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)
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(jí)階地的地面廠房發(fā)電。由進(jìn)水口至調(diào)壓井的引水線路長(zhǎng)約11.06 km。
該引水線路處于高山峽谷區(qū),地形高差懸殊,為500~1 500 m。兩岸河谷多呈不對(duì)稱的“U”和“V”型谷,植被較發(fā)育。引水隧洞沿線溝谷深切,支溝較發(fā)育,從上至下規(guī)模較大的沖溝為洼開溝、撒洼溝,溝內(nèi)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(nèi),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(dá)590 m,水平埋深一般為320~850 m。隧洞區(qū)地層巖性復(fù)雜,主要由濱海與河湖相組合、交互的地質(zhì)環(huán)境中沉積的由復(fù)雜巖層組合而成的區(qū)域性淺變質(zhì)巖。隧洞施工前,對(duì)于采用何種設(shè)備、何種方法了解未開挖洞段的巖性、富水等情況并據(jù)此制定相應(yīng)的措施以確保施工安全及施工進(jìn)度是隧洞施工中的重點(diǎn)問題。闡述了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在不良地質(zhì)條件引水隧洞開挖中的應(yīng)用過程。
鑒于固增水電站引水隧洞地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及其橫跨4個(gè)山體沖溝、水源豐富等特性,在引水隧洞開挖及支護(hù)階段出現(xiàn)坍塌與涌水的情況十分突出。為保證隧洞開挖支護(hù)階段的安全施工及施工進(jìn)度,項(xiàng)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(zhì)預(yù)報(bào)[1]工作,旨在為引水隧洞開挖支護(hù)的安全提供保障。
結(jié)合目前國內(nèi)地質(zhì)預(yù)報(bào)開展的情況,固增水電站先后引進(jìn)了TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及固定超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)[2]對(duì)引水隧洞的地質(zhì)情況進(jìn)行了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。由于TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定性,在工程應(yīng)用過程中,不能很好地對(duì)部分地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),固增水電站在TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用了一個(gè)周期后即由TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)及TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)予以代替。以下對(duì)工程中使用頻次較高的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比分析,地質(zhì)超前預(yù)報(bào)設(shè)備性能對(duì)比情況見表1。
表1 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)設(shè)備性能對(duì)比表
從表1中所列出的對(duì)設(shè)備的分析情況可以看出三種設(shè)備具有其相對(duì)的測(cè)試優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)。TRT、TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的測(cè)試原理基本一致,均為地震波類的測(cè)試系統(tǒng)。TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)增加了較多的不同地質(zhì)類型專業(yè)分析模塊,對(duì)于分析較為突出的地質(zhì)巖層其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率得到了極大程度的提高;TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[3]系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的激發(fā)與采集在操作方面進(jìn)行了簡(jiǎn)化,不再需要進(jìn)行鉆孔安裝激發(fā)與接收裝置,數(shù)據(jù)分析時(shí)可以采用綜合分析的方式對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào);地質(zhì)雷達(dá)SIR3000的測(cè)試原理與以上兩種測(cè)試原理不同,該地質(zhì)雷達(dá)采用電磁波的測(cè)試發(fā)放以達(dá)到對(duì)地質(zhì)情況的預(yù)報(bào)目的,其信號(hào)的激發(fā)與回收均通過專門的一體設(shè)備完成,不再需要打孔。但地質(zhì)雷達(dá)的最大測(cè)試距離不超過50 m,有效測(cè)試距離為20~40 m。相比地震波類的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的測(cè)試距離(150 m)而言其測(cè)試距離較短,需要在施工過程中進(jìn)行短周期的測(cè)試循環(huán)工作,因而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有一定程度的影響。但其測(cè)試精度相對(duì)來說較高,可以基本、準(zhǔn)確地確定地質(zhì)條件發(fā)生突變的位置。
在固增水電站引水隧洞及施工支洞開挖階段,各控制段對(duì)掌子面前方因?qū)Φ刭|(zhì)情況判斷不明導(dǎo)致出現(xiàn)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(jìn)度緩慢的事實(shí)。為解決這一問題,項(xiàng)目部決定對(duì)全洞段進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作,地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作采取多種檢測(cè)手段相配合的方式進(jìn)行,主要采取以TRT、TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)為主;對(duì)于存在疑問的檢測(cè)數(shù)據(jù)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)、實(shí)施地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。檢測(cè)前,先對(duì)掌子面進(jìn)行布孔,地質(zhì)預(yù)報(bào)的布孔方式見圖1。通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果,采用動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工方案的方式確保了施工安全及施工進(jìn)度。
圖1 地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔方式圖
對(duì)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的洞段采取以上三種檢測(cè)手段進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。通過對(duì)三種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,確保了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。引水隧洞中兩段樁號(hào)內(nèi)的三種設(shè)備測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析情況如下(T1+419~T1+539、T7+715~T7+818)。
(1)TGS-360Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。
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(duì)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(fā)育節(jié)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??v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(qiáng)度降低,發(fā)育節(jié)理裂隙,存在軟弱夾層且有可能伴隨滴水情況??v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(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。
T1+419~T1+539:此段地震波反射強(qiáng),地震波速度較前段呈減小趨勢(shì)。相對(duì)于掌子面的變化較小,局部有增高趨勢(shì),由此推測(cè):此樁號(hào)段巖體中結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,巖體較破碎,局部可能有地下水活動(dòng);開挖時(shí)應(yīng)注意掌子面坍塌或掉塊,局部應(yīng)加強(qiáng)排水??v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(duì)較弱,僅局部零星分布一些反射,巖體結(jié)構(gòu)面集中發(fā)育,巖體破碎,部分洞段有地下水活動(dòng)??v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(zhì)雷達(dá)SIR3000。
T1+419~T1+539:根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)得到的反射波圖像,結(jié)合隧道工程地質(zhì)勘察結(jié)果和掌子面圍巖特征,分析出掌子面前方30 m范圍的地質(zhì)情況:該區(qū)段同相軸不連續(xù),振幅相對(duì)較弱,圍巖情況與當(dāng)前掌子面情況基本一致;局部能量反射較強(qiáng),局部發(fā)育裂隙或軟弱層,可能含裂隙水。開挖過程中應(yīng)注意排水,防止頂部掉塊。
T7+715~T7+818:根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)得到的反射波圖像,結(jié)合隧道工程地質(zhì)勘察結(jié)果和掌子面圍巖特征,該區(qū)段電波信號(hào)同相軸不連續(xù),能量反射較強(qiáng),推測(cè)為圍巖破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,開挖時(shí)應(yīng)注意掌子面坍塌或掉塊并加強(qiáng)排水。
(1)采用TGS-360Pro[4]和TRT兩種設(shè)備對(duì)同一洞段前方的圍巖情況進(jìn)行檢測(cè),所獲得的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)類型基本一致。
(2)地質(zhì)雷達(dá)采用的電磁波對(duì)于含水圍巖的敏感性較強(qiáng)。因此,可以結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)含水洞段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)以達(dá)到驗(yàn)證圍巖含水情況的目的。
(3)對(duì)于圍巖較為復(fù)雜的施工洞段,仍然采用TGS-360Pro、TRT、地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆探孔相組合[5]的檢測(cè)手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
自開展引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作以來,通過實(shí)施多種手段的地質(zhì)超前預(yù)報(bào),成功地避免了因不良地質(zhì)條件給工程造成的質(zhì)量安全隱患,避免了不必要的人員及設(shè)備損失,保證了工程的施工進(jìn)度。
(1)成功預(yù)報(bào)了2號(hào)支洞控制段與3號(hào)支洞控制段出現(xiàn)的因山體滲水引發(fā)的涌水情況。避免了因涌水造成的坍塌情況,通過及時(shí)采取增加排水的方式釋放水壓力,避免了不必要的設(shè)備及人員損失。
(2)成功預(yù)報(bào)了4號(hào)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(cè)手段在鉆孔過程中釋放了內(nèi)壓氣體,避免了安全事故的發(fā)生。
(3)全斷面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作開展以來,嚴(yán)格按照地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的操作要求,科學(xué)地開展了數(shù)據(jù)分析工作,所預(yù)報(bào)的地質(zhì)情況與實(shí)際揭露的結(jié)果吻合度達(dá)到80%。
固增水電站的業(yè)主、監(jiān)理與總承包單位在不良地質(zhì)條件引水隧洞開挖支護(hù)施工過程中,本著以人為本、尊重技術(shù)、追求質(zhì)量安全的理念,有效開展了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作,針對(duì)不同的地質(zhì)情況選用與其相匹配的檢測(cè)設(shè)備:在地質(zhì)情況復(fù)雜且特定的地質(zhì)情況突出的隧洞開挖過程中采取TGS—360Pro或TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)開展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作,并采用地質(zhì)雷達(dá)或布設(shè)超前鉆探孔的方式進(jìn)行輔助檢測(cè)預(yù)報(bào)。
對(duì)固增水電站引水隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)進(jìn)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(shù)具有較高的推廣價(jià)值。