沙特NEOM隧道项目地震波法超前地质预报技术*

樊清峰

(中国铁建国际集团有限公司,北京 100039)

1 工程概况

沙特NEOM隧道项目共6座斜井,总长8 415m,为两座28km长并行单洞双线高速铁路和货运铁路的先期工程,于2021年7月开工建设。隧道埋深20～380m,洞身围岩主要为安山岩、花岗岩及砂岩地层,岩性比较单一,局部存在破碎带,无其他不良地质,地下水不发育,局部存在基岩裂隙水,如表1所示。

表1 隧道岩性及埋深Table 1 Tunnel lithology and overburden

土建部分设计、施工均遵循英标(BS)和欧标(EN)规范标准及沙特当地标准。施工图设计时,斜井范围内未进行地面钻孔探明地质,只是根据区域地质、现场调查及正洞地面钻孔初步对围岩及衬砌支护类型进行预测。施工期间洞内通过超前探孔及开挖后进行地质素描,根据Q值法[1]重新定义支护类型。

目前国内超前地质预报技术比较成熟,主要是通过超前水平钻探法、TSP地震波法、地质雷达法、红外探水等方法[2],探明隧道掌子面前方围岩岩性、节理构造、围岩完整性、风化程度及地下水发育情况[3],确定合理的隧道支护参数或采取必要的超前支护措施,从而预防塌方、涌水等事故。

在本项目执行初期,每个预报循环打设3根超前钻孔,钻孔时间需要约3h,每次只能预报掌子面前方30m的地质情况,平均占用每个开挖循环时间45min。该项目施工技术标准高、工期紧,要求项目团队采取各种措施尽力缩短工期。因此,项目部考虑采用地震波超前地质预报代替超前水平钻探法,其优缺点对比如表2所示[4]。

表2 地震波法和超前水平钻探法对比Table 2 Comparison between TSP and advanced horizontal drilling method

2 超前水平钻探法设计方案

2.1 洞口段超前地质预报方案

超前钻孔应使用三臂台车冲击钻孔,最小直径51mm。每组设置3个钻孔,分别位于拱顶和隧道中心线两侧各5m处,呈45°向上倾斜(见图1),沿隧道纵向最大间距为5m。拱顶探孔至少长8m,两侧探孔至少长10m,钻孔每隔1m放1组岩屑。

图1 洞口超前钻孔Fig.1 Advanced drilling hole at portal

钻孔数据包括钻进速率、顶推压力、回转压力、冲洗回料的颜色、岩屑记录及水的损失或增加。探测孔完成后至少观察30min是否有地下水流入的现象,然后进行灌浆回填。如洞口附近隧道埋深小于5m,需要增加1组洞口超前钻孔,直到埋深大于5m。

2.2 洞身段超前地质预报方案

2.2.1钻孔方案和记录

根据施工图设计说明中要求:每个循环至少设置3个超前钻孔,最小直径38mm,超前预报距离最小20m,每循环搭接至少10m,即超前预报钻孔长30m(见图2)。超前水平钻孔现场采用三臂台车施工,钻孔直径64mm,每次钻孔长度30～40m。

图2 超前钻孔平面Fig.2 Plane of advanced drilling hole

钻孔记录需要包含以下内容:每个钻孔的位置、方位和长度;钻速和钻孔长度的关系图;地下水出水点的位置、性质和数量;任何静态条件变化的位置和程度;每隔最多1m冲洗回料的类型/颜色;任何其他相关发现。

2.2.2钻孔数据及岩性分析

三臂台车钻孔数据自动导出至excel表格,然后生成推进速度、回转压力、冲击压力、推进压力、水压力及水流量等曲线图,据此进行岩性变化分析。

2.2.3地下水监测及注浆止水

根据设计要求,若开挖过程中有地下水,需在钻孔完成1h后测量出水量。当出水持续大于24h,每个孔(长20m)的出水量大于120L/min时,应采用水泥浆或化学浆液注浆止水。注浆完成后,打设2根检查孔(长20m),检查孔内水流速度小于60L/min即可停止注浆。

当出水量较大时,注浆管需配置相应的止水装置,防止大量高压水冲出造成人员受伤和机械设备损失。本项目施工过程中,各支洞出水量不大,均未达到超前注浆条件。

3 地震波法超前预报方案

地震波法试用范围广,地质条件软硬均适用,尤其是断层、软硬岩接触面等不良地质[5-7],地震波反射信号更加明显。通过对信号进行分析,可预测掌子面前方围岩和地下水的特征。

3.1 超前地质预报试点选择

结合地质条件、线路条件、隧道埋深、施工进展等,选择2号斜井和4号斜井作为超前地质预报试点,分别代表本项目东、西部两个地质区。2号斜井可作为1～3号斜井的代表,4号斜井可以作4～6号斜井的代表。

3.2 地震波法施工工序

1)爆破孔和接收孔的布置

为避免占用关键路径时间,在掌子面施作超前钻孔的同时,进行边墙爆破孔卷尺测量、标识边墙24个爆破孔(孔位距地面1m,第1个孔距离掌子面5.5m,孔深1.5m,间距1.5m,向下直径45～48mm),尽量选择障碍物(水管、风管、避车洞等)少的一侧边墙(面向掌子面左侧)打设,并且在两侧边墙同一里程处打两个接收孔(接收孔距离掌子面50～55m,孔深2m,直径48～50mm),爆破孔和接收孔应在同一直线上,如图3,4所示。

图3 观测系统平面布置Fig.3 Plane layout of observation system

图4 观测系统三维示意Fig.4 Three-dimensional of observation system

2)钻孔

爆破孔可采用手持风钻在掌子面钻爆破孔时同步施作,平均每个孔成孔时间在15～20min。由于岩石较硬,钻孔速度较慢,可采用三臂台车钻孔,即三臂台车完成掌子面爆破孔后,同步完成临近开挖循环的引爆孔钻孔。

3)TSP操作人员进场

打孔完毕后,通知TSP操作人员进入现场。操作人员进入现场后,首先检查两个接收器孔是否合格。检测合格后现场安排1名人员逐一测量爆破孔。

4)装药

完成以上步骤后,将提前准备好的触发用炸断线绑在雷管上,期间可以进行炸药卷分割,并注水封堵爆破孔。绑好雷管、炸药分割完成后,爆破人员(1～2名)装填炸药。装炸药期间,TSP施作人员可以进行仪器连接组装。

5)起爆及数据采集

待装药完毕,仪器组装完毕,调试合格后进行逐个引爆工作,爆破时所有人员返回至爆破点50～80m距离安全区域。

6)编制报告

待全部爆破孔爆破完毕后,收取仪器,返回驻地进行数据处理,并在24h内完成报告。

4 预报结果对比分析

以2号斜井0+256.5—0+390段预报结果为例,进行对比分析。

4.1 超前水平钻探预报结果

该段落共进行4次超前钻孔,预报结果如下。

1)段落1 0+254—0+294 (见图5)

图5 0+254—0+294超前钻孔波形Fig.5 Advanced borehole waveform of 0+254—0+294

由图5可以看出,在里程0+278处冲击压力和推进压力有所降低,随后比较平稳,整体来看钻机推进速度、回转压力、推进压力均较平顺,预报范围内地质条件与当前掌子面类似,无地下水补给。

2)段落2 0+281—0+321(见图6)

图6 0+281—0+321超前钻孔波形Fig.6 Advanced borehole waveform of 0+281—0+321

由图6可以看出,0+287—0+296超前钻孔钻机推进速度和回转压力波动较大,均超过平均值,预测有软弱破碎带存在;水压显示比较平顺,无地下水补给。

3)段落3 0+310—0+350(见图7)

图7 0+310—0+350超前钻孔波形Fig.7 Advanced borehole waveform of 0+310—0+350

由图7可以看出,0+310—0+350段超前钻孔钻机推进速度、回转压力、推进压力均较平顺,预报范围内地质条件与当前掌子面类似,无地下水补给。0+340—0+390段与0+310～0+350段类似,无不良地质情况。

4)预报结果汇总

以上4段超前地质预报结果汇总如表3所示。

表3 超前钻孔预报结果Table 3 Advanced drilling prediction results

4.2 地震波法(TSP)预报结果

该段落共进行1次地震波法超前预报,预报长度133.5m,地震波法反射层位及物理力学参数解析结果如下。

1)0+256.5—0+304段 纵波速度Vp为5 671～5 530m/s,横波速度Vs为3 231～3 351m/s,泊松比0.26～0.22,动态杨氏模量80～78GPa。该段反射界面较多,纵、横波波速总体变化不大;泊松比有所降低,动态杨氏模量变化较小,局部略有上升。

2)0+304—0+362段Vp为5 595～5 942m/s,Vs为3 231～3 372m/s,泊松比0.23～0.27,动态杨氏模量78～87GPa。该段反射界面较少,纵、横波波速有所升高,泊松比总体呈上升趋势,动态杨氏模量总体有所升高。

3)0+362—0+390段Vp为5 942～5 300m/s,Vs为3 372～3 058m/s,泊松比0.27～0.23,动态杨氏模量87～68GPa。该段反射界面较多,纵、横波波速降低,泊松比总体先降低后升高,动态杨氏模量总体有所下降。

地震波法预报结果汇总如表4所示。

表4 地震波法预报结果Table 4 Prediction results of TSP

4.3 结果验证及对比分析

4.3.1地质素描[8]结果

隧道开挖后,拍摄高分辨率现场照片,同时对每个循环进行现场地质素描。依据Q值系统使用手册,结合开挖后揭示的岩石质量指标(RQD)、节理组数(Jn)、节理粗糙度系数(Jr)、节理面蚀变程度系数(Ja)、节理裂隙水折减系数(Jw)、地应力折减系数(SRF)6个指标,计算出Q值,对地层情况做出综合评价,从而作为定义支护类型的依据,计算公式如下:

(1)

各掌子面素描情况如表5所示。

表5 地质素描结论Table 5 Geological sketch conclusion

4.3.2对比分析

根据预报结果分析,对于实际开挖后0+269.5—0+297段围岩相对较破碎段,超前钻探法和地震波法超前预报均比较准确;0+362—0+390段超前钻孔预报相对准确,但TSP数据分析显示有破碎带存在,实际开挖后围岩有变差趋势,但尚未到达破碎带。随着后续的开挖显示,围岩的确相对当前掌子面较差,从0+388.9里程后围岩Q值下降明显,主要是由于该斜井纵坡为10.3%,且起始端位于150m小曲线半径末端,造成在0+362—0+390段预报有一定里程偏差。

5 结语

1) 在钻爆法隧道施工中,采用地震波法超前地质预报方案可行,同时可缩短每循环时间。

2) 当出现地下水、空洞或破碎带等特殊地层时,可辅以超前钻孔进行进一步验证。

3) 对于海外工程项目,由于监理坚持按照设计方案实施,如需采用地震波法替代超前水平钻探法,需要提前取得监理的同意。

4) 地震波法爆破孔若采用手持风钻钻孔,空压机进洞作业,需提前获得监理批复且有一定难度。若采用三臂台车钻孔,由于爆破孔纵向分布较长,台车需要多次就位,占用循环时间。因此,需要和掌子面钻孔协调安排。

5) 地震波法超前地质预报用于小曲线、大坡度隧道,应适当缩短一次性预报距离,以100～120m为宜[9]。

6) 超前水平钻探法与 TSP 地震波反射法相结合的预报方法,辅以地表地质调查、洞内地质素描,能够极大提高隧道内不良地质的分布及地下水的预测精度[10]。