超前地質預報在夾巖水利樞紐工程長石板隧洞開挖中的應用

郭毅 胡畔 劉驊彪

摘要：夾巖水利樞紐工程深埋長隧洞穿越強巖溶地層，地下巖溶管道、暗河發育，水文地質條件復雜，施工安全隱患較大。該工程長石板隧洞果木洼地淺埋段地下水豐富，在施工過程中選擇了TSP203地震反射波+加深炮孔法進行超前地質預報。介紹該方法在輸水隧洞淺埋段的使用情況及取得的效果。結果表明：采用上述超前地質預報方法，安全完成了該段的開挖工作，實際開挖的地質條件與超前地質預報結果相吻合。該方法耗時短、費用低，適合在圍巖地質條件差、地下水豐富地區的隧洞開挖中使用。

關鍵詞：淺埋段隧洞;地質超前預報;地震反射波;隧洞開挖;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：U452.11文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.004

Abstract： The deeply buried long tunnel of the Jiayan Hydro-complex Project passes through strong karst strata where the underground passages and rivers are well developed and the geological conditions are complicated， threatening construction safety. The underground water at the shallow-buried section of Guomu low-lying area of Changshiban tunnel is abundant， the advance geological forecast method using TSP203 seismic reflection plus deepened blasthole was adopted in the construction process. The application of this method in shallow-buried section of the water diversion tunnel and its effect are introduced. The results showed that the excavation was completed safely by using the method， and the actually excavated geological conditions were consistent with the forecasted results. The method is time saving and low cost， which is suitable for the tunnel excavation in areas of poor surrounding rocks and abundant underground water.

Key words： shallow-buried tunnel; advance geological forecast; seismic wave reflection; tunnel excavation; Jiayan Hydro-complex Project;Guizhou Province

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程（以下簡稱“夾巖工程”）是國家重點水利工程，其主要功能是城鄉供水和灌溉，兼顧發電，并為區域扶貧發展和改善生態環境創造條件。該工程灌區輸水隧洞橫穿烏蒙山脈，平均埋深300～620 m（王家壩隧洞長19.2 km，貓場隧洞長15.7 km，水打橋隧洞長20.6 km，長石板隧洞長15.4 km）。該項目位于典型的喀斯特地區，巖石性質和結構復雜多樣，需穿越巖溶地層和地下暗河，水文地質條件復雜，富水地區極可能暴露出富水斷層和巖溶發育，巖溶和地下水問題尤為突出。據統計，當隧洞穿過暗河管道時，最大進水量超過2 m3/s，施工存在較大安全隱患。

夾巖工程長石板隧洞果木洼地淺埋段位于長石板隧洞K8+140～K8+270段（長130 m），埋深40～52 m，隧洞穿越地層巖性為T1yn4中至厚層溶塌角礫巖、泥質白云巖，T1yn4中至厚層灰巖上部夾少量中至厚層泥質白云巖及白云質灰巖。地下水類型為基巖裂隙水、巖溶溶隙水，洞身段處于地下水位以下。

2 超前地質預報技術

目前，在地質條件復雜的隧洞施工過程中大力推行超前地質預報指導施工。由于超前地質預報的方法很多，采用一種方法進行預報容易出現預報結果不準確的情況。現階段，我國隧洞施工中常用“物探法+鉆探法+地質分析法”進行綜合超前地質預報，該方法準確性較高。通過合理的隧洞超前地質預報，能夠減少或避免隧洞施工安全事故的發生，提高隧道工程的經濟效益。

2.1 超前地質預報目的

夾巖工程隧洞總長達185 km，屬于隱蔽工程，受到勘察設計精度和其他因素的制約，單純依靠勘察設計單位前期提交的設計圖紙，無法準確判斷出隧洞前方的地質情況。而在施工過程中，通過超前地質預報可以查明隧洞掌子面前方可能存在的較大不良地質缺陷的規模、空間分布情況等，以便在施工過程中輔助設計單位及時做出正確的處理預案，特別是汛期，可以有效地預測并預防涌水涌泥等突發事故的發生，確保工程施工順利進行，避免安全事故或造成人員傷亡。

2.2 超前地質預報內容

（1）不良地質預測及地質災害預報。預報隧洞掌子面前方未掘進段10～150 m范圍內有無富水、突泥、溶洞空腔等情況，并查明其范圍區域、規模大小、具體性質，提出合理的施工措施或處理建議。

（2）水文地質預報。預報隧洞內富水段突涌水量及可能的變化規律，并評價其對施工環境的影響。

（3）裂隙及其破碎帶的預報。預報裂隙的大致位置、涉及寬度、產狀分布、充填物的狀態是否為充水裂隙，并判斷裂隙穩定程度，提出合理的施工對策。

3 超前地質預報應用

夾巖工程采用地質調查宏觀預測、TSP長距離物探預報、地質雷達短距離物探預報、紅外探水物探預報、超前探孔鉆探預報、加深炮孔鉆探預報等多種方法進行綜合預報，堅持多種預報方法在前，先探測后掘進，力求最大限度查明隧洞不良地質體和地下水狀況，以確保隧洞施工安全[1]。

3.1 超前地質預報方法選擇

根據初步設計提供的地勘資料，長石板隧洞果木洼地淺埋段存在基巖裂隙水、巖溶溶隙水，洞身段處于地下水位以下。在掘進至此段時，提出了以TSP長距離物探預報為主，其他短距離預報相結合的超前地質預報方法。

（1）TSP203地震反射波+地質雷達法。利用地質雷達探測隧洞掌子面前方20 m范圍內破碎帶、空洞效果較好的特點進行組合[2]，但地質雷達無法較準確探明隧洞前方的地下水情況。

（2）TSP203地震反射波+超前探孔法。結合TSP長距離物探的結果，有針對性地布孔，利用地質鉆機對掌子面前方20～30 m范圍進行鉆孔取芯，通過鉆孔效率、出水量大小、沖洗液顏色、巖芯性質判斷隧洞前方圍巖類別和地下水情況[2-3]。通過該方法能準確預判掌子面前方的情況，但由于鉆孔取芯時間較長和價格較高，不利于工期和投資控制。

（3）TSP203地震反射波+加深炮孔法。加深炮孔可與掌子面炮孔同時作業。一般加長鉆桿在掌子面前方6～9 m，可通過鉆孔效率、出水量大小、出水顏色判斷隧洞前方圍巖類別和地下水的情況，該方法鉆孔速度快，價格低，利于控制工期和投資[2-3]。

長石板隧洞果木洼地淺埋段地下水發育豐富，初步設計時已對地質情況進行了勘察，故在施工過程中選擇超前地質預報方法時選用了有利于工期和投資控制的TSP203地震反射波+加深炮孔法。本文主要介紹地震反射波超前預報法（TSP）和加深炮孔法在輸水隧洞淺埋段配合使用及取得的效果。

3.2 TSP203地震反射波超前預報法

沿著隧洞邊墻的巖體內引爆少量炸藥，便可產生地震波信號。在TSP203預報系統中采用高靈敏的具有良好動態響應特性的傳感器和一對21位的模數轉換器，保證該測量系統具有較大的地震波記錄范圍，通過TSPwin軟件處理可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果，以及反射在探測范圍內的2D或3D空間分布。通過分析這些信息能夠對隧洞工作面前方圍巖工程地質情況的性質、位置和規模進行比較準確的探測和預報，可預報隧洞前方100～150 m范圍內及周圍臨近區域的地質狀況。

3.2.1 現場布設及使用過程

（1）鉆孔。接收孔：在長石板隧洞里程K8+080的右邊墻位置布置1個地震波信息接收孔，接收孔直徑為φ50 mm，距掌子面60 m，距第一個爆破孔17 m，孔深約為1.8 m，孔高約1.2 m。爆破孔：在長石板隧洞K8+097～K8+126的右邊墻，第一個爆破孔距接收孔17 m，其余19個爆破孔按約1.5 m的間距布置呈直線分布，分別激發地震波，孔徑約為φ45 mm，孔深約1.5 m。

當接收孔和爆破孔鉆孔完成后，采用孔徑稍小于鉆孔孔徑的PVC管保護鉆孔防止塌孔，埋設完接收器或炸藥后再將PVC管取出。圖1為TSP203地震反射波觀測、接收系統平面示意。

（2）接收器埋設。在現場測試前至少12 h，將特殊接收器套管插入孔中，并將環氧樹脂注入到孔中以使其與周圍的巖體粘結，保持接收器套管和周圍的巖體耦合良好。在現場測試中，將接收傳感器安裝在專用外殼中，并將電纜連接到TSP主機。

（3）炸藥埋設。牢固連接瞬時動力雷管和炸藥，將其插入爆炸孔底部，然后向孔中注水。電雷管的兩根導線在孔的外側連接到雷管。每個爆破孔根據周圍巖石的硬度和完整性以及與接收傳感器位置的距離（爆破孔中的裝藥量約為66～150 g），填充不同數量的乳化炸藥。

（4）試驗數據的采集。收集爆破信號時，應停止周圍300 m之內的所有施工干擾。 地震波從第一個爆破孔（靠近接收傳感器）被激發。記錄器將同時啟動并記錄地震波信號，記錄右壁傳感器的3個分量信號。自動記錄后，地震波會在其他發射孔中激發，并收集現場測試數據，直到記錄最后一次發射。該測試實際上發射了20炮，并記錄了20次地震波數據。

3.2.2 探測數據處理及分析

TSPwin地震數據處理程序主要有12個步驟（數據設置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、炮能量均衡、Q值估計、反射波提取、Q濾波、P波和S波分離、速度分析、深度偏移、反射層提取），反射層提取后，反射層中主要反映探測范圍內幾何空間上的構造物理信息（包括反射強度和反射極性），TSP處理成果的解釋應遵循下述準則。

（1）反射幅度越強，反射系數越大，彈性阻抗的差異越大。正反射幅度表示正反射系數，即堅硬巖石。負反射幅度表示巖石較弱。

（2）如果橫波（S）反射比縱波（P）反射強，則表明在反射巖石中富含有鹽水或飽和水。

（3）縱波波速（Vp）/橫波波速（Vs）增加或泊松比突然增大，通常是由流體的存在而引起。

（4）若縱波波速（Vp）下降，則表明裂隙度或孔隙度增加。

（5）根據TSP預報結果，結合前期TSP預報成果及工程地質資料進行綜合分析，判斷掌面前的地質狀況，推測不良地質體的特征和位置，分析地下水的發生和圍巖的完整性，并預測掌子面前的圍巖類型。

3.2.3 探測結果

結合設計，地勘探測結果為：前方隧洞洞身段巖體埋深淺，巖性主要為溶塌角礫巖、泥質白云巖，遇水易軟化，巖體風化破碎嚴重，以全風化為主，巖體破碎～極破碎，巖質軟～極軟，節理裂隙很發育，裂隙夾黏土，地下水發育。應配合鉆探手段查明水質、水量后制定合理的處理措施。圖2為TSP203地震波探測得到的反射層位及物理力學參數探測結果截圖。

3.3 加深炮孔法

加深炮孔探測是利用風鉆或鑿巖臺車等在隧洞開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質信息的一種方法。加深炮孔探測適應于各種地質條件下隧洞的超前地質探測，尤其適用于巖溶發育區。依靠對鉆進速度和巖渣變化以及鉆孔涌水狀況、水壓、水量、顏色、水質等預測前方圍巖、地下水變化。

3.3.1 現場布設及使用過程

根據長石板隧洞果木洼地段斷面結構形式和不良地質情況，使加深炮孔與掌子面炮孔同時作業，在隧洞每一循環開挖爆破時布置5個加深炮孔并結合200°的外插角探測掌子面前方9 m的圍巖情況。

3.3.2 探測結果

長石板隧洞在里程K8+136使用加深炮孔時，打鉆過程中出現了鉆孔工效降低、鉆孔過程中卡鉆、孔內涌水量增大、孔內涌泥等情況。判斷隧洞前方巖性主要為溶塌角礫巖、泥質白云巖，遇水易軟化，地下水豐富，且涌水量較大，容易發生涌水涌泥等地質災害。

4 超前地質探測預報結果及處理措施

綜合隧洞K8+140～K8+270（130m）段TSP地震反射波超前預報法和加深炮孔法的預報成果，結合掌子面地質隧洞素描和地質勘察相關資料，得到如下結論及處理措施。

（1）在K8+140、K8+154、K8+177、K8+198、K8+218附近存在軟弱夾層或節理密集帶，具備巖溶發育條件，該段位于果木盆地，地勢低洼，地表水豐富，易發生涌水突泥等地質災害，預報該段總體圍巖類型為V類。

（2）根據超前地質預報結果，對施工組織進行了及時調整，封閉掌子面，對掌子面增加超前大管棚灌漿和深孔固結灌漿，改良前方地層的穩定性，為后續施工提供基礎;同時在施工過程中，對前段施工全過程做好監控量測，做好應急預案，確保施工安全。

5 超前地質探測預報取得的效果

夾巖工程長石板果木洼地淺埋段，通過采用TSP203地震反射波+加深炮孔的超前地質預報法，已安全完成了該段的開挖工作，實際開挖的地質條件與超前地質預報的結果相吻合。該方法耗時短、費用低，適合在圍巖地質條件差、地下水豐富的短進尺隧洞開挖中使用。

6 結 語

TSP203地震反射波超前預報法和地質雷達探測預報法均屬于物探法預報，利用波的反射原理和各種特性，通過特殊計算方式預報隧洞前方地質情況，適用于長距離和短距離的地質預報。加深炮孔法屬于鉆孔探測法，可在不單獨占用施工時間的情況下進行，精準度高，適用于短距離地質預報，如遇涌水涌泥地段，可預測涌水量和含泥量等信息。夾巖工程灌區輸水深埋長隧洞施工全段采取TSP203中長距離預報在前，短距離加深炮孔法預報在后的方法，先探后掘。目前洞室開挖已基本完成，預測到較大涌水20余次、涌泥4次，均及時啟動應急預案，避免了安全事故和人員傷亡事故，確保了工程施工的順利進行，并取得較好效果。該工程實踐經驗值得在水利工程施工中推廣應用。

參考文獻：

[1] 晏軍. 巖溶隧道超前地質預報幾種主要物探方法的選擇與實踐[J/OL]. 隧道建設（中英文）：1-12[2020-06-10]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1745.U.20200507.1541.010.html.

[2] 譚信榮. 巖溶地區瓦斯隧道施工關鍵技術研究[D]. 成都：西南交通大學，2010.

[3] 朱勁. 超前地質預報新技術在銅鑼山隧道的應用及綜合分析研究[D]. 成都：成都理工大學，2007.

（編輯：李 慧）