綜合探測方法在隧洞塌方體調查中的應用

  １ 引 言

 

  隧洞開(kāi)挖過(guò)程中遇斷層及斷層影響帶時(shí)，巖體破碎、抗剪強度大大降低、摩擦阻力小、巖體自穩能力降低，使得巖體極易發(fā)生坍塌。當隧洞或地下洞室發(fā)生塌方后，設計需要調查清楚塌方形態(tài)、規模大小、塌方體影響帶地質(zhì)情況，為制定處理方案提供基礎資料。

 

  每種探測方法只能反映地層巖體特定的物性參數，如力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、放射學(xué)等特性參數。根據設計目的、探測方法的特點(diǎn)，制定合適的探測方案。探測工作通?？梢詮亩磧群偷孛鎯煞N方式進(jìn)行。當塌方距地表埋深較淺或全洞被堵死時(shí)可采用地面調查，當塌方距地表較深或洞內具備檢測條件時(shí)采用洞內調查。地面調查可采用地震勘探、地質(zhì)雷達、高密度電法等方法，洞內調查可采用地質(zhì)雷達、地震勘探、地質(zhì)鉆探及鉆孔全景圖像、聲波等方法。

 

  每個(gè)洞室塌方情況及工程地質(zhì)條件往往不同，結合探測方法的應用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，根據具體工程情況選擇多種合適探測方法進(jìn)行綜合探測。

 

  ２ 常用探測方法特點(diǎn)

 

  每種探測方法都是建立在相應的理論基礎上，利用巖體的各種特性差異來(lái)對目標體進(jìn)行探測。只有選擇合適的探測方法，才能獲取最有效的地層參數。

 

  ３ 工程應用

 

  ３．１ 工程概況

 

  在建某水電站導流洞布置于河流右岸，洞室圍巖以Ⅲ類(lèi)為主，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖主要分布在導流洞進(jìn)出口段及斷層帶、小斷層交匯帶、裂隙密集帶和巖脈接觸破碎帶。施工過(guò)程中導流洞出現兩次塌方，體積分別為６６０ｍ３和５３０ｍ３，影響樞紐建筑物及施工安全。因此，須采取有效的加固處理措施，使導流洞塌方段圍巖巖體處于穩定狀態(tài)。

 

  ３．２ 方法選取

 

  由于導流洞布置于右岸，沿線(xiàn)山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然坡度一般在６０°～７０°，相對高差３００ｍ 以上。因此地表調查塌方段情況難以實(shí)施，只能選擇洞內調查。

 

  洞內調查在施工單位對塌方體及其頂拱進(jìn)行了表面噴混凝土封閉、注漿、管棚超前支護等支護工作后，巖體相對處于穩定狀態(tài)后進(jìn)行，以保證探測作業(yè)安全。

 

  塌方體巖體破碎，與穩定巖體主要在波速、電阻率、電磁率等方面存在明顯差異。結合現場(chǎng)測試條件選擇采用地質(zhì)鉆探、鉆孔全景圖像、地質(zhì)雷達法、單孔聲波相結合的綜合探測方法。

 

  ３．３ 工作布置

 

  塌方段布置了Ａ、Ｂ、Ｃ 共３個(gè)斷面，每個(gè)斷面進(jìn)行地質(zhì)鉆探取芯、地質(zhì)雷達點(diǎn)測、單孔聲波和鉆孔全景圖像測試。各個(gè)斷面頂拱、拱腰、拱肩部位布置１個(gè)鉆孔，在Ｂ 斷面兩側邊墻各布置１個(gè)鉆孔。鉆孔孔徑不小于７６ｍｍ；邊墻孔深為１２ｍ，拱頂鉆孔擊穿破碎巖體，一般進(jìn)入完整巖體５０ｃｍ為準；拱頂鉆孔垂直于頂拱弧面切線(xiàn)方向，邊墻鉆孔下斜５°～１０°。

 

  ３．４ 成果分析

 

  ３．４．１ 地質(zhì)鉆探成果

 

  選用２ＰＣ地質(zhì)鉆機配Ф７６金剛石薄壁鉆頭進(jìn)行取芯鉆進(jìn)成孔，總計完成１１個(gè)鉆孔。由于巖體破碎，部分孔段取芯率較低；巖體固結段巖芯呈短柱狀，塌方體內部巖大部分呈顆粒狀，塌方體后部巖芯呈塊狀－短柱狀，圖１、圖２和表２部分鉆孔巖芯照片及描述。

 

  ３．４．２ 鉆孔全景圖像

 

  鉆孔全景圖像法是采用先進(jìn)的ＤＳＰ圖像采集與處理技術(shù)，配合高效圖像處理算法，直觀(guān)取得鉆孔孔壁圖像的方法，可以輔助巖芯鑒定和彌補取芯率不足的缺點(diǎn)。通過(guò)成像以視覺(jué)獲取地下信息，可直觀(guān)、真實(shí)地展示鉆孔孔壁巖層表面特征的優(yōu)點(diǎn)，劃分地層結構、確定軟弱泥化夾層，檢測斷層、裂隙、破碎帶，觀(guān)察地下水活動(dòng)狀況及位置等。

 

  圖３是Ｂ 斷面ＪＣ０３鉆孔全景圖像，同芯樣照片相比，它反映的巖體信息更加豐富、準確。

 

  Ｂ－ＪＣ０３鉆孔０～２．３ｍ 為固結段、較密實(shí)；２．３～５．４ｍ為破碎巖體，裂隙發(fā)育、無(wú)序，碎塊、碎粒狀結構；５．４～８．１ｍ 巖體破碎、裂隙發(fā)育、無(wú)序、張開(kāi)，碎塊、短柱狀結構；８．１～９．４ｍ 巖體較完整，裂隙較發(fā)育、閉合，長(cháng)柱狀結構。

 

  ３．４．３ 鉆孔單孔聲波

 

  由于塌方體位于導流洞頂拱，頂拱鉆孔孔斜向上，測試聲波需要注水耦合，塌方體遇水鉆孔極易塌孔，故僅對邊墻２鉆孔進(jìn)行聲波測試，波速曲線(xiàn)如圖４。

 

  鉆孔揭示河側、山側邊墻巖體巖性不一，河側邊墻為細?；◢弾r，山側邊墻為粗?；◢弾r。河側邊墻松弛深度為４．０ｍ，平均聲波速度在４ ５００ｍ／ｓ，松弛帶以里平均聲波速度為６ １００ｍ／ｓ；山側邊墻松弛深度為２．０ｍ，平均聲波速度在３ ６００ｍ／ｓ，松弛帶以里聲波平均速度為５ ５００ｍ／ｓ。

 

  ３．４．４ 地質(zhì)雷達法

 

  地質(zhì)雷達現場(chǎng)測試條件極復雜：測試面凹凸不平，鋼拱架間距短、僅為５０ｍｍ，頂拱布置有φ１０８管棚、間距為４０ｍｍ，布置大量錨桿。因此地質(zhì)雷達采用點(diǎn)測方式，在兩榀鋼拱之間，沿頂拱弧向布置測點(diǎn)，重復測試避開(kāi)鋼拱、管棚等影響。理論上塌方體地質(zhì)雷達能獲得理想的測試效果，但是受到上述眾多干擾因素的影響，測試圖像對數據分析僅供參考。

 

  ３．５ 探測成果

 

  塌方段地下水不豐富，主要表現為濕潤。此洞段巖體主要受地質(zhì)構造的影響，有小斷層通過(guò)，巖體破碎，加之不利結構面的組合，使其在隧洞開(kāi)挖后形成臨空面，因而在重力作用下形成塌方。

 

  經(jīng)綜合探測表明，此洞段巖體的垮塌深度總體中間較深，兩側相對較淺。其中Ｂ 斷面頂拱部位垮塌深度大于１４ｍ，Ａ 斷面河側邊墻處斷層破碎帶及垮塌體較深，達１４．１ｍ。從探測斷面分析，Ｂ 斷面垮塌較嚴重，范圍較廣；Ｃ 斷面次之；Ａ 斷面除河側邊墻外，總體垮塌較淺。

 

  固結灌漿殼體厚度隨樁號增加而增加，各斷面呈頂拱較厚、拱肩和拱腰較淺的趨勢，頂拱厚度一般在５～６ｍ，拱腰和拱肩厚度一般為０．８～２ｍ，其中Ｃ 斷面頂拱最厚為６．４ｍ，Ａ 斷面各部位均較薄，厚度為０．２～０．７ｍ；固結灌漿密實(shí)度總體較好，局部存在蜂窩狀或空腔，其中Ｃ 斷面頂拱灌漿不連續。

 

  ４ 結 語(yǔ)

 

  １）物探的前提是地下介質(zhì)在某種物理性質(zhì)上存在差異，比如密度、電阻率、導磁率等。任何一種物探方法的能力都是有限的，只能在一定的條件和范圍內使用，然而，每種方法都有自己獨具的特點(diǎn)。多種探測方法的綜合運用，相互驗證，才能避免單一方法的局限性，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢。

 

  ２）通過(guò)實(shí)例應用，采用物探與地質(zhì)相結合的綜合探測方法，分析、研究塌方體等不良地質(zhì)體形態(tài)是成功的，為制定后續處理方案提供基礎資料。

 

  ３）從理論上講，完整巖體與松散破碎巖體之間具有明顯的磁性差異，塌方體經(jīng)過(guò)初步處理之后，存在大量的磁性干擾源，在這樣的復雜條件下地質(zhì)雷達法應用效果大大降低了。