綜合地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)在某電站工程中的應(yīng)用

劉志宏

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，311122）

綜合地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)在某電站工程中的應(yīng)用

劉志宏

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，311122）

詳細(xì)介紹了工程地質(zhì)分析預(yù)測法、TSP超前地質(zhì)預(yù)報法、探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報法的方法原理，提出在宏觀工程地質(zhì)預(yù)測分析的基礎(chǔ)上，采用TSP法中長距離預(yù)報和探地雷達(dá)法短距離預(yù)報方法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，并在某電站引水隧洞開挖施工中準(zhǔn)確預(yù)報貫穿引水隧洞地下洞室群的F6斷層，闡明在復(fù)雜地質(zhì)條件下實施隧洞綜合地質(zhì)超前預(yù)報的必要性和重要性。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報；探地雷達(dá)；TSP預(yù)報；F6斷層

0　引言

因隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜或深埋隧洞前期勘察手段的局限性，在隧洞開挖施工過程中可能遭遇潛在的、未知的不良地質(zhì)體，如巖溶、斷層破碎帶、地下水等，稍有不慎就容易出現(xiàn)坍塌、突水、涌泥等事故。近年來，因地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的隧洞施工安全事故屢見不鮮，隧洞超前地質(zhì)預(yù)報是預(yù)防隧洞施工地質(zhì)災(zāi)害事故的重要手段。由于單一地質(zhì)超前預(yù)報方法所提供信息的局限性或多解性，難以在復(fù)雜地質(zhì)條件下實施準(zhǔn)確的地質(zhì)超前預(yù)報，采用兩種或多種預(yù)報手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報成果相互佐證分析，可提供更為準(zhǔn)確、可靠的預(yù)報結(jié)論。

筆者提出采用工程地質(zhì)分析預(yù)測法、TSP超前地質(zhì)預(yù)報法和探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報法的隧洞施工開挖綜合地質(zhì)超前預(yù)報方法，并結(jié)合某電站引水隧洞洞室群的F6斷層預(yù)報實踐，論證綜合地質(zhì)超前預(yù)報方法的有效性、實用性和重要性。

1　綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法原理

1.1工程地質(zhì)分析預(yù)測法

工程地質(zhì)分析預(yù)測法是利用隧洞前期勘察資料和施工地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，宏觀推測和研判掌子面前方地質(zhì)情況及可能存在的不良地質(zhì)構(gòu)造（如巖溶、斷層破碎帶、富水地質(zhì)構(gòu)造等），以及預(yù)測其相應(yīng)位置、延伸方向和規(guī)模大小，宏觀上分析對隧洞施工開挖存在的不良影響。工程地質(zhì)分析預(yù)測法主要用于長距離、大范圍的地質(zhì)宏觀推斷，綜合地質(zhì)超前預(yù)報可為中長距離地質(zhì)超前預(yù)報分析提供基礎(chǔ)資料。

1.2TSP超前地質(zhì)預(yù)報方法

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是通過人工激發(fā)地震波在隧洞圍巖中傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩棺兓缑妫ㄈ鐜r溶、斷層等）時將發(fā)生反射。根據(jù)地震波傳播理論，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诖怪苯缑嫒肷淝闆r下，其反射系數(shù)R12為：

式中，ρ1、ρ2為界面兩側(cè)介質(zhì)的密度；νP1、νP2為界面兩側(cè)介質(zhì)的地震波縱波速度。

由反射系數(shù)計算公式可知，反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗（ρV）差異程度決定了反射系數(shù)大小和正負(fù)，也決定了反射波的能量和首波的相位，因此根據(jù)反射波的能量及首波相位的變化可以推測反射界面兩側(cè)地質(zhì)體的性質(zhì)，TSP地質(zhì)超前預(yù)報原理見圖1。所接收的地震波數(shù)據(jù)經(jīng)TSPwin專用軟件處理（數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→Q估算→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→反射界面提取等流程），可獲取掌子面前方圍巖P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面，提取反射層信息、巖體物理力學(xué)參數(shù)，以及2D或3D空間地質(zhì)界面分布狀態(tài)等解譯成果。

圖1　TSP超前地質(zhì)預(yù)報工作原理圖Fig.1 Principle of TSP advanced geological prediction

TSP法可有效預(yù)報距離與巖體軟硬程度及其完整性的相關(guān)關(guān)系，一般可探測掌子面前方100～150 m，巖體條件較好洞段甚至可達(dá)200 m以上，屬中、長距離預(yù)報。在綜合地質(zhì)超前預(yù)報中，TSP預(yù)報成果可作為短距離預(yù)報分析的基礎(chǔ)依據(jù)。

1.3探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報法

探地雷達(dá)向地下或掌子面定向發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)電磁波遇到存在電性差異的界面或地質(zhì)體時將發(fā)生反射，通過接收反射電磁波并對反射電磁波信號進(jìn)行濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達(dá)圖像，探地雷達(dá)的工作原理見圖2。雷達(dá)圖像中，反射電磁波信號的強(qiáng)弱取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的電性差異程度，界面反射系數(shù)計算如下：

通過識別雷達(dá)圖像中的反射波同相軸，提取反射波的旅行時間，可根據(jù)介質(zhì)的電磁波傳播速度和反射波旅行時間計算反射界面的深度：

式中，h為界面的深度；x為發(fā)射天線和接收天線的間距；V為地層介質(zhì)的電磁波傳播速度。

探地雷達(dá)法有效預(yù)報距離一般為20～30 m，在綜合地質(zhì)超前預(yù)報中屬短距離精確預(yù)報。

圖2　探地雷達(dá)工作原理圖Fig.2 Principle of GPR geological prediction method

2　某電站引水隧洞F6斷層預(yù)報實例

2.1F6斷層工程地質(zhì)預(yù)測分析

某水電站地下洞室群中有7條隧洞穿越F6斷層，包括2條輔助洞、1條施工排水洞和4條引水隧洞，各隧洞近乎平行布置，水平間距分別為35 m、35 m、45 m、60 m、60 m和60 m。輔助洞先于引水隧洞和施工排水洞開挖，排水洞和引水隧洞幾乎同時開挖施工。A、B輔助洞開挖揭露F6斷層的樁號分別為AK2+744～AK2+748和BK2+771～BK2+ 773.5。A、B輔助洞開挖所揭露的F6斷層表明，F(xiàn)6斷層位于雜谷腦組(T2z)大理巖內(nèi)，為壓扭性結(jié)構(gòu)面，具有相對隔水性質(zhì)，產(chǎn)狀為N45°E NW∠80～85°，主帶內(nèi)巖性為灰綠色砂巖、大理巖，呈全～強(qiáng)風(fēng)化狀，面絹云母化，巖性軟弱，帶內(nèi)主要充填有結(jié)構(gòu)面泥、全風(fēng)化巖、擠壓片巖、巖屑等，結(jié)構(gòu)面泥可見寬0.2～0.6 m。F6主斷層揭露前一般有15 m左右的斷層影響帶，在斷層下盤有約20 m的影響帶，斷層影響帶巖體破碎，鐵錳質(zhì)浸染嚴(yán)重。

根據(jù)A、B輔助洞揭露的F6斷層性狀，結(jié)合前期地面地質(zhì)測繪資料和引水隧洞掌子面開挖地質(zhì)情況，經(jīng)工程地質(zhì)預(yù)測分析，推測F6斷層將分別在1號引水隧洞的引(1)2+895～引(1)2+899、2號引水隧洞的引(2)2+859～引(2)2+863、3號引水隧洞的引(3)2+839～引(3)2+843、4號引水隧洞的引(4)2+899～引(4)2+803以及施工排水洞的SK2+311～SK2+315位置揭露。工程地質(zhì)分析法推測各隧洞的F6斷層位置見圖3。

圖3　工程地質(zhì)分析推測的各隧洞F6斷層位置圖Fig.3 Predicted location of fault F6

2.2TSP法預(yù)報F6斷層

根據(jù)工程地質(zhì)分析預(yù)測的F6斷層位置，當(dāng)掌子面開挖接近F6斷層推測位置時，選取開挖超前的2號引水隧洞和4號引水隧洞實施TSP超前地質(zhì)預(yù)報。2號引水隧洞實施TSP超前預(yù)報的掌子面位于引（2）2+767，4號引水隧洞實施TSP超前預(yù)報的掌子面位于引（4）2+706，若TSP有效預(yù)報距離按150 m計算，則2號引水隧洞TSP預(yù)報的覆蓋洞段為引（2）2+867～引（2）2+917，4號引水隧洞TSP預(yù)報的覆蓋洞段為引（4）2+706～引（4）2+856，因此F6斷層推測位置處于預(yù)報范圍之內(nèi)，見圖4。

2.2.12號引水隧洞引（2）2+767掌子面TSP預(yù)報成果分析

2號引水隧洞引（2）2+767掌子面的TSP預(yù)報物性參數(shù)2D成果圖表明，引(2)2+857～引(2)2+890洞段的巖體波速、楊氏模量及泊松比均明顯降低，見圖5（a），在巖體波速色譜圖上呈藍(lán)色（深色）條帶狀低速異常區(qū)，見圖5（b），由此推測引(2)2+857～引(2)2+ 890洞段為F6斷層及影響帶。

圖4　F6斷層推測位置及TSP預(yù)報洞段范圍示意圖Fig.4 Predicted location of F6 fault and the area of TSP geolog?ical prediction

圖5　2號引水隧洞引（2）2+767掌子面TSP預(yù)報成果圖Fig.5 TSP geological prediction result of the tunnel face 2+767 of No.2 diversion tunnel

2.2.24號引水隧洞引（4）2+706掌子面TSP預(yù)報成果分析

4號引水隧洞引（4）2+706掌子面的TSP預(yù)報物性參數(shù)2D成果圖表明，引(4)2+799～引(4)2+816洞段的巖體波速、楊氏模量及泊松比均明顯降低，見圖6（a），在巖體波速色譜圖上呈藍(lán)色條帶狀低速異常區(qū)，見圖6（b），由此推測引(4)2+799～引(4)2+816洞段為F6斷層及影響帶。

2.3探地雷達(dá)法預(yù)報F6斷層

圖6　4號引水隧洞引（4）2+706掌子面TSP預(yù)報成果圖Fig.6 TSP geological prediction result of the tunnel face 2+706 of No.4 diversion tunnel

當(dāng)1號、2號、3號和4號引水隧洞開挖掌子面接近TSP預(yù)報F6斷層位置時，針對F6斷層進(jìn)行探地雷達(dá)預(yù)報，以進(jìn)一步查明F6斷層及影響帶的位置，確證F6斷層的性質(zhì)。各引水隧洞的探地雷達(dá)法預(yù)報F6斷層成果及開挖驗證情況見表1～4。

3　結(jié)語

本工程各引水隧洞的F6斷層超前地質(zhì)預(yù)報實踐表明，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞施工，采用宏觀工程地質(zhì)分析預(yù)測、中-長距離TSP預(yù)報法和短距離探地雷達(dá)相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，可準(zhǔn)確預(yù)報施工掌子面前方地質(zhì)情況，有效確保隧洞施工安全。

表1　1號引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報成果表Table 1 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.1

表22　號引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報成果表Table 2 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.2

表33　號引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報成果表Table 3 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.3

表44　號引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報成果表Table 4 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.4

[1]李華,朱自強(qiáng),李健.TSP203系統(tǒng)在巖體分級中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報,2005,2(6):449-453.

[2]趙永貴,劉浩,孫宇,等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2003,18(3):460-464.

[3]陳建峰.隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)比較[J].地下空間, 2003,23(1):5-6.

[4]齊傳生,王洪勇.圓梁山隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)[J].鐵道勘察,2004,114(5):52-56.

[5]何成,吳德勝.汶川地震震中區(qū)高速公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,49(3):182-185.

[6]肖書安,吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].工程地球物理學(xué)報,2004,1(2):159-165.

[7]王剛,楊朝帥.超前地質(zhì)預(yù)報綜合技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,49(1):160-165.

[8]劉志剛,劉秀峰.TSP（隧道地震勘探）在隧道隧洞超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用與發(fā)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22 (8):1399-1402.

[9]曲海鋒,劉志剛,朱合華.隧道信息化施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(6):1247-1251.

[10]李術(shù)才,李樹忱,張慶松,等.巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(2): 217-225.

[11]王振宇,程圍峰,劉越,等.基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前預(yù)報技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29 (22):3549-3557.

作者郵箱：liu_zh@ecidi.com

Title:Application of comprehensive geological advanced prediction technology in a hydropower station

by LIU Zhi-hong∕Zhejiang Huadong Engineering Safety Technology Co.,Ltd.

The paper introduces the principle and method of engineering geology analysis and predic?tion method,TSP geological prediction method and GPR geological forecast method.Based on macro prediction of engineering geology,the combination of TSP geological prediction method for medium and long distance and GPR geological prediction method for short distance is advanced.It is applied to the excavation of a diversion tunnel.The precise result has proved the necessity and importance of applica?tion of comprehensive advanced geological prediction in complex geology condition.

comprehensive advanced geological prediction;ground penetrating radar;TSP prediction; F6 fault

U456

B

1671-1092（2016）04-0056-06

2016-05-27

劉志宏（1964-），男，浙江衢州人，高級工程師，從事隧道地質(zhì)超前預(yù)報工作。