錦屏二級水電站引水隧洞不良地質洞段超前地質預報

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摘要：錦屏二級水電站引水隧洞處于高山峽谷的巖溶地區，地質條件復雜，主要不良地質問題有高地應力和巖爆、涌（突）水、高地溫、有害氣體、圍巖穩定及隧洞所穿越的斷層破碎帶等。由于設計階段地質勘察具有局限性，施工階段通過超前地質預報，可進一步確定不良地質問題可能出現的規模和位置，提前制定針對性的工程處理措施，降低不良地質條件影響。

關鍵詞：不良地質；超前；地質預報

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，利用雅礱江下游河段150km長大河彎的天然落差，通過長約16.67km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310m。電站總裝機容量4 800MW，單機容量600MW。工程樞紐結構主要由首部攔河閘壩、引水系統、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。

東端1#、3#引水隧洞主要采用TBM法開挖，直徑12.4m，混凝土襯砌厚度60cm，襯砌后隧洞洞徑11.2m；東端2#、4#引水隧洞采用鉆爆法開挖，直徑13.0m，襯砌厚度40～60cm，混凝土襯砌后洞徑11.8m。引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。

2 引水隧洞主要不良地質問題

2.1 涌（突）水

引水隧洞工程區內地表巖溶不發育，但賦存豐富的地下水，由NNE、NEE、NWW向三組結構面構成主要導水網絡。從引水隧洞揭露的巖溶發育情況可以看出，涌水具有大流量、高壓力、突發性特點，錦屏山東、中部有穩定的補給源，隧洞涌水流量穩定，西部涌水衰減快，補給源有限。

2.2 圍巖破壞

2.2.1 軟弱巖

較軟弱巖（T2y4層中白云質擠壓夾層）、斷層帶的變形破壞引起掉塊、坍塌等，但一般規模不大。

2.2.2 高地應力和巖爆

高地應力和巖爆是本工程的主要地質問題之一，經回歸分析，隧洞線高程最大和最小主應力分別為70MPa和30MPa，以自重應力為主。引水隧洞內出現的巖爆等級以輕微～中等為主；其型式為剝落、松脫、彈射；其類型為零星、成片、連續型。巖爆是引水隧洞開挖過程中遇見的主要巖體破壞現象之一。

2.2.3 高外水壓力

引水隧洞除因高地應力所產生的巖體脆性變形破壞以外，高外水壓力對隧洞圍巖穩定和施工將產生較大影響，也可能是引水隧洞將遇到的地質災害問題。

2.2.4 巖溶

在高程2000m以下位置，巖溶發育較弱并以垂直系統為主，深部以NEE、NWW向的構造節理及其交匯帶被溶蝕擴大了的溶蝕裂隙為主。在高程1600m附近的巖溶形態以溶蝕裂隙為主，溶洞少，且規模不大。

3 超前地質預報方法

根據目前國內外現有的地質勘探儀器和技術現狀，僅通過地表勘察較難查明山體深部詳細的不良地質問題，并且受探測精度限制，部分測試判斷的地質體準確位置可能會與實際位置存在差異，甚至可能出現局部地段的較大出入，因此，有必要在施工階段開展超前地質預報工作。引水隧洞施工過程中的超前地質預報采用綜合預報方法，堅持預報在前，先探后掘，最大限度查明不良地質體及地下水狀況，以指導施工，規避安全風險。

3.1 工程地質法

每循環爆破結束，由地質工程師結合設計單位提供的地質資料及相鄰洞段揭示的地質資料對開挖面進行觀察并做地質素描記錄。觀察項目包括開挖面正面及側面穩定狀態、巖性風化程度、裂隙間距、形狀、涌水情況、水的影響等。素描記錄工作面的巖層產狀、構造及特殊地質現象，同時對靠近工作面的初期支護進行觀察，噴射混凝土是否開裂、是否有脫落、掉塊等，預測不良地質可能發生洞段。

3.2 表面雷達

3.2.1 表面雷達探測目的

在工作面及側壁進行表面雷達探測，探測工作面前方及側壁20～30m深度范圍的地層巖性界面、較大節理與構造、富水帶、溶蝕通道及地下水等，判斷不良地質體的位置及規模，推測地下水的大致富水程度。

3.2.2 儀器設備

表面雷達預報使用拉托維亞進口的Zond-12e型地質雷達，選用100MHz雷達天線，并備有38/75/150MHz 天線作為輔助探測天線。

3.2.3 表面雷達測線布置

每掘進20m探測一次，有效探測距離25～30m，每次重復5～10m。在工作面、左側壁、右側壁及洞底板至少各布置一條測線，左右側壁測線長度大于開挖循環進尺長度，且與前次表面雷達測線至少重合2m以上。

3.2.4 現場測試

通過實驗選擇合適的儀器參數，采樣率宜選用天線中心頻率的6倍～10倍。測試過程中，天線應緊貼巖壁，水平測線高度基本一致，垂直測線應保持鉛直。采用連測時，應勻速緩慢移動天線，保障點距不大于20cm；采用點測時，點間距為20cm。采用測量輪標注時，每5m校對一次。現場測試時，避開測線附近的機械設備與金屬物體、導線等。利用表面雷達開展的地質超前預報的準確～基本準確率約占88%。

3.3 TSP超前地質探測

3.3.1 TSP探測目的

TSP超前地質探測系統用于預報工作面前方0～120m范圍內及周圍臨近區域地質狀況，預測工作面前方圍巖的類別；主要是對地質結構面、地質構造及地下水的預報，包括底層巖性界面、構造破碎帶、富水區、巖溶發育等不良地質體，確定其位置、規模及大致產狀，推測其性質。

3.3.2 儀器設備及工作流程

TSP采用瑞士最新設備超前地質探測系統TSP203。工作流程：確定孔位-鉆孔-安裝傳感器-埋設炸藥-引爆-TSP測量。

3.3.3 現場測試

每次預報有效距離為120～150m，重復20～50m。每次預報時，在工作面后方55m位置左、右壁各布置一個接收孔，孔徑Φ45～50mm，深度1.8～1.9m，方向垂直支洞軸線上傾5°～10°，距離底板高1m。在洞壁布置24個炮孔，孔徑Φ38～42mm，深度1.5m，方向垂直支洞軸線下傾10°～20°，距離底板高1m。第1個炮孔距離同側接收器孔20m，炮孔間距1.5m。

東端1#、2#引水隧洞TSP203共探測26次，對其中24次進行了開挖驗證；結果是預報的準確率～基本準確率達到85%，不準確約占15%。但存在具體位置有誤，突涌水的水量、水壓未能準確地預報。

3.4超前鉆探法

結合工程地質法、TSP203超前探測系統布置超前探孔，對關鍵區域采用超前鉆探的方式進行勘察，取得最直接的依據。一般布設3孔，進行驗證，一旦驗證有不良地質條件存在，增加探孔數量和深度，確定巖體節理、地下水發育狀況。施工現場經常采用沿掌子面布置3～7個超前的深孔，預測前方地下水情況，特別是可能有突水地段，采用這種方法是行之有效的。

3.5 BEAM超前預報系統

BEAM 法（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），是國際上目前唯一的一種電法超前預報方法。該方法是在TBM隧洞掘進的同時，使用三個電極聚焦地面電流，自動探測三倍隧洞直徑范圍內的地質條件的一種地質測量方法，能夠與TBM掘進同步預測掌子面前方的巖體的完整性和富水性。

3.6 紅外線探測儀法

通過HY-303型探水儀探測掘進前方是否存在水體。紅外探水探測速度快，基本不占用生產時間；資料分析快，測量完畢，即可得出初步結論，室內整理及編寫報告也較快；準確率較高，特別在石灰巖洞段，預報準確率能高達80%，但對水量、水壓及危害程度無法預測，紅外探水一般平均20m測量一次。

3.7 經驗判斷法

不良地質體在被揭露之前往往表現出一些明顯或不明顯前兆標志，它們是超前地質預報的重要信息。仔細觀察、描述開挖石渣、結構面及巖層形態、量測結構面及巖層特征參數，是正確進行超前地質預報的關鍵。

4 總結

錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中突涌水、巖爆是重點預報對象。根據工程實踐，綜合運用多種超前地質預報方法，互相印證、取長補短、綜合解釋，可以獲得良好的超前地質預報效果，為引水隧洞施工安全和工程安全風險的識別、處理提供了技術保障。