羅 宇, 胡 帥

(中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

玉瓦水電站引水發(fā)電隧洞TRT技術(shù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

羅 宇, 胡 帥

(中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

主要介紹TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的工作原理和方法,闡述該方法在玉瓦水電站引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的實(shí)際使用情況及效果,總結(jié)TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,證明TRT技術(shù)在隧洞中長(zhǎng)距離預(yù)測(cè)結(jié)果具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和精度。

TRT;地質(zhì)超前預(yù)報(bào);隧洞

水利水電建設(shè)中常有深埋長(zhǎng)隧洞,然而目前深埋長(zhǎng)隧洞的前期勘探卻缺乏有效的手段,難以滿足指導(dǎo)施工的要求,在隧洞施工過(guò)程中常遇到塌方、突泥、突水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害。這些地質(zhì)災(zāi)害對(duì)施工進(jìn)度造成了較嚴(yán)重的影響,并對(duì)人員和設(shè)備安全構(gòu)成了威脅,因此地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)在深埋長(zhǎng)隧洞施工中尤為重要。

隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究已有60多年,但受技術(shù)限制,在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法主要是超前勘探法(包括超前導(dǎo)洞和超前鉆孔)和工程地質(zhì)分析法,預(yù)報(bào)的長(zhǎng)度和精度都有限。近年來(lái)隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的基于儀器的物探法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),如地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、聲波探測(cè)法、紅外探測(cè)法等。目前能達(dá)到100～150 m 預(yù)報(bào)距離的主要是地震勘探技術(shù),有負(fù)視速度法、水平剖面法(HSP)、TSP、TRT、TST及TGP等[1],其原理基本一致,但近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的TRT 技術(shù)采用空間多點(diǎn)激發(fā)和接收、三維空間觀測(cè)和無(wú)限傳輸信號(hào)等手段,具有測(cè)試簡(jiǎn)便、快捷、成果更精密等技術(shù)優(yōu)越性,本文將其應(yīng)用到玉瓦水電站引水隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中,通過(guò)與地表調(diào)查及開(kāi)挖實(shí)際進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的使用效果。

1 TRT技術(shù)簡(jiǎn)介

TRT(Tunnel Reflection Tomography)技術(shù)是地震波反射體追蹤成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱,由美國(guó)西斯陸地地質(zhì)設(shè)備公司研制開(kāi)發(fā)[2]。目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)公路、鐵路隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中已成熟應(yīng)用,并取得較好的效果,能對(duì)掌子面前方100～150 m的地質(zhì)體進(jìn)行有效預(yù)測(cè),且可結(jié)合地震波速進(jìn)行圍巖分級(jí)評(píng)估。由于隧洞使用性質(zhì)的不同,TRT技術(shù)在水電行業(yè)應(yīng)用情況也不盡相同,對(duì)數(shù)據(jù)的解譯需更加準(zhǔn)確。

1.1 TRT技術(shù)工作原理

TRT技術(shù)是通過(guò)地震波在傳播過(guò)程中到達(dá)波阻抗差異界面上時(shí)(如巖層面、斷層、地下水軟弱層等),一部分反射回來(lái)的信號(hào)被傳感器接收,一部分信號(hào)繼續(xù)向前傳播。通過(guò)已接收到的反射信號(hào)的時(shí)間、振幅、頻率以及衰減等數(shù)據(jù)分析,從而確定探測(cè)前方巖體的反射系數(shù)、地震波在巖體中傳播的速度以及巖體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而推斷前方是否存在地質(zhì)異常體,以及異常體的位置和規(guī)模等。

1.2 數(shù)據(jù)采集

TRT系統(tǒng)采用12個(gè)震源和10個(gè)傳感器,震源布置在隧洞掌子面附近的左右邊墻上,分2個(gè)斷面布置,斷面間隔為2 m;傳感器布置在距震源點(diǎn)10～20 m的隧道兩邊墻及拱頂上,分4個(gè)斷面布置,斷面間隔5 m。距離震源最近的斷面布置兩個(gè)檢波器,布置在左右拱腰部位,第二個(gè)斷面布置三個(gè)檢波器,分別布置在拱頂和邊墻的下部,第三、第四斷面布置方式分別和第一、第二斷面的布置方式相同。具體布置情況如圖1所示。

儀器的工作過(guò)程為:在震源點(diǎn)上錘擊,在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時(shí),觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給基站,然后基站給無(wú)線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令,并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦,完成地震波數(shù)據(jù)采集。儀器連接如圖2所示。

圖1 TRT系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Layout sketch map of TRT system

圖2 TRT地震波采集系統(tǒng)模型Fig.2 Acquisition system model of TRT seismic wave

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

TRT技術(shù)采用三維空間全斷面多點(diǎn)激發(fā)和接收觀測(cè)方式,其檢波器和激發(fā)的炮點(diǎn)呈空間分布,以便獲得足夠的空間波場(chǎng)信息,從而使前方地質(zhì)缺陷的定位精度大大提高,克服其他物探預(yù)報(bào)方法無(wú)法準(zhǔn)確判別小構(gòu)造、小巖溶等地質(zhì)體的弊端;在異常體定位的方法上,改變其他方法采用上行波和下行波的焦點(diǎn)來(lái)確定,而是采用由震源點(diǎn)和檢波點(diǎn)為焦點(diǎn),以入射波和反射波的總時(shí)間為距離組成的橢球體,通過(guò)多組球體確定異常體的位置和延伸方向,如圖3所示。

圖3 地震波反射原理示意圖Fig.3 Sketch map of reflection principle of seismic wave

TRT技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 TRT技術(shù)特點(diǎn)

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內(nèi),屬引水隧洞式水電站,引水隧洞洞長(zhǎng)14.1 km,共設(shè)計(jì)6條施工支洞。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(dòng)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300～400 m,隧洞軸線與巖層走向一般小角度相交,巖層陡傾。前期勘探預(yù)測(cè)隧洞圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主,局部洞段受小構(gòu)造的影響,巖體破碎,加之地下水作用,圍巖極不穩(wěn)定,為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖。特別是順層破碎帶,由于洞軸線與巖層夾角小,將影響較長(zhǎng)的洞段,對(duì)施工極為不利。

2.2 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

引水隧洞4#支洞下游掌子面施工至(引)9+247 m后,隧洞內(nèi)小構(gòu)造發(fā)育,地下水活躍。受其影響巖體破碎,圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。隨著開(kāi)挖相繼暴露出多條順層擠壓破碎帶,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,決定在(引)9+282 m采用TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)前方地質(zhì)條件。

此次TRT測(cè)試根據(jù)上述工作原理,在掌子面(引)9+282 m處設(shè)置震源點(diǎn),并在震源點(diǎn)后方10～20 m范圍內(nèi)邊墻及頂拱布置4個(gè)斷面共10個(gè)傳感器。儀器布置完成后,停止施工降低干擾,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最終得到掌子面前方110 m范圍的地震波反射三維圖像(見(jiàn)圖4),及地震波縱波波速圖(見(jiàn)圖5)。

圖4 地震波三維成像立體圖Fig.4 Block diagram of three-dimensional imaging of seismic wave

通過(guò)TRT系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析和過(guò)濾,得到三維圖(圖4),圖中淺色為正反射、深色為負(fù)反射(地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一種高阻抗物質(zhì)時(shí),反射系數(shù)是正的;反之,反射系數(shù)是負(fù)的)。通過(guò)三維圖可得:9+282～9+302 m段地震波反射不明顯,開(kāi)挖面內(nèi)未見(jiàn)低阻異常,巖體情況與掌子面類(lèi)似;9+302～9+352 m段地震波反射明顯,藍(lán)黃反射點(diǎn)相間分布,推測(cè)該段內(nèi)巖體均一性變差;掌子面前方9+352～9+382 m段地震波反射不明顯,推測(cè)該段巖體均一性相對(duì)較好;掌子面前方9+382～9+392 m段藍(lán)色負(fù)反射明顯,且地震波迅速衰減,存在低阻異常帶。

由于受9+382～9+392 m的低阻異常帶影響,地震波迅速衰減,反射信號(hào)微弱,有效取值只有掌子面前方60 m。該段范圍內(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,波速較低,應(yīng)受開(kāi)挖爆破影響導(dǎo)致;15～40 m段平均波速2 435 m/s,波速略高;40～60 m段平均波速2 340 m/s,波速稍低。

2.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與開(kāi)挖揭示地質(zhì)條件對(duì)比

通過(guò)TRT地震波反射三維圖和地震波波速圖綜合分析,預(yù)測(cè)了4#支洞下游(引)9+282～(引)9+392 m段圍巖地質(zhì)條件,并與實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證(見(jiàn)表2)。

由表2可見(jiàn):TRT地質(zhì)預(yù)報(bào)該段地質(zhì)條件與實(shí)際開(kāi)挖揭示地質(zhì)條件基本一致,100 m內(nèi)預(yù)報(bào)誤差在5 m以內(nèi);對(duì)影響圍巖類(lèi)別的因素也具有較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),對(duì)裂隙構(gòu)造和地下水相對(duì)較為敏感,預(yù)測(cè)精度較高。

圖5 地震波波速圖Fig.5 Wave velocity diagram of seismic wave

表2 TRT預(yù)報(bào)與開(kāi)挖揭示對(duì)照表

3 結(jié)語(yǔ)

從玉瓦水電站引水隧洞的應(yīng)用情況來(lái)看,首先,TRT預(yù)測(cè)了掌子面后100 m范圍巖體情況經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證基本正確,其預(yù)測(cè)距離和精度均達(dá)到了預(yù)期;其次,TRT技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)采集只需10～30 min,且不需要使用炸藥爆破作為震源,不但對(duì)施工干擾小,也很安全。由于TRT測(cè)試對(duì)傳感器的設(shè)置要求較高,傳感器需要與巖壁凝固結(jié)實(shí),且部分傳感器需設(shè)置到頂拱,因此在測(cè)試過(guò)程中,這部分工作對(duì)測(cè)試效率影響較大,玉瓦水電站引水隧洞洞徑較小,測(cè)試相對(duì)較順利。對(duì)于規(guī)模較大的隧洞,在頂拱設(shè)置傳感器則需要專(zhuān)門(mén)的升降設(shè)備輔助?？偟膩?lái)看,TRT在隧洞的中長(zhǎng)距離預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)上其方法技術(shù)是可行的,其預(yù)測(cè)成果具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

另外,在玉瓦水電站引水隧洞的測(cè)試中,筆者將TRT測(cè)試的地震波縱波波速成果引入分析中,對(duì)于更進(jìn)一步判斷巖體的完整性作了些嘗試。若將其與聲波測(cè)試波速相關(guān)性比較值得進(jìn)一步研究,對(duì)比實(shí)際開(kāi)挖后揭示的圍巖條件,可為以后超前地質(zhì)預(yù)報(bào)圍巖類(lèi)別劃分提供參考,將更進(jìn)一步擴(kuò)大TRT預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

[1] 陳剛毅.TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)及其在三峽翻壩高速公路中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程,2009,23(3):304-307.

[2] 劉杰,廖春木.TRT技術(shù)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2011(4):77-79.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

TRT Geological Advanced Prediction in Diversion Tunnelof Yuwa Hydropower Station

LUO Yu, HU Shuai

(PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu,Sichuan610072)

In this paper,the working principle and method of advanced prediction system of TRT geological is mainly introduced,the authors discusses advanced prediction in diversion tunnel of Yuwa hydropower station at actual usage and effect.The advantages and disadvantages of advance geological forecast of TRT are summarized on this basis.It is proved that the TRT technology has strong accuracy and precision in the long distance prediction results in the tunnel.

TRT; advance geological prediction; tunnel

2016-05-13;改回日期:2016-05-27

羅宇(1985-),男,助理工程師,土木工程專(zhuān)業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)方面工作。E-mail:23055236@qq.com

TV554

A

1671-1211(2016)03-0385-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.032

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.022.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37