胡 帥，謝劍明

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

綜合超前地質(zhì)預(yù)報在玉瓦水電站引水隧洞施工中的應(yīng)用

胡 帥，謝劍明

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

本文通過玉瓦水電站引水隧洞施工實(shí)踐，探索了隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，制定了綜合超前地質(zhì)預(yù)報流程。綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作在玉瓦水電站引水隧洞施工中的應(yīng)用，為施工進(jìn)度安排、施工資源調(diào)配提供了可靠的地質(zhì)資料，同時有效保障了施工安全，取得了較好的應(yīng)用效果。TRT測試的地震波縱波波速成果與聲波測試波速相關(guān)性值得進(jìn)一步研究，對比實(shí)際開挖后揭示的圍巖條件，可為超前地質(zhì)預(yù)報圍巖類別劃分提供參考。

引水隧洞；超前地質(zhì)預(yù)報；TRT；地質(zhì)雷達(dá)

0 前 言

在水電隧洞（尤其是長引水隧洞）施工過程中，由于前期地勘精度、手段、經(jīng)費(fèi)等諸多條件的限制，不可能完全查清隧洞的地質(zhì)條件，因此經(jīng)常會因遇到斷層、破碎帶、富水帶等不良地質(zhì)體而導(dǎo)致隧洞塌方、涌水、突泥等現(xiàn)象發(fā)生。這些事件的發(fā)生，往往會影響施工進(jìn)度，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡。在實(shí)際的隧洞工程實(shí)施過程中，需要對前方圍巖條件和不良地質(zhì)體進(jìn)行準(zhǔn)確的超前預(yù)報，以便及時地修正開挖和支護(hù)方案，合理調(diào)配施工資源，確保施工進(jìn)度，避免施工事故發(fā)生。

本文以玉瓦水電站引水隧洞控制段4號施工支洞下游（后簡稱4號下）至5號施工支洞上游（后簡稱5號上）段超前地質(zhì)預(yù)報為例，介紹綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法在玉瓦水電站工程中的應(yīng)用。

1 超前地質(zhì)預(yù)報方法

1.1 工程區(qū)基本地質(zhì)條件

玉瓦水電站隧洞區(qū)地層為一套區(qū)域淺變質(zhì)的地槽型沉積建造，巖漿活動微弱。出露基巖為二疊系濱、淺海相沉積的薄層砂質(zhì)灰?guī)r夾中厚層砂質(zhì)灰?guī)r、板巖。區(qū)內(nèi)巖溶不發(fā)育，隧洞埋深一般為300～400 m。

隧洞軸線與巖層走向一般小角度相交，巖層陡傾，洞室內(nèi)主要變形破壞現(xiàn)象為邊墻巖體的卸荷松弛及彎折破壞。局部洞段受小構(gòu)造的影響，巖體較破碎，加之地下水作用，圍巖極不穩(wěn)定，對施工進(jìn)度有較大的影響。特別是順層破碎帶，由于洞軸線與巖層夾角小，將影響較長的洞段，對施工極為不利。

1.2 各預(yù)報方法的特點(diǎn)

目前地質(zhì)超前預(yù)報工作使用的手段包括地質(zhì)、物探、勘探方法。受各種條件的限制，不同的地質(zhì)超前預(yù)報方法有各自的優(yōu)點(diǎn)，也存在各自的缺點(diǎn)［1-4］。

地表地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)分析法是通過地表和隧洞內(nèi)的工程地質(zhì)調(diào)查與分析，了解隧洞所處地段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，推斷前方的地質(zhì)情況。其調(diào)查的內(nèi)容包括地層與巖性的產(chǎn)出特征、斷裂構(gòu)造與節(jié)理的發(fā)育規(guī)律，巖溶帶發(fā)育的部位、走向、形態(tài)等，預(yù)測隧洞掌子面前方的不良地質(zhì)現(xiàn)象可能的類型、部位、規(guī)模，以便隧洞施工中采取合理的工藝與措施，避免事故。在隧洞埋深較淺、構(gòu)造不太復(fù)雜的情況下，這種預(yù)報方法有很高的準(zhǔn)確性。但是在構(gòu)造比較復(fù)雜地區(qū)和深埋隧洞的情況下，該方法工作難度較大，準(zhǔn)確性難于保證。

物探方法主要包括彈性波反射法、電磁波反射法等。彈性波反射法是利用人工激發(fā)的地震波、聲波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道開挖工作面前方地質(zhì)情況的一種物探方法，它包括地震波反射法、水平聲波剖面法、負(fù)視速度法等方法。電磁波反射法是利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體中傳播及反射，根據(jù)傳播速度和反射脈沖波走勢進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的一種物探方法，主要是地質(zhì)雷達(dá)法。在實(shí)際工作中，地震波法和地質(zhì)雷達(dá)法的應(yīng)用相對普遍和成熟。

超前水平鉆孔法直接揭示隧洞掌子面前方地層巖性、構(gòu)造、地下水、巖溶洞穴充填物及其性質(zhì)、巖石（體）的可鉆性、巖體完整程度指標(biāo)等資料，還可通過巖芯試驗(yàn)獲得巖石強(qiáng)度等定量指標(biāo)，是最直接有效的地質(zhì)超前預(yù)報方法，但費(fèi)用高且占用施工時間長。超前平行導(dǎo)洞法具有超前水平鉆孔法的優(yōu)點(diǎn)，但投資大、且兩隧洞間距過大、地層變化復(fù)雜時準(zhǔn)確率明顯降低，適用于設(shè)計間距較小、地層受構(gòu)造變動小的平行隧洞工程。

各種預(yù)測方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)報主要技術(shù)方法對比

1.3 預(yù)報方法選擇

為了合理安排施工進(jìn)度，調(diào)配施工資源，需對區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件進(jìn)行宏觀預(yù)測，并對掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖條件及不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)報。

由表1可見，各種地質(zhì)超前預(yù)報方法都有一定的局限性，本工程探索了隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，制定了綜合超前地質(zhì)預(yù)報流程（見圖1）。在區(qū)域地質(zhì)、前期地勘成果及已開挖揭示地質(zhì)條件統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，擬定補(bǔ)充地表調(diào)查線路，確定重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容，進(jìn)行補(bǔ)充地表調(diào)查，對前期地質(zhì)資料進(jìn)行復(fù)核，得出引水隧洞宏觀地質(zhì)預(yù)測結(jié)論；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合掌子面地質(zhì)編錄，采用TRT測試進(jìn)行隧洞中長距離地質(zhì)預(yù)測預(yù)報；采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧洞短距離地質(zhì)預(yù)測預(yù)報。

圖1 綜合地質(zhì)預(yù)報方法流程示意

2 地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)分析

2.1 開挖段揭示地質(zhì)條件統(tǒng)計分析

對各施工支洞及引水隧洞已開挖段地質(zhì)條件進(jìn)行統(tǒng)計分析如下：

（1）引水隧洞部位巖性以砂質(zhì)灰?guī)r夾板巖為主，層厚變化較大，其中4號施工支洞及4號下以薄層狀為主，而5號施工支洞及5號上以中厚層為主；

（2）引水隧洞部位地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，以NW～NWW向?yàn)橹鳎竷A，洞軸線小角度相交；

（3）總體上構(gòu)造不發(fā)育，以小規(guī)模擠壓帶、揉皺為主，對圍巖類別及穩(wěn)定性不構(gòu)成控制影響，但隨機(jī)分布的較大規(guī)模斷層則影響或控制著隧洞圍巖類別及洞室穩(wěn)定性（如4號下）；

（4）一般以滲滴水為主，局部線狀水，較大規(guī)模構(gòu)造發(fā)育部位可能出現(xiàn)股狀水、涌水；

（5）地層層厚是決定圍巖類別的基本因素，而地下水、一定規(guī)模隨機(jī)分布的斷層則進(jìn)一步惡化圍巖穩(wěn)定性，對施工影響較大。

2.2 利用衛(wèi)星圖片規(guī)劃調(diào)查線路

根據(jù)引水隧洞及施工支洞開挖揭示，圍巖穩(wěn)定性主要受巖性、層厚、地下水、構(gòu)造等影響。地表調(diào)查的重點(diǎn)為是否存在軟弱巖帶、較大規(guī)模構(gòu)造等。

利用衛(wèi)星圖片資料，發(fā)現(xiàn)附近幾個山梁上的負(fù)地形相互對應(yīng)，相連后與地層界線大致平行，推斷可能有軟弱巖帶分布（見圖2，推測軟弱巖帶）；根據(jù)黑河河流形態(tài)與4號施工支洞與4號下主洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖出露位置，推測可能存在一條與地層大角度相交的斷層（見圖2，推測斷層）。

圖2 利用衛(wèi)星圖片規(guī)劃調(diào)查線路

本次現(xiàn)場調(diào)查的主要內(nèi)容確定為：

（1）對推測的軟弱巖帶、斷層進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查、復(fù)核，核實(shí)是否存在該推測軟弱巖帶與斷層；

（2）對4號、5號支洞之間剩余洞段的地層巖性、層厚、構(gòu)造等進(jìn)行調(diào)查、復(fù)核；

（3）對其他影響圍巖穩(wěn)定的因素進(jìn)行調(diào)查、復(fù)核。

根據(jù)以上調(diào)查內(nèi)容以及本次地質(zhì)復(fù)核目的，結(jié)合工程開挖進(jìn)度、現(xiàn)場地形條件綜合確定了現(xiàn)場調(diào)查線路。

2.3 地表調(diào)查及地質(zhì)分析結(jié)論

對頭道溝、下游沖溝以及兩溝之間山梁的現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地層產(chǎn)狀穩(wěn)定（局部受淺表生改造及小構(gòu)造影響有所變化），推測斷層、軟弱巖帶位置未見明顯的層位、產(chǎn)狀及巖性差異，因此判斷4號～5號之間洞段并無推測的斷層和軟弱巖帶分布。

根據(jù)地表調(diào)查，4號～5號支洞之間巖體產(chǎn)狀穩(wěn)定，整體以NWW向?yàn)橹?，陡傾，局部受構(gòu)造及淺表生改造影響小，范圍內(nèi)產(chǎn)狀有所變化，判斷對圍巖穩(wěn)定性影響不大。

根據(jù)地層走向與隧洞軸線關(guān)系，通過調(diào)查頭道溝內(nèi)洞軸線兩側(cè)約300 m范圍內(nèi)地層的層厚、巖性，即可推測出未開挖洞段的地層巖性、層厚特征（其中軸線往溝里對應(yīng)著5號上洞段，軸線往溝外則對應(yīng)著4號下洞段）?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，頭道溝至4號下掌子面洞段，圍巖巖性以薄層砂質(zhì)灰?guī)r、薄層夾中厚層砂質(zhì)灰?guī)r為主，而頭道溝至5號上掌子面圍巖巖性則以中厚層夾薄層砂巖為主。這與4號下、5號上主洞的開挖情況相吻合。

調(diào)查區(qū)域內(nèi)未見大的斷裂、褶皺分布，偶見小規(guī)模的斷層或錯動帶、揉皺等，影響局部巖體的產(chǎn)狀及完整性，但影響范圍有限。

頭道溝內(nèi)可見常年流水，并結(jié)合溝內(nèi)洞軸線附近前期鉆孔資料，判斷頭道溝段主洞地下水應(yīng)較為豐富。

預(yù)測未開挖段以Ⅲ類圍巖為主，過溝段及小規(guī)模構(gòu)造影響段以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。

3 TRT系統(tǒng)中長距離預(yù)報

3.1 TRT技術(shù)簡介

TRT（Tunnel Reflection Tomography）是隧道地震波反射體追蹤技術(shù)的簡稱。目前該技術(shù)在國內(nèi)外隧洞超前地質(zhì)預(yù)報中取得較好的效果，能對掌子面前方100～150 m段不良地質(zhì)體（斷層帶、破碎帶、富水帶）進(jìn)行有效預(yù)測，并可結(jié)合地震波波速進(jìn)行圍巖分級評估。

TRT探測系統(tǒng)是以每個激震震源和地震信號接受傳感器組的位置為焦點(diǎn)，與所有可能產(chǎn)生反射波信號的不良地質(zhì)反射體分別確定一個橢球體（見圖3）。足夠多數(shù)量的激震震源和地震信號接受傳感器組位置的坐標(biāo)會形成一個三維數(shù)組，每個反射界面的地層位置可以由這些橢球的交匯區(qū)域所確定。事實(shí)上，反射邊界上每一點(diǎn)離散圖像的計算包括由所有激震震源和接收傳感器組所對應(yīng)的三維巖體空間中選定的區(qū)塊。TRT采取用層析掃描成像技術(shù)，形成立體、直觀的三維圖，立體圖中反射邊界每一點(diǎn)離散圖像是由空間疊加所有地震波形計算得來的，每個波按比例從震源經(jīng)過三維巖體空間的區(qū)塊到達(dá)地震信號傳感器。

圖3 用地震波反射獲得地層地質(zhì)狀況三維圖原理

3.2 TRT檢測成果

對4號施工支洞下游掌子面進(jìn)行了TRT測試，得到掌子面前方100 m范圍的地震波反射三維圖像（見圖4），并生成掌子面前方60 m范圍地震波縱波波速圖（見圖5）。

圖4 三維成像-立體圖

從三維圖像看，掌子面前方20 m范圍內(nèi)地震波反射不明顯，開挖面內(nèi)未見低阻異常，巖體情況與掌子面類似；掌子面前方20～70 m段地震波反射明顯，推測該段內(nèi)巖體均一性變差，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性變差；掌子面前方70～90 m段地震波反射無異常，推測該段巖體均一性變好；掌子面前方90～100 m段存在一明顯低阻異常，推測存在一破碎帶或軟弱帶。

從地震波縱波速度圖看，掌子面前方60 m范圍內(nèi)地震波速度在2 200～2 609 m／s之間變化，平均速度約為2 350 m／s。其中，掌子面前方15 m范圍內(nèi)平均波速值2 280 m／s，較低；15～40 m段平均波速2 435 m／s，略高；40～60 m段平均波速2 340 m／s，稍低。

圖5 地震波速度

3.3 成果分析

（1）測試成果與開挖揭示對比。掌子面開挖揭示，巖性為薄層砂質(zhì)灰?guī)r夾板巖，褶曲強(qiáng)烈，巖體較破碎，右側(cè)邊墻見股狀出水，圍巖極不穩(wěn)定，為Ⅴ類圍巖。掌子面前方15 m后開挖揭示，巖體結(jié)構(gòu)較前段稍好，地下水以線狀流水為主，圍巖穩(wěn)定性較TRT測試掌子面稍好。

開挖揭示情況與預(yù)測成果基本吻合。

（2）與6號施工支洞上游測試成果對比。對比6號施工支洞上游掌子面TRT測試成果，地震波平均波速2 600 m／s，較4號支洞下游高250 m／s。巖性與4號下游掌子面相同，均為薄層砂質(zhì)灰?guī)r，巖層的單層厚度略大，巖層走向與隧洞軸線夾角相當(dāng)（15°～20°），陡傾。該段洞室按水電系統(tǒng)圍巖分類評分標(biāo)準(zhǔn)，評分40分，為Ⅳ類圍巖。

對比不同段測試成果，地震波波速與巖體質(zhì)量有明顯相關(guān)性。

（3）地震波波速與聲波波速對比。巖體彈性波是巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、幾何形狀等的綜合體現(xiàn)，與巖體質(zhì)量有良好的對應(yīng)關(guān)系。彈性波法測試主要包括地震波法和聲波法。聲波法具有波長小、測試精度高的特點(diǎn)，目前已廣泛用于巖體質(zhì)量的測試。地震波法較聲波法彈性波的行程長，更能綜合反映巖體質(zhì)量。由于觀測方式（頻率）、尺度等的不同，地震波和聲波速度之間不宜直接進(jìn)行比較，但其規(guī)律可以相互印證。據(jù)錦屏輔助洞測試成果統(tǒng)計，地震波平均速度比聲波低500 m／s左右［5］，約10%。

綜合掌子面地質(zhì)條件和TRT測試成果，掌子面前方100 m范圍內(nèi)，圍巖類別仍以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。

4 地質(zhì)雷達(dá)短距離預(yù)報

4.1 地質(zhì)雷達(dá)簡介

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目標(biāo)體的，它通過發(fā)射天線向掌子面前方發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，經(jīng)過存在電性差異的地層或目標(biāo)體（如斷層、破碎帶、巖性變化帶及富水帶等）反射后返回掌子面，被接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波能量強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)反射波的旅行時間、幅度與波形等信息，可探測掌子面前方的地層界面或地質(zhì)異常體的結(jié)構(gòu)特征及空間位置。地質(zhì)雷達(dá)探測的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，差異越大，則探測效果越好，一般預(yù)報距離10～30 m，為短距離預(yù)報方法。

4.2 短距離預(yù)報

在地質(zhì)宏觀預(yù)測和TRT中、長距離預(yù)報的基礎(chǔ)上，當(dāng)掌子面開挖接近TRT測試反射異常段時，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離地質(zhì)預(yù)報。

玉瓦水電站引水隧洞開挖寬度4.2～5 m，掌子面狹窄，扣除天線長度，測線長度不到4 m，加之掌子面巖體爆破松弛、起伏不平，對地質(zhì)雷達(dá)測試效果有影響。實(shí)際測試成果雖對斷層破碎帶、涌水等不良地質(zhì)現(xiàn)象有所反映，但總體效果不佳。

5 結(jié) 語

單一的超前地質(zhì)預(yù)報手段，各有其局限性，難以提供可靠且經(jīng)濟(jì)有效的超前預(yù)報成果。在地表地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，選用合適的物探方法，進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報值得研究探索。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作在玉瓦水電站引水隧洞施工中應(yīng)用，為施工進(jìn)度安排、施工資源調(diào)配提供了可靠的地質(zhì)資料，同時有效保障了施工安全，取得了較好的應(yīng)用效果。

TRT測試的地震波縱波波速成果與聲波測試波速相關(guān)性值得進(jìn)一步研究，對比實(shí)際開挖后揭示的圍巖條件，為以后超前地質(zhì)預(yù)報圍巖類別劃分提供參考。

［1]趙永貴.國內(nèi)外隧道超前預(yù)報技術(shù)評析與推介［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（4）：1344-1352.

［2]宋先海，等.我國隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)述評［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21（2）：605-613.

［3]李術(shù)才，等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（6）：1090-1113.

［4]陶忠平，等.TRT6000隧道超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在牛欄江-滇池補(bǔ)水工程中的應(yīng)用［J］.資源環(huán)境與工程，2010，24（5）：522-526.

［5]童建剛，程武偉.錦屏輔助洞巖體地震波與聲波對比檢測［J］.中國水運(yùn)，2010，10（10）：210-214.

簡訊

我院榮獲2015年全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)獎

日前，中國質(zhì)量協(xié)會以中國質(zhì)協(xié)字〔2015〕90號發(fā)文“關(guān)于表彰2015年全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)的決定”，對全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)予以表彰。我院獲此殊榮。

2015年，全國廣大企業(yè)通過學(xué)習(xí)和實(shí)踐卓越績效模式，發(fā)揮優(yōu)勢，銳意進(jìn)取，經(jīng)過不懈努力，發(fā)展成果顯著，涌現(xiàn)出一批先進(jìn)企業(yè)。為了進(jìn)一步推動卓越績效模式的實(shí)施，樹立卓越績效典范，引領(lǐng)廣大企業(yè)學(xué)習(xí)先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和方法，中國質(zhì)量協(xié)會在各地區(qū)、各行業(yè)質(zhì)協(xié)推薦的基礎(chǔ)上，經(jīng)審核確認(rèn)，對全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)進(jìn)行表彰，并對連續(xù)三年獲得表彰的先進(jìn)企業(yè)授予“全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)特別獎”。

據(jù)了解，此次共有148家企業(yè)獲“2015年度全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)”，18家企業(yè)獲“全國實(shí)施卓越績效模式先進(jìn)企業(yè)特別獎”。

（本刊編輯部）

TV221.2

B

1003-9805（2015）04-0104-05

2015-06-29

胡帥（1978-），男，湖北黃梅人，高級工程師，從事水利水電地質(zhì)工程、巖土工程設(shè)計工作。