基于超前地質(zhì)預報的丁寨防洪排澇隧洞爆破施工方案研究

　　摘要：復雜巖體條件下的隧洞爆破施工技術研究對于獲得良好爆破效果及避免地質(zhì)災害的發(fā)生具有十分重要的意義。依托丁寨防洪排澇隧洞工程，針對復雜地質(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)預報、超前支護、爆破施工方案優(yōu)化等于一體的成套隧洞爆破施工技術。即首先進行掌子面出露巖體分析，并采用地質(zhì)雷達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)雷達法探測結果，預測掌子面前不同部位圍巖條件。針對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，并提出相應的圍巖超前支護與穩(wěn)定性控制措施;針對巖體相對完整的部位，按照常規(guī)的施工方案進行爆破開挖。最后綜合超前地質(zhì)預報結果與記錄的鉆桿鉆進速度，評估不良地質(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。現(xiàn)場應用后，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，實現(xiàn)了隧洞高效安全開挖。爆破施工技術可為同類工程建設提供參考。

　　關鍵詞：隧道工程;鉆爆法;復雜地質(zhì)條件;超前地質(zhì)預報;優(yōu)化方案

　　0引言

　　水利水電、交通、市政等工程建設過程中廣泛涉及到隧洞施工。而鉆孔爆破因具有經(jīng)濟、高效、快速的優(yōu)勢而被廣泛應用于隧洞工程建設中。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)體的存在不但會顯著影響爆破效果，導致嚴重的超欠挖[1]，還可能誘發(fā)地質(zhì)災害[24]，嚴重時還會誘發(fā)安全事故，對項目的進度、成本、安全控制產(chǎn)生十分不利的影響[5]。因此在隧道施工時若可能存在不良地質(zhì)體，往往需要開展超前地質(zhì)預報工作，為提前采取防范措施和及時調(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)預報方法已經(jīng)普遍應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。但大部分都只是預報了不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和程度，進一步地，也有將超前地質(zhì)預報方法與隧道掘進機(TBM)施工方法相結合進行隧道開挖的研究[1112]，但較少有將超前地質(zhì)預報方法與鉆爆法施工方法相結合并應用于隧道開挖中，即根據(jù)超前地質(zhì)預報結果優(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，針對復雜地質(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)預報、超前支護、優(yōu)化爆破施工方案等于一體的成套隧洞爆破施工技術，施工現(xiàn)場應用基于超前地質(zhì)預報的隧洞爆破施工技術后，隧洞輪廓成型效果較好，超欠挖得到了有效的控制，并有效防范了嚴重的工程地質(zhì)災害。

　　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目的關鍵部分，防洪排澇隧洞工程進口位于丁寨鄉(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，進口底板設計高程729m，出口底板設計高程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，其圍巖類別則相應降低。

　　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，相應地也無法及時調(diào)整施工方案，可能導致爆破能量利用率低，超欠挖嚴重，甚至因不良地質(zhì)體的存在，可能導致施工安全事故。因此需要提前做好超前地質(zhì)預報，通過超前預報，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預報掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖方案、支護設計參數(shù)和優(yōu)化爆破施工方案提供依據(jù)。

　　2基于超前地質(zhì)預報的隧洞爆破施工技術

　　針對丁寨防洪排澇隧洞工程復雜地質(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)預報、超前支護、爆破施工方案優(yōu)化等于一體的成套隧洞爆破施工技術。基于超前地質(zhì)預報的隧洞爆破施工流程圖。首先進行掌子面出露巖體統(tǒng)計分析，并采用地質(zhì)雷達法探測掌子面前巖體不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和程度，探地雷達采用的是時間域脈沖方式，系統(tǒng)主機控制發(fā)射機通過天線將高頻帶的脈沖電磁波向隧道掘進面前方定向發(fā)射[13]。

　　垂直于隧道掘進面?zhèn)鞑サ碾姶挪ó斢龅接须娦圆町?介電常數(shù)、電導率、磁導率不同)界面或目標體時即發(fā)生反射，反射波被天線接收進入接收機，并傳回主機，可得到各個反射波往返旅行時間。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。在相對介電常數(shù)給定的情況下，已知雷達波在空氣中的傳播速度，就可以使用式換算成目標體的深度。介質(zhì)中不同深度的反射波返回主機，然后進行信號放大、采集整理、過濾雜波和數(shù)字疊加等分析處理，就能把雷達波反射的時間曲線直觀地顯示出來。

　　通過連續(xù)探測就構成了地質(zhì)雷達成果剖面圖，從而進一步可以推斷目標體的位置、規(guī)模和影響范圍。地質(zhì)雷達探測工作原理如圖所示。然后基于地質(zhì)雷達法探測結果，預測掌子面前不同部位圍巖條件。對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，并提出相應的圍巖超前支護與穩(wěn)定性控制措施;對于巖體相對完整的部位，按照常規(guī)的施工方案進行爆破開挖。最后基于上述分析，進行爆破施工。在鉆孔過程中，記錄鉆桿鉆進速度，進一步判斷巖體內(nèi)是否有破碎帶、溶洞、溶縫等不良地質(zhì)體，若有則結合超前預報結果，估算不良地質(zhì)的分布和范圍。

　　當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，采用短進尺、多循環(huán)的方法進行爆破開挖，避免炮孔穿越大范圍的不良地質(zhì)體進行爆破施工;當鉆孔過程中遭遇范圍較小的不良地質(zhì)體時，可適當增大循環(huán)進尺長度，炮孔可穿越小范圍的不良地質(zhì)體，但要優(yōu)化炮孔裝藥結構，根據(jù)記錄的鉆桿鉆進速度判斷小范圍的不良地質(zhì)體與炮孔的相對位置，若其位于炮孔裝藥段，采用空氣間隔裝藥技術，即在與小范圍不良地質(zhì)體對應的炮孔裝藥段設置空氣間隔，其余部位正常裝藥。此外，要根據(jù)超前地質(zhì)預報結果、鉆孔過程鉆桿記錄數(shù)據(jù)，評估不良地質(zhì)體對巖體強度的影響，判定不同部位待開挖巖體圍巖類別，優(yōu)化爆破設計，其中II、III級圍巖、IV級圍巖、級圍巖分別采用不同的爆破施工參數(shù)。

　　3現(xiàn)場應用分析

　　3.1地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預報

　　以丁寨防洪排澇隧洞工程P1+504.5～P1+474.5為例，采用電磁波法預報，采集方式為點測，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(面對掌子計左、右)。掌子面(P1+504.5)出露的巖體為風化灰?guī)r，巖體較完整，呈塊狀和層狀結構，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部少有填充物，掌子面表面干燥。掌子面整體性相對較好。

　　雷達圖像波形特征為：掌子面前方0～7m處信號相對較弱，7～14m段右側存在多條斜向條狀強反射信號，且走勢基本一致。14～20m段中部及左側呈現(xiàn)數(shù)條為隱約條帶狀反應，同相軸連續(xù)均勻，呈層面反射，信號下方有多次反應但比較雜亂。根據(jù)波形特征及掌子面出露巖體綜合分析預測：前0～7m地質(zhì)條件相對較好，～14m段右側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)雷達超前預報探測結果，并結合超前鉆探結果，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段巖體級別為III級圍巖;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段巖體級別為級;14～20m段巖體存在斷層破碎帶，不存在溶洞，存在少量的溶縫，圍巖相對穩(wěn)定，判定14～20m段巖體級別為IV級。針對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級圍巖爆破開挖成型效果，掌子面(P1+504.5)前～14m段級圍巖爆破開挖成型效果，掌子面(P1+504.5)前14～20m段IV級圍巖爆破開挖成型效果。采用基于超前地質(zhì)預報的隧洞爆破施工技術進行施工后，不同部位不同圍巖級別條件下，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，實現(xiàn)了隧洞高效安全開挖。

　　4結論

　　(1)針對復雜地質(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)預報、超前支護、爆破施工方案優(yōu)化等于一體的成套隧洞爆破施工技術。

　　(2)在丁寨防洪排澇隧洞工程施工過程中，應用基于超前地質(zhì)預報的隧洞爆破施工技術，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，實現(xiàn)了隧洞高效安全開挖。

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　　作者：李建林，項海玲，黃正東，吳亮

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