大型地下洞室地質(zhì)缺陷診斷技術(shù)

韓寶栓, 袁浩皓

(中國水利水電第七工程局有限公司， 四川成都 610213)

楊房溝水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)廠區(qū)圍巖巖性主要為微風(fēng)化—新鮮花崗閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整性較好—好，強(qiáng)度高，彈性模量大。圍巖類別以Ⅱ類為主，約占50 %，Ⅲ類約占40 %，其余少量為Ⅳ類巖體，圍巖穩(wěn)定性較好，局部有潛在的不穩(wěn)定體。地下洞室大小不等的近40條洞室，地下洞室群開挖方量約162.65×104m3。為診斷地下洞室開挖過程中存在的地質(zhì)缺陷，本文通過聲波測(cè)試、孔內(nèi)成像、動(dòng)態(tài)地質(zhì)素描手段對(duì)開挖過程中地質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得出開挖過程中可能存在的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研判，并且根據(jù)地質(zhì)缺陷診斷結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，總結(jié)得出現(xiàn)場(chǎng)典型破壞特征。

1 大型地下洞室地質(zhì)缺陷診斷技術(shù)現(xiàn)狀分析

國內(nèi)外大型地下洞室地質(zhì)缺陷診斷技術(shù)手段和方法主要有地質(zhì)類方法和地球物理類方法兩大類。地質(zhì)類方法主要有地面地質(zhì)調(diào)查法、地下洞室地質(zhì)素描法和超前鉆探法由劉秀峰教授提出的斷層參數(shù)法等[1]。地球物理類方法多種多樣，主要有地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)、TSP地震反射波法、瞬變電磁法(TEM)、BEAM技術(shù)、TRT地震反射波法、陸地聲納法、負(fù)視速度法、瑞雷面波法等[2]。國內(nèi)相關(guān)研究中，曾昭磺等[3]提出了隧道地震反射法超前預(yù)報(bào)法，利用反射波走時(shí)曲線與直達(dá)波走時(shí)曲線的交點(diǎn)推測(cè)前方反射界面的位置，有效地避免了面波和隧道駐波的干擾，提高了信噪比。鐘世航[4]發(fā)明了陸地聲納法，在被測(cè)面表面用錘擊產(chǎn)生震動(dòng)彈性波，彈性波在巖體中傳播，遇到波速和寬度不同的界面可產(chǎn)生反射，用在錘擊點(diǎn)近旁設(shè)置的拾波器接收這一系列反射波，從圖中可形成一條線的同一反射面的反射波，結(jié)合地質(zhì)情況，就可判斷出各反射界面的性質(zhì)。北京水電物探研究所[5]研制了TGP-12型隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)儀器，該技術(shù)有利于地質(zhì)構(gòu)造面產(chǎn)狀、規(guī)模和地質(zhì)體性質(zhì)的預(yù)報(bào)。趙永貴[6]提出了隧道地震層析成像法，通過可視化地震反射成像技術(shù)，可以預(yù)報(bào)隧道掌子面前方150 m范周內(nèi)的不良地質(zhì)體的位置、性質(zhì)和規(guī)模。周黎明[7]針對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中巖溶問題的特殊性，運(yùn)用瞬變電磁法探討了溶洞、溶隙以及陷落柱等非層狀體系的電阻率響應(yīng)特征。在國外相關(guān)研究中，Dickmann[8]提出瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)有限公司開發(fā)研制了超前預(yù)報(bào)統(tǒng)設(shè)備TSP隧道地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)。Inazaki等[9]提出了水平聲波剖面法(HSP)，水平剖面法的觀測(cè)系統(tǒng)的橫向展布較大，有利于提高速度分析和定位的精度。德國GD公司[10]開發(fā)研制的Beam測(cè)試系統(tǒng)，改善了電法測(cè)試的靈敏度和穩(wěn)定性。Flavio和Lorenzo[11]利用TBM作為震源，對(duì)透射波和反射波采用干涉測(cè)量法，提高了測(cè)量資料解釋水平。

目前洞室地質(zhì)缺陷診斷技術(shù)在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了一些進(jìn)展，已經(jīng)對(duì)地下洞室的典型不良地質(zhì)體進(jìn)行了模擬，建立了相應(yīng)的解釋準(zhǔn)則，研發(fā)了適應(yīng)地下洞室特殊地質(zhì)環(huán)境的儀器，進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。但是地下洞室地質(zhì)情況復(fù)雜多變，僅僅依靠地質(zhì)分析或者一兩種地球物理探測(cè)方法很難對(duì)掌子面前方實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，綜合地球物理方法和地質(zhì)分析是目前最為重要的超前預(yù)報(bào)思路，然而，綜合分析預(yù)報(bào)涉及到太多的技術(shù)方法，這些方法大都是不同原理、不同工作方式、不同應(yīng)用參數(shù)，進(jìn)行超前預(yù)報(bào)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)、廣泛的基礎(chǔ)知識(shí)和對(duì)各種方法的深刻認(rèn)識(shí)并且還要處理大量的信息。本文利用動(dòng)態(tài)地質(zhì)素描技術(shù)分析開挖過程中存在的地質(zhì)缺陷，運(yùn)用鉆孔成像技術(shù)驗(yàn)證母線洞巖墻發(fā)育貫穿性張裂縫的推測(cè)，綜合運(yùn)用地質(zhì)掃描技術(shù)、聲波測(cè)試和孔內(nèi)成像技術(shù)得出的斷層影響帶范圍及厚度，根據(jù)地質(zhì)缺陷診斷結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析總結(jié)得出現(xiàn)場(chǎng)典型地質(zhì)破壞特征。

2 復(fù)雜條件大型洞室開挖現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)缺陷測(cè)試與分析

2.1 聲波測(cè)試技術(shù)

本工程利用聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)開挖過程中的地質(zhì)松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試得到在開挖過程中不同部位的地質(zhì)松弛深度及傳播過程中的波速，通過統(tǒng)計(jì)分析得出受開挖影響產(chǎn)生較大地質(zhì)松動(dòng)的部位。以具有代表性的主副廠房洞為例來說明復(fù)雜條件大型洞室開挖現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)缺陷測(cè)試與分析，現(xiàn)場(chǎng)布置了5個(gè)聲波測(cè)試斷面，如圖1所示。

圖1 主副廠房洞地質(zhì)松動(dòng)圈聲波檢測(cè)斷面典型布置

將部分主副廠房洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ層開挖時(shí)，通過聲波測(cè)試技術(shù)測(cè)得地質(zhì)松動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表1所示。

表1 主副廠房洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ層地質(zhì)松動(dòng)圈鉆孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)

第Ⅰ層開挖完成后聲波測(cè)試結(jié)果顯示，廠房頂拱地質(zhì)松弛深度0.7～2.0 m，平均地質(zhì)松弛深度為1.4 m，上游拱肩平均地質(zhì)松弛深度最大，下游拱肩次之，頂拱最?。坏刭|(zhì)松弛區(qū)巖體平均波速4 165 m/s，非松弛區(qū)巖體平均波速為5 150 m/s。第Ⅱ?qū)娱_挖完成后聲波測(cè)試結(jié)果顯示，第Ⅱ?qū)舆厜Φ刭|(zhì)松弛深度0.7～1.6 m，平均松弛深度為1.2 m，下游邊墻比上游邊墻松弛深度大；松弛區(qū)巖體平均波速4 416 m/s，非松弛區(qū)巖體平均波速為5 359 m/s。第Ⅳ層開挖完成后聲波測(cè)試結(jié)果顯示，第Ⅳ層邊墻地質(zhì)松弛深度0.8～2.5 m，平均松弛深度為1. 5 m，下游邊墻比上游邊墻松弛深度大；地質(zhì)松弛區(qū)巖體平均波速4 110 m/s，非松弛區(qū)巖體平均波速為5 115 m/s。

第Ⅵ層開挖完成后對(duì)第Ⅱ?qū)?、第Ⅳ層邊墻進(jìn)行了地質(zhì)松動(dòng)深度對(duì)比測(cè)試，聲波測(cè)試結(jié)果顯示，上游側(cè)邊墻松弛深度基本無變化，第Ⅱ?qū)酉掠蝹?cè)邊墻平均松弛深度增加了0.3 m，第Ⅳ層下游側(cè)邊墻平均松弛深度增加了0.55 m，表明廠房第Ⅵ層開挖完成后，下游側(cè)邊墻巖體存在一定的卸荷松弛現(xiàn)象。

2.2 地質(zhì)素描技術(shù)

地質(zhì)素描技術(shù)在本工程得到了廣泛的應(yīng)用，施工過程中收到地質(zhì)素描預(yù)報(bào)2 200多份，通過分析地質(zhì)素描結(jié)果合理安排組織相關(guān)施工，確保了洞室?guī)r壁的開挖成型，大大減少了可預(yù)見性的地質(zhì)缺陷工程量。限于篇幅僅對(duì)典型部位——主副廠房洞下游邊墻施工說明地質(zhì)素描技術(shù)在本工程的運(yùn)用，下游邊墻發(fā)育近洞向陡傾角結(jié)構(gòu)面，局部發(fā)育節(jié)理密集帶，對(duì)下游邊墻穩(wěn)定不利，存在塊體穩(wěn)定問題，由于廠房跨度大、挖空率高，第一主應(yīng)力σ1與邊墻夾角66～84°，發(fā)育NNE向陡傾角優(yōu)勢(shì)節(jié)理，以上因素共同作用下，帶來廠房下臥過程中的高邊墻變形問題。圖2、圖3為第Ⅰ層下游側(cè)頂拱擴(kuò)挖后廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段下游邊墻構(gòu)造發(fā)育情況。

圖2 廠右0+10 m～廠左0+2 m下游頂拱揭露f1-83

圖3 下游邊墻廠左21～30m段2012m以下沿f1-83掉塊

第Ⅰ層下游側(cè)頂拱擴(kuò)挖后，廠右0+10 m～廠左0+2 m揭露f1-83，位置如圖2所示，產(chǎn)狀為N10～20°E NW∠75～85°，頂拱剛揭露時(shí)寬度較小，寬1～2 cm，帶內(nèi)充填碎裂巖、巖屑，未見蝕變帶。廠左21～30 m、EL2012～2010 m段沿?cái)鄬用娴魤K，掉塊深度0.3～0.5 m，如圖3所示。

經(jīng)測(cè)量得此處f1-83斷層寬度變?yōu)?～5 cm，兩側(cè)巖體有蝕變現(xiàn)象，蝕變帶寬10～15 cm，上盤巖體穩(wěn)定性差，已采取預(yù)應(yīng)力錨桿加強(qiáng)支護(hù)。采取同樣方法得出，第Ⅱ?qū)娱_挖后，該段邊墻節(jié)理較發(fā)育，表層巖體松弛現(xiàn)象明顯，開挖成型較差。第Ⅲ層下游邊墻廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段發(fā)育f1-83及其影響帶和J1-145、J1-164對(duì)邊墻和巖錨梁穩(wěn)定不利。

2.3 孔內(nèi)成像技術(shù)

楊房溝水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群在施工中使用孔內(nèi)成像技術(shù)輔助超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，效果顯著。下面以母線洞的使用情況介紹孔內(nèi)成像在隧道超前地質(zhì)鉆孔預(yù)報(bào)中的應(yīng)用效果。由于孔內(nèi)成像結(jié)果圖形過大，僅列出相關(guān)結(jié)論。為查明巖墻是否存在貫穿性裂縫，在廠房與主變洞之間布置了2個(gè)對(duì)穿孔，樁號(hào)分別為廠右0+19 m和廠右0+45 m。通過孔內(nèi)成像結(jié)果分析得出，與墊層裂縫對(duì)應(yīng)位置即孔深1～35 m段孔內(nèi)成像中未發(fā)現(xiàn)張開裂縫，結(jié)合母線洞建基面素描和巖墻鉆孔成像成果，可排除巖墻發(fā)育貫穿性張裂縫的推測(cè)。

2.4 上述三種技術(shù)綜合運(yùn)用

根據(jù)2.2節(jié)研究?jī)?nèi)容，得出廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段EL.2010 m高程以下f1-83影響帶寬度變大，影響帶內(nèi)巖體沿結(jié)構(gòu)面多見蝕變現(xiàn)象，以硬質(zhì)巖為主，間夾不同程度蝕變巖條帶。為查明f1-83影響帶的寬度和高度，確定影響帶分布范圍，在廠房二、三層開挖過程中，分別于高程2 010 m、2 004 m、2 000 m附近布置鉆孔電視及聲波測(cè)試孔12個(gè)，其中水平孔8個(gè)，垂直孔4個(gè)。代表性聲波孔聲速曲線如圖4、表2所示。

圖4 聲速曲線

表2 f1-83影響帶水平厚度

由上述測(cè)試圖形及表格可得，聲速曲線中縱波速從3 000 m/s至3 500 m/s有一個(gè)明顯的跳躍，結(jié)合鉆孔成像技術(shù)進(jìn)行分析，縱波速從3 000 m/s至3 500 m/s的變化帶可判定為f1-83影響帶的邊界。下游邊墻巖錨梁段f1-83影響帶厚度為0～3.6 m不等，其中巖錨梁下拐點(diǎn)2 002.7 m高程厚度為2.1～3.0 m，平均波速2 903～3 248 m/s。高波速帶距下游邊墻水平距離為1.9～4.8 m，平均波速4 500～5 007 m/s。

3 大型地下洞室圍巖地質(zhì)條件與現(xiàn)場(chǎng)典型破壞特征

通過以上地質(zhì)缺陷診斷技術(shù)，綜合得出大型地下洞室圍巖地質(zhì)條件，地下廠房區(qū)巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，微風(fēng)化—新鮮，屬為次塊狀—鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體，開挖揭示廠區(qū)無較大地質(zhì)斷層通過，巖體完整性較好，以II類、III類圍巖為主，洞室群圍巖的整體穩(wěn)定條件相對(duì)較好。整個(gè)洞室開挖過程揭示的圍巖地質(zhì)條件總體與可研階段預(yù)計(jì)結(jié)果基本一致，局部洞段略差一些。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，地下廠房區(qū)最大主應(yīng)力在12～15 MPa，屬中等應(yīng)力區(qū)，整體應(yīng)力水平不高，但大主應(yīng)力方向與洞室軸線大角度相交，對(duì)圍巖穩(wěn)定較不利。根據(jù)地下廠房洞室群開挖揭露，廠區(qū)圍巖中，中陡傾角節(jié)理裂隙發(fā)育，與洞室軸線夾角較小的結(jié)構(gòu)面及其組合塊體是影響洞室圍巖變形及穩(wěn)定的重要因素，特別是三大洞室下游邊墻區(qū)域，受不利的大主應(yīng)力方向和順洞向陡傾結(jié)構(gòu)面疊加效應(yīng)影響，高邊墻圍巖開挖卸荷松弛變形問題較突出，并可能表現(xiàn)出一定的時(shí)效松弛變形特征。

根據(jù)地質(zhì)缺陷診斷結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析總結(jié)得出現(xiàn)場(chǎng)典型破壞特征。從巖體破壞特征來看，結(jié)構(gòu)面控制型、應(yīng)力控制型以及結(jié)構(gòu)面應(yīng)力組合型這3種類型的破壞現(xiàn)象均有不同程度的體現(xiàn)。其中結(jié)構(gòu)面控制型破壞相對(duì)普遍，三大洞室頂拱部位圍巖的局部破壞主要受緩傾結(jié)構(gòu)面控制，在高邊墻則主要受陡傾結(jié)構(gòu)面組合控制，在施工過程中出現(xiàn)的局部破壞主要表現(xiàn)為巖塊在邊墻陡傾角結(jié)構(gòu)面和頂拱緩傾角結(jié)構(gòu)面出露部位的松弛或塌落。雖然楊房溝水電站三大洞室布置形式及巖體結(jié)構(gòu)特征均相對(duì)不利，但由于廠區(qū)地應(yīng)力水平整體不高，也不存在較大地質(zhì)斷層通過，施工過程中通過及時(shí)支護(hù)、適時(shí)有效的針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)等手段，未見大的塊體穩(wěn)定問題以致影響洞室圍巖整體穩(wěn)定的情況。

4 結(jié)論

通過對(duì)楊房溝水電站復(fù)雜條件大型洞室開挖現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)缺陷測(cè)試與分析，地下洞室群圍巖地質(zhì)條件與現(xiàn)場(chǎng)典型破壞特征總結(jié)研究，得出了以下結(jié)論:

(1)本工程利用聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)開挖過程中的地質(zhì)松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試，而出洞室上游拱肩平均松弛深度最大，下游拱肩次之，頂拱最小，據(jù)此認(rèn)為上游拱肩是最可能發(fā)生塌方和垮塌的部位，應(yīng)進(jìn)行錨固加強(qiáng)；隨著主副洞室向下進(jìn)行施工，下游邊墻比上游邊墻松弛深度大，須在施工中加強(qiáng)錨固以避免下游邊墻部位發(fā)生塌方和垮塌。

(2)利用地質(zhì)素描技術(shù)，對(duì)主副廠房洞下游邊墻施工過程的地質(zhì)情況進(jìn)行描繪，通過分析地質(zhì)掃描結(jié)果得出，不同開挖階段受到地質(zhì)情況不同而對(duì)開挖過程產(chǎn)生不同程度影響。在施工中使用孔內(nèi)成像技術(shù)輔助超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，效果顯著，結(jié)合母線洞建基面素描和巖墻鉆孔成像成果，可排除巖墻發(fā)育貫穿性張裂縫的推測(cè)。

(3)通過綜合運(yùn)用上述三種技術(shù)得到了聲速曲線和鉆孔成像結(jié)果，綜合分析得出了縱波速從3 000 m/s至3 500 m/s 的變化帶可判定為f1-83影響帶的邊界，巖錨梁下拐點(diǎn)2002.7m高程厚度為2.1～3.0m，平均波速2903～3248m/s，高波速帶距下游邊墻水平距離為1.9～4.8m，平均波速4500～5007m/s。

(4)楊房溝水電站三大洞室布置形式及巖體結(jié)構(gòu)特征均相對(duì)不利，由于廠區(qū)地應(yīng)力水平整體不高，也不存在較大地質(zhì)斷層通過，施工過程中通過及時(shí)支護(hù)、適時(shí)有效的針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)等手段，未見大的塊體穩(wěn)定問題以致影響洞室圍巖整體穩(wěn)定的情況。