地質(zhì)超前預(yù)報在不良地質(zhì)條件引水隧洞中的應(yīng)用

余 文 華， 婁 鑫

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站引水隧洞位于木里河左岸，從小溝河溝口下游約0.4 km的木里河處取水至木里河左岸Ⅰ級階地的地面廠房發(fā)電。由進(jìn)水口至調(diào)壓井的引水線路長約11.06 km。

該引水線路處于高山峽谷區(qū)，地形高差懸殊，為500～1 500 m。兩岸河谷多呈不對稱的“U”和“V”型谷，植被較發(fā)育。引水隧洞沿線溝谷深切，支溝較發(fā)育，從上至下規(guī)模較大的沖溝為洼開溝、撒洼溝，溝內(nèi)有常年性流水，洪水期流量較大。引水隧洞布置在木里河左岸山體內(nèi)，垂向埋深一般為150～400 m，最淺處為撒洼溝過溝段(60 m左右)，最深處達(dá)590 m，水平埋深一般為320～850 m。隧洞區(qū)地層巖性復(fù)雜，主要由濱海與河湖相組合、交互的地質(zhì)環(huán)境中沉積的由復(fù)雜巖層組合而成的區(qū)域性淺變質(zhì)巖。隧洞施工前，對于采用何種設(shè)備、何種方法了解未開挖洞段的巖性、富水等情況并據(jù)此制定相應(yīng)的措施以確保施工安全及施工進(jìn)度是隧洞施工中的重點問題。闡述了地質(zhì)超前預(yù)報在不良地質(zhì)條件引水隧洞開挖中的應(yīng)用過程。

2 檢測設(shè)備

鑒于固增水電站引水隧洞地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及其橫跨4個山體沖溝、水源豐富等特性，在引水隧洞開挖及支護(hù)階段出現(xiàn)坍塌與涌水的情況十分突出。為保證隧洞開挖支護(hù)階段的安全施工及施工進(jìn)度，項目部決定在固增水電站引水隧洞施工過程中開展超前地質(zhì)預(yù)報[1]工作，旨在為引水隧洞開挖支護(hù)的安全提供保障。

結(jié)合目前國內(nèi)地質(zhì)預(yù)報開展的情況，固增水電站先后引進(jìn)了TSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)以及固定超前預(yù)報系統(tǒng)、TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)[2]對引水隧洞的地質(zhì)情況進(jìn)行了地質(zhì)超前預(yù)報。由于TSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定性，在工程應(yīng)用過程中，不能很好地對部分地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報，固增水電站在TSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)用了一個周期后即由TRT地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)及TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)予以代替。以下對工程中使用頻次較高的地質(zhì)超前預(yù)報設(shè)備進(jìn)行了對比分析，地質(zhì)超前預(yù)報設(shè)備性能對比情況見表1。

表1 地質(zhì)超前預(yù)報設(shè)備性能對比表

從表1中所列出的對設(shè)備的分析情況可以看出三種設(shè)備具有其相對的測試優(yōu)勢及特點。TRT、TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的測試原理基本一致，均為地震波類的測試系統(tǒng)。TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)增加了較多的不同地質(zhì)類型專業(yè)分析模塊，對于分析較為突出的地質(zhì)巖層其預(yù)報準(zhǔn)確率得到了極大程度的提高；TRT地質(zhì)超前預(yù)報[3]系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的激發(fā)與采集在操作方面進(jìn)行了簡化，不再需要進(jìn)行鉆孔安裝激發(fā)與接收裝置，數(shù)據(jù)分析時可以采用綜合分析的方式對地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報；地質(zhì)雷達(dá)SIR3000的測試原理與以上兩種測試原理不同，該地質(zhì)雷達(dá)采用電磁波的測試發(fā)放以達(dá)到對地質(zhì)情況的預(yù)報目的，其信號的激發(fā)與回收均通過專門的一體設(shè)備完成，不再需要打孔。但地質(zhì)雷達(dá)的最大測試距離不超過50 m，有效測試距離為20～40 m。相比地震波類的地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的測試距離(150 m)而言其測試距離較短，需要在施工過程中進(jìn)行短周期的測試循環(huán)工作，因而對現(xiàn)場施工具有一定程度的影響。但其測試精度相對來說較高，可以基本、準(zhǔn)確地確定地質(zhì)條件發(fā)生突變的位置。

3 檢測成果

3.1 地質(zhì)超前預(yù)報設(shè)備的應(yīng)用

在固增水電站引水隧洞及施工支洞開挖階段，各控制段對掌子面前方因?qū)Φ刭|(zhì)情況判斷不明導(dǎo)致出現(xiàn)了不同程度的塌方、涌水、有毒有害氣體的情況，給工程施工安全造成了極大的隱患，形成了施工進(jìn)度緩慢的事實。為解決這一問題，項目部決定對全洞段進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報工作，地質(zhì)超前預(yù)報工作采取多種檢測手段相配合的方式進(jìn)行，主要采取以TRT、TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離地質(zhì)超前預(yù)報為主；對于存在疑問的檢測數(shù)據(jù)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測、實施地質(zhì)超前預(yù)報工作。檢測前，先對掌子面進(jìn)行布孔，地質(zhì)預(yù)報的布孔方式見圖1。通過地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果，采用動態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工方案的方式確保了施工安全及施工進(jìn)度。

圖1 地質(zhì)預(yù)報布孔方式圖

3.2 數(shù)據(jù)分析與處理

對于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的洞段采取以上三種檢測手段進(jìn)行對比檢測。通過對三種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確保了地質(zhì)超前預(yù)報的準(zhǔn)確性。引水隧洞中兩段樁號內(nèi)的三種設(shè)備測試結(jié)果對比分析情況如下(T1+419～T1+539、T7+715～T7+818)。

(1)TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。

T1+419～T1+539：該段巖體縱波波速為2 800～3 500 m/s，該段圍巖巖體相對較好，圍巖情況與開挖出的掌子面情況基本一致。巖體縱波波速降低，發(fā)育節(jié)理裂隙或存在軟弱夾層且可能伴隨滴水成串、股狀水情況，開挖過程中需注意排水，防止頂部掉塊?？v波波速圖(T1+419～T1+539)見圖2。

圖2 縱波波速圖(T1+419～T1+539)

T7+715～T7+818：巖體縱波波速為2 000～2 200 m/s，該段圍巖巖體較破碎，巖體強度降低，發(fā)育節(jié)理裂隙,存在軟弱夾層且有可能伴隨滴水情況?？v波波速圖(T7+715～ T7+818)見圖3。

圖3 縱波波速圖(T7+715～ T7+818)

(2)TRT地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。

T1+419～T1+539：此段地震波反射強，地震波速度較前段呈減小趨勢。相對于掌子面的變化較小，局部有增高趨勢，由此推測：此樁號段巖體中結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖體較破碎，局部可能有地下水活動；開挖時應(yīng)注意掌子面坍塌或掉塊，局部應(yīng)加強排水?？v波波速圖(T1+419～T1+539)見圖4。

圖4 縱波波速圖(T1+419～T1+539)

T7+715～T7+818：地震波總體反射相對較弱，僅局部零星分布一些反射，巖體結(jié)構(gòu)面集中發(fā)育，巖體破碎，部分洞段有地下水活動?？v波波速圖(T7+715～ T7+818)見圖5。

圖5 縱波波速圖(T7+715～ T7+818)

(3)地質(zhì)雷達(dá)SIR3000。

T1+419～T1+539：根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測得到的反射波圖像，結(jié)合隧道工程地質(zhì)勘察結(jié)果和掌子面圍巖特征，分析出掌子面前方30 m范圍的地質(zhì)情況：該區(qū)段同相軸不連續(xù)，振幅相對較弱，圍巖情況與當(dāng)前掌子面情況基本一致；局部能量反射較強，局部發(fā)育裂隙或軟弱層，可能含裂隙水。開挖過程中應(yīng)注意排水，防止頂部掉塊。

T7+715～T7+818：根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測得到的反射波圖像，結(jié)合隧道工程地質(zhì)勘察結(jié)果和掌子面圍巖特征，該區(qū)段電波信號同相軸不連續(xù)，能量反射較強，推測為圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育,開挖時應(yīng)注意掌子面坍塌或掉塊并加強排水。

3.3 比對后得出的結(jié)論

(1)采用TGS-360Pro[4]和TRT兩種設(shè)備對同一洞段前方的圍巖情況進(jìn)行檢測，所獲得的檢測結(jié)果與實際地質(zhì)類型基本一致。

(2)地質(zhì)雷達(dá)采用的電磁波對于含水圍巖的敏感性較強。因此，可以結(jié)合已有經(jīng)驗對含水洞段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測以達(dá)到驗證圍巖含水情況的目的。

(3)對于圍巖較為復(fù)雜的施工洞段，仍然采用TGS-360Pro、TRT、地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆探孔相組合[5]的檢測手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。

4 實施效果

自開展引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報工作以來，通過實施多種手段的地質(zhì)超前預(yù)報，成功地避免了因不良地質(zhì)條件給工程造成的質(zhì)量安全隱患，避免了不必要的人員及設(shè)備損失，保證了工程的施工進(jìn)度。

(1)成功預(yù)報了2號支洞控制段與3號支洞控制段出現(xiàn)的因山體滲水引發(fā)的涌水情況。避免了因涌水造成的坍塌情況，通過及時采取增加排水的方式釋放水壓力，避免了不必要的設(shè)備及人員損失。

(2)成功預(yù)報了4號支洞控制段存在的3處空腔部位，采取探孔施工及系列有毒有害氣體檢測手段在鉆孔過程中釋放了內(nèi)壓氣體，避免了安全事故的發(fā)生。

(3)全斷面地質(zhì)超前預(yù)報工作開展以來，嚴(yán)格按照地質(zhì)超前預(yù)報的操作要求，科學(xué)地開展了數(shù)據(jù)分析工作，所預(yù)報的地質(zhì)情況與實際揭露的結(jié)果吻合度達(dá)到80%。

5 結(jié) 語

固增水電站的業(yè)主、監(jiān)理與總承包單位在不良地質(zhì)條件引水隧洞開挖支護(hù)施工過程中，本著以人為本、尊重技術(shù)、追求質(zhì)量安全的理念，有效開展了地質(zhì)超前預(yù)報工作，針對不同的地質(zhì)情況選用與其相匹配的檢測設(shè)備：在地質(zhì)情況復(fù)雜且特定的地質(zhì)情況突出的隧洞開挖過程中采取TGS—360Pro或TRT地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)開展地質(zhì)超前預(yù)報工作，并采用地質(zhì)雷達(dá)或布設(shè)超前鉆探孔的方式進(jìn)行輔助檢測預(yù)報。

對固增水電站引水隧洞地質(zhì)超前預(yù)報進(jìn)行的研究及取得的成效，可為同類型地下工程開挖提供較好的借鑒，該技術(shù)具有較高的推廣價值。