地質超前預報在不良地質條件引水隧洞中的應用

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電。由進水口至調壓井的引水線路長約11.06 km。

該引水線路處于高山峽谷區，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，植被較發育。引水隧洞沿線溝谷深切，支溝較發育，從上至下規模較大的沖溝為洼開溝、撒洼溝，溝內有常年性流水，洪水期流量較大。引水隧洞布置在木里河左岸山體內，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590 m，水平埋深一般為320～850 m。隧洞區地層巖性復雜，主要由濱海與河湖相組合、交互的地質環境中沉積的由復雜巖層組合而成的區域性淺變質巖。隧洞施工前，對于采用何種設備、何種方法了解未開挖洞段的巖性、富水等情況并據此制定相應的措施以確保施工安全及施工進度是隧洞施工中的重點問題。闡述了地質超前預報在不良地質條件引水隧洞開挖中的應用過程。

2 檢測設備

鑒于固增水電站引水隧洞地層結構的復雜性以及其橫跨4個山體沖溝、水源豐富等特性，在引水隧洞開挖及支護階段出現坍塌與涌水的情況十分突出。為保證隧洞開挖支護階段的安全施工及施工進度，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預報[1]工作，旨在為引水隧洞開挖支護的安全提供保障。

結合目前國內地質預報開展的情況，固增水電站先后引進了TSP地質超前預報系統以及固定超前預報系統、TGS-360Pro地質超前預報系統、地質雷達[2]對引水隧洞的地質情況進行了地質超前預報。由于TSP地質超前預報系統性能的不穩定性，在工程應用過程中，不能很好地對部分地質情況進行準確的預報，固增水電站在TSP地質超前預報系統應用了一個周期后即由TRT地質超前預報系統及TGS-360Pro地質超前預報系統予以代替。以下對工程中使用頻次較高的地質超前預報設備進行了對比分析，地質超前預報設備性能對比情況見表1。

表1 地質超前預報設備性能對比表

從表1中所列出的對設備的分析情況可以看出三種設備具有其相對的測試優勢及特點。TRT、TGS-360Pro地質超前預報系統的測試原理基本一致，均為地震波類的測試系統。TGS-360Pro地質超前預報系統增加了較多的不同地質類型專業分析模塊，對于分析較為突出的地質巖層其預報準確率得到了極大程度的提高；TRT地質超前預報[3]系統對于數據的激發與采集在操作方面進行了簡化，不再需要進行鉆孔安裝激發與接收裝置，數據分析時可以采用綜合分析的方式對地質情況進行預報；地質雷達SIR3000的測試原理與以上兩種測試原理不同，該地質雷達采用電磁波的測試發放以達到對地質情況的預報目的，其信號的激發與回收均通過專門的一體設備完成，不再需要打孔。但地質雷達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超前預報系統的測試距離(150 m)而言其測試距離較短，需要在施工過程中進行短周期的測試循環工作，因而對現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、準確地確定地質條件發生突變的位置。

3 檢測成果

3.1 地質超前預報設備的應用

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對地質情況判斷不明導致出現了不同程度的塌方、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，形成了施工進度緩慢的事實。為解決這一問題，項目部決定對全洞段進行地質超前預報工作，地質超前預報工作采取多種檢測手段相配合的方式進行，主要采取以TRT、TGS-360Pro地質超前預報系統進行遠距離地質超前預報為主；對于存在疑問的檢測數據使用地質雷達進行精準檢測、實施地質超前預報工作。檢測前，先對掌子面進行布孔，地質預報的布孔方式見圖1。通過地質超前預報結果，采用動態調整支護參數及施工方案的方式確保了施工安全及施工進度。

圖1 地質預報布孔方式圖

3.2 數據分析與處理

對于地質結構復雜的洞段采取以上三種檢測手段進行對比檢測。通過對三種設備采集的數據進行對比分析，確保了地質超前預報的準確性。引水隧洞中兩段樁號內的三種設備測試結果對比分析情況如下(T1+419～T1+539、T7+715～T7+818)。

(1)TGS-360Pro地質超前預報系統。

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，發育節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。縱波波速圖(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，發育節理裂隙,存在軟弱夾層且有可能伴隨滴水情況。縱波波速圖(T7+715～ T7+818)見圖3。

圖3 縱波波速圖(T7+715～ T7+818)

(2)TRT地質超前預報系統。

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：此樁號段巖體中結構面較發育，巖體較破碎，局部可能有地下水活動；開挖時應注意掌子面坍塌或掉塊，局部應加強排水。縱波波速圖(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，巖體結構面集中發育，巖體破碎，部分洞段有地下水活動。縱波波速圖(T7+715～ T7+818)見圖5。

圖5 縱波波速圖(T7+715～ T7+818)

(3)地質雷達SIR3000。

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

T7+715～T7+818：根據地質雷達探測得到的反射波圖像，結合隧道工程地質勘察結果和掌子面圍巖特征，該區段電波信號同相軸不連續，能量反射較強，推測為圍巖破碎，節理裂隙發育,開挖時應注意掌子面坍塌或掉塊并加強排水。

3.3 比對后得出的結論

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

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

(3)對于圍巖較為復雜的施工洞段，仍然采用TGS-360Pro、TRT、地質雷達和超前鉆探孔相組合[5]的檢測手段進行超前地質預報。

4 實施效果

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

(1)成功預報了2號支洞控制段與3號支洞控制段出現的因山體滲水引發的涌水情況。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，避免了不必要的設備及人員損失。

(2)成功預報了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壓氣體，避免了安全事故的發生。

(3)全斷面地質超前預報工作開展以來，嚴格按照地質超前預報的操作要求，科學地開展了數據分析工作，所預報的地質情況與實際揭露的結果吻合度達到80%。

5 結 語

固增水電站的業主、監理與總承包單位在不良地質條件引水隧洞開挖支護施工過程中，本著以人為本、尊重技術、追求質量安全的理念，有效開展了地質超前預報工作，針對不同的地質情況選用與其相匹配的檢測設備：在地質情況復雜且特定的地質情況突出的隧洞開挖過程中采取TGS—360Pro或TRT地質超前預報系統開展地質超前預報工作，并采用地質雷達或布設超前鉆探孔的方式進行輔助檢測預報。

對固增水電站引水隧洞地質超前預報進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，該技術具有較高的推廣價值。