綜合物探法在引綽濟遼工程富水隧洞探測中的應用

吳根生

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179）

綜合物探法具有準確反映地下構造的鮮明特點，在眾多領域都得到了廣泛運用。采用單一的物探方法會對孤立問題的反映存在偏差，易造成漏報、誤報。對隧洞富水區(qū)域進行綜合物探，隧洞內進行TST超前地質預報與CFC超前探水，結合地面高密度電法進行探水，能夠較好完成隧洞地質勘察任務，提高物探結果解譯準確性[1]。

1 工程概況

引綽濟遼2—4號施工支洞與主洞交匯在樁號1+278處，截至2019年11月13日，掌子面樁號1+040～1+278埋深從約40.0 m增加至70.0 m。2—4號施工支洞順坡掘進，坡度10.41%，與主洞交角84°。根據(jù)設計資料，該段內隧洞埋深38.9～68.5 m，覆蓋層為粘土及混合土碎石，厚0～14.3 m?；鶐r巖性為花崗巖，巖質堅硬。洞身在弱風化圍巖中穿過，洞頂板以上全風化帶厚10.5～32.3 m，強風化帶厚3.3～8.5 m，弱風化帶厚16.5～27.7 m，地下水位高于洞頂板33.0～60.0 m。圍巖不穩(wěn)定，為IV類圍巖。洞自2019年8月30日出現(xiàn)涌水，隨著洞身開挖施工，洞身涌水量日漸增大，截至12月末共開挖95.0 m，導致施工進度嚴重滯后，涌水量統(tǒng)計見表1。

表1 涌水量測量統(tǒng)計表L/（min·10 m）

2 綜合物探方法及布置

2.1 TST地震波法

TST（Tunnel Seismic Tomography）是隧洞散射地震成像技術的簡稱，其觀測系統(tǒng)采用空間布置，接收與激發(fā)系統(tǒng)布置在隧洞兩側圍巖中。地震波由小規(guī)模爆破、電火花或沖擊震源產生，并由地震檢波器接收。TST可有效地判別和濾除側面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，避免虛報誤報，同時提供掌子面前方圍巖的準確波速和地質界面位置圖像。波速為巖體的工程類別劃分提供依據(jù)，界面用于地質構造解釋[2]。數(shù)據(jù)通過地震波軟件處理，便可了解隧洞工作面前方不良地質體的性質（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水帶等）、位置及規(guī)模[3]。

在現(xiàn)場沿隧洞兩側圍巖布置TST地震波法觀測系統(tǒng)：1）檢波接收孔8個，S1～S8布置在兩側壁內，每側壁4個，3分量。檢波器間距4.0 m，埋深1.8～2.0 m，離地面約1.5 m。2）炸藥震源孔8個，P1～P8布置在兩側壁內，每側壁4個，其中第1個震源孔P1與檢波器S1、震源孔P2與檢波器S8距離為4.0 m，其余每側震源孔之間距離為16.0 m，埋深1.8～2.0 m，離地面約1.5 m。3）檢波器孔和震源孔均采用手風鉆成孔，鉆頭直徑φ50。采用炮泥耦合和封堵，現(xiàn)場放炮順序P1—P8。TST觀測系統(tǒng)方案布置見圖1。L為最后檢波器離掌子面的距離，該距離控制在5.0 m之內。

圖1 TST激發(fā)與接收位置圖

2.2 CFC電磁波法

CFC（Complex Freqency Conductivity）探測系統(tǒng)是復頻電導率方法的簡稱，屬于電磁波探水技術。巖體是具有電導率與電容率的復頻電導介質，含水后復頻電導率增大，本征阻抗降低，電磁波遇到本征阻抗變化的界面就會發(fā)生反射。使用100 kHz～10 MHz中頻段的電磁波，根據(jù)反射與相干原理，實現(xiàn)掌子面前方圍巖含水位置與含水量的預報[4]。

M1N1，M2N2，M3N3，M4N4等4組接收電極和AB一組發(fā)射電極，分別位于兩側壁上。發(fā)射與接收電極長度都大于2.0 m，埋深1.8 m，間距10.0 m，需要埋入圍巖與圍巖良好耦合。CFC觀測系統(tǒng)方案具體布置見圖2。

圖2 CFC激發(fā)與接收位置圖

2.3 高密度電法

引綽濟遼2—4號施工支洞地下水以構造裂隙水為主，地下水的分布情況與斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶密切相關。根據(jù)以往資料分析，該區(qū)第四系表層電阻率較低，淺層雨水滲入；強風化與全風化花崗巖電阻率隨深度增加而逐漸升高，總體成中低阻反映，弱風化花崗巖電阻率較高，但隨裂隙水入滲成低阻反映。弱花崗巖破碎但未充水，則將成為高阻反映。干燥與含水圍巖的電性差異較大，適宜在地表進行高密度電法探測地下水的動態(tài)分布[5，6]。

此次勘查共布置1條測線，編號ZHI，為沿2—4號施工支洞軸線布置，長537.0 m，樁號范圍0+890～1+427。高密度電法測線參數(shù)見表2。

表2 高密度電法測線ZHI參數(shù)表

3 綜合物探探測成果

3.1 數(shù)據(jù)處理

TST的資料處理流程分為5個步驟，包括資料預處理、觀測幾何系統(tǒng)編輯、方向濾波與波場分離、圍巖波速分布掃描分析、地質構造偏移成像和地質解釋預報等環(huán)節(jié)。CFC室內資料整理及解釋主要有記錄選取、數(shù)據(jù)預處理、觀測系統(tǒng)幾何位置編輯、頻譜歸一化、CFC電磁波速掃描、CFC合成孔徑偏移成像計算等過程。

高密電法采用溫納視電阻率數(shù)據(jù)進行解釋時，首先必須解決地形校正和測深點位置的確定，對視電阻率數(shù)據(jù)進行地形校正和視電阻率補償。處理流程見圖3。

圖3 高密度電法測線ZHI地形校正及資料處理流程

3.2 綜合成果及解釋

此次引綽濟遼2—4號施工支洞綜合物探勘查，隧道內采用了TST超前預報與CFC超前探水，地表采用高密度電法，3種物探方法相互印證，取得很好的解譯成果。綜合前期設計資料，掌子面1+034前方100.0 m內分為5段，綜合物探成果圖見圖4—7。

圖4 地表高密度視電阻率圖

圖5 TST聲波成像圖

圖6 TST聲波波速圖

圖7 CFC超前探水成像圖

1）1+034～1+066，推斷該段圍巖為強風化～中風化花崗巖，呈塊狀～層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差。該段圍巖在0～20.0 m內強含水，水量較大，多為線狀～股狀，在4.0 m，10.0～14.0 m處或發(fā)生涌水。

2）1+066～1+079，推斷該段圍巖為中～微風化花崗巖，巖體呈塊狀～層狀，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，完整性和穩(wěn)定性較前段稍好。該段圍巖含水較少，以滴水為主，局部或有線狀流水。

3）1+079～1+102，推斷該段圍巖為強～中風化花崗巖，呈塊狀～層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性和穩(wěn)定性較差。同時該段圍巖強含水，水量較大，多數(shù)為線狀～股狀，局部發(fā)生涌水可能性較大。

4）1+102～1+122，推斷該段圍巖為強～中風化花崗巖，呈塊狀～層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性和穩(wěn)定性較差。該段圍巖前面5.0 m強含水，以線狀～股狀為主，后面15.0 m含水較少，以滴水為主，局部或有線狀流水。

5）1+122～1+134，推斷該段圍巖為強風化～中風化花崗巖，呈塊狀～層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差。該段圍巖中等含水，水量稍大，以線狀為主。

4 施工驗證

2—4號施工支洞超前預報后進行鉆孔施工，樁號1+037處涌水點在前1條斷層上盤沿陡傾角裂隙涌出；樁號1+042右壁中下部升至樁號1+045邊頂拱發(fā)育斷層，斷層上盤沿陡傾角裂隙涌水，滲水量增加較大。2020年1月7日開始進行20.0 m超前預固結阻水灌漿試驗，試驗區(qū)樁號1+067～1+087，左側拱肩部位鉆孔15.0 m深出現(xiàn)涌水點，涌水量約32 m3/h。以上涌水位置基本印證了綜合物探技術的可靠性。為保證支洞鉆爆施工順利進行，在樁號1+134～1+182進行地表阻水灌漿試驗段施工。同時在主洞TBM擴大洞室段布置2條高密度電法測線，解譯TBM組裝洞室（長80.0 m×寬12.1 m×高15.0 m）布置在斷層破碎帶中，由于組裝洞室事關TBM組裝始發(fā)，采用鉆探補勘進一步探明構造帶影響程度，共計補勘7個孔，鉆孔揭露擴大洞室段共發(fā)育14條斷層，且強風化巖層部分進入組裝洞，對洞室開挖穩(wěn)定影響很大。綜合研判，組裝洞室向上游移動223.0 m，提前采用地表灌漿進行處理，確保后續(xù)鉆爆施工安全，有效化解不良地質因素對擴大洞室鉆爆施工的安全風險。

5 結語

目前，在隧洞等地下工程施工中，超前預報依舊是一項責任重、風險高、難度大的必要工序。單一的地質預報與超前探水有各自局限及多解性，故推薦采取綜合物探的技術方法。引綽濟遼2-4號施工支洞和主洞的綜合物探，就是洞內TST超前地質預報與CFC超前探水結合、隧洞內超前預報與地表高密度電法相結合，對物探解譯不良地質段采用鉆孔勘探詳細勘察，綜合分析、相互印證，能較好探明圍巖情況，為采取相應的工程措施提供可靠依據(jù)，預防隧洞施工“突泥突水”等地質災害發(fā)生。實踐結果表明，這種地面與地下、地震與電法結合的綜合物探方法能夠準確、可靠地對富水隧洞地質進行預報工作，可以為隧洞施工提供有效的參考。