综合物探在隧洞穿越断裂带施工中的应用.pdf

水 电站 设计 D H P S 第2 6 卷第2 期 2 0 1 0年 6月 综合物探在 隧洞 穿越 断裂带施工中的应用 高 翔 中铁 十九局集 团有限公司 ， 北京1 0 0 1 7 6 摘要 简要介绍 了综合物探在 昆明掌鸠河引水供水工程穿越普渡河断裂带的施工中进行超前地质探测 、 指导施工并J fl q 通过 普 渡河断裂带 的应用。 关键词 隧洞 ； 普渡河 断裂带 ； 综合物探 ； 超前地质探测 ； 掌鸠河引水供水工程 中图法分类号 T V5 5 4； P 6 3 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 9 8 0 5 2 0 1 0 0 2 0 0 5 20 4 1 前 言 昆明掌鸠河引水供水工程输水工程～厂口隧洞 5 k m0 0 0 m ～5 k in5 5 0 m 段 穿过普渡 河断裂 带。 普渡河断裂带是工程区规模最大的断裂 ， 属 区域性 活动断裂 ， 据 区域地质调查 仓前幅 ， 它是 由数条 断层组成的断裂带 F ， 呈南北 向展布 ， 断裂带宽 度 2～3 k in。它是一条性质复杂 ， 特征 明显 ， 具压 、 张、 扭力学性质的断裂。该地段地表为沟 ， 沟 内常年 流水 ， 洞轴线东 约 2 0 0～3 0 0 m处有一 山塘 ， 水面高 程约 2 0 0 0 m， 比隧洞高 4 0 m 左右。该段 隧洞埋深 5 0～8 0m 为了解断层性状， 在工程初设及详勘阶段于断层 部位共布置 3个钻孔和 2个探硐进行勘探。根据地 质测绘与勘探资料 ， 断层产状为 N O 。 ～2 5 。 E、 S E或 N W ／8 0 。 ～ 8 5 。 ， 破碎带及影响带在输水线路地段的 总宽约 4 5 0 5 0 0 m 其中破碎带宽约 3 5 0 m 。断层破 碎带为强烈揉皱或破碎的岩层、 碎裂岩、 角砾岩、 糜棱 岩 、 挤压片状岩及断层泥 ， 有大量泥化夹层， 构造透镜 体发育； 透镜体由薄层粉砂岩 、 泥岩构成 ， 其主要结构 面产状与断层产状基本一致。破碎带极松散， 局部呈 土状。布置于该断层带的探硐在开挖过程 中发生严 重的塑性变形 ， 局部 产生流变现象。断层带含承压 水。断裂西盘的地层岩性为寒武系下统的白云岩和 奥陶系下统的薄层泥岩 、 粉砂岩互层 ， 断裂东盘地层 岩性为奥陶系下统的薄层泥岩、 粉砂岩互层。 2 物探方法 5 2 1 高密度电阻率法勘探 主要是探测地表以 下 6 0 m范围内的地质情况、 含水情况 ， 对地震 C T观 测资料 、 T S P超前预报相互补充 ， 进行综合解释。 2 地震 C T勘探 主要是探测地表至隧洞之问 有无破碎带 、 软弱夹层 ， 探 明坍方体的空间形态 。 3 T S P超前地质探测 观测系统布置在隧洞 内， 主要探测掌子面前方 的破碎带 、 软弱夹层 、 富水 带等不良地质。 各种方法观测系统布置及观测范围示意图如图 1所示 墅 兰 D7 9 7 9 6 ⋯ ／ 哥 高密度电阻率 区 二 ． ． ． 、 、成像法探测区 成 、 、 像 、 、 ． 一 ／‘ ’ ⋯⋯⋯_、 ．． -- ．- ‘ 一 ／ 、 ‘ ⋯●●●●●●●●-● 。 、 ． T s P 超前地质预报探测区 ‘ 、 、 | 。 高 密 度 电 阻 率 成 像 法 探 测 区 图 1 综合 物探 观测 系统布 置及观测范 围 3 探测 目的 通过超前预报 及时发现异常情况 ， 预报掌子面 前方不 良地质体的位置 、 产状及其围岩结构的完整 性与含水的可能性 ， 为正确选择开挖断面、 支护设计 参数和优化施工方案提供依据 ， 并为预防隧洞涌水、 收稿 日期 2 0 0 9 0 92 8 作者 简介 高翔 1 9 7 5一 ， 男 ， 内蒙古通辽人 ， l丁程师 ， 主要从事工程施工工作。 突泥 、 突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息， 使工程单位提前做好施工准备 ， 保证施工安全 ， 同时 还可节约大量资金。 4 勘察经过 4 ． 1 高密度电阻率法勘探 4 ． 1 ． 1 基 本原 理 高密度 电阻率勘探是一 种阵列勘探方法 ， 也称 自动电阻率系统 ， 是直流 电法的发展 ， 其功能相当于 三极测深与电剖面法的结合。通过 电极向地下供电 形成人工电场 ， 其电场 的分布与地下岩土介质的电 阻率 P的分布密切相关 ， 通过对地表人工电场 的测 量， 了解地下介质视电阻率P 的分布， 根据岩土介 质视电阻率的分布推断解释地下地质结构 。完整干 燥的岩块视电阻率明显高于断层带或软弱带 内充水 或黏土的围岩 。这种方法原理简单 ， 应用历史较长， 是一种成熟的物探方法。特别是数据采集技术的改 进使勘探速度快 ， 增大了剖面覆盖面积 ， 在强干扰的 环境下明显提高了信噪比， 能更准确地探测地质体。 该方法在工程地质勘探和矿产资源勘查中有着广泛 和成功的应用。 4 ． 1 ． 2 观 测 系统 的布 置 本次高密度 电阻率法探测地表布置两个剖面 ， 其 中一条探测剖 面沿隧洞轴线布置 ， 剖面长 5 0 0 m； 另一条探测剖面沿垂直隧洞轴线方 向布置 ， 以 D 7 9 8 0 3 m为中心向两端各延伸 1 8 0 m， 剖面长 3 6 0 m。 高密度电法勘探电极布置示意图如 图2所示。 图 2 高密度 电法勘探 电极布置示意 本次高 密度电阻率法探测 ， 每条探测剖面都用 施龙贝格和温纳两种方法采集， 数据经格式转换 、 编 辑 、 校正 ， 最后反演成图。电极距为 3 m， 两个剖面分 别布置了 1 6 0和 1 2 0个电极 ， 采集 2 0层。剖面探测 深度为 6 0 m。 4 ． 2 地震 C T勘探 4 ． 2 ． 1 地震 C T勘探的基本原理 地震 C T是工程物探的一种新 的勘探方法 ， 也 称层析成像 ， 是 C T技术在地球物理领域应用的一 个范例。它可以通过从地质体 结构 的外部测量 数据， 准确、 可靠地反演出地质体内部结构的直观图 像 ， 具有分辨率高 、 可靠性好 、 图像直观等特点 ， 是一 种有效的勘探方法。 地震 C T的工作原理与医学 C T类似。医学 C T 是利用 x射线穿透人体 ， 通过射线强度衰减的观测 对人体组织成像。地震 C T是利用地震波射线对地 质体 结构 进行透视 见图 3 ， 通过地震波走时和 能量衰减的观测对地质体 结构 成像。 波 图 3 地震 C T观测 系统布置示意 地震波穿透岩土介质时的速度快慢与岩土介质 的弹性模量 、 剪切模量 、 密度有关 ， 密度大、 强度高的 岩石模量大 、 波速高、 走时短 ， 反之亦然。完整坚硬 的岩体波速高 ， 吸收弱 ， 破碎岩体和松散的土体波速 低 ， 吸收强。孔隙度小 的密实岩体地震波的能量衰 减小 ， 破碎的岩体和松 散的土体能量衰减大。因而 地震 C T图像能可靠地反映各类岩土体的分布界线 及破碎岩体的破碎程度和分布 。地震 C T特别适用 于研究各类地层 、 构造 、 岩体 、 土体 的分布界线及其 力学性状 ， 在工程地质勘查中常被用来探查断裂带 、 密集 节理带 、 含 水带 、 溶洞 、 风化 带等不 良地质体 结构 的位置 、 形态及力学强度等。 随着对地震 C T方法研究的深入和 日益广泛的 应用 ， 地震 C T目前已经发展成为一个方法系列 ， 成 像物理量包括波速 、 能量衰减 、 泊松 比等多种类型 ， 成像方式可以利用直达波 、 反射波 、 折射波 、 面波等 多种形式组合 ， 可利用钻孑 L 、 隧道 、 隧洞 、 边坡 、 山体 、 地面等多种观测条件 ， 进行二维 、 三维地质成像。在 中国西部多山地 区的铁路 、 公路 、 水电建设 中， 地震 C T已广泛地用于线路 、 场址 、 隧道 、 边坡等项 目的工 程地质勘查和病害诊断， 解决众多复杂地质条件问 题 。 4 ． 2 ． 2观 测 系统 的布置 根据本次勘探 目的 ， 在 隧洞 D 7 9 7 0 59 6 5 m 段布置了一条地震 C T勘探剖面。该探测剖面在隧 洞的右侧距轴线 1 ． 6 m处 ， 并且与隧洞的轴面平行。 为保证观测系统的完备性和可靠性， 使观测区 S 3 域内各单元的射线密度和射线正交性达到观测精度 的要求 ， 设计并布置了两组观测系统 。第一组观测 是山上放炮激发隧洞 内接收， 沿 隧洞右边墙在 D 7 9 7 9 6～ 8 8 2 m 段拱腰布置 了9 6个接收点 ， 沿 隧洞 轴线在山上 D 7 97 0 5一9 6 5 m段地面布置炮点 ， 激发点和接收点布置在与隧洞轴面平行 的垂 直面 内。第二组观测是将 接收点和激发点都布 置在 山 上， 检波器布置在 D 7 98 7 1～9 6 5段地面 ， 炮点 布置在 D 7 9 7 0 5～ 7 4 5段地面， 整个观测系统布 置在同一垂直面 内。接收检波器的频率为 1 0 0 Hz ， 使用 G E O P E N公司生产的 S E 2 4 3 2型综合工程勘探 仪记录。炮点排列长 2 5 0 m， 炮 间距 2～4 m， 共 1 1 0 炮。采用 爆炸 震源 ， 激发 点炸药 埋深 1 ． 0 m， 药量 0． 20． 6k g。 4 ． 3 T S P超前地质预报 4 ． 3 ． 1 基本原理 T S P T u n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 是一种新颖 、 快 速 、 有效 、 无损的反射地震技术。它是为隧道超前地 质预报而专 门设计 的， 能在隧道 洞 施工 、 矿藏 开 采 、 洞穴和地下墓穴开挖前提供帮助 ， 其 目的在于快 速地提供在开挖周 围及前方三维空间的工程地质情 况 。 T S P和其它反射地震波方法一样， 采用了回声 测量原理 见图 4 。地震波在指定 的震源点 通常 在隧道的左边墙或右边墙 ， 大约 2 4个炮点布成一条 直线 ， 用小量炸药激发产生 。地震 波在岩石 中以 球面波形式传播 。当地震波遇到地质物性界面 即 波阻抗差异界面， 例如断层 、 岩石破碎带和岩性变化 等 时， 一部分地震信号反射回来， 一部分信号透射 进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地 震检波器接收。反射信号的传播时间和反射界面的 距离成正 比， 故而能进行一种直接的探测 。 采集的 T S P数据 ， 通过 T S P w i n软件进行处理。 T S P w i n软件处理流程包括 1 1 个主要步骤 ， 即 数据 设置一带通滤波一初至拾取一拾取处理一炮能量均 衡一Q一估计一反射波提取一Ps波分离一速度 分析一深度偏移一提取反射层。通过速度分析 ， 可 5 4 图 4 T S P地 震勘 探原 理 以将反射信号的传播时间转换为距离 深度 。处 理结果可 以用与隧道轴 的交角及 隧道工作 面的距 离来确定反 射层所对 应 的地 质界 面的空 问位置 ， 并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释 地 质体的性质 。通过 T S P wi n软件处理 ， 可 以获得 P 波 、 S H波 、 S V波 的时间剖 面、 深度偏移剖面 ， 提取 的反射层 、 岩石物理力学参数 、 各反射层能量大小 等成果 ， 以及反射 层在探测 范围内的 2 D或 3 D空 间分布 。 T S P探测成果的解释， 遵循 以下准则 1 正反射振幅表 明硬岩层 ， 负反射 振幅表 明 软岩层 。 2 若 s波反射较 P波强 ， 则表明岩层饱含水。 3 V p ／ V s 增加或 6突然增大 ， 常常由于流体的 存在而引起。 4 若 下降， 则表明裂隙或孔隙度增加。 根据上述准则再结合反射特征， 便可探明围岩 中岩石的软弱 、 破碎、 节理裂隙发育情况， 以及溶洞 和含水情况。 4 ． 3 ． 2观 测 系统的布 置 根据隧洞的具体情况 ， 炮点设置在隧洞左边墙 往掌子面方向看 ， 共 2 4个 ， 炮点之问距离 1 ． 5 m， 深度 1 ． 5 m， 第 1个炮点里程为 D 7 9 9 1 6 ． 5 m。接 收器 检波 2个 ， 分别位 于隧洞左 、 右边墙 ， 深度 2 m， 第 1个位于隧洞左边墙 与同侧 的第 1个炮点距 离 1 5 m， 第 2个接收器位于右边墙。 5 探测结果及施工建议 本次勘探采用 了地震 C T、 高密度 电法 、 T S P地 质超前探测等综合方法对掌鸠河引水供水工程一厂 口隧洞普渡河断裂进行勘探 。通过对综合物探数据 的分析、 处理、 解释， 结合工程地质资料综合分析， 提 供 了隧洞标高以下及施工开挖面前方 的地质情况 ， 查清了隧道所处围岩的工程地质结构。本次勘探达 到 了预期 目的。 探测的主要结果可以归结如下 1 勘探范围内隧洞处于普渡河断裂带， 断裂 带内岩体破碎 ， 构造复杂 ， 隧道穿越处的普渡河断裂 带宽度约 5 0 0 m； 断裂带由多条大致平行的小断裂组 成。主断裂走向 N 0 。～ 2 5 。 E， 倾 向 s E或 NW， 倾角 8 0 。 ～ 8 5 。 ， 其走向代表了区域构造线的方向， 隧洞轴 线与构造线呈大角度相交 ， 围岩稳定性 主要受岩性 和构造的控制。 2 断裂带主要为强烈揉皱或破碎的岩层、 碎 裂岩、 角砾岩 、 糜棱岩 、 挤压片状岩及断层泥， 有大量 泥化夹层。构造透镜体为薄层粉砂岩、 泥岩， 其内的 主要结构面的产状与断层 的产状一致 ， 岩 土 体结 构类型属散体结构 、 碎裂结构 ， 工程地质条件恶劣 ， 围岩稳定性差。 3 地表 常年有 流水 ， 隧洞设计时 的地勘钻孔 资料显示 ， 该段地下水丰富 ， 地下水位较高 ， 地下水 对 围岩有软化作用 ， 增强了岩体的流塑性 ， 开挖过程 中易形成突泥涌水 、 片帮和 冒顶。 4 厂口隧洞上覆 围岩按工程地质结构可分为 三类 一类是地表松散土 、 断层破碎带内属碎裂结构 和散体结构 的岩 土 体 ， 岩 土 体 自身极不稳定 ， 属非稳定性 区， 主要分布在浅层和断裂破碎带内； 第 二类是强风化围岩 ， 节理 、 裂隙发育， 围岩稳定性较 差， 隧洞围岩以此类为主； 第三类是中风化岩体， 属 较稳定区 ， 在本次探测区域内范围较少 。 5 普渡河 断裂属深大活动断裂 ， 根据 T S P超 前地质探测结果显示 ， 在隧洞基础以下仍有许多软 弱夹层 ， 推断该段隧洞基础稳定性差 。 6 进行隧洞施工时 ， 应进行超前注浆支护 ， 及 时采取堵、 排水措施， 并加强支护和加大支护强度， 预防发生坍塌而涌水。对涌水量较大的地段 ， 施工 时对水的处理要防排结合 ， 综合治理 ， 过多的排水会 引起泥沙流失 ， 围岩失稳 ， 衬砌后及时进行 充填注 浆 ， 对隧洞十分破碎地段 的基础部分也要注浆加 固， 确保隧洞的质量和施工安全。 6 结 语 要推动隧洞超前预报水平， 提高预报准确度， 就 必须将地质调查方法与多种物探方 法有机结合起 来 ， 对地质物探资料进行 系统处理和综合分析。其 工作方法和主要内容为 1 收集 、 熟悉地质 资料。了解工程 区 内宏观 的地质环境、 大型构造形迹的发育分布规律， 以及工 程围岩所处的具体构造部位 、 岩体的结构特征 、 节理 裂隙发育程度 、 岩体完整性 、 岩石 体 强度 、 地下水 状态等 ； 掌握全隧洞的地质背景 ， 指出存在的不 良地 质 问题和地段 ， 还要知道各段围岩的稳定程度 ， 可能 发生地质灾害的位置、 规模 、 性质和防治措施 ， 目的 在于保证隧洞施工设计 、 施工方法和措施能顺应地 质情况的变化适时做出调整和修改。 2 施工地质编录。对 已开挖洞段地质状态作 详细真实的描述 ， 可作为超前预报的依据 ， 内容包括 岩性 、 岩石坚硬程度及完整情况 、 断层及破碎带 、 节 理裂隙 、 地下水状态 、 不 良地质现象等。 3 围岩特性测试。根 据工程需要 ， 对 岩石的 物理力学特性进行补充测试 ， 如岩石点荷载强度 、 岩 石 回弹值、 岩体弹性模量 、 软弱面剪切强度等 ， 有时 还应进行初始地应力和二次应力场 的测试等 。上述 数据是预报围岩稳定性的重要参数 。 4 地球物理探测。根据岩体不 同物理性质量 测一定距离以内其物理力学参数 的变化 ， 据此判 断 出隧洞工作面前方的地质情况。采用多种物探仪器 进行超前探测， 常用的物探方法有地震 C T 、 高密度 电法 、 T S P地质超前探测系统等技术 。 5 地质物探综合分析。以地质工程师为主与 物探及相关工程技术人员组成施 工地质组 ， 对上述 地质和物理探测资料进行整理和综合分析， 最后做 出施工面前方不 良地质问题的预测 、 预报 。 参考文献 [ 1 ] 建设综合勘察研究设计 院主编 ． GB 5 0 0 2 1 2 0 0 1 岩 土工 程勘 察规范 [ s ] ．北京 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 水利部水利水电规划设 计总 院主持 ， 水利部 长江勘 测技术研 究所 主编 ． S L 2 4 51 9 9 9 水利水 电工程地质 观测规程[ S ] ． 北 京 中国水利水 电出版社 ， 1 9 9 9 ． 。 一 }简讯 。 一 雅鲁藏布江下游水电规划第一阶段 基础地质专题研究报告咨询会在京召开 2 0 0 9年 ， 成都院承担了雅鲁藏布江下游水电规划第一阶段基础地质专题研究工作， 并按合同要求完成了 雅鲁藏布江下 游水电规划第一阶段基础地质专题研究报告 。2 0 1 0年 3月 1 9～ 2 2 13， 在北京由中国水利水电建设工程咨询公司主持， 对该 专题研究报告进行了咨询， 研究报告受到了专家的高度评价。 会议听取了成都院关于 雅鲁藏布江下游水电规划第一阶段基础地质专题研究报告 的汇报， 并分别听取了合作单位中 国地质大学 、 成都理工大学、 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所、 中国地震局地球物理研究所的汇报， 随后与会专 家对成都院提交的专题报告进行了讨论。 咨询会认为， 在短短的一年时间内， 通过详细、 科学的策划、 认真组织， 成都院与合作科研院所在艰险复杂的工作环境中， 克服了常人难以想象的困难 ， 经过大量的野外和室内工作， 全面完成了合同规定的任务， 各研究专题取得了丰硕的成果 ， 是迄 今为止国内第一份围绕雅鲁藏布江下游水电规划有关区域地形地貌、 地层岩性、 地质构造、 断裂活动性、 区域构造稳定性、 河 段物理地质现象及水电工程地质等方面的较全面、 系统的研究成果 ， 主要结论合适 ， 必将成为今后开展该河段水电规划设计 工作的重要基础。会议对下一阶段工作提出了宝贵的指导意见。 本刊编辑部 5 5