超前探测技术在鄂北工程隧涧安全预警中的应用.pdf

2017.22中国水利 科研与设计 超前探测技术在鄂北工程隧涧 安全预警中的应用 司培育，包 丹，蔡新明 鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（ 筹） ， 430071， 武汉） 摘 要 鄂北地区水资源配置工程输水隧洞长， 安全隐患多， 为做好隧洞开挖安全预警工作， 运用物探技术具有 物性参数多、 成本低、 效率高的优势， 将地面探测和掌子面探测技术相结合， 采用地面电阻率法、 地面双源面波 法、 掌子面反射地震法、 掌子面瞬变电磁法等超前探测技术， 经过方法论证、 现场试验、 探掘验证， 初步形成了一 套适合鄂北工程隧洞施工的综合超前探测方法， 为鄂北工程隧洞后续施工超前探测安全预警提供了技术支撑。 关键词院鄂北地区水资源配置工程； 隧洞； 物探技术;安全预警 Adoption of advanced detection technology for safety pre-warning in tunnel construction of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province//Si Peiyu, Bao Dan, Cai Xinming Abstract Water Allocation Scheme in North Hubei Province has long water diversion tunnels with potential safety hazard. In order to have proper safety pre-warning for excavation of tunnel, ground detection and tunnel face detection are combined so as to take their advantages of having more parameters, low cost and high efficiency. Detection technologies such as ground resistivity , dual source surface wave , reflection seismic and transient electromagnetic in tunnel face are employed. With approval of ologies, on-site experiments and digging tests, a series of comprehensive advanced detection s have been developed for tunnel construction, so as to provide technical support for safety pre-warning. Key words Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province; tunnel; geophysical technology; safety pre-warning 中图分类号TV68P631 文献标识码B 文章编号院1000-1123201722-0019-04 鄂北地区水资源配置工程输水 隧 洞 总长约120 km， 占整个工程线路 总 长 的 4 4 ， 为 埋 深 3040m 的浅埋 隧洞。隧洞施工过程中存在着强风化 岩土体的变形破坏、 洞室围岩变形破 坏 、 隧洞局部突水突泥等不良工程地 质问题。因此， 如何保障隧洞开挖的 安全施工成为工程进行中亟须解决 的问题。为保障隧洞开挖的安全施 工 ， 鄂北局会同有关科研单位对鄂北 工程隧洞开挖过程中超前探测及安 全预警技术进行了研究。 通过综合比较， 地质超前预报技 术中钻孔探测、 导坑探测等方法存在 施工成本过高、 横向探测范围小以及 在隧洞工作面实施水平超前钻探对 隧洞施工影响 大 等 缺 点 ，与其相比 地 球 物 理 探 测 技 术 具 有 探 测 成 本 低 、施 工 效 率 高 、探测范围广的优 势 ，可用于解决鄂北工程隧洞施工 实际问题。项目研究采用直流电法、 瞬变电磁法、 地震波 法 的 “ 综合超前 探测技术 ”进行数据采集和汇总分 析 ，找出隧洞围岩特征与探测特征 参 数 （ 电性、 磁 性 、 波 动 特 性 ） 的对应 关系及可 能 产 生 的 危 害 ，取得了一 些超 前 预 警 预 报 成 果 ，形成一套适 用于鄂北工程隧洞不同地质条件下 综合物探 超 前 探 测 方 法 技 术 ，保障 了隧洞的正常开挖。 一、 隧洞超前探测试验 1 . 试验方案设计 根据前期设计资料分析与现场踏 勘结果， 本项目选定的工区为纪洪、 兴 隆一万福、 唐县一尚市3 座隧洞， 每座 隧洞各取有代表性的地段进行探测。 本文主要针对唐县一尚市隧洞进行研 究分析，工区选择在里程170〜 174段 ， 岩性主要为片岩、 片麻岩， 局部有构造 发育， 围岩不稳定至极不稳定。 2测线设计 根据探测目的和隧洞具体的地 形 、 工 程 地 质 特 征 ， 采用地面与洞内 探测相结合方式， 即沿隧洞轴线和掌 收稿日期 2017-10-11 作者简介司培育， 工程师。 1 9 水 科研与设计 CHINA WATER RESOURCES 2017.22 子 面 采 用 相 应 物 探 方 法 探 测 ， 将 地 面 和 洞 内 物 性 参 数 联 合 分 析 和 解 释 。测 线 布 置 示 意 轴 线 剖 面 见 图 1 ，瞬 变 电 磁 超 前 探 测 水 平 测 点 布 置 见 图 2 。 1 隧洞轴线测线设计 地 面 测 线 起 点 距 当 前 掌 子 面 后 退 5 0 1 0 0m， 即 从 已 知 到 未 知 ， 用 已 开 挖 段 的 资 料 建 立 物 性 联 系 与 标 准 。 测 线 方 向 一 般 沿 隧 洞 轴 线 ， 测 点 距 3 5 m。 测 线 遇 障 碍 物 时 如 河 流 可 平 移 并 增 加 垂 直 检 查 测 线 。 2 掌子面测线 掌 子 面 测 线 利 用 当 日 掌 子 面 空 间 布 置 ， 瞬 变 电 磁 采 用 扇 形 测 线 ， 布 置 多 方 向 。地 震 反 射 沿 掌 子 面 和 边 墙 布 置 成U形 系 统 。 二、 唐县要尚市隧洞超前 探测试验应用 试 验 工 区 选 择 在 唐 县 一 尚 市 隧 洞 进 口 1 7 2 4 4 4 1 7 2 7 7 1 段 ， 该 段 为 低 山 丘 陵 地 形 ， 地 表 为 第 四 系 全 新 统 冲 积 坡 积 土 ， 部 分 为 基 岩 裸 露 ， 隧 道 埋 深 3 4 5 8m。 本 段 试 验 目 的 院 ① 获 取 表 面 土 层 ， 片 岩 、 片 麻 岩 层 的 波 速 、 电 阻 率 物 性 参 数 。 ② 对 掌 子 面 前 方 岩 体 的 完 整 性 、 结 构 裂 隙 发 育 、 含 富 水 性 探 测 评 价 。 ③ 分 析 面 波 法 及 直 流 电 法 探 测 到 的 深 度 ， 并 对 深 部 岩 层 进 行 分 辨 。 1.隧洞工程地质条件 唐 县 一 尚 市 隧 洞 位 于 输 水 线 路 桩 号 为 1 5 8 1 2 0 1 7 4 6 7 0 ，连 续 长 度 16.55 km。 进 口 底 板 高 程 117.94 m， 出口 底 板 高 程 116.44 m， 纵 坡 为 111 000, 沿 程 输 水 流 量 为 20.2m3/s。 隧 洞 最 大 埋 深 79 m， 平 均 埋 深 49 m。 隧 洞 横 断 面 形 式 为 马 蹄 形 ，过 水 断 面 净 宽 5.8 m， 开 挖 洞 径 6.6耀 7.4m。 试 验 段 （ 171 350174610隧 洞 长 3.26 km， 综 合 判 定 为 芋 类 围 岩 ， 局 部 稳 定 性 差 。 围 岩 为 下 元 古 界 万 和 店 群 狮 子 口 组 灰 绿 色 、 灰 白 色 白 云 纳 长 片 麻 岩 ， 呈 弱 风 化 状 。岩 体 透 水 率 为 1.474.63Lu， 为 弱 透 水 。 上 覆 岩 体 厚 3 0 7 0m。 该 段 岩 石 单 轴 饱 和 抗 压 强 度 为 32.0MPa弱 风 化 ） ， 饱 和 吸 水 率 0 . 6 5 ， 岩 石 强 度 为 中 硬 岩 ；岩 体 完 整 程 度 为 较 完 整 ； 结 构 面 状 态 起 伏 粗 糙 ，裂 隙 宽 度 1 5 mm， 石 英 脉 充 填 曰 地 下 水 活 动 状 态 为 渗 水 或 滴 水 。 2.数据采集与处理 试 验 工 作 安 排 在 2 0 1 6 年1 0 月 1 8 日 ， 该 日 掌 子 面 已 开 挖 至 里 程 172494。 掌 子 面 岩 性 为 片 岩 、 片 麻 岩 ， 岩 体 节 理 裂 隙 发 育 有 充 水 ， 拱 顶 有 淋 水 ， 部 分 岩 体 遇 到 水 软 化 。 掌 子 面 为 整 断 面 开 挖 ，岩 体 自 稳 性 尚 可 ， 掌 子 面 拱 顶 位 置 的 岩 体 有 失 稳 掉 块 现 象 ， 围 岩 等 级 郁 级 。 根 据 现 场 踏 勘 情 况 ，采 用 地 面 与 掌 子 面 探 测 相 结 合 ，综 合 多 种 物 探 方 法 探 查 方 案 ， 即 在 地 表 沿 隧 洞 轴 线 布 置 测 线 ， 选 用 面 波 法 、 高 密 度 电 法 等 方 法 进 行 探 测 曰 利 用 掌 子 面 空 间 ，采 用 反 射 地 震 法 和 瞬 变 电 磁 法 进 行 探 测 。 1 地面高密度电阻率与面波法 数据采集 ① 地 面 直 流 电 阻 率 法 测 线 沿 隧 洞 轴 线 布 置 ， 测 线 里 程 范 围 172444〜 172771，测 线 长 度 327 m，测 点 距 3 m， 共 完 成 测 点 1 1 0 个 ， 测 线 方 向 自 小 里 程 指 向 大 里 程 。 ② 地 面 面 波 法 测 线 沿 隧 洞 轴 线 布 置 ，测 线 里 程 范 围 1 7 2 4 4 4 1 7 2 694,测 线 长 度 250 m， 测 点 间 距 2 m， 共 完 成 测 点 1 1 0 个 。测 线 方 向 自 小 里 程 指 向 大 里 程 ； 1 7 2 4 4 4 1 7 2 6 0 0 里 程 范 围 使 用 夯 机 震 源 ， 172600172 7 7 1 里 程 范 围 使 用 人 工 锤 击 激 震 。 唐 县 一 尚 市 1 7 2 4 4 4 1 7 2 7 7 1 段 地 面 测 线 布 置 见 图 3 。 2 掌子面反射地震与瞬变电磁 数据采集 当 日 掌 子 面 里 程 172494。 瞬 变 电 磁 法 采 用 扇 形 观 测 系 统 自 左 到 右 布 置 1 2 个 点 ， 每 点 两 个 探 测 方 向 水 平 、 斜 向 拱 顶 45毅 见 图 4 -a。 掌 子 面 反 射 地 震 法 在 掌 子 面 上 等 距 布 置 7 测线方向------ 测线起点 面 ■地面测线--------掌子测线_ 瞬变测线 图 1测线布置示意轴线剖面图 a水平方向扇形测线布置b竖直方向扇形测线布置 图2 瞬变电磁超前探测水平测点布置 水2 0 2017.22中国水利 科研与设计 个接收点， 点 间 距 lm ;在掌子面的两 边和掌子面布置震源激发点， 从右边 墙一掌子面一左边墙顺序逐次激发， 激 发 点 数 19个 ， 左 右 边 墙 各 6 次 ， 掌 子 面 7 次见图4-b。 三、 探测结果分析与解释 1.地面面波与电法结果分析与 解释 通过地面面波与电法探测对唐 县 一 尚 市 隧 洞 172444172771段 工程地质条件进行分析和解释如下院 从面波速度剖面与隧洞的对应关 系得知， 隧洞所经过的位置均为面波相 对高速区且速度较均匀。 当前掌子面已 开挖揭露的岩体完整性较差， 主要为弱 风化，局部有强风化的节理裂隙面， 故 可解释认为探测段内岩体主要为中等 至弱风化， 且风化程度相对均一。 根据电阻率剖面与隧洞的位置 关 系 ，对比电阻率的横向和垂向变 化 ， 可见在隧洞所经过的位置， 电阻 率横向不均匀， 根据电阻率高低特征， 将探测段划分为6 段分别解释分析。 ① 172444172495 里 程 范 围 ， 该段隧洞已开挖。该面为白云钠长片 岩 、 灰 白 色 夹 棕 红 色 ， 呈强一弱风化 状 ， 岩质较软， 遇水易软化， 该洞段主 要发育片理，产 状 N60WSW蚁15毅， 拱顶至两侧拱肩沿片理掉块甚至坍 塌 ， 该 段 围 岩等级主体为芋类， 局部 为郁类。该段电阻率值中等偏高， 可 将该段电阻率值与岩体完整性建立 对应关系， 并用于未开挖段的围岩等 级及完整性的对比分析。 ② 172495172595里程段电阻 率整体相对较低且杂乱。其 中 ， 172 495172538里程段面波速度和电阻 率均整体有减小趋势， 且和浅部低阻 区沟通，可见该段岩体完整性变差， 节 理 裂 隙 发 育 ， 裂 隙 含 水 增 强 ， 围岩 等级郁级； 172538172595段的深 部存在低阻异常区， 且与浅部低阻带 沟 通 ， 该段岩体裂隙发育， 较 破 碎 ， 风 化程度高， 完整性差， 裂隙充水明显， 围岩等级郁V 类 。 ③ 172592172689 里 程 范 围 ， 该段地表至洞身范围内电阻率值均 较 高 ，可认为该段岩体完整性较好， 无较宽的裂隙破碎带，风化程度低， 裂隙水较少， 围岩等级为芋级。 ④ 172689172715 里 程 范 围 ， 该段洞身范围电阻率整体较高， 但与 唐县一尚市隧洞 图3唐县一尚市172444〜 172771段地面测线布置图 图4唐县一尚市掌子面超前探测布置图（ 里程172494 172494 探测解释剖面 唐县一尚市隧洞 172554 图 5唐县要尚市隧洞掌子面地震与瞬变电磁探测剖面及解释里程172194 21 水 科研与设计 CHINA WATER RESOURCES 2017.22 浅部低阻区有联系。认为该段岩体完 整 性 较 好 ， 裂 隙 水 相 对 增 强 ， 围岩等 级为芋郁级。 ⑤ 172715172771 里 程 范 围 ， 该段整体电阻率高且均匀， 认为该段 岩体完整性较好， 无较宽的裂隙破碎 带 ， 风化程度低， 裂隙水较少， 围岩等 级为芋级。 2.掌 子 面 反 射地震与瞬变电磁 法结果分析与解释 通过反射地震剖面中的反射界 面来解释掌子面前方岩体的岩性变 化 带、 裂隙带等不均一地质体。可利 用瞬变电磁的低阻区来分析前方的 裂隙含水程度见图5。 据此， 本段掌 子面超前探测解释如下 ①掌子面前方存在多组较为明显 的反射界面，在 里 程 172504、 172 514、 172525、 172531、 172554 处提 取 出 6 组反射界面，认为在反射界面 处的岩体裂隙节理发育， 岩体较破碎， 完整性较差。 ②掌子面前方整体电阻率较高， 仅 在 172508172520段 存 在 局 部 低阻异常区， 认为该段裂隙水整体不 丰 富 ， 涌 水 现 象 发 生 概 率 小 ， 但在低 阻异常区内裂隙水相对增多。 四、 成果分析 根据现场探掘验证表明， 探测解 释地质条件与隧洞实际开挖后基本 一 致 ， 对隧洞的安全开挖起到较好的 指导作用。探测成果超前圈定了较大 规模的不良地质体破碎带、 强风化 带 、 富含水区等） ， 进一步细分了围岩 等级单元， 有助于施工中提前采取合 理的开挖和支护方式， 起到了较好的 安全预警作用。 ■ 参考文献 [1]崔建文，乔 森 .瞬 态 面 波 勘 探 技 术在工程地质中的应用[ J].岩土工程 学报，1996, 183. 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[8] 方前发，张宏兵. 电法勘探方法 在水文和工程地质中的应用[ J].大众 科技， 20064. 责 任 编 辑 韦 凤 年 上接 第 6 7 页） 1. 严格依照合同加强质量管理, 增强参建各方信守合同意识 通过合同条款约束督促参建单 位主要管理人员的到位， 依照合同处 罚 ； 通 过 约 谈 、 通报批评直至以及部 门给予不良行为记录的方式督促各 参建单位人员到位。 2. 严 格 落 实 监 督 检 查 制 度 ， 习 惯在监督下工作 项目法人和所有参建单位要主 动接受上级主管部门和质量监督机构 的监督，把上级主管部门提出的质量 问题作为改进和提高质量管理工作的 动力， 主动做好质量问题的整改。 3. 设计单位 要 发 挥 龙 头 和 技 术 保障作用 督促设计单位落实现场设代制 度 ，项目实施过程中相关专业设代人 员必须长驻工地，跟踪工程设计方案 落实情况， 并根据施工中出现的问题， 及 时 调 整 设 计 方 案 ，特别是基础开 挖 、 洞室岩石开挖的不良地质条件处 理 ， 同时参与工程施工质量评定工作。 4. 参 建 各 方 加 强 沟 通 协 调 ， 形 成质量管理工作合力 设计单位要和工程施工紧密配 合 ， 及时 组 织 设 计 交 底 ， 对工程前期 工作中的设计缺陷及时进行修正， 并 结合工程沿线地形、 地质等外部条件 优 化 设 计 ， 便 于 施 工 ， 方便今后的运 行 管 理 ；监理单位要充分运用好旁 站 、 巡视 、 跟踪和平行检测等手段， 做 好质量控制， 并及时提醒施工单位做 好质量通病的预防措施曰充分发挥平 行检测、 法人抽检的作用。 5. 加 强 质 量 行 为 管 理 ， 以行为 质量保实体质量 全面落实质量责任制， 明确每个 标段、 工区、 作业队、 施工班组的质量 责任人并明确其岗位职责， 保证质量 责任落实无盲点;重视施工技术方案 的审查， 重要的施工技术方案应邀请 相关专业的专家参加， 必要时对质量 评定的方法进行调整曰重视质量管理 的技术交底曰要加强工程质量检测管 理 ， 通 过 平 行 检 测 和 法 人 抽 检 ， 保证 施工自检的真实性，把好原材料、 中 间 产 品 质 量 关 ， 同步采用回弹、 抽芯 等方式检验实体质量。 6.积极探索新型建设模式 在鄂北工程已经采用的代建制、 设计施工总承包、 施工图审查等新的 建管模式基础上，进一步总结提炼， 为水利工程新型建管模式的推广应 用提供鄂北经验。 ■ 参考文献 [1] 陈雷.积极践行新时期治水思路 奋力开创节水治水管水兴水新局面 [ J].中国水利， 20152. 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