靜態(tài)效應)給出擬二維反演解釋結(jié)果的灰度圖。

4.2 洞內(nèi)方法(TRT6000原理及數(shù)據(jù)處理)

運用地震體波的傳播特性，遇到波阻抗(密度和波速的乘積)不同界面時，在界面會發(fā)生反射、折射等。采用地震設備，拾取界面回波，從水平方向來分辨，通過地震波異常的分析來預測隧洞圍巖情況，目前采用彈性波法(TRT6000)，此方法比較成熟，取得了較好的效果[7]。

TRT6000采用隧洞地震波反射速度掃描偏移成像技術(shù)，通過接收巖體中不均勻面的反射地震波進行超前探測。該技術(shù)的原理：地震波遇波阻抗不同界面時，一部分地震波被反射，一部分地震波透射進入前方介質(zhì)。依據(jù)地層巖體界面的地球物理特性：地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)間斷界面的波阻抗往往是不同的。利用高靈敏度的傳感器接收反射的地震體波信號。反射體越完整、尺寸越大，波阻抗越大，其回波越明顯，越易被探測。經(jīng)過分析處理探測到的回波，反演出隧道工作面前方各個斷面剖面影像圖，來了解前方地質(zhì)體的位置、大小、形狀及性質(zhì)(構(gòu)造斷層、破碎帶、軟弱帶或夾層、含水或富水等)，達到了解和判斷隧洞開挖面前方地質(zhì)體的性質(zhì)位置及規(guī)模。

判斷圍巖類別原則:

(1)根據(jù)異常區(qū)域圖像相對于圍巖背景，從背景波速分析異常的波速差異，進而判斷圍巖類別；

(2)對圍巖類別的判斷必須與地質(zhì)情況相結(jié)合，綜合分析。

5 綜合超前預報成果與評價

2015年7月，在吉林省中部城市引松供水工程TBM2標段施工時，發(fā)現(xiàn)F23- 2構(gòu)造斷層，TBM卡機，經(jīng)施工處理塌方厲害，經(jīng)有關(guān)方現(xiàn)場商定，采用超前地質(zhì)預報測試。測試方案采用選取的綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)，地表用EH- 4儀器，巖洞軸線及兩側(cè)作地質(zhì)剖面測試。洞內(nèi)用TRT6000儀器對掌子面前放進行超前測試。經(jīng)以上兩種物探技術(shù)手段，測試后成果結(jié)合地質(zhì)調(diào)查與分析綜合解譯，給出預報結(jié)論。如圖1、2所示。

通過地質(zhì)調(diào)查與分析綜合，預報結(jié)論如下：

樁號47+381.2～47+350m段，超前管棚注漿處理區(qū)，實測視電阻率ρs為500～1100Ω·m，為斷裂構(gòu)造F23- 2次生構(gòu)造擠壓破碎區(qū)，圍巖破碎，碎裂-碎屑散體結(jié)構(gòu)，巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖V類為主。

樁號47+350～47+322m段，實測視電阻率ρs為300～500Ω·m，為原斷裂構(gòu)造F23- 2次生構(gòu)造影響區(qū)，巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖破碎，碎裂-碎屑散體結(jié)構(gòu)，圍巖V類為主。

圖1 地面EH- 4洞軸線視電阻率測試剖面圖

圖2 洞內(nèi)TRT6000三維成像側(cè)視圖

序號工作日期樁號準確基本準確不準確定量定性巖性備注1三標段第1次超前地質(zhì)預報2015.7.31～8.1447+450～950▲石英閃長巖2三標段第2次超前地質(zhì)預報2015.12.12～1347+183～072▲石英閃長巖3三標段第3次超前地質(zhì)預報2015.12.1947-068～46+940▲花崗巖4三標段第4次超前地質(zhì)預報2015.12.22～2346+905～46+805▲花崗巖5三標段第5次超前地質(zhì)預報2015.12.28～2946+761～46+48▲凝灰?guī)r6三標段第6次超前地質(zhì)預報2016.1.446+552～46-452▲凝灰?guī)r7三標段第7次超前地質(zhì)預報2016.1.746+424～46+324▲凝灰?guī)r

樁號47+322～47+281.2m段，實測視電阻率ρs為250～300Ω·m，為原斷裂構(gòu)造F23- 2次生構(gòu)造影響區(qū)，巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖較破碎-破碎，圍巖IV～V類為主。

樁號47+281.2～47+110m段，實測視電阻率ρs為120～350Ω·m，為原斷裂構(gòu)造F23- 2主要影響區(qū)。巖體局部裂隙水較發(fā)育，圍巖破碎，碎裂-碎屑散體結(jié)構(gòu)，圍巖V類為主。

樁號47+110m～46+950m段，實測視電阻率ρs為500～1000Ω·m，巖體逐漸變好[10]。

經(jīng)施工通過驗證，本次預報了423m的長度范圍，誤差約在8m之內(nèi)。后接著又預報了6次，施工方反饋見表3。

根據(jù)回訪施工方和監(jiān)理業(yè)主、預報成果與施工揭示對比，綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)在吉林省中部城市引松供水隧洞的實踐應用效果比單項超前預報要好得多。

6 結(jié)語

綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)，選取了洞內(nèi)和洞外立體式的結(jié)合技術(shù)。洞內(nèi)選擇成熟度高的TRT6000超前地質(zhì)預報系統(tǒng)，宜適用于TBM掘進短、中、長距離預報。洞外選擇比較成熟先進的EH- 4系統(tǒng)，宜適用于中、長距離預報，且對富水帶、構(gòu)造、破碎帶，巖溶及軟硬巖體接觸帶等有較好的分辨效果。通過這種立體式的探測結(jié)果與地質(zhì)資料相結(jié)合，得到更加準確、更加真實的探測結(jié)果。

在吉林省中部引松供水工程大量實踐中，這種相對較全面的綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)，發(fā)揮了巨大的優(yōu)越性，為隧洞工程的安全施工提供了準確信息，指導優(yōu)化了工程設計，節(jié)省了勘察資源。