物探检测技术在深埋水工隧洞施工中的应用

2018-01-04，

四川水利 2017年6期

关键词：锦屏岩爆微震

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(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

物探检测技术在深埋水工隧洞施工中的应用

王锋，郑晓红

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

物探检测技术已广泛应用于工程建设中，但每种检测手段都存在一定的局限性，本文从锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中遇到的难题出发，对物探检测技术在解决这些问题时的应用进行总结，分析了各检测技术在本工程应用时的特点及适用性，为同类工程的建设提供参考。

物探检测技术水工隧洞深埋锦屏二级水电站

1 引言

物探检测技术已经广泛的应用于水利水电工程建设过程中，覆盖工程建设的各个阶段。相比较工程建设前期地质勘探及已有结构的各种检测技术，施工期的各项检测技术有其独特的特点。锦屏二级水电站4条引水隧洞平均长16.67km，沿线上覆岩体一般埋深1500m～2000m，最大埋深2525m，常规的物探检测手段在解决深埋隧洞开挖过程中的问题面临各自的不足。本文以锦屏二级辅助洞及引水隧洞为例，以施工过程中出现的软岩大变形及塌方、高地应力引起的硬岩岩爆、岩溶与涌突水等主要工程地质问题为出发点，总结检测技术在反映及解决这些问题时的适用性及发挥的作用，并将这些经验运用到引水隧洞之后的施工中，为工程顺利建设提供了数据支撑。

2 深埋软岩大变形检测

锦屏二级引水隧洞西端在开挖过程中遇到T1绿泥石片岩地层，绿泥石片岩自身强度低、刚度小，而该洞段埋深1700m，地应力高，开挖后出现变形量大、变形持续时间长、松弛深度大等问题。综合断面尺寸测量、松动圈检测、收敛监测等手段，对该段软岩变形持续情况进行判断，有效地指导了该部位支护结构的实施。

2.1 预留变形量

在绿片岩洞段开挖完成后，洞室围岩向洞内产生变形，而且累计变形量较大，变形持续时间长，局部部位隧洞“缩径”现象明显，围岩已侵占隧洞有效断面。隧洞开挖完成后采用全站仪进行断面测量，发现围岩向净空变形大部分在20cm～60cm之间，局部超过1m。同时收敛监测最大累计变形量达到383.28mm，收敛测点累计测值较大部位为边墙下部(DE测线)，其次是左右拱肩之间(BC测线)，顶拱的下沉量相对较小。严重侵占了设计混凝土衬砌净空。通过对各监测断面变形持续时间的统计显示，不论开挖后变形量值大小，开挖变形稳定时间一般在8～12个月。

绿泥石片岩变形洞段各区域地质条件、原系统支护施工质量等情况均有差异，围岩累计变形量也不同。本工程采用Hoek的分级评价方法将围岩变形程度分成以下几类：轻微～中等挤压变形(6cm～32cm)、严重挤压变形(32cm～63cm)、极其严重挤压变形(大于63cm)。根据现场断面测量、变形监测和物探检测等成果，1号引水隧洞大变形洞段引(1)1+635m～1+800m段长约175m，布置78个扫描断面，其中74.36%的断面属于严重挤压变形，23.08%的断面属于中等挤压变形，其它断面为轻微挤压变形，之后通过严格的理论分析确定预留变形量的范围，对各类型洞段进行扩挖加固处理设计。

图1 绿泥石片岩洞段收敛断面典型过程线

2.2 调整支护设计

从松动圈的测试结果显示，绿泥石片岩IV类围岩洞段松弛范围较大，围岩松弛深度普遍较深，在5.4m～13m之间，部分桩号的个别部位松弛深度甚至达到14m，围岩低波速值为3300m/s，平均波速也仅为4300m/s，大范围和高深度的岩体松弛和较低的围岩波速条件均反映了该段软岩的持续变形情况。

由上述松动圈测试成果可知，原松动圈检测断面的设计孔深为10m，可能无法测出绿泥石片岩洞段松动圈的实际深度，后经过综合分析，在部分较差洞段增设松动圈测试孔，孔深为15m。多点变位计测值也同样显示，部分变形较大洞段，埋深10m测点仍有较大变形。所以9m锚杆将无法穿过松动圈，不能很好地发挥加固围岩的作用，对极其严重挤压变形洞段需要采用锚索支护，并增加衬砌厚度，来保证支护结构的长期稳定。

3 深埋硬岩岩爆的检测预报

锦屏二级引水隧洞中段出露白山组大理岩，最大埋深达2525m，地应力高，现场开挖时多次发生岩爆。大理岩段的脆性破坏是引水隧洞沿线最主要的高应力破坏形式，现场主要表现为应力破损、片状破坏、应力节理和岩爆4种形式。各种岩爆类型中影响最突出的是与地质构造直接关联的构造型岩爆，当高应力区域遇到隐性结构面时可能形成大范围岩爆，给施工安全和进度造成很大影响，所以需要检测掌子面前方可能存在的不利地质构造，进而判断发生岩爆的可能性及其等级，提出建议措施。

本工程通过现场试验确定了适合锦屏深埋地质条件检测预报的方法：地质分析+TSP法+地质雷达法。声发射法和微震监测法对检测岩爆有一定的作用，但需进一步完善。

3.1 不良地质条件检测预报

3.1.1 TSP地震波技术

TSP(Tunnel seismic Prediction)技术是一种用于检测预报隧道前方地质变化的地下反射技术，检测时在掌子面后方侧墙上一定范围内布置一排爆破点，依次进行微弱爆破，产生的地震波信号在隧洞周围岩体内传播，当岩体强度(波阻抗)发生变化时，如遇到断层、地下水或岩层变化时，信号的一部分被反射回来。界面两侧岩体的波阻抗差别越大，反射回来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收转化为电信号。

TSP地质超前预报系统将隧洞的掌子面前方划分为四个区域，根据施工隧洞的地质情况和主要结构面的产状，确定爆破孔布置位置。现场实施工序包括：钻孔(爆破孔及接收孔)、接收器埋设及灌浆、炸药埋设、数据采集、数据处理及分析、地质解释。

经过现场实践，TSP对围岩类别、结构面的规模和位置、出水预报准确率33.3%，基本准确占53.3%，两者合计86.6%，不准确占13.4%。TSP在锦屏辅助洞预报有效距离为100m～200m，具有不干扰施工、用时短、预报距离长等优点，对工作面前方遇到与隧洞轴线近垂直的不连续体(夹层、断层破碎带等)的界面，结果准确可靠，但如果不连续体的界面形状不规则或与洞轴线小角度相交，准确度较低；对溶洞及含水层的预报精度也较低，还需综合地质情况、岩体力学参数以及其他方法所取得的资料进行综合分析评判。

3.1.2 地质雷达法

地质雷达是利用反射界面两侧介质相对介电常数的反射系数的大小探测前方不良地质体。表面地质雷达检测是在隧洞左右侧墙、掌子面及底板各布置测线，发现不良地质时，在侧墙或掌子面的另一高程处增加测线，以便准确定位。孔内地质雷达检测时在掌子面布置三个钻孔，钻孔成等边三角形。但地质雷达可探测的距离较短(<30m)，数据处理和资料解释难点较多，需要专业人员作正确判断。同时地质雷达易受隧道中金属物等干扰，影响掌子面前方水体的预报位置和精度。

表面地质雷达对岩性界面、断层主要含水构造反映灵敏，较TSP地震波技术对含水层敏感，与地质分析相结合后，是引水隧洞地质预报的理想仪器。但遇到与洞向夹角小或近平行的结构面时检测不明显；受制于测线的布置，出露在洞顶的结构面无法准确预报；对于缓倾角的结构面在水平面的投影位置也有较大误差。孔内地质雷达占用掌子面掘进时间较长、存在检测期间人员设备安全、解释复杂等问题限制了其在地下工程的应用。

单一的检测手段在地质预报时存在缺陷，为了进一步提高检测预报的准确性和可靠性，须形成多种物探方法互相配合应用、联合判别准则的综合检测方法。经过现场实践表明：TSP长距离预报与地质雷达短距离预报相结合，并结合地质分析后，能够较准确地检测预报不良结构面。

3.2 声发射及微震技术的实践

为了更深入地研究岩爆的发生及发展机理，本工程在2号与3号引水隧洞之间布置试验洞，在3号引水隧洞TBM掘进机通过试验洞时采用声发射法和微震监测技术对检测岩爆发生进行了探索研究。声发射法是监测岩体破裂和岩爆的有效手段，但需事先打孔安装设备，在无平行支洞的情况下难以实施，该方法只能在宏观预报有重大问题时，作为局部的一种预报手段。微震监测技术可以对强岩爆做出一定的预警，但目前还处于试验阶段，尚不能作为生产性预报。

3.2.1 声发射

隧洞开挖时导致围岩破裂损伤，并以弹性波的形式释放能量，利用声发射传感器捕捉弹性波，将岩体的裂纹萌生与扩展、断裂破坏振动转换为电信号，以此分析判断围岩破裂损伤的程度。

图2 声发射钻孔及声发射传感器位置分布

现场实践发现：在TBM掘进机掌子面距离监测中心位置3.5倍洞径前无明显的声发射破裂信号发生；距离-0.5～+0.5倍洞径范围时，围岩变形明显，破裂信号高频率发生，岩体破裂信号以隧洞轴线中心位置呈辐射状向隧洞四周分布。声发射破裂信号主要分布在距洞壁1.5m～5m范围内，其中2m～4m洞壁范围内破裂信号数量最为集中，与声波监测的松弛成果基本一致。据此可将距洞壁0～1.5m范围划为岩体完全松弛区，1.5m～5m范围划为岩体扰动区，5m范围之外划为原岩状态区。声发射法是监测岩体破裂和岩爆的有效手段，但需事先打孔安装设备，在无平行支洞的情况下难以实施。

3.2.2 微震监测技术

微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中，裂纹产生、扩展、摩擦时内部积聚的能量以应力波的形式释放，产生微震事件。

现场在距离掌子面约50m～150m处布置加速度传感器，当传感器探测到掌子面前方区域出现震级和能量较大的事件，或事件发生相对密集，则有可能存在一定的软弱结构面，有发生岩爆的可能。现场检测显示，在岩爆之前，微震活跃程度显著增加，岩体微破裂释放的能量呈上升趋势，累积释放能力开始陡增，高于正常的能量释放水平。根据施工过程中的微震监测结果表明，岩爆发生前微震监测均可记录定位微破裂前兆，多数强岩爆危险区域的位置可以被微震监测系统定位。

4 施工期突涌水及岩溶检测

引水隧洞末端位于可溶岩洞段，近岸坡地下水位变动带局部岩溶较发育，考虑到内水压力较大，工程可靠度要求较高，有必要采用物探手段对隧洞周边岩体质量及岩溶发育进行系统探测。

红外线技术是一种辅助探水的方法，采用在掌子面钻孔测试岩体内部温度，若前方有大范围水体，则该部位岩体温度将受到地下水影响。由于锦屏深埋隧洞岩体温度与地下水温度很低(小于12℃)、温差较小(2℃以内)，且温度受到破碎带、溶洞、含水地层等影响，该方法不适用于在锦屏隧洞内进行突涌水预报。

地质雷达发射的电磁波在经过结构面突涌水或溶蚀通道突涌水带时，其突水带或突水点均具有强反射特征，因此地质雷达在检测富水通道时具有一定优势。溶蚀通道的雷达反射波图象呈“亮点”特征，对于较大规模的溶蚀空腔或充水、充泥岩溶，其雷达反射波同相轴呈“双曲线”形态。不同的地层、岩性、裂隙、岩溶等地质体的雷达图像特征各不相同，需要通过现场实践，总结出合适的判别方法。由于突涌水的发生不仅与富水构造有关，还与地下水的补给、连通性以及围岩岩性、水文地质条件等因素有关，突涌水的发生受到多方面因素的控制，因此在分析与判断突涌水时还应综合多方面因素进行综合分析。