引大濟(jì)湟工程隧道三維超前地質(zhì)預(yù)報

李海寧,段君奇

(1.青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)運行局，西寧 810000；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著公路、鐵路、水利水電工程及抽水蓄能電站建設(shè)步伐的加快，地下洞室工程地質(zhì)問題顯得尤為突出，如區(qū)域構(gòu)造帶、活斷層、高地震烈度、高地應(yīng)力、巖溶發(fā)育，以及大跨度地下洞室開挖圍巖變形、涌水、突泥、巖爆、巖溶塌陷、有害氣體危害等地質(zhì)問題突出[1-5]。公路行業(yè)有過一些地方地質(zhì)預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)，如湖北省、云南省紛紛制定了公路隧道施工地質(zhì)預(yù)報規(guī)程等。2019中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布了DB35/T 1866-2019《公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》，使得公路行業(yè)地質(zhì)預(yù)報進(jìn)一步規(guī)范化。2015年鐵路行業(yè)也發(fā)布了統(tǒng)一規(guī)范Q/CR 9217-2015《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》。2019年中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布了T/CECS 616-2019《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)范》[6-7]，使得水電行業(yè)有了統(tǒng)一的地質(zhì)預(yù)報規(guī)范。近些年抽水蓄能電站項目要求對開挖隧洞進(jìn)行“全斷面、不間斷、全覆蓋”的地質(zhì)預(yù)報。各行各業(yè)對超前地質(zhì)預(yù)報工作重視程度明顯增加，要求更加規(guī)范化，但水利行業(yè)目前還沒有相應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報規(guī)范[8-10]。

引大濟(jì)湟工程是一項大型綜合水利工程，主要任務(wù)是解決湟水干流地區(qū)城鎮(zhèn)生活、生態(tài)、工業(yè)、農(nóng)林牧業(yè)用水問題[11]。該工程引水隧洞建筑物等級為2級，洞徑 5.6～6.1 m，洞線全長24.3 km，最大埋深約1 100 m。引水隧洞工程線路長、埋深大、地下水位高，且沿途穿越多條大斷層。

引大濟(jì)湟工程引水隧洞穿越的地層巖性多變，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要工程地質(zhì)問題有:① 區(qū)域大斷裂段的穩(wěn)定問題；② 淺埋松散覆蓋層內(nèi)黏土、壤土、濕陷性黃土洞室的穩(wěn)定問題[12]；③ 深埋隧洞高水壓、富水地段涌水、突泥問題，煤氣、瓦斯地層有害氣體及瓦斯爆炸問題；④ 高地應(yīng)力硬巖巖爆及軟巖塑性變形等問題[13]，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 部分隧洞洞段不良地質(zhì)現(xiàn)象照片

在此背景下，青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)運行局在青海引大濟(jì)湟項目，進(jìn)行了1 a的超前地質(zhì)預(yù)報研究，對TGS360 Pro隧道三維超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)原理、預(yù)報分析方法及預(yù)報成果進(jìn)行分析總結(jié)、凝練。為高寒地區(qū)工程地質(zhì)預(yù)報提供借鑒。

1 TGS360 Pro地質(zhì)預(yù)報原理

TGS360Pro以Byerlee, J.D., 1978.巖石形變理論(T/σ

圖2 反射波探測原理

利用TGS360 Pro儀器采集的數(shù)據(jù)，可以獲得隧道掌子面前方的圍巖應(yīng)力、含水可能性、P波波速、S波波速、波速比、泊松比、楊氏模量、危險性等級等8個物性參數(shù)[15]。根據(jù)8個參數(shù)的變化來預(yù)報隧道掌子面前方地質(zhì)情況。TGS采用模塊化界面，操作方便簡單，數(shù)據(jù)智能處理，結(jié)果重復(fù)性不受人為操作因素限制。三維數(shù)據(jù)體顯示，也可按不同高度切片來觀測更大圍巖范圍，直觀判斷地質(zhì)破碎帶、斷層、空洞的位置及大??；準(zhǔn)確判斷地下水活動情況，處理成果豐富、分析軟件計算模型科學(xué)、計算方法獨特，可提高超前預(yù)報病害判斷的準(zhǔn)確性，提高施工效率，做好應(yīng)急預(yù)案及安全預(yù)防。

2 TGS360 Pro地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用

本次試驗洞段為引大濟(jì)湟西干渠31號隧洞進(jìn)口段，該隧洞埋深10～40 m，地表為強(qiáng)濕陷性黃土，隧洞洞身巖性為暗紫紅色泥巖，泥巖為軟巖，飽水抗壓強(qiáng)度低。隧洞開挖存在坍塌、泥巖軟化、流塑、涌水、突泥、冒頂?shù)裙こ痰刭|(zhì)問題[16]。TGS測試位置掌子面為樁號50+665.00 m，試驗洞段圍巖類別為Ⅳ類，地下水活動輕微～中等。因地下水水壓長期處于較高水平，洞室?guī)r體強(qiáng)度低，隧洞施工安全風(fēng)險高，易引發(fā)塌方、涌水、突泥、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

本次預(yù)報采用俄羅斯超前預(yù)報系統(tǒng)TGS 360 Pro，對引大濟(jì)湟西干渠31號隧洞進(jìn)口掌子面50+665.00 m樁號進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，對樁號50+665.00 m～50+565.00 m段(即掌子面前方100 m)的泊松比、含水可能性、相對應(yīng)力、巖體危險性等級等進(jìn)行了預(yù)測預(yù)報。洞室腰線高度(距離洞室底板2 m)三維平切預(yù)報成果數(shù)據(jù)見圖3：

圖3 相對應(yīng)力參數(shù)測試成果圖 單位：樁號，m

根據(jù)各參數(shù)分析，其中50+600.00 m～50+575.00 m洞段泊松比參數(shù)變化異常，含水概率高達(dá)75%以上，且地下水比較集中，相對應(yīng)力變化值也高達(dá)90%，巖體危險等級達(dá)到了最高級Ⅴ級，該洞段涌水、突泥和坍塌的可能性高達(dá)80%。具體預(yù)測預(yù)報分析成果見表1。

表1 TGS360 Pro預(yù)報結(jié)果表

3 開挖驗證

31號洞進(jìn)口地質(zhì)預(yù)報段實際開挖為：50+665.00 m～50+575.00 m段巖性為泥巖，暗紫紅色，泥巖為軟巖，飽水抗壓強(qiáng)度低，洞室穩(wěn)定性差。50+665.00 m～50+575.00 m段巖性為板巖，洞室較穩(wěn)定。本次地質(zhì)預(yù)報在無前期地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，基本較準(zhǔn)確的預(yù)報了地下水與洞室穩(wěn)定情況，準(zhǔn)確率達(dá)80%以上?，F(xiàn)場根據(jù)地質(zhì)預(yù)報提前做好了應(yīng)對預(yù)案及處理措施，成功通過開挖驗證。TGS360 Pro地質(zhì)預(yù)報成果與開挖驗證對比見圖4。

圖4 TGS地質(zhì)預(yù)報成果與開挖對比圖 單位：樁號，m

4 結(jié) 論

(1) 此次對引大濟(jì)湟工程31號洞樁號50+665.00 m～50+565.00 m段的預(yù)測得到了50+645.00 m～50+610.00 m段發(fā)育斷層，局部存在開挖掉塊；50+600.00 m～50+575.00 m段存在涌水和突泥的可能性，巖體危險性等級高，坍塌、冒頂可能性較大，經(jīng)與開挖驗證對比，結(jié)果基本一致。

(2) TGS360 Pro地質(zhì)超前預(yù)報在引大濟(jì)湟工程中的應(yīng)用，成功預(yù)測了隧洞涌水、突泥、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，成功避免了洞室坍塌冒頂事件發(fā)生，并為應(yīng)急處理、超前支護(hù)和支護(hù)設(shè)計提供了重要的決策依據(jù)。該方法結(jié)論直觀、準(zhǔn)確且操作簡單。

(3) 準(zhǔn)確預(yù)報施工前方地質(zhì)條件是隧洞地質(zhì)災(zāi)害防控的基礎(chǔ)，可靠的超前預(yù)報不僅能防范不良地質(zhì)條件掘進(jìn)中的塌方、冒頂?shù)戎卮笫鹿?，而且可獲得支護(hù)參數(shù)優(yōu)化依據(jù)，節(jié)約工期、節(jié)省投資，TGS360 Pro隧道三維地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)可以滿足高寒地區(qū)隧洞地質(zhì)預(yù)報的要求。