綜合超前地質預報在玉瓦水電站引水隧洞施工中的應用

胡 帥，謝劍明

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

綜合超前地質預報在玉瓦水電站引水隧洞施工中的應用

胡 帥，謝劍明

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

本文通過玉瓦水電站引水隧洞施工實踐，探索了隧洞綜合超前地質預報方法，制定了綜合超前地質預報流程。綜合超前地質預報工作在玉瓦水電站引水隧洞施工中的應用，為施工進度安排、施工資源調配提供了可靠的地質資料，同時有效保障了施工安全，取得了較好的應用效果。TRT測試的地震波縱波波速成果與聲波測試波速相關性值得進一步研究，對比實際開挖后揭示的圍巖條件，可為超前地質預報圍巖類別劃分提供參考。

引水隧洞；超前地質預報；TRT；地質雷達

0 前 言

在水電隧洞（尤其是長引水隧洞）施工過程中，由于前期地勘精度、手段、經(jīng)費等諸多條件的限制，不可能完全查清隧洞的地質條件，因此經(jīng)常會因遇到斷層、破碎帶、富水帶等不良地質體而導致隧洞塌方、涌水、突泥等現(xiàn)象發(fā)生。這些事件的發(fā)生，往往會影響施工進度，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至造成人員傷亡。在實際的隧洞工程實施過程中，需要對前方圍巖條件和不良地質體進行準確的超前預報，以便及時地修正開挖和支護方案，合理調配施工資源，確保施工進度，避免施工事故發(fā)生。

本文以玉瓦水電站引水隧洞控制段4號施工支洞下游（后簡稱4號下）至5號施工支洞上游（后簡稱5號上）段超前地質預報為例，介紹綜合超前地質預報方法在玉瓦水電站工程中的應用。

1 超前地質預報方法

1.1 工程區(qū)基本地質條件

玉瓦水電站隧洞區(qū)地層為一套區(qū)域淺變質的地槽型沉積建造，巖漿活動微弱。出露基巖為二疊系濱、淺海相沉積的薄層砂質灰?guī)r夾中厚層砂質灰?guī)r、板巖。區(qū)內巖溶不發(fā)育，隧洞埋深一般為300～400 m。

隧洞軸線與巖層走向一般小角度相交，巖層陡傾，洞室內主要變形破壞現(xiàn)象為邊墻巖體的卸荷松弛及彎折破壞。局部洞段受小構造的影響，巖體較破碎，加之地下水作用，圍巖極不穩(wěn)定，對施工進度有較大的影響。特別是順層破碎帶，由于洞軸線與巖層夾角小，將影響較長的洞段，對施工極為不利。

1.2 各預報方法的特點

目前地質超前預報工作使用的手段包括地質、物探、勘探方法。受各種條件的限制，不同的地質超前預報方法有各自的優(yōu)點，也存在各自的缺點［1-4］。

地表地質調查和地質分析法是通過地表和隧洞內的工程地質調查與分析，了解隧洞所處地段的地質結構特征，推斷前方的地質情況。其調查的內容包括地層與巖性的產出特征、斷裂構造與節(jié)理的發(fā)育規(guī)律，巖溶帶發(fā)育的部位、走向、形態(tài)等，預測隧洞掌子面前方的不良地質現(xiàn)象可能的類型、部位、規(guī)模，以便隧洞施工中采取合理的工藝與措施，避免事故。在隧洞埋深較淺、構造不太復雜的情況下，這種預報方法有很高的準確性。但是在構造比較復雜地區(qū)和深埋隧洞的情況下，該方法工作難度較大，準確性難于保證。

物探方法主要包括彈性波反射法、電磁波反射法等。彈性波反射法是利用人工激發(fā)的地震波、聲波在不均勻地質體中所產生的反射波特性來預報隧道開挖工作面前方地質情況的一種物探方法，它包括地震波反射法、水平聲波剖面法、負視速度法等方法。電磁波反射法是利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體中傳播及反射，根據(jù)傳播速度和反射脈沖波走勢進行超前地質預報的一種物探方法，主要是地質雷達法。在實際工作中，地震波法和地質雷達法的應用相對普遍和成熟。

超前水平鉆孔法直接揭示隧洞掌子面前方地層巖性、構造、地下水、巖溶洞穴充填物及其性質、巖石（體）的可鉆性、巖體完整程度指標等資料，還可通過巖芯試驗獲得巖石強度等定量指標，是最直接有效的地質超前預報方法，但費用高且占用施工時間長。超前平行導洞法具有超前水平鉆孔法的優(yōu)點，但投資大、且兩隧洞間距過大、地層變化復雜時準確率明顯降低，適用于設計間距較小、地層受構造變動小的平行隧洞工程。

各種預測方法的適用性及優(yōu)缺點見表1。

表1 隧洞施工超前地質預報主要技術方法對比

1.3 預報方法選擇

為了合理安排施工進度，調配施工資源，需對區(qū)內地質條件進行宏觀預測，并對掌子面前方一定范圍內圍巖條件及不良地質現(xiàn)象進行較準確的預報。

由表1可見，各種地質超前預報方法都有一定的局限性，本工程探索了隧洞綜合超前地質預報方法，制定了綜合超前地質預報流程（見圖1）。在區(qū)域地質、前期地勘成果及已開挖揭示地質條件統(tǒng)計分析基礎上，擬定補充地表調查線路，確定重點調查內容，進行補充地表調查，對前期地質資料進行復核，得出引水隧洞宏觀地質預測結論；在此基礎上，結合掌子面地質編錄，采用TRT測試進行隧洞中長距離地質預測預報；采用地質雷達進行隧洞短距離地質預測預報。

圖1 綜合地質預報方法流程示意

2 地表補充地質調查及地質分析

2.1 開挖段揭示地質條件統(tǒng)計分析

對各施工支洞及引水隧洞已開挖段地質條件進行統(tǒng)計分析如下：

（1）引水隧洞部位巖性以砂質灰?guī)r夾板巖為主，層厚變化較大，其中4號施工支洞及4號下以薄層狀為主，而5號施工支洞及5號上以中厚層為主；

（2）引水隧洞部位地層產狀穩(wěn)定，以NW～NWW向為主，陡傾，洞軸線小角度相交；

（3）總體上構造不發(fā)育，以小規(guī)模擠壓帶、揉皺為主，對圍巖類別及穩(wěn)定性不構成控制影響，但隨機分布的較大規(guī)模斷層則影響或控制著隧洞圍巖類別及洞室穩(wěn)定性（如4號下）；

（4）一般以滲滴水為主，局部線狀水，較大規(guī)模構造發(fā)育部位可能出現(xiàn)股狀水、涌水；

（5）地層層厚是決定圍巖類別的基本因素，而地下水、一定規(guī)模隨機分布的斷層則進一步惡化圍巖穩(wěn)定性，對施工影響較大。

2.2 利用衛(wèi)星圖片規(guī)劃調查線路

根據(jù)引水隧洞及施工支洞開挖揭示，圍巖穩(wěn)定性主要受巖性、層厚、地下水、構造等影響。地表調查的重點為是否存在軟弱巖帶、較大規(guī)模構造等。

利用衛(wèi)星圖片資料，發(fā)現(xiàn)附近幾個山梁上的負地形相互對應，相連后與地層界線大致平行，推斷可能有軟弱巖帶分布（見圖2，推測軟弱巖帶）；根據(jù)黑河河流形態(tài)與4號施工支洞與4號下主洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖出露位置，推測可能存在一條與地層大角度相交的斷層（見圖2，推測斷層）。

圖2 利用衛(wèi)星圖片規(guī)劃調查線路

本次現(xiàn)場調查的主要內容確定為：

（1）對推測的軟弱巖帶、斷層進行現(xiàn)場調查、復核，核實是否存在該推測軟弱巖帶與斷層；

（2）對4號、5號支洞之間剩余洞段的地層巖性、層厚、構造等進行調查、復核；

（3）對其他影響圍巖穩(wěn)定的因素進行調查、復核。

根據(jù)以上調查內容以及本次地質復核目的，結合工程開挖進度、現(xiàn)場地形條件綜合確定了現(xiàn)場調查線路。

2.3 地表調查及地質分析結論

對頭道溝、下游沖溝以及兩溝之間山梁的現(xiàn)場調查，發(fā)現(xiàn)地層產狀穩(wěn)定（局部受淺表生改造及小構造影響有所變化），推測斷層、軟弱巖帶位置未見明顯的層位、產狀及巖性差異，因此判斷4號～5號之間洞段并無推測的斷層和軟弱巖帶分布。

根據(jù)地表調查，4號～5號支洞之間巖體產狀穩(wěn)定，整體以NWW向為主，陡傾，局部受構造及淺表生改造影響小，范圍內產狀有所變化，判斷對圍巖穩(wěn)定性影響不大。

根據(jù)地層走向與隧洞軸線關系，通過調查頭道溝內洞軸線兩側約300 m范圍內地層的層厚、巖性，即可推測出未開挖洞段的地層巖性、層厚特征（其中軸線往溝里對應著5號上洞段，軸線往溝外則對應著4號下洞段）。現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，頭道溝至4號下掌子面洞段，圍巖巖性以薄層砂質灰?guī)r、薄層夾中厚層砂質灰?guī)r為主，而頭道溝至5號上掌子面圍巖巖性則以中厚層夾薄層砂巖為主。這與4號下、5號上主洞的開挖情況相吻合。

調查區(qū)域內未見大的斷裂、褶皺分布，偶見小規(guī)模的斷層或錯動帶、揉皺等，影響局部巖體的產狀及完整性，但影響范圍有限。

頭道溝內可見常年流水，并結合溝內洞軸線附近前期鉆孔資料，判斷頭道溝段主洞地下水應較為豐富。

預測未開挖段以Ⅲ類圍巖為主，過溝段及小規(guī)模構造影響段以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。

3 TRT系統(tǒng)中長距離預報

3.1 TRT技術簡介

TRT（Tunnel Reflection Tomography）是隧道地震波反射體追蹤技術的簡稱。目前該技術在國內外隧洞超前地質預報中取得較好的效果，能對掌子面前方100～150 m段不良地質體（斷層帶、破碎帶、富水帶）進行有效預測，并可結合地震波波速進行圍巖分級評估。

TRT探測系統(tǒng)是以每個激震震源和地震信號接受傳感器組的位置為焦點，與所有可能產生反射波信號的不良地質反射體分別確定一個橢球體（見圖3）。足夠多數(shù)量的激震震源和地震信號接受傳感器組位置的坐標會形成一個三維數(shù)組，每個反射界面的地層位置可以由這些橢球的交匯區(qū)域所確定。事實上，反射邊界上每一點離散圖像的計算包括由所有激震震源和接收傳感器組所對應的三維巖體空間中選定的區(qū)塊。TRT采取用層析掃描成像技術，形成立體、直觀的三維圖，立體圖中反射邊界每一點離散圖像是由空間疊加所有地震波形計算得來的，每個波按比例從震源經(jīng)過三維巖體空間的區(qū)塊到達地震信號傳感器。

圖3 用地震波反射獲得地層地質狀況三維圖原理

3.2 TRT檢測成果

對4號施工支洞下游掌子面進行了TRT測試，得到掌子面前方100 m范圍的地震波反射三維圖像（見圖4），并生成掌子面前方60 m范圍地震波縱波波速圖（見圖5）。

圖4 三維成像-立體圖

從三維圖像看，掌子面前方20 m范圍內地震波反射不明顯，開挖面內未見低阻異常，巖體情況與掌子面類似；掌子面前方20～70 m段地震波反射明顯，推測該段內巖體均一性變差，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性變差；掌子面前方70～90 m段地震波反射無異常，推測該段巖體均一性變好；掌子面前方90～100 m段存在一明顯低阻異常，推測存在一破碎帶或軟弱帶。

從地震波縱波速度圖看，掌子面前方60 m范圍內地震波速度在2 200～2 609 m／s之間變化，平均速度約為2 350 m／s。其中，掌子面前方15 m范圍內平均波速值2 280 m／s，較低；15～40 m段平均波速2 435 m／s，略高；40～60 m段平均波速2 340 m／s，稍低。

圖5 地震波速度

3.3 成果分析

（1）測試成果與開挖揭示對比。掌子面開挖揭示，巖性為薄層砂質灰?guī)r夾板巖，褶曲強烈，巖體較破碎，右側邊墻見股狀出水，圍巖極不穩(wěn)定，為Ⅴ類圍巖。掌子面前方15 m后開挖揭示，巖體結構較前段稍好，地下水以線狀流水為主，圍巖穩(wěn)定性較TRT測試掌子面稍好。

開挖揭示情況與預測成果基本吻合。

（2）與6號施工支洞上游測試成果對比。對比6號施工支洞上游掌子面TRT測試成果，地震波平均波速2 600 m／s，較4號支洞下游高250 m／s。巖性與4號下游掌子面相同，均為薄層砂質灰?guī)r，巖層的單層厚度略大，巖層走向與隧洞軸線夾角相當（15°～20°），陡傾。該段洞室按水電系統(tǒng)圍巖分類評分標準，評分40分，為Ⅳ類圍巖。

對比不同段測試成果，地震波波速與巖體質量有明顯相關性。

（3）地震波波速與聲波波速對比。巖體彈性波是巖體物理力學性質、巖體結構、幾何形狀等的綜合體現(xiàn)，與巖體質量有良好的對應關系。彈性波法測試主要包括地震波法和聲波法。聲波法具有波長小、測試精度高的特點，目前已廣泛用于巖體質量的測試。地震波法較聲波法彈性波的行程長，更能綜合反映巖體質量。由于觀測方式（頻率）、尺度等的不同，地震波和聲波速度之間不宜直接進行比較，但其規(guī)律可以相互印證。據(jù)錦屏輔助洞測試成果統(tǒng)計，地震波平均速度比聲波低500 m／s左右［5］，約10%。

綜合掌子面地質條件和TRT測試成果，掌子面前方100 m范圍內，圍巖類別仍以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。

4 地質雷達短距離預報

4.1 地質雷達簡介

地質雷達法是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目標體的，它通過發(fā)射天線向掌子面前方發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，經(jīng)過存在電性差異的地層或目標體（如斷層、破碎帶、巖性變化帶及富水帶等）反射后返回掌子面，被接收天線所接收。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波能量強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)反射波的旅行時間、幅度與波形等信息，可探測掌子面前方的地層界面或地質異常體的結構特征及空間位置。地質雷達探測的效果主要取決于不同介質的電性差異，差異越大，則探測效果越好，一般預報距離10～30 m，為短距離預報方法。

4.2 短距離預報

在地質宏觀預測和TRT中、長距離預報的基礎上，當掌子面開挖接近TRT測試反射異常段時，采用地質雷達進行短距離地質預報。

玉瓦水電站引水隧洞開挖寬度4.2～5 m，掌子面狹窄，扣除天線長度，測線長度不到4 m，加之掌子面巖體爆破松弛、起伏不平，對地質雷達測試效果有影響。實際測試成果雖對斷層破碎帶、涌水等不良地質現(xiàn)象有所反映，但總體效果不佳。

5 結 語

單一的超前地質預報手段，各有其局限性，難以提供可靠且經(jīng)濟有效的超前預報成果。在地表地質調查和地質分析的基礎上，選用合適的物探方法，進行綜合超前地質預報值得研究探索。

綜合超前地質預報工作在玉瓦水電站引水隧洞施工中應用，為施工進度安排、施工資源調配提供了可靠的地質資料，同時有效保障了施工安全，取得了較好的應用效果。

TRT測試的地震波縱波波速成果與聲波測試波速相關性值得進一步研究，對比實際開挖后揭示的圍巖條件，為以后超前地質預報圍巖類別劃分提供參考。

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［5]童建剛，程武偉.錦屏輔助洞巖體地震波與聲波對比檢測［J］.中國水運，2010，10（10）：210-214.

簡訊

我院榮獲2015年全國實施卓越績效模式先進企業(yè)獎

日前，中國質量協(xié)會以中國質協(xié)字〔2015〕90號發(fā)文“關于表彰2015年全國實施卓越績效模式先進企業(yè)的決定”，對全國實施卓越績效模式先進企業(yè)予以表彰。我院獲此殊榮。

2015年，全國廣大企業(yè)通過學習和實踐卓越績效模式，發(fā)揮優(yōu)勢，銳意進取，經(jīng)過不懈努力，發(fā)展成果顯著，涌現(xiàn)出一批先進企業(yè)。為了進一步推動卓越績效模式的實施，樹立卓越績效典范，引領廣大企業(yè)學習先進的經(jīng)驗和方法，中國質量協(xié)會在各地區(qū)、各行業(yè)質協(xié)推薦的基礎上，經(jīng)審核確認，對全國實施卓越績效模式先進企業(yè)進行表彰，并對連續(xù)三年獲得表彰的先進企業(yè)授予“全國實施卓越績效模式先進企業(yè)特別獎”。

據(jù)了解，此次共有148家企業(yè)獲“2015年度全國實施卓越績效模式先進企業(yè)”，18家企業(yè)獲“全國實施卓越績效模式先進企業(yè)特別獎”。

（本刊編輯部）

TV221.2

B

1003-9805（2015）04-0104-05

2015-06-29

胡帥（1978-），男，湖北黃梅人，高級工程師，從事水利水電地質工程、巖土工程設計工作。