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综合地质超前预报方法在超深埋长隧洞中的应用

日期：2016-9-12 9:22:16　来源：转载　浏览数：
　

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    0 引言
    在我国的西部地区建设的国家大型工程中，采用常规的工程地质勘察方法（地面测绘、钻探、洞探等）对深埋一超深埋隧洞的工程地质和水文地质条件难以查明；为在隧洞施工过程中能够提供及时准确的工程地质资料，预防前方开挖洞段出现地质灾害，必须进行工程地质超前预报研究。
    如何采用技术可行、安全可靠的超前地质预报技术，进一步预测与修正前期地质勘察资料，降低隧道施工安全风险，是施工中需要解决的技术问题。通过五年的工程实践，在锦屏辅助洞超埋深长隧洞施工中总结摸索了“长短结合、点面结合、定性分析与定量实测相结合”的超前地质预报技术，对断层破碎带、富水带进行了成功的预测预报。经施工验证，取得了良好的效果，为锦屏二级4条长引水隧洞施工积累了经验，且可为同类工程提供技术资料和经验借鉴。
    1· 锦屏辅助洞工程及地质概况
    锦屏水电枢纽工程位于四川省冕宁、盐源、木里县境内，由一级、二级两个梯级水电站组成。锦屏辅助洞由两条相互平行、中心距为35m、断面尺寸分别为5.5 m×5.7 m（宽×高）和6.0 m×6.25 m的单车道隧道组成，纵断面呈“人”字坡，Ａ线辅助洞全长 17482.700 m，Ｂ线辅助洞全长17504.300 m，一般埋深为1500~2000 m，最大埋深达2375 m。两条隧洞均采用钻爆法从东、西两端分别掘进。
    辅助洞沿线出露的地层为前泥盆系~侏罗系的一套浅海-滨海相、海陆交替相地层。区内三迭系广布，分布面积约占90%以上，其中碳酸盐岩出露面积占70%~80%，其中岩石抗压强度强度Rb＞60 MPa的硬脆性大理岩占70%以上。围岩以Ⅲ、Ⅱ类为主，具有较好的成洞条件。隧洞沿线穿越落水洞背斜、解放沟复型向斜、老庄子复型背斜、大水沟复型背斜及规模相对较大的F5、F6(锦屏山断层)、F27结构面。工程区岩溶发育总体微弱，洞线高程的深部岩溶形态为溶蚀裂隙和岩溶管道，不存在地下暗河及厅堂式大型岩溶形态，但锦屏山两侧岸坡地带局部岩溶相对发育；揭露的地下水有裂隙性岩体中的渗滴水、线状流水，透水性断层带或溶蚀裂隙中的集中涌水等，其中流量大于1 m3/s的涌水点达6个，突涌水风险大。此外，隧洞沿线大部分属高地应力区，其最大主应力高达70 MPa以上，因此岩爆问题较突出。
    2· 隧洞综合地质超前预报技术
    2.1 宏观地质预报
    利用1/2.5万的地面测绘、辅助洞开挖资料和其它基础资料（现场岩体试验和室内岩石试验、地应力测试、围岩变形测试、高压灌浆试验等）对隧洞的地层界线、大型断层、围岩类别、涌水以及其它特殊工程地质问题进行预测。
    2.2 长、短距离预报-仪器法
    （1）TSP法
    TSP（tunnel seismic prediction）技术由AMT公司研制，是一种用于超前预报隧道前方地质变化的地下反射技术。TSP地质超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞前方及周围临近区域地质状况。岩体强度（波阻抗）发生变化时，如遇到断层、地下水或岩层变化时，信号的一部分被反射回来。根据信号返回的时间和方向，通过专用数据软件处理就可以得到反射界面的位置及方位。
    （2）地质雷达法
    地质雷达（ground penetrating radar，GPR）方法是一种用于探测地下（或周围）介质分布的广谱(1 MHz~1 GHz)电磁技术。仪器设备采用拉托维亚 Zond-12e 地面雷达和瑞典 MALA 公司的RAMAC/GPR地面雷达。
    地面雷达是地质雷达的一种，地面雷达用1个天线发射高频电磁波，另1个天线接收来自测线前方介质界面的反射波。通过对接收到的反射波来分析，确定存在的异常界面，结合隧洞的地质描述、TSP探测及工程区域地质资料进行综合分析，判断掌子面前方的地质状况，推测不良地质体性状及位置，分析地下水赋存情况等地质情况。
    （3）陆地声纳法
    陆地声纳法全称应为“陆上极小偏移距高频宽带超短余震接收弹性波反射连续剖面法”，在地面上采用锤击震源可探测和穿透100~120 m深的岩层。采集宽带的反射信息，这样可以采用分窗口带通滤波方法提取不同频段信号，以便于反映不同的对象，增加本方法的探查能力；这种方法在陆上作勘探已得到好的效果，用12磅锤作锤击震源对在隧道掌子面上向前方探查断层及岩溶可达100 m左右。
    （4）德国BEAM法
    BORE- TUNNELING ELECTRICAL AHEADMONITORING（简称BEAM）隧洞钻孔电法预报方法是德国GEOHYDRAULIK DATA 公司研发的一种新型隧道超前预报方法，原设计主要为TBM施工提供指导。BEAM法的基本原理属电磁学理论范畴，即应用电流的频域诱导极化特征来探测掌子面前方存在的异常。
    2.3 超前勘探法
    超前勘探法是在宏观地质预报和仪器预报廖卓.综合地质超前预报方法在超深埋长隧洞中的应用成果的基础上，根据隧洞掌子面开挖揭露的地质条件，针对隧洞前方可能存在的各种地质灾害，采用地质超前勘探的方法直接探明。超前勘探的方法包括导洞、地质钻孔、风钻孔等，同时还在孔内进行压水、声波测试、潜望等进一步探明。采用这种方法进行工程地质法进行预报，既直观，精度又高，在施工中能起到重要作用。
    3· 综合地质超前预报方法在锦屏辅助洞的应用
    3.1 综合地质超前预报流程
    我国西部地区的深埋长隧洞地质情况一般均较复杂，根据目前国内外的地质预报研究现状和成功的经验，结合长探洞内地质预报实践，锦屏辅助洞在前期成功经验的基础上，根据隧洞自身的特点，采用多种预报方法相结合的综合预报方体系（基本流程见图1），即以工程地质法（包括图析法及地质素描法等）进行超前宏观预报，然后结合超前钻探、超前导洞、仪器法等预报手段进行综合判断。首先采用工程地质法对隧洞地质问题进行战略性（宏观）预报，以图文方式及表格形式来宏观判断可能发生地质灾害及其程度；然后根据掌子面所揭露的地层岩性、岩体结构面的发育程度、岩体的完整性、是否有渗流水存在等，综合判断前方可能会出现涌突水、岩爆、高地温等灾害情况，以确定采用仪器探测和超前钻孔的布置形式，便于相互验证，准确预报，从而建立一套适合本工程的地质预测预报系统，提高预报的准确度，预报以表格形式送交业主、施工承包商、现场设代、工程监理等相关部门，为决策提供依据，以及时采取相应的防治手段，避免或减少重大地质灾害所带来的损失和负面影响。

    3.2 辅助洞应用效果评价
    深埋长隧洞的超前地质预报，特别是岩溶地下水的预报，是一项复杂的技术，锦屏辅助洞在施工过程中始终坚持综合分析预报的方法，作为引水隧洞的勘探洞，前期尝试采用多种仪器和方法，不断积累和总结经验，最终选择了一套适合自身的综合地质超前预报体系。
    首先是宏观地质预报，全洞共预报一次，预报内容主要有地层岩性、地质构造、地下水、围岩类别等，其中地下水预测的单洞雨季时的总稳定涌水量为7.29 m3/s，最大涌水量5~6 m3/s、不同涌水点个数、及涌水对周边环境的影响等，与辅助洞实际开挖揭露的地质条件相差不大，基本在预测范围之内，其中地层界线误差在50 m以内。
    TSP技术是在宏观地质预报的基础上进行的，预测掌子面前方存在的岩层界线、断层、特殊软岩、溶洞和富水带等不良地质体。主要是查明上述不良地质体的位置和规模，概略地判断不良地质体的围岩级别和岩爆发生等级，用于指导短距离预报。一次预报洞段长150 m，每100 m预报一次，重复段50 m。24 h内出预报成果。例如：在辅助洞 B 洞一期预报中预报桩号 BK4 +460~BK4＋491岩体裂隙发育、较破碎，桩号K4+486—K4+489介质吸收系数强，反射信号较弱，岩体可能含软弱夹层, 推测为为岩性接触带，含水的可能性较大。开挖结果：桩号BK4+464~BK4+473穿越了区域性断带F5断层带，其真宽度3.5~5 m，而桩号BK4+480~BK4+486穿越了岩性接触带。从锦屏辅助洞内完成的27期预报成果来看，对大的出水构造及主要结构面均能较准确的预报，其准确率~基本准确率可达到80%，但往往具体位置有误，对突涌水的水量、水压未能准确地预报。从长距离预报成果分析，其各异常带的预报对短距离预报和施工起到了一定效果和作用。根据TSP预报结果，结合现有的工程地质资料，对于异常洞段布置包括地面雷达法、陆地生纳法、德国BEAM法进行短距离预报，对TSP预报结果进一步验证。其中地面雷达共预报1011次，对主要有岩性及主要含水构造的准确和基本准确的约占77.8%。预报中与洞向（N58°W）夹角小或近平行的结构面往往易漏报，尤其是由于测线布置的局限性，出露在洞顶的结构面多数无法准确预报。德国BEAM法共预报11次，预报基本准确率仅54.5%，主要围岩完整程度的预报，对小的裂隙水预报困难，且钻爆法现场较差的施工环境对测试有一定的影响。而陆地声纳法对构造的反映基本准确，但对岩溶地下水方面的预报的准确率差，不能作为主要的预报仪器。
    最后根据各种长、短距离仪器预报成果中存在的异常体，进行超前钻探，以探明前方围岩完整程度，及其含水性状，并加埋孔口封闭器，同时利用前期的长探洞或超前隧洞（掌子在前方的隧洞）已揭露的地质条件，为后期施工起到了较好的指导作用。
    通过在锦屏辅助洞的超前地质预报实践表明，预报方案是可行的，选用的地质预报方法体系可以适应锦屏隧洞区的地质条件。对仪器探测到的结构面，必须经过地质的综合分析才能作出较正确的判断。在探测过程中发现，有些构造雷达图像反映明显，有些却没有反映，需要进一步探索。