大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程——隧洞施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)

李 瑞，楊曉飛，鐘明明

（大連市供水有限公司，遼寧 大連 116011）

大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程碧流河水庫(kù)北段工程引水規(guī)模3億m3/年，主要供水對(duì)象為大連市。隧洞采用無(wú)壓洞，洞線總長(zhǎng)為14.11 km，實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)隧洞剩余長(zhǎng)度約為2.8 km。這段隧洞圍巖為中等～微風(fēng)化花崗巖，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)面發(fā)育2～3組，巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主，有大量滲水、滴水，局部洞段開(kāi)挖期間出現(xiàn)大量涌水和靠近掌子面塌方現(xiàn)象，巖體穩(wěn)定性較差，以Ⅲ類圍巖為主，局部為Ⅳ或Ⅴ類圍巖。

因此，考慮隧洞施工安全，減少工程投資，加快進(jìn)度，隧洞施工期應(yīng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)和原則

設(shè)計(jì)依據(jù)的主要規(guī)程、規(guī)范和設(shè)計(jì)文件為：SL326-2005《水利水電工程物探規(guī)程》；《隧洞工程地質(zhì)勘察報(bào)告》。隧洞施工超前預(yù)報(bào)是一項(xiàng)復(fù)雜而艱難的任務(wù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象并分析處理，確保工程施工安全，考慮國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平，設(shè)計(jì)遵循以下原則：1）根據(jù)工程的級(jí)別、地形地質(zhì)條件，按著突出重點(diǎn)、統(tǒng)籌安排、布置合理；2）測(cè)試斷面選在地質(zhì)條件差部位，以不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)為主，同時(shí)兼顧指導(dǎo)施工；3）測(cè)試方法的選擇要符合工程實(shí)際，科學(xué)合理，并有成功經(jīng)驗(yàn)；4）探地雷達(dá)測(cè)試與超前地質(zhì)預(yù)測(cè)相結(jié)合。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

2.1 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)

1）收集、研究地質(zhì)資料。了解不良地質(zhì)洞段內(nèi)宏觀的地質(zhì)環(huán)境、大型構(gòu)造形跡的發(fā)育分布規(guī)律以及工程圍巖所處的具體構(gòu)造部位、巖體的結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖體完整性、巖石（體）強(qiáng)度、地下水狀態(tài)等；具體掌握全隧洞的地質(zhì)背景，標(biāo)出存在的不良地質(zhì)問(wèn)題和洞段，判斷各段圍巖的穩(wěn)定程度、可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模、性質(zhì)和防治措施。

2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究和施工地質(zhì)編錄。緊跟隧洞施工，對(duì)已開(kāi)挖洞段地質(zhì)狀態(tài)作精細(xì)真實(shí)的描述，可作為超前預(yù)報(bào)的依據(jù)，該內(nèi)容包括巖性、巖石堅(jiān)硬程度及完整情況、斷層及破碎帶、節(jié)理裂隙、地下水狀態(tài)、不良地質(zhì)現(xiàn)象等作編錄。

3）圍巖特性測(cè)試。根據(jù)預(yù)測(cè)需要，對(duì)巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試，如巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度、巖石回彈值、巖體彈性模量、軟弱面剪切強(qiáng)度等，必要時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行初始地應(yīng)力和二次應(yīng)力場(chǎng)的評(píng)估或測(cè)試等。上述數(shù)據(jù)是預(yù)報(bào)圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

4）地質(zhì)力學(xué)調(diào)查分析。應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)方法對(duì)掌子面附近和前方的圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)調(diào)查測(cè)繪，確定圍巖結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度，確定圍巖結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系和結(jié)構(gòu)體的形狀，確定二次應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度的關(guān)系，測(cè)試圍巖卸荷回彈變形特性，以及卸荷速度對(duì)回彈變形的影響。

5）斷層參數(shù)預(yù)測(cè)分析。利用斷層影響帶的特殊節(jié)理或集中帶的分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)斷層影響帶的系統(tǒng)編錄所得經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)預(yù)報(bào)隧洞斷層破碎帶的位置和規(guī)模。由于大多數(shù)不良地質(zhì)現(xiàn)象與斷層破碎帶有密切的關(guān)系，故依據(jù)斷層破碎帶推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。

6）地質(zhì)體投射分析。在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模和巖體質(zhì)量及精確測(cè)定不良地質(zhì)體產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)界面和地質(zhì)體透射公式進(jìn)行預(yù)報(bào)。

7）正洞地質(zhì)編錄與預(yù)測(cè)。隧洞施工中，及時(shí)對(duì)其開(kāi)挖面(掌子面、邊墻面和拱頂面)上的各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)繪和記錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來(lái)預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 探地雷達(dá)超前探測(cè)

該工程采用地質(zhì)預(yù)測(cè)法與探地雷達(dá)法綜合探測(cè)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。探地雷達(dá)設(shè)備采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的探地雷達(dá)和100 MHz屏蔽天線。探地雷達(dá)是一種超高頻電磁技術(shù)，是利用超高頻（106～109 Hz）脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。主要研究地下介質(zhì)的電性差異和與電磁波的傳播特性，確定界面或目標(biāo)體的位置。一般巖體、混凝土等物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為4～8，空氣相對(duì)介電常數(shù)為1，而水體的相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)81，差異較大，如在探測(cè)范圍內(nèi)存在水體、洞體、斷層破碎帶，則會(huì)在雷達(dá)波形圖中形成強(qiáng)烈的反射波信號(hào)，再經(jīng)后期處理，能夠得到較為清晰的波形異常圖。

在眾多地質(zhì)超前預(yù)報(bào)手段中，使用探地雷達(dá)預(yù)報(bào)屬于短期預(yù)報(bào)手段，預(yù)報(bào)距離與圍巖電性參數(shù)、測(cè)試環(huán)境干擾強(qiáng)弱有關(guān)，一般，探地雷達(dá)探測(cè)距離在20～30 m。在隧道超前跟蹤探測(cè)及預(yù)報(bào)中，探地雷達(dá)可預(yù)測(cè)前方30～50 m范圍內(nèi)的斷層、洞體、裂隙帶、富水帶等地質(zhì)構(gòu)造。

3 實(shí)施方案技術(shù)要求

3.1 測(cè)線布置

在隧洞掌子面布置2條水平測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度4 m，測(cè)點(diǎn)間距20 cm，測(cè)線距離隧洞底板1 m和2.5 m。當(dāng)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)體時(shí)，在洞側(cè)壁增加測(cè)線，以便了解地質(zhì)體規(guī)模及走向等。測(cè)量時(shí)，由兩位測(cè)量人員手持天線緊貼掌子面由探測(cè)起點(diǎn)移動(dòng)到探測(cè)終點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

3.2 資料整理要求

探地雷達(dá)所采集的原始數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)處理后才能得到有助于解釋的數(shù)據(jù)或圖像。原始數(shù)據(jù)中既包含有用信息，也包含噪聲，有些情況下有用信息還可能會(huì)被噪聲掩蓋。數(shù)據(jù)處理的目的是壓制噪聲，增強(qiáng)信號(hào)，提高數(shù)據(jù)信噪比，以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率和相位等特征信息，幫助對(duì)資料進(jìn)行解釋。

資料處理和解釋包括以下幾個(gè)步驟：

1）資料整理。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)資料進(jìn)行整理，包括測(cè)量測(cè)網(wǎng)資料整理，野外記錄表格的電子化錄入工作，工作照片整理，備份野外探測(cè)數(shù)據(jù)。

2）圖像顯示。利用專門的處理軟件打開(kāi)數(shù)據(jù)，采用線掃描方式、波形加變面積方式、波形圖等方式顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

3）資料編輯。剔除強(qiáng)烈的干擾信息，把一條測(cè)線上相鄰的幾個(gè)數(shù)據(jù)剖面連接在一起組成長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)文件。

4）增益處理。采取整體增益，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)剖面的振幅信息進(jìn)行放大，或者采用指數(shù)增益函數(shù)對(duì)某一個(gè)深度區(qū)間的振幅信息進(jìn)行局部放大，便于數(shù)據(jù)顯示、選做。

5）一維頻率濾波。如果在探測(cè)資料中出現(xiàn)了低頻信號(hào)干擾，請(qǐng)采用頻率濾波方法濾除低頻干擾信號(hào)。通常情況下不做此處理。

6）高級(jí)濾波。在探測(cè)資料中如果出現(xiàn)多次波干擾信息，需要利用反褶積方法消除多次波干擾，恢復(fù)地下真正的地質(zhì)構(gòu)造剖面。

7）探測(cè)圖像。輸出探測(cè)圖像，并且對(duì)各幅探測(cè)圖像進(jìn)行比較，尋找差異，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)資料，進(jìn)行地質(zhì)推斷和資料解釋工作，給出地質(zhì)剖面圖。也需要結(jié)合各里程樁號(hào)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面信息，組成一幅隧道剖面圖。

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理流程一般情況下可分為三部分。第一部分為數(shù)據(jù)編輯，包括數(shù)據(jù)的連接、廢道的剔除、數(shù)據(jù)觀測(cè)方向的一致化等；第二部分為常規(guī)處理，包括數(shù)字濾波、振幅處理、反褶積和偏移等；第三部分包括剖面修飾處理的相干加強(qiáng)，以及數(shù)字圖像處理技術(shù)中的一些分割方法等，數(shù)據(jù)處理流程：探地雷達(dá)剖面→檢查并改正頭文件→去除不需要的道→排列第一次突跳→合并相關(guān)文件→去掉背景→反褶積、偏移處理→AGC處理（確定雷達(dá)波速度）→繪出雷達(dá)探測(cè)時(shí)間和深度剖面→異常分類和分析異常。

3.4 預(yù)期成果及預(yù)報(bào)

在隧道超前跟蹤探測(cè)及預(yù)報(bào)中，根據(jù)探地雷達(dá)解譯得出結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)：1）根據(jù)電磁速度和反射走時(shí)計(jì)算雷達(dá)探測(cè)距離；2）掌子面前方0～30 m范圍內(nèi)根據(jù)雷達(dá)波整體反射情況，以及頻率變化，局部出現(xiàn)明顯的小范圍的反射波情況，推測(cè)該段圍巖局部是否有不良地質(zhì)體或含水帶；3）根據(jù)各幅探測(cè)圖像結(jié)合地質(zhì)資料，進(jìn)行地質(zhì)推斷和資料解釋，給出各里程樁號(hào)隧道地質(zhì)剖面圖，適時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在大伙房輸水隧洞穿越的花崗巖地區(qū)，根據(jù)已有類似工程經(jīng)驗(yàn)，利用完整巖體與相對(duì)破碎巖體之間、含水量不等的巖體之間存在較大的電學(xué)性質(zhì)差異，具有良好的地球物理測(cè)試條件，因此，開(kāi)挖過(guò)程中采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)掌子面前不良地質(zhì)體和富水帶是可行的。

2）通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)成果與超前地質(zhì)預(yù)測(cè)的綜合對(duì)比，對(duì)巖體中存在的不良地質(zhì)體、地下水及圍巖類別進(jìn)行預(yù)報(bào)，具有較好的準(zhǔn)確度。

3）地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)工作給施工提供了大量的具有指導(dǎo)意義的結(jié)論與建議，可以減少工程施工中因圍巖條件變化而帶來(lái)的災(zāi)害性事故，為引水隧洞順利貫通起到了重要作用。

4）隧洞施工超前預(yù)報(bào)中，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度應(yīng)控制在20～30 m，測(cè)試工作應(yīng)與施工方密切配合，及時(shí)跟蹤測(cè)試，才能達(dá)到完整、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)效果。

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