综合探测方法在隧洞塌方体调查中的应用

  １ 引 言

 

  隧洞开挖过程中遇断层及断层影响带时，岩体破碎、抗剪强度大大降低、摩擦阻力小、岩体自稳能力降低，使得岩体极易发生坍塌。当隧洞或地下洞室发生塌方后，设计需要调查清楚塌方形态、规模大小、塌方体影响带地质情况，为制定处理方案提供基础资料。

 

  每种探测方法只能反映地层岩体特定的物性参数，如力学、热学、电学、声学、放射学等特性参数。根据设计目的、探测方法的特点，制定合适的探测方案。探测工作通常可以从洞内和地面两种方式进行。当塌方距地表埋深较浅或全洞被堵死时可采用地面调查，当塌方距地表较深或洞内具备检测条件时采用洞内调查。地面调查可采用地震勘探、地质雷达、高密度电法等方法，洞内调查可采用地质雷达、地震勘探、地质钻探及钻孔全景图像、声波等方法。

 

  每个洞室塌方情况及工程地质条件往往不同，结合探测方法的应用条件及优缺点，根据具体工程情况选择多种合适探测方法进行综合探测。

 

  ２ 常用探测方法特点

 

  每种探测方法都是建立在相应的理论基础上，利用岩体的各种特性差异来对目标体进行探测。只有选择合适的探测方法，才能获取最有效的地层参数。

 

  ３ 工程应用

 

  ３．１ 工程概况

 

  在建某水电站导流洞布置于河流右岸，洞室围岩以Ⅲ类为主，Ⅳ、Ⅴ类围岩主要分布在导流洞进出口段及断层带、小断层交汇带、裂隙密集带和岩脉接触破碎带。施工过程中导流洞出现两次塌方，体积分别为６６０ｍ３和５３０ｍ３，影响枢纽建筑物及施工安全。因此，须采取有效的加固处理措施，使导流洞塌方段围岩岩体处于稳定状态。

 

  ３．２ 方法选取

 

  由于导流洞布置于右岸，沿线山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，自然坡度一般在６０°～７０°，相对高差３００ｍ 以上。因此地表调查塌方段情况难以实施，只能选择洞内调查。

 

  洞内调查在施工单位对塌方体及其顶拱进行了表面喷混凝土封闭、注浆、管棚超前支护等支护工作后，岩体相对处于稳定状态后进行，以保证探测作业安全。

 

  塌方体岩体破碎，与稳定岩体主要在波速、电阻率、电磁率等方面存在明显差异。结合现场测试条件选择采用地质钻探、钻孔全景图像、地质雷达法、单孔声波相结合的综合探测方法。

 

  ３．３ 工作布置

 

  塌方段布置了Ａ、Ｂ、Ｃ 共３个断面，每个断面进行地质钻探取芯、地质雷达点测、单孔声波和钻孔全景图像测试。各个断面顶拱、拱腰、拱肩部位布置１个钻孔，在Ｂ 断面两侧边墙各布置１个钻孔。钻孔孔径不小于７６ｍｍ；边墙孔深为１２ｍ，拱顶钻孔击穿破碎岩体，一般进入完整岩体５０ｃｍ为准；拱顶钻孔垂直于顶拱弧面切线方向，边墙钻孔下斜５°～１０°。

 

  ３．４ 成果分析

 

  ３．４．１ 地质钻探成果

 

  选用２ＰＣ地质钻机配Ф７６金刚石薄壁钻头进行取芯钻进成孔，总计完成１１个钻孔。由于岩体破碎，部分孔段取芯率较低；岩体固结段岩芯呈短柱状，塌方体内部岩大部分呈颗粒状，塌方体后部岩芯呈块状－短柱状，图１、图２和表２部分钻孔岩芯照片及描述。

 

  ３．４．２ 钻孔全景图像

 

  钻孔全景图像法是采用先进的ＤＳＰ图像采集与处理技术，配合高效图像处理算法，直观取得钻孔孔壁图像的方法，可以辅助岩芯鉴定和弥补取芯率不足的缺点。通过成像以视觉获取地下信息，可直观、真实地展示钻孔孔壁岩层表面特征的优点，划分地层结构、确定软弱泥化夹层，检测断层、裂隙、破碎带，观察地下水活动状况及位置等。

 

  图３是Ｂ 断面ＪＣ０３钻孔全景图像，同芯样照片相比，它反映的岩体信息更加丰富、准确。

 

  Ｂ－ＪＣ０３钻孔０～２．３ｍ 为固结段、较密实；２．３～５．４ｍ为破碎岩体，裂隙发育、无序，碎块、碎粒状结构；５．４～８．１ｍ 岩体破碎、裂隙发育、无序、张开，碎块、短柱状结构；８．１～９．４ｍ 岩体较完整，裂隙较发育、闭合，长柱状结构。

 

  ３．４．３ 钻孔单孔声波

 

  由于塌方体位于导流洞顶拱，顶拱钻孔孔斜向上，测试声波需要注水耦合，塌方体遇水钻孔极易塌孔，故仅对边墙２钻孔进行声波测试，波速曲线如图４。

 

  钻孔揭示河侧、山侧边墙岩体岩性不一，河侧边墙为细粒花岗岩，山侧边墙为粗粒花岗岩。河侧边墙松弛深度为４．０ｍ，平均声波速度在４ ５００ｍ／ｓ，松弛带以里平均声波速度为６ １００ｍ／ｓ；山侧边墙松弛深度为２．０ｍ，平均声波速度在３ ６００ｍ／ｓ，松弛带以里声波平均速度为５ ５００ｍ／ｓ。

 

  ３．４．４ 地质雷达法

 

  地质雷达现场测试条件极复杂：测试面凹凸不平，钢拱架间距短、仅为５０ｍｍ，顶拱布置有φ１０８管棚、间距为４０ｍｍ，布置大量锚杆。因此地质雷达采用点测方式，在两榀钢拱之间，沿顶拱弧向布置测点，重复测试避开钢拱、管棚等影响。理论上塌方体地质雷达能获得理想的测试效果，但是受到上述众多干扰因素的影响，测试图像对数据分析仅供参考。

 

  ３．５ 探测成果

 

  塌方段地下水不丰富，主要表现为湿润。此洞段岩体主要受地质构造的影响，有小断层通过，岩体破碎，加之不利结构面的组合，使其在隧洞开挖后形成临空面，因而在重力作用下形成塌方。

 

  经综合探测表明，此洞段岩体的垮塌深度总体中间较深，两侧相对较浅。其中Ｂ 断面顶拱部位垮塌深度大于１４ｍ，Ａ 断面河侧边墙处断层破碎带及垮塌体较深，达１４．１ｍ。从探测断面分析，Ｂ 断面垮塌较严重，范围较广；Ｃ 断面次之；Ａ 断面除河侧边墙外，总体垮塌较浅。

 

  固结灌浆壳体厚度随桩号增加而增加，各断面呈顶拱较厚、拱肩和拱腰较浅的趋势，顶拱厚度一般在５～６ｍ，拱腰和拱肩厚度一般为０．８～２ｍ，其中Ｃ 断面顶拱最厚为６．４ｍ，Ａ 断面各部位均较薄，厚度为０．２～０．７ｍ；固结灌浆密实度总体较好，局部存在蜂窝状或空腔，其中Ｃ 断面顶拱灌浆不连续。

 

  ４ 结 语

 

  １）物探的前提是地下介质在某种物理性质上存在差异，比如密度、电阻率、导磁率等。任何一种物探方法的能力都是有限的，只能在一定的条件和范围内使用，然而，每种方法都有自己独具的特点。多种探测方法的综合运用，相互验证，才能避免单一方法的局限性，充分发挥各种方法的优势。

 

  ２）通过实例应用，采用物探与地质相结合的综合探测方法，分析、研究塌方体等不良地质体形态是成功的，为制定后续处理方案提供基础资料。

 

  ３）从理论上讲，完整岩体与松散破碎岩体之间具有明显的磁性差异，塌方体经过初步处理之后，存在大量的磁性干扰源，在这样的复杂条件下地质雷达法应用效果大大降低了。