(重慶渝浩水電開發(fā)有限公司，重慶 武隆，443500)

1 工程概況

立洲水電站位于四川省涼山州境內(nèi)的木里河流域，是木里河干流水電規(guī)劃“一庫六級(jí)”的第六個(gè)梯級(jí)電站，其下游為錦屏一級(jí)水電站庫區(qū)。電站采用混合式開發(fā)，樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、地下長引水隧洞和地面發(fā)電廠房組成。電站裝機(jī)容量355MW，多年平均發(fā)電量為15.52億kW·h。

立洲電站地質(zhì)條件復(fù)雜多變，工程位于青藏高原東南緣，地處橫斷山脈，屬侵蝕、剝蝕、強(qiáng)烈切割山區(qū)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，飛來峰及構(gòu)造窗展布全區(qū)，斷層發(fā)育較多，故本地區(qū)素有“地質(zhì)博物館”之稱。

立洲電站引水隧洞全長17272m，開挖直徑9.1m～10.2m，施工支洞全長5371m。20多公里的地下洞室工程在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下施工，難度非常大。從施工支洞的開挖情況看，遇到了煤層、可燃?xì)怏w、大斷層、1.1MPa的高壓涌水、1.4m以上的洞室變形等復(fù)雜情況，施工進(jìn)度舉步為艱、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，為此，木里河公司與設(shè)計(jì)單位探討、研究，決定試點(diǎn)采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)特殊洞段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)施工。

2 TSP技術(shù)原理

2.1 基本原理

TSP203采用了回聲測量原理。地震波在指定的震源點(diǎn)(通常在隧洞的左邊墻或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線)用小藥量激發(fā)產(chǎn)生，地震波在隧洞巖石中以球面波形式傳播。其中一部分向隧洞前方傳播，當(dāng)波在隧洞前方遇到巖石物性界面時(shí)，將有一部分波從界面處反射回來，界面兩側(cè)巖石的強(qiáng)度差別越大，反射回來的信號(hào)也越強(qiáng)。測量系統(tǒng)中使用了兩對(duì)三分量高靈敏度傳感器(高靈敏度傳感器安放在特制金屬管內(nèi)放入鉆孔中，分別以平行、垂直和徑向隧洞軸線的方向)，能保證接收由各種不同角度反射回來的反射信號(hào)；還能有效地減小干擾信號(hào)的影響。反射信號(hào)的旅行時(shí)間和反射界面的距離成正比，故能預(yù)報(bào)引水隧洞前方0～150m范圍內(nèi)及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)狀況，包括地層巖性界面、構(gòu)造破碎帶、富水帶、巖溶發(fā)育帶等不良地質(zhì)體，確定其位置、規(guī)模及大致產(chǎn)狀，推測其性質(zhì)。

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)場布置及測試過程由一系列炮點(diǎn)、兩個(gè)三維接收傳感器(X、Y、Z方向)、接收機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成(見圖1)。

2.2 觀測系統(tǒng)布設(shè)

TSP超前預(yù)報(bào)觀測系統(tǒng)布置如圖2所示。根據(jù)不同預(yù)報(bào)目的，爆炸孔可選擇不同的邊墻。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，為了相互驗(yàn)證，需在左、右邊

圖1 TSP203系統(tǒng)的方法原理

墻都安裝接收器和爆炸孔，以求最佳效果。其炮孔及接收孔的具體布置要求見表1及圖3。

圖2 TSP觀測系統(tǒng)的布設(shè)

圖3 炮孔及接收孔的具體布置

表1 炮孔及接收孔的具體要求

3 立洲電站引水洞地質(zhì)預(yù)報(bào)試用

2009年5月，在引水隧洞樁號(hào)K6+797m處開挖施工時(shí)發(fā)生塌方，掌子面巖石為極薄層碳質(zhì)板巖，巖體強(qiáng)度極低，裂隙較發(fā)育，完整性極差。對(duì)于此次塌方，為了比較準(zhǔn)確地掌握前方隧洞的圍巖情況，及時(shí)制定相應(yīng)的施工措施，決定試點(diǎn)采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)該洞段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)施工。

3.1 現(xiàn)場工作方式

本次工作震源點(diǎn)位于引水洞左邊墻內(nèi)，設(shè)計(jì)放炮24炮，實(shí)際放炮24炮，兩接收器分別置于引水隧洞左右邊墻內(nèi)，接收器樁號(hào)為K6+741.5m，接收器與第一個(gè)炮點(diǎn)相距20m，炮點(diǎn)間距1.5m，掌子面位置為K6+797m處，掌子面與最后一個(gè)炮點(diǎn)相距1m。儀器設(shè)置如下：

(1)記錄單元：①12道；②24位A/D轉(zhuǎn)換；③采樣間隔：62.5μs；④帶寬:8000Hz；⑤記錄長度：7218采樣點(diǎn)；⑥動(dòng)態(tài)范圍120dB。

(2)接收單元：①三分量加速度地震檢波器；②靈敏度：1000mV/g±5%；③頻率范圍：0.5Hz～5000Hz。

3.2 數(shù)據(jù)處理

各種地球物理方法在野外采集得到的原始數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到有助于解釋的數(shù)據(jù)或圖像。數(shù)據(jù)處理的目的是壓制噪聲，增強(qiáng)信號(hào)，提高信噪比，以便從數(shù)據(jù)中提取有用的特征信息，如速度、振幅、相位、電阻率、極化率等，幫助解釋人員對(duì)資料進(jìn)行地質(zhì)解釋。TSP數(shù)據(jù)處理需以下幾道程序：(1)數(shù)據(jù)設(shè)置；(2)帶通濾波；(3)初至拾??；(4)拾取處理；(5)炮能量均衡；(6)Q估計(jì)；(7)反射波提??；(8)Q濾波；(9)P、S波分離；(10)速度分析；(11)深度偏移；(12)反射層提取；(13)地震結(jié)果、頻譜、速度及偏移顯示。圖4是經(jīng)上述步驟分析處理后得到的結(jié)果。

圖4 TSP巖石物理力學(xué)參數(shù)及二維平面(2D)顯示結(jié)果

3.3 TSP預(yù)報(bào)分析解釋

根據(jù)TSP巖石物理力學(xué)參數(shù)及二維平面(2D)顯示結(jié)果圖，本次TSP預(yù)報(bào)范圍(K6+797m～K6+940m段)總長143m，具體情況如下：

(1)K6+797m～K6+820m段巖體的密度、靜態(tài)楊氏模量、泊松比及VP/VS均明顯變化，推測此段與目前掌子面開挖巖體近似，為均質(zhì)軟巖層，裂隙較發(fā)育，巖體完整性差；

(2)K6+820m～K6+844m段密度和靜態(tài)楊氏模量升高，而泊松比降低，推斷此段巖體均質(zhì)較完整，裂隙不發(fā)育；

(3)K6+844m～K6+870m段縱波速度、泊松比、VP/VS、密度和靜態(tài)楊氏模量均有較顯著變化，推測此段為軟質(zhì)巖層與硬質(zhì)巖層相間分布，裂隙發(fā)育，其中在硬質(zhì)巖層中沿裂隙面存在溶蝕現(xiàn)象，巖體局部較破碎至破碎；

(4)K6+870m～K6+904m段密度和靜態(tài)楊氏模量降低，泊松比升高，推測此段為均質(zhì)軟巖層，巖體完整性差；

(5)K6+904m～K6+940m段密度和靜態(tài)楊氏模量相對(duì)升高，推測此段巖體均質(zhì)較完整，裂隙不發(fā)育。具體解釋成果見表2。

表2 引水隧洞K6+797m～K6+940m段TSP

3.4 施工對(duì)策

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，針對(duì)不同的圍巖情況，分別制定了相應(yīng)的施工措施。

(1)K6+797m～K6+820m段：采用上、下臺(tái)階法開挖，單循環(huán)進(jìn)尺1m，支護(hù)加強(qiáng)、跟進(jìn)；

(2)K6+820m～K6+844m段：全斷面開挖，單循環(huán)進(jìn)尺1.5m～2m，支護(hù)跟進(jìn)；

(3)K6+844m～K6+904m段：采用上、下臺(tái)階法開挖，單循環(huán)進(jìn)尺1m～1.5m，支護(hù)加強(qiáng)、跟進(jìn)；

(4)K6+904m～K6+940m段：全斷面開挖，單循環(huán)進(jìn)尺1.5m～2m，支護(hù)跟進(jìn)。

從施工過程中實(shí)際揭露的圍巖情況看，與預(yù)測成果基本吻合，施工指導(dǎo)性較強(qiáng)，事先制定的施工措施切實(shí)可行，保證了施工安全和進(jìn)度。

4 結(jié)語

(1)TSP系統(tǒng)是目前國內(nèi)最先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，其超前預(yù)報(bào)距離長，在150m范圍內(nèi)準(zhǔn)確度較高，操作方便快捷，實(shí)用性強(qiáng)。

(2)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)于2009年5月在立洲電站引水隧洞試用取得成功后，隨即在立洲電站廣泛使用。到目前為止，立洲施工支洞完成全部5371m開挖，主洞完成11600余米開挖，開挖過程中，多次采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，均取得了較好的效果，有效地避免部分洞室塌方，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工進(jìn)度。目前，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在木里河流域的卡基娃、俄公堡電站均廣泛使用，為施工起到了很好的指導(dǎo)作用。