劉志宏

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，311122）

綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在某電站工程中的應(yīng)用

劉志宏

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，311122）

詳細(xì)介紹了工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法、探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法的方法原理，提出在宏觀工程地質(zhì)預(yù)測(cè)分析的基礎(chǔ)上，采用TSP法中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)和探地雷達(dá)法短距離預(yù)報(bào)方法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，并在某電站引水隧洞開(kāi)挖施工中準(zhǔn)確預(yù)報(bào)貫穿引水隧洞地下洞室群的F6斷層，闡明在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)施隧洞綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的必要性和重要性。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；探地雷達(dá)；TSP預(yù)報(bào)；F6斷層

0　引言

因隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜或深埋隧洞前期勘察手段的局限性，在隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程中可能遭遇潛在的、未知的不良地質(zhì)體，如巖溶、斷層破碎帶、地下水等，稍有不慎就容易出現(xiàn)坍塌、突水、涌泥等事故。近年來(lái)，因地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的隧洞施工安全事故屢見(jiàn)不鮮，隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是預(yù)防隧洞施工地質(zhì)災(zāi)害事故的重要手段。由于單一地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法所提供信息的局限性或多解性，難以在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)施準(zhǔn)確的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，采用兩種或多種預(yù)報(bào)手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)成果相互佐證分析，可提供更為準(zhǔn)確、可靠的預(yù)報(bào)結(jié)論。

筆者提出采用工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法和探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法的隧洞施工開(kāi)挖綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，并結(jié)合某電站引水隧洞洞室群的F6斷層預(yù)報(bào)實(shí)踐，論證綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的有效性、實(shí)用性和重要性。

1　綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法原理

1.1工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法

工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法是利用隧洞前期勘察資料和施工地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，宏觀推測(cè)和研判掌子面前方地質(zhì)情況及可能存在的不良地質(zhì)構(gòu)造（如巖溶、斷層破碎帶、富水地質(zhì)構(gòu)造等），以及預(yù)測(cè)其相應(yīng)位置、延伸方向和規(guī)模大小，宏觀上分析對(duì)隧洞施工開(kāi)挖存在的不良影響。工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法主要用于長(zhǎng)距離、大范圍的地質(zhì)宏觀推斷，綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可為中長(zhǎng)距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析提供基礎(chǔ)資料。

1.2TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是通過(guò)人工激發(fā)地震波在隧洞圍巖中傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩棺兓缑妫ㄈ鐜r溶、斷層等）時(shí)將發(fā)生反射。根據(jù)地震波傳播理論，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诖怪苯缑嫒肷淝闆r下，其反射系數(shù)R12為：

式中，ρ1、ρ2為界面兩側(cè)介質(zhì)的密度；νP1、νP2為界面兩側(cè)介質(zhì)的地震波縱波速度。

由反射系數(shù)計(jì)算公式可知，反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗（ρV）差異程度決定了反射系數(shù)大小和正負(fù)，也決定了反射波的能量和首波的相位，因此根據(jù)反射波的能量及首波相位的變化可以推測(cè)反射界面兩側(cè)地質(zhì)體的性質(zhì)，TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)原理見(jiàn)圖1。所接收的地震波數(shù)據(jù)經(jīng)TSPwin專用軟件處理（數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→Q估算→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→反射界面提取等流程），可獲取掌子面前方圍巖P波、SH波和SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面，提取反射層信息、巖體物理力學(xué)參數(shù)，以及2D或3D空間地質(zhì)界面分布狀態(tài)等解譯成果。

圖1　TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作原理圖Fig.1 Principle of TSP advanced geological prediction

TSP法可有效預(yù)報(bào)距離與巖體軟硬程度及其完整性的相關(guān)關(guān)系，一般可探測(cè)掌子面前方100～150 m，巖體條件較好洞段甚至可達(dá)200 m以上，屬中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。在綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，TSP預(yù)報(bào)成果可作為短距離預(yù)報(bào)分析的基礎(chǔ)依據(jù)。

1.3探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法

探地雷達(dá)向地下或掌子面定向發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)電磁波遇到存在電性差異的界面或地質(zhì)體時(shí)將發(fā)生反射，通過(guò)接收反射電磁波并對(duì)反射電磁波信號(hào)進(jìn)行濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達(dá)圖像，探地雷達(dá)的工作原理見(jiàn)圖2。雷達(dá)圖像中，反射電磁波信號(hào)的強(qiáng)弱取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的電性差異程度，界面反射系數(shù)計(jì)算如下：

通過(guò)識(shí)別雷達(dá)圖像中的反射波同相軸，提取反射波的旅行時(shí)間，可根據(jù)介質(zhì)的電磁波傳播速度和反射波旅行時(shí)間計(jì)算反射界面的深度：

式中，h為界面的深度；x為發(fā)射天線和接收天線的間距；V為地層介質(zhì)的電磁波傳播速度。

探地雷達(dá)法有效預(yù)報(bào)距離一般為20～30 m，在綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中屬短距離精確預(yù)報(bào)。

圖2　探地雷達(dá)工作原理圖Fig.2 Principle of GPR geological prediction method

2　某電站引水隧洞F6斷層預(yù)報(bào)實(shí)例

2.1F6斷層工程地質(zhì)預(yù)測(cè)分析

某水電站地下洞室群中有7條隧洞穿越F6斷層，包括2條輔助洞、1條施工排水洞和4條引水隧洞，各隧洞近乎平行布置，水平間距分別為35 m、35 m、45 m、60 m、60 m和60 m。輔助洞先于引水隧洞和施工排水洞開(kāi)挖，排水洞和引水隧洞幾乎同時(shí)開(kāi)挖施工。A、B輔助洞開(kāi)挖揭露F6斷層的樁號(hào)分別為AK2+744～AK2+748和BK2+771～BK2+ 773.5。A、B輔助洞開(kāi)挖所揭露的F6斷層表明，F(xiàn)6斷層位于雜谷腦組(T2z)大理巖內(nèi)，為壓扭性結(jié)構(gòu)面，具有相對(duì)隔水性質(zhì)，產(chǎn)狀為N45°E NW∠80～85°，主帶內(nèi)巖性為灰綠色砂巖、大理巖，呈全～強(qiáng)風(fēng)化狀，面絹云母化，巖性軟弱，帶內(nèi)主要充填有結(jié)構(gòu)面泥、全風(fēng)化巖、擠壓片巖、巖屑等，結(jié)構(gòu)面泥可見(jiàn)寬0.2～0.6 m。F6主斷層揭露前一般有15 m左右的斷層影響帶，在斷層下盤有約20 m的影響帶，斷層影響帶巖體破碎，鐵錳質(zhì)浸染嚴(yán)重。

根據(jù)A、B輔助洞揭露的F6斷層性狀，結(jié)合前期地面地質(zhì)測(cè)繪資料和引水隧洞掌子面開(kāi)挖地質(zhì)情況，經(jīng)工程地質(zhì)預(yù)測(cè)分析，推測(cè)F6斷層將分別在1號(hào)引水隧洞的引(1)2+895～引(1)2+899、2號(hào)引水隧洞的引(2)2+859～引(2)2+863、3號(hào)引水隧洞的引(3)2+839～引(3)2+843、4號(hào)引水隧洞的引(4)2+899～引(4)2+803以及施工排水洞的SK2+311～SK2+315位置揭露。工程地質(zhì)分析法推測(cè)各隧洞的F6斷層位置見(jiàn)圖3。

圖3　工程地質(zhì)分析推測(cè)的各隧洞F6斷層位置圖Fig.3 Predicted location of fault F6

2.2TSP法預(yù)報(bào)F6斷層

根據(jù)工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)的F6斷層位置，當(dāng)掌子面開(kāi)挖接近F6斷層推測(cè)位置時(shí)，選取開(kāi)挖超前的2號(hào)引水隧洞和4號(hào)引水隧洞實(shí)施TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。2號(hào)引水隧洞實(shí)施TSP超前預(yù)報(bào)的掌子面位于引（2）2+767，4號(hào)引水隧洞實(shí)施TSP超前預(yù)報(bào)的掌子面位于引（4）2+706，若TSP有效預(yù)報(bào)距離按150 m計(jì)算，則2號(hào)引水隧洞TSP預(yù)報(bào)的覆蓋洞段為引（2）2+867～引（2）2+917，4號(hào)引水隧洞TSP預(yù)報(bào)的覆蓋洞段為引（4）2+706～引（4）2+856，因此F6斷層推測(cè)位置處于預(yù)報(bào)范圍之內(nèi)，見(jiàn)圖4。

2.2.12號(hào)引水隧洞引（2）2+767掌子面TSP預(yù)報(bào)成果分析

2號(hào)引水隧洞引（2）2+767掌子面的TSP預(yù)報(bào)物性參數(shù)2D成果圖表明，引(2)2+857～引(2)2+890洞段的巖體波速、楊氏模量及泊松比均明顯降低，見(jiàn)圖5（a），在巖體波速色譜圖上呈藍(lán)色（深色）條帶狀低速異常區(qū)，見(jiàn)圖5（b），由此推測(cè)引(2)2+857～引(2)2+ 890洞段為F6斷層及影響帶。

圖4　F6斷層推測(cè)位置及TSP預(yù)報(bào)洞段范圍示意圖Fig.4 Predicted location of F6 fault and the area of TSP geolog?ical prediction

圖5　2號(hào)引水隧洞引（2）2+767掌子面TSP預(yù)報(bào)成果圖Fig.5 TSP geological prediction result of the tunnel face 2+767 of No.2 diversion tunnel

2.2.24號(hào)引水隧洞引（4）2+706掌子面TSP預(yù)報(bào)成果分析

4號(hào)引水隧洞引（4）2+706掌子面的TSP預(yù)報(bào)物性參數(shù)2D成果圖表明，引(4)2+799～引(4)2+816洞段的巖體波速、楊氏模量及泊松比均明顯降低，見(jiàn)圖6（a），在巖體波速色譜圖上呈藍(lán)色條帶狀低速異常區(qū)，見(jiàn)圖6（b），由此推測(cè)引(4)2+799～引(4)2+816洞段為F6斷層及影響帶。

2.3探地雷達(dá)法預(yù)報(bào)F6斷層

圖6　4號(hào)引水隧洞引（4）2+706掌子面TSP預(yù)報(bào)成果圖Fig.6 TSP geological prediction result of the tunnel face 2+706 of No.4 diversion tunnel

當(dāng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)引水隧洞開(kāi)挖掌子面接近TSP預(yù)報(bào)F6斷層位置時(shí)，針對(duì)F6斷層進(jìn)行探地雷達(dá)預(yù)報(bào)，以進(jìn)一步查明F6斷層及影響帶的位置，確證F6斷層的性質(zhì)。各引水隧洞的探地雷達(dá)法預(yù)報(bào)F6斷層成果及開(kāi)挖驗(yàn)證情況見(jiàn)表1～4。

3　結(jié)語(yǔ)

本工程各引水隧洞的F6斷層超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)踐表明，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞施工，采用宏觀工程地質(zhì)分析預(yù)測(cè)、中-長(zhǎng)距離TSP預(yù)報(bào)法和短距離探地雷達(dá)相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工掌子面前方地質(zhì)情況，有效確保隧洞施工安全。

表1　1號(hào)引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果表Table 1 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.1

表22　號(hào)引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果表Table 2 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.2

表33　號(hào)引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果表Table 3 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.3

表44　號(hào)引水隧洞F6斷層的雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果表Table 4 GPR geological prediction result of fault F6 of diversion tunnel No.4

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作者郵箱：liu_zh@ecidi.com

Title:Application of comprehensive geological advanced prediction technology in a hydropower station

by LIU Zhi-hong∕Zhejiang Huadong Engineering Safety Technology Co.,Ltd.

The paper introduces the principle and method of engineering geology analysis and predic?tion method,TSP geological prediction method and GPR geological forecast method.Based on macro prediction of engineering geology,the combination of TSP geological prediction method for medium and long distance and GPR geological prediction method for short distance is advanced.It is applied to the excavation of a diversion tunnel.The precise result has proved the necessity and importance of applica?tion of comprehensive advanced geological prediction in complex geology condition.

comprehensive advanced geological prediction;ground penetrating radar;TSP prediction; F6 fault

U456

B

1671-1092（2016）04-0056-06

2016-05-27

劉志宏（1964-），男，浙江衢州人，高級(jí)工程師，從事隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。