基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的丁寨防洪排澇隧洞爆破施工方案研究

　　摘要：復(fù)雜巖體條件下的隧洞爆破施工技術(shù)研究對(duì)于獲得良好爆破效果及避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有十分重要的意義。依托丁寨防洪排澇隧洞工程，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞爆破開挖，提出了集掌子面出露巖體分析、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、爆破施工方案優(yōu)化等于一體的成套隧洞爆破施工技術(shù)。即首先進(jìn)行掌子面出露巖體分析，并采用地質(zhì)雷達(dá)法探測掌子面前體不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和程度;然后基于地質(zhì)雷達(dá)法探測結(jié)果，預(yù)測掌子面前不同部位圍巖條件。針對(duì)巖體可能存在破碎帶、溶洞、溶縫等不良地質(zhì)體的部位，通過超前鉆探確定破碎帶的位置和范圍或巖溶發(fā)育范圍和程度，并提出相應(yīng)的圍巖超前支護(hù)與穩(wěn)定性控制措施;針對(duì)巖體相對(duì)完整的部位，按照常規(guī)的施工方案進(jìn)行爆破開挖。最后綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與記錄的鉆桿鉆進(jìn)速度，評(píng)估不良地質(zhì)體分布和范圍，判定不同部位待開挖巖體圍巖類別，優(yōu)化爆破施工方案�，F(xiàn)場應(yīng)用后，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制。在不良地質(zhì)段也未出現(xiàn)塌方、突泥涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了隧洞高效安全開挖。爆破施工技術(shù)可為同類工程建設(shè)提供參考。

　　關(guān)鍵詞：隧道工程;鉆爆法;復(fù)雜地質(zhì)條件;超前地質(zhì)預(yù)報(bào);優(yōu)化方案

　　0引言

　　水利水電、交通、市政等工程建設(shè)過程中廣泛涉及到隧洞施工。而鉆孔爆破因具有經(jīng)濟(jì)、高效、快速的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于隧洞工程建設(shè)中。隧洞爆破開挖過程中，巖體內(nèi)巖溶、斷層、軟弱夾層、破碎帶等不良地質(zhì)體的存在不但會(huì)顯著影響爆破效果，導(dǎo)致嚴(yán)重的超欠挖[1]，還可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[24]，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)誘發(fā)安全事故，對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度、成本、安全控制產(chǎn)生十分不利的影響[5]。因此在隧道施工時(shí)若可能存在不良地質(zhì)體，往往需要開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，為提前采取防范措施和及時(shí)調(diào)整爆破施工方案提供依據(jù)，確保隧道安全、高效施工。

　　隧道論文范例： 高速公路隧道智慧一體化管控系統(tǒng)研究

　　目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法已經(jīng)普遍應(yīng)用于隧道工程不良地質(zhì)體探測工作中[67]，且已經(jīng)從單一的方法，如地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物理探測法[8]等逐漸向綜合探測的方法[910]轉(zhuǎn)變。但大部分都只是預(yù)報(bào)了不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和程度，進(jìn)一步地，也有將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法與隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工方法相結(jié)合進(jìn)行隧道開挖的研究[1112]，但較少有將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法與鉆爆法施工方法相結(jié)合并應(yīng)用于隧道開挖中，即根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)化爆破施工方案。

　　本文依托咸豐縣新城區(qū)丁寨防洪排澇隧洞工程，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞爆破開挖，提出了集掌子面出露巖體分析、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、優(yōu)化爆破施工方案等于一體的成套隧洞爆破施工技術(shù)，施工現(xiàn)場應(yīng)用基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧洞爆破施工技術(shù)后，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，并有效防范了嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害。

　　1丁寨防洪排澇隧洞工程概況

　　丁寨防洪排澇隧洞屬于咸豐縣新城區(qū)丁寨防洪排澇工程項(xiàng)目的關(guān)鍵部分，防洪排澇隧洞工程進(jìn)口位于丁寨鄉(xiāng)天星孔，線路經(jīng)S232省道在72km附近，穿039鄉(xiāng)道東側(cè)山體，出口位于斷明峽丁寨水電站右岸。隧洞全長4.57km，斷面尺寸為9m×12m，進(jìn)口底板設(shè)計(jì)高程729m，出口底板設(shè)計(jì)高程548m，坡比1:75至1:16。

　　巖性為以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖為主，局部夾少量頁巖、硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖及煤層。巖溶形態(tài)發(fā)育較為齊全，主要巖溶形態(tài)類型有石峰(丘)、石牙、溶蝕洼地、溶溝、溶槽、漏斗等地表巖溶形態(tài)以及溶縫、落水洞、溶洞、天窗、地下管道系統(tǒng)、排泄泉及地下暗河等地下埋藏型巖溶現(xiàn)象。丁寨防洪排澇隧洞線路穿越巖溶發(fā)育區(qū)，尤其是發(fā)育的天星孔地下暗河系統(tǒng)對(duì)防洪排澇隧洞影響較大。丁寨防洪排澇隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ圍巖為主，部分為Ⅳ、Ⅴ圍巖，但遇到巖溶、地下水、斷層、裂隙發(fā)育時(shí)，其圍巖類別則相應(yīng)降低。

　　隧洞巖體采用鉆爆法開挖，該方法難以根據(jù)有限的地質(zhì)勘察資料準(zhǔn)確地判斷掌子面后巖體內(nèi)不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和程度，相應(yīng)地也無法及時(shí)調(diào)整施工方案，可能導(dǎo)致爆破能量利用率低，超欠挖嚴(yán)重，甚至因不良地質(zhì)體的存在，可能導(dǎo)致施工安全事故。因此需要提前做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖方案、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化爆破施工方案提供依據(jù)。

　　2基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧洞爆破施工技術(shù)

　　針對(duì)丁寨防洪排澇隧洞工程復(fù)雜地質(zhì)條件下巖體爆破開挖，提出集掌子面出露巖體分析、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、爆破施工方案優(yōu)化等于一體的成套隧洞爆破施工技術(shù)�；�于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧洞爆破施工流程圖。首先進(jìn)行掌子面出露巖體統(tǒng)計(jì)分析，并采用地質(zhì)雷達(dá)法探測掌子面前巖體不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和程度，探地雷達(dá)采用的是時(shí)間域脈沖方式，系統(tǒng)主機(jī)控制發(fā)射機(jī)通過天線將高頻帶的脈沖電磁波向隧道掘進(jìn)面前方定向發(fā)射[13]。

　　垂直于隧道掘進(jìn)面?zhèn)鞑サ碾姶挪ó?dāng)遇到有電性差異(介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率不同)界面或目標(biāo)體時(shí)即發(fā)生反射，反射波被天線接收進(jìn)入接收機(jī)，并傳回主機(jī)，可得到各個(gè)反射波往返旅行時(shí)間。不同地下介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了反射系數(shù)的大小，呈正比關(guān)系，即差異越大，反射系數(shù)越大，越容易被探測到[14]。常見介電常數(shù)見表。在相對(duì)介電常數(shù)給定的情況下，已知雷達(dá)波在空氣中的傳播速度，就可以使用式換算成目標(biāo)體的深度。介質(zhì)中不同深度的反射波返回主機(jī)，然后進(jìn)行信號(hào)放大、采集整理、過濾雜波和數(shù)字疊加等分析處理，就能把雷達(dá)波反射的時(shí)間曲線直觀地顯示出來。

　　通過連續(xù)探測就構(gòu)成了地質(zhì)雷達(dá)成果剖面圖，從而進(jìn)一步可以推斷目標(biāo)體的位置、規(guī)模和影響范圍。地質(zhì)雷達(dá)探測工作原理如圖所示。然后基于地質(zhì)雷達(dá)法探測結(jié)果，預(yù)測掌子面前不同部位圍巖條件。對(duì)于巖體可能存在破碎帶、溶洞、溶縫等不良地質(zhì)體的部位，通過超前鉆探確定破碎帶的位置和范圍或巖溶發(fā)育范圍和程度，并提出相應(yīng)的圍巖超前支護(hù)與穩(wěn)定性控制措施;對(duì)于巖體相對(duì)完整的部位，按照常規(guī)的施工方案進(jìn)行爆破開挖。最后基于上述分析，進(jìn)行爆破施工。在鉆孔過程中，記錄鉆桿鉆進(jìn)速度，進(jìn)一步判斷巖體內(nèi)是否有破碎帶、溶洞、溶縫等不良地質(zhì)體，若有則結(jié)合超前預(yù)報(bào)結(jié)果，估算不良地質(zhì)的分布和范圍。

　　當(dāng)鉆孔過程中遭遇不良地質(zhì)體且不良地質(zhì)體的范圍較大時(shí)，采用短進(jìn)尺、多循環(huán)的方法進(jìn)行爆破開挖，避免炮孔穿越大范圍的不良地質(zhì)體進(jìn)行爆破施工;當(dāng)鉆孔過程中遭遇范圍較小的不良地質(zhì)體時(shí)，可適當(dāng)增大循環(huán)進(jìn)尺長度，炮孔可穿越小范圍的不良地質(zhì)體，但要優(yōu)化炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，根據(jù)記錄的鉆桿鉆進(jìn)速度判斷小范圍的不良地質(zhì)體與炮孔的相對(duì)位置，若其位于炮孔裝藥段，采用空氣間隔裝藥技術(shù)，即在與小范圍不良地質(zhì)體對(duì)應(yīng)的炮孔裝藥段設(shè)置空氣間隔，其余部位正常裝藥。此外，要根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果、鉆孔過程鉆桿記錄數(shù)據(jù)，評(píng)估不良地質(zhì)體對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，判定不同部位待開挖巖體圍巖類別，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，其中II、III級(jí)圍巖、IV級(jí)圍巖、級(jí)圍巖分別采用不同的爆破施工參數(shù)。

　　3現(xiàn)場應(yīng)用分析

　　3.1地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

　　以丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5為例，采用電磁波法預(yù)報(bào)，采集方式為點(diǎn)測，發(fā)射頻率64KHz，每掃描采樣數(shù)為1024，記錄長度為，記錄長度為600ns。測線布置情況具體(面對(duì)掌子計(jì)左、右)。掌子面(P1+504.5)出露的巖體為風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，呈塊狀和層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部少有填充物，掌子面表面干燥。掌子面整體性相對(duì)較好。

　　雷達(dá)圖像波形特征為：掌子面前方0～7m處信號(hào)相對(duì)較弱，7～14m段右側(cè)存在多條斜向條狀強(qiáng)反射信號(hào)，且走勢基本一致。14～20m段中部及左側(cè)呈現(xiàn)數(shù)條為隱約條帶狀反應(yīng)，同相軸連續(xù)均勻，呈層面反射，信號(hào)下方有多次反應(yīng)但比較雜亂。根據(jù)波形特征及掌子面出露巖體綜合分析預(yù)測：前0～7m地質(zhì)條件相對(duì)較好，～14m段右側(cè)存在斷層破碎帶的可能性較大，不排除填充型巖溶的可能，14～20m段中部存在斷層破碎帶的可能性較大，巖溶可能性不大。

　　3.2爆破優(yōu)化施工方案

　　基于地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)探測結(jié)果，并結(jié)合超前鉆探結(jié)果，可知丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5可大致分為三段，即0～7m為一段，7～14m為一段，14～20m為一段。0～7m段巖體地質(zhì)條件相對(duì)較好，巖體縱波波速較大，巖體內(nèi)無不良地質(zhì)體，判定～7m段巖體級(jí)別為III級(jí)圍巖;7～14m巖體存在斷層破碎帶和溶洞，巖體比較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，巖體內(nèi)含小型溶洞，判定～14m段巖體級(jí)別為級(jí);14～20m段巖體存在斷層破碎帶，不存在溶洞，存在少量的溶縫，圍巖相對(duì)穩(wěn)定，判定14～20m段巖體級(jí)別為IV級(jí)。針對(duì)丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5不同段的不同圍巖級(jí)別，采用不同的爆破方案。

　　3.3開挖效果

　　掌子面(P1+504.5)前～7m段III級(jí)圍巖爆破開挖成型效果，掌子面(P1+504.5)前～14m段級(jí)圍巖爆破開挖成型效果，掌子面(P1+504.5)前14～20m段IV級(jí)圍巖爆破開挖成型效果。采用基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧洞爆破施工技術(shù)進(jìn)行施工后，不同部位不同圍巖級(jí)別條件下，爆后明顯可見隧道洞壁半眼殘痕，且半眼殘痕率較高，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，在不良地質(zhì)段也未出現(xiàn)塌方、突泥涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了隧洞高效安全開挖。

　　4結(jié)論

　　(1)針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞爆破開挖，提出了集掌子面出露巖體分析、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、爆破施工方案優(yōu)化等于一體的成套隧洞爆破施工技術(shù)。

　　(2)在丁寨防洪排澇隧洞工程施工過程中，應(yīng)用基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧洞爆破施工技術(shù)，爆后明顯可見隧道洞壁半眼殘痕，且半眼殘痕率較高，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，在不良地質(zhì)段也未出現(xiàn)塌方、突泥涌水現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了隧洞高效安全開挖。

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　　作者：李建林，項(xiàng)海玲，黃正東，吳亮

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