综合超前地质预报在玉瓦水电站引水隧洞施工中的应用

胡 帅，谢剑明

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

综合超前地质预报在玉瓦水电站引水隧洞施工中的应用

胡 帅，谢剑明

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

本文通过玉瓦水电站引水隧洞施工实践，探索了隧洞综合超前地质预报方法，制定了综合超前地质预报流程。综合超前地质预报工作在玉瓦水电站引水隧洞施工中的应用，为施工进度安排、施工资源调配提供了可靠的地质资料，同时有效保障了施工安全，取得了较好的应用效果。TRT测试的地震波纵波波速成果与声波测试波速相关性值得进一步研究，对比实际开挖后揭示的围岩条件，可为超前地质预报围岩类别划分提供参考。

引水隧洞；超前地质预报；TRT；地质雷达

0 前 言

在水电隧洞（尤其是长引水隧洞）施工过程中，由于前期地勘精度、手段、经费等诸多条件的限制，不可能完全查清隧洞的地质条件，因此经常会因遇到断层、破碎带、富水带等不良地质体而导致隧洞塌方、涌水、突泥等现象发生。这些事件的发生，往往会影响施工进度，造成严重的经济损失，甚至造成人员伤亡。在实际的隧洞工程实施过程中，需要对前方围岩条件和不良地质体进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护方案，合理调配施工资源，确保施工进度，避免施工事故发生。

本文以玉瓦水电站引水隧洞控制段4号施工支洞下游（后简称4号下）至5号施工支洞上游（后简称5号上）段超前地质预报为例，介绍综合超前地质预报方法在玉瓦水电站工程中的应用。

1 超前地质预报方法

1.1 工程区基本地质条件

玉瓦水电站隧洞区地层为一套区域浅变质的地槽型沉积建造，岩浆活动微弱。出露基岩为二叠系滨、浅海相沉积的薄层砂质灰岩夹中厚层砂质灰岩、板岩。区内岩溶不发育，隧洞埋深一般为300～400 m。

隧洞轴线与岩层走向一般小角度相交，岩层陡倾，洞室内主要变形破坏现象为边墙岩体的卸荷松弛及弯折破坏。局部洞段受小构造的影响，岩体较破碎，加之地下水作用，围岩极不稳定，对施工进度有较大的影响。特别是顺层破碎带，由于洞轴线与岩层夹角小，将影响较长的洞段，对施工极为不利。

1.2 各预报方法的特点

目前地质超前预报工作使用的手段包括地质、物探、勘探方法。受各种条件的限制，不同的地质超前预报方法有各自的优点，也存在各自的缺点［1-4］。

地表地质调查和地质分析法是通过地表和隧洞内的工程地质调查与分析，了解隧洞所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。其调查的内容包括地层与岩性的产出特征、断裂构造与节理的发育规律，岩溶带发育的部位、走向、形态等，预测隧洞掌子面前方的不良地质现象可能的类型、部位、规模，以便隧洞施工中采取合理的工艺与措施，避免事故。在隧洞埋深较浅、构造不太复杂的情况下，这种预报方法有很高的准确性。但是在构造比较复杂地区和深埋隧洞的情况下，该方法工作难度较大，准确性难于保证。

物探方法主要包括弹性波反射法、电磁波反射法等。弹性波反射法是利用人工激发的地震波、声波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方地质情况的一种物探方法，它包括地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法等方法。电磁波反射法是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走势进行超前地质预报的一种物探方法，主要是地质雷达法。在实际工作中，地震波法和地质雷达法的应用相对普遍和成熟。

超前水平钻孔法直接揭示隧洞掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石（体）的可钻性、岩体完整程度指标等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的地质超前预报方法，但费用高且占用施工时间长。超前平行导洞法具有超前水平钻孔法的优点，但投资大、且两隧洞间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，适用于设计间距较小、地层受构造变动小的平行隧洞工程。

各种预测方法的适用性及优缺点见表1。

表1 隧洞施工超前地质预报主要技术方法对比

1.3 预报方法选择

为了合理安排施工进度，调配施工资源，需对区内地质条件进行宏观预测，并对掌子面前方一定范围内围岩条件及不良地质现象进行较准确的预报。

由表1可见，各种地质超前预报方法都有一定的局限性，本工程探索了隧洞综合超前地质预报方法，制定了综合超前地质预报流程（见图1）。在区域地质、前期地勘成果及已开挖揭示地质条件统计分析基础上，拟定补充地表调查线路，确定重点调查内容，进行补充地表调查，对前期地质资料进行复核，得出引水隧洞宏观地质预测结论；在此基础上，结合掌子面地质编录，采用TRT测试进行隧洞中长距离地质预测预报；采用地质雷达进行隧洞短距离地质预测预报。

图1 综合地质预报方法流程示意

2 地表补充地质调查及地质分析

2.1 开挖段揭示地质条件统计分析

对各施工支洞及引水隧洞已开挖段地质条件进行统计分析如下：

（1）引水隧洞部位岩性以砂质灰岩夹板岩为主，层厚变化较大，其中4号施工支洞及4号下以薄层状为主，而5号施工支洞及5号上以中厚层为主；

（2）引水隧洞部位地层产状稳定，以NW～NWW向为主，陡倾，洞轴线小角度相交；

（3）总体上构造不发育，以小规模挤压带、揉皱为主，对围岩类别及稳定性不构成控制影响，但随机分布的较大规模断层则影响或控制着隧洞围岩类别及洞室稳定性（如4号下）；

（4）一般以渗滴水为主，局部线状水，较大规模构造发育部位可能出现股状水、涌水；

（5）地层层厚是决定围岩类别的基本因素，而地下水、一定规模随机分布的断层则进一步恶化围岩稳定性，对施工影响较大。

2.2 利用卫星图片规划调查线路

根据引水隧洞及施工支洞开挖揭示，围岩稳定性主要受岩性、层厚、地下水、构造等影响。地表调查的重点为是否存在软弱岩带、较大规模构造等。

利用卫星图片资料，发现附近几个山梁上的负地形相互对应，相连后与地层界线大致平行，推断可能有软弱岩带分布（见图2，推测软弱岩带）；根据黑河河流形态与4号施工支洞与4号下主洞Ⅳ、Ⅴ类围岩出露位置，推测可能存在一条与地层大角度相交的断层（见图2，推测断层）。

图2 利用卫星图片规划调查线路

本次现场调查的主要内容确定为：

（1）对推测的软弱岩带、断层进行现场调查、复核，核实是否存在该推测软弱岩带与断层；

（2）对4号、5号支洞之间剩余洞段的地层岩性、层厚、构造等进行调查、复核；

（3）对其他影响围岩稳定的因素进行调查、复核。

根据以上调查内容以及本次地质复核目的，结合工程开挖进度、现场地形条件综合确定了现场调查线路。

2.3 地表调查及地质分析结论

对头道沟、下游冲沟以及两沟之间山梁的现场调查，发现地层产状稳定（局部受浅表生改造及小构造影响有所变化），推测断层、软弱岩带位置未见明显的层位、产状及岩性差异，因此判断4号～5号之间洞段并无推测的断层和软弱岩带分布。

根据地表调查，4号～5号支洞之间岩体产状稳定，整体以NWW向为主，陡倾，局部受构造及浅表生改造影响小，范围内产状有所变化，判断对围岩稳定性影响不大。

根据地层走向与隧洞轴线关系，通过调查头道沟内洞轴线两侧约300 m范围内地层的层厚、岩性，即可推测出未开挖洞段的地层岩性、层厚特征（其中轴线往沟里对应着5号上洞段，轴线往沟外则对应着4号下洞段）。现场调查发现，头道沟至4号下掌子面洞段，围岩岩性以薄层砂质灰岩、薄层夹中厚层砂质灰岩为主，而头道沟至5号上掌子面围岩岩性则以中厚层夹薄层砂岩为主。这与4号下、5号上主洞的开挖情况相吻合。

调查区域内未见大的断裂、褶皱分布，偶见小规模的断层或错动带、揉皱等，影响局部岩体的产状及完整性，但影响范围有限。

头道沟内可见常年流水，并结合沟内洞轴线附近前期钻孔资料，判断头道沟段主洞地下水应较为丰富。

预测未开挖段以Ⅲ类围岩为主，过沟段及小规模构造影响段以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。

3 TRT系统中长距离预报

3.1 TRT技术简介

TRT（Tunnel Reflection Tomography）是隧道地震波反射体追踪技术的简称。目前该技术在国内外隧洞超前地质预报中取得较好的效果，能对掌子面前方100～150 m段不良地质体（断层带、破碎带、富水带）进行有效预测，并可结合地震波波速进行围岩分级评估。

TRT探测系统是以每个激震震源和地震信号接受传感器组的位置为焦点，与所有可能产生反射波信号的不良地质反射体分别确定一个椭球体（见图3）。足够多数量的激震震源和地震信号接受传感器组位置的坐标会形成一个三维数组，每个反射界面的地层位置可以由这些椭球的交汇区域所确定。事实上，反射边界上每一点离散图像的计算包括由所有激震震源和接收传感器组所对应的三维岩体空间中选定的区块。TRT采取用层析扫描成像技术，形成立体、直观的三维图，立体图中反射边界每一点离散图像是由空间叠加所有地震波形计算得来的，每个波按比例从震源经过三维岩体空间的区块到达地震信号传感器。

图3 用地震波反射获得地层地质状况三维图原理

3.2 TRT检测成果

对4号施工支洞下游掌子面进行了TRT测试，得到掌子面前方100 m范围的地震波反射三维图像（见图4），并生成掌子面前方60 m范围地震波纵波波速图（见图5）。

图4 三维成像-立体图

从三维图像看，掌子面前方20 m范围内地震波反射不明显，开挖面内未见低阻异常，岩体情况与掌子面类似；掌子面前方20～70 m段地震波反射明显，推测该段内岩体均一性变差，岩体节理裂隙发育，稳定性变差；掌子面前方70～90 m段地震波反射无异常，推测该段岩体均一性变好；掌子面前方90～100 m段存在一明显低阻异常，推测存在一破碎带或软弱带。

从地震波纵波速度图看，掌子面前方60 m范围内地震波速度在2 200～2 609 m／s之间变化，平均速度约为2 350 m／s。其中，掌子面前方15 m范围内平均波速值2 280 m／s，较低；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。

图5 地震波速度

3.3 成果分析

（1）测试成果与开挖揭示对比。掌子面开挖揭示，岩性为薄层砂质灰岩夹板岩，褶曲强烈，岩体较破碎，右侧边墙见股状出水，围岩极不稳定，为Ⅴ类围岩。掌子面前方15 m后开挖揭示，岩体结构较前段稍好，地下水以线状流水为主，围岩稳定性较TRT测试掌子面稍好。

开挖揭示情况与预测成果基本吻合。

（2）与6号施工支洞上游测试成果对比。对比6号施工支洞上游掌子面TRT测试成果，地震波平均波速2 600 m／s，较4号支洞下游高250 m／s。岩性与4号下游掌子面相同，均为薄层砂质灰岩，岩层的单层厚度略大，岩层走向与隧洞轴线夹角相当（15°～20°），陡倾。该段洞室按水电系统围岩分类评分标准，评分40分，为Ⅳ类围岩。

对比不同段测试成果，地震波波速与岩体质量有明显相关性。

（3）地震波波速与声波波速对比。岩体弹性波是岩体物理力学性质、岩体结构、几何形状等的综合体现，与岩体质量有良好的对应关系。弹性波法测试主要包括地震波法和声波法。声波法具有波长小、测试精度高的特点，目前已广泛用于岩体质量的测试。地震波法较声波法弹性波的行程长，更能综合反映岩体质量。由于观测方式（频率）、尺度等的不同，地震波和声波速度之间不宜直接进行比较，但其规律可以相互印证。据锦屏辅助洞测试成果统计，地震波平均速度比声波低500 m／s左右［5］，约10%。

综合掌子面地质条件和TRT测试成果，掌子面前方100 m范围内，围岩类别仍以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。

4 地质雷达短距离预报

4.1 地质雷达简介

地质雷达法是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体的，它通过发射天线向掌子面前方发射高频带短脉冲电磁波，经过存在电性差异的地层或目标体（如断层、破碎带、岩性变化带及富水带等）反射后返回掌子面，被接收天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波能量强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此，根据反射波的旅行时间、幅度与波形等信息，可探测掌子面前方的地层界面或地质异常体的结构特征及空间位置。地质雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，差异越大，则探测效果越好，一般预报距离10～30 m，为短距离预报方法。

4.2 短距离预报

在地质宏观预测和TRT中、长距离预报的基础上，当掌子面开挖接近TRT测试反射异常段时，采用地质雷达进行短距离地质预报。

玉瓦水电站引水隧洞开挖宽度4.2～5 m，掌子面狭窄，扣除天线长度，测线长度不到4 m，加之掌子面岩体爆破松弛、起伏不平，对地质雷达测试效果有影响。实际测试成果虽对断层破碎带、涌水等不良地质现象有所反映，但总体效果不佳。

5 结 语

单一的超前地质预报手段，各有其局限性，难以提供可靠且经济有效的超前预报成果。在地表地质调查和地质分析的基础上，选用合适的物探方法，进行综合超前地质预报值得研究探索。

综合超前地质预报工作在玉瓦水电站引水隧洞施工中应用，为施工进度安排、施工资源调配提供了可靠的地质资料，同时有效保障了施工安全，取得了较好的应用效果。

TRT测试的地震波纵波波速成果与声波测试波速相关性值得进一步研究，对比实际开挖后揭示的围岩条件，为以后超前地质预报围岩类别划分提供参考。

［1]赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介［J］.地球物理学进展，2007，22（4）：1344-1352.

［2]宋先海，等.我国隧道地质超前预报技术述评［J］.地球物理学进展，2006，21（2）：605-613.

［3]李术才，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（6）：1090-1113.

［4]陶忠平，等.TRT6000隧道超前地质预报系统在牛栏江-滇池补水工程中的应用［J］.资源环境与工程，2010，24（5）：522-526.

［5]童建刚，程武伟.锦屏辅助洞岩体地震波与声波对比检测［J］.中国水运，2010，10（10）：210-214.

简讯

我院荣获2015年全国实施卓越绩效模式先进企业奖

日前，中国质量协会以中国质协字〔2015〕90号发文“关于表彰2015年全国实施卓越绩效模式先进企业的决定”，对全国实施卓越绩效模式先进企业予以表彰。我院获此殊荣。

2015年，全国广大企业通过学习和实践卓越绩效模式，发挥优势，锐意进取，经过不懈努力，发展成果显著，涌现出一批先进企业。为了进一步推动卓越绩效模式的实施，树立卓越绩效典范，引领广大企业学习先进的经验和方法，中国质量协会在各地区、各行业质协推荐的基础上，经审核确认，对全国实施卓越绩效模式先进企业进行表彰，并对连续三年获得表彰的先进企业授予“全国实施卓越绩效模式先进企业特别奖”。

据了解，此次共有148家企业获“2015年度全国实施卓越绩效模式先进企业”，18家企业获“全国实施卓越绩效模式先进企业特别奖”。

（本刊编辑部）

TV221.2

B

1003-9805（2015）04-0104-05

2015-06-29

胡帅（1978-），男，湖北黄梅人，高级工程师，从事水利水电地质工程、岩土工程设计工作。