引大濟(jì)湟工程隧道三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

李海寧,段君奇

(1.青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)運(yùn)行局，西寧 810000；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著公路、鐵路、水利水電工程及抽水蓄能電站建設(shè)步伐的加快，地下洞室工程地質(zhì)問(wèn)題顯得尤為突出，如區(qū)域構(gòu)造帶、活斷層、高地震烈度、高地應(yīng)力、巖溶發(fā)育，以及大跨度地下洞室開(kāi)挖圍巖變形、涌水、突泥、巖爆、巖溶塌陷、有害氣體危害等地質(zhì)問(wèn)題突出[1-5]。公路行業(yè)有過(guò)一些地方地質(zhì)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，如湖北省、云南省紛紛制定了公路隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)程等。2019中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布了DB35/T 1866-2019《公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》，使得公路行業(yè)地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)一步規(guī)范化。2015年鐵路行業(yè)也發(fā)布了統(tǒng)一規(guī)范Q/CR 9217-2015《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》。2019年中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布了T/CECS 616-2019《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)范》[6-7]，使得水電行業(yè)有了統(tǒng)一的地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)范。近些年抽水蓄能電站項(xiàng)目要求對(duì)開(kāi)挖隧洞進(jìn)行“全斷面、不間斷、全覆蓋”的地質(zhì)預(yù)報(bào)。各行各業(yè)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作重視程度明顯增加，要求更加規(guī)范化，但水利行業(yè)目前還沒(méi)有相應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)范[8-10]。

引大濟(jì)湟工程是一項(xiàng)大型綜合水利工程，主要任務(wù)是解決湟水干流地區(qū)城鎮(zhèn)生活、生態(tài)、工業(yè)、農(nóng)林牧業(yè)用水問(wèn)題[11]。該工程引水隧洞建筑物等級(jí)為2級(jí)，洞徑 5.6～6.1 m，洞線全長(zhǎng)24.3 km，最大埋深約1 100 m。引水隧洞工程線路長(zhǎng)、埋深大、地下水位高，且沿途穿越多條大斷層。

引大濟(jì)湟工程引水隧洞穿越的地層巖性多變，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要工程地質(zhì)問(wèn)題有:① 區(qū)域大斷裂段的穩(wěn)定問(wèn)題；② 淺埋松散覆蓋層內(nèi)黏土、壤土、濕陷性黃土洞室的穩(wěn)定問(wèn)題[12]；③ 深埋隧洞高水壓、富水地段涌水、突泥問(wèn)題，煤氣、瓦斯地層有害氣體及瓦斯爆炸問(wèn)題；④ 高地應(yīng)力硬巖巖爆及軟巖塑性變形等問(wèn)題[13]，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖1。

圖1 部分隧洞洞段不良地質(zhì)現(xiàn)象照片

在此背景下，青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)運(yùn)行局在青海引大濟(jì)湟項(xiàng)目，進(jìn)行了1 a的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究，對(duì)TGS360 Pro隧道三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)原理、預(yù)報(bào)分析方法及預(yù)報(bào)成果進(jìn)行分析總結(jié)、凝練。為高寒地區(qū)工程地質(zhì)預(yù)報(bào)提供借鑒。

1 TGS360 Pro地質(zhì)預(yù)報(bào)原理

TGS360Pro以Byerlee, J.D., 1978.巖石形變理論(T/σ

圖2 反射波探測(cè)原理

利用TGS360 Pro儀器采集的數(shù)據(jù)，可以獲得隧道掌子面前方的圍巖應(yīng)力、含水可能性、P波波速、S波波速、波速比、泊松比、楊氏模量、危險(xiǎn)性等級(jí)等8個(gè)物性參數(shù)[15]。根據(jù)8個(gè)參數(shù)的變化來(lái)預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)情況。TGS采用模塊化界面，操作方便簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)智能處理，結(jié)果重復(fù)性不受人為操作因素限制。三維數(shù)據(jù)體顯示，也可按不同高度切片來(lái)觀測(cè)更大圍巖范圍，直觀判斷地質(zhì)破碎帶、斷層、空洞的位置及大??；準(zhǔn)確判斷地下水活動(dòng)情況，處理成果豐富、分析軟件計(jì)算模型科學(xué)、計(jì)算方法獨(dú)特，可提高超前預(yù)報(bào)病害判斷的準(zhǔn)確性，提高施工效率，做好應(yīng)急預(yù)案及安全預(yù)防。

2 TGS360 Pro地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用

本次試驗(yàn)洞段為引大濟(jì)湟西干渠31號(hào)隧洞進(jìn)口段，該隧洞埋深10～40 m，地表為強(qiáng)濕陷性黃土，隧洞洞身巖性為暗紫紅色泥巖，泥巖為軟巖，飽水抗壓強(qiáng)度低。隧洞開(kāi)挖存在坍塌、泥巖軟化、流塑、涌水、突泥、冒頂?shù)裙こ痰刭|(zhì)問(wèn)題[16]。TGS測(cè)試位置掌子面為樁號(hào)50+665.00 m，試驗(yàn)洞段圍巖類別為Ⅳ類，地下水活動(dòng)輕微～中等。因地下水水壓長(zhǎng)期處于較高水平，洞室?guī)r體強(qiáng)度低，隧洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，易引發(fā)塌方、涌水、突泥、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

本次預(yù)報(bào)采用俄羅斯超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)TGS 360 Pro，對(duì)引大濟(jì)湟西干渠31號(hào)隧洞進(jìn)口掌子面50+665.00 m樁號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，對(duì)樁號(hào)50+665.00 m～50+565.00 m段(即掌子面前方100 m)的泊松比、含水可能性、相對(duì)應(yīng)力、巖體危險(xiǎn)性等級(jí)等進(jìn)行了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。洞室腰線高度(距離洞室底板2 m)三維平切預(yù)報(bào)成果數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3：

圖3 相對(duì)應(yīng)力參數(shù)測(cè)試成果圖 單位：樁號(hào)，m

根據(jù)各參數(shù)分析，其中50+600.00 m～50+575.00 m洞段泊松比參數(shù)變化異常，含水概率高達(dá)75%以上，且地下水比較集中，相對(duì)應(yīng)力變化值也高達(dá)90%，巖體危險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了最高級(jí)Ⅴ級(jí)，該洞段涌水、突泥和坍塌的可能性高達(dá)80%。具體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分析成果見(jiàn)表1。

表1 TGS360 Pro預(yù)報(bào)結(jié)果表

3 開(kāi)挖驗(yàn)證

31號(hào)洞進(jìn)口地質(zhì)預(yù)報(bào)段實(shí)際開(kāi)挖為：50+665.00 m～50+575.00 m段巖性為泥巖，暗紫紅色，泥巖為軟巖，飽水抗壓強(qiáng)度低，洞室穩(wěn)定性差。50+665.00 m～50+575.00 m段巖性為板巖，洞室較穩(wěn)定。本次地質(zhì)預(yù)報(bào)在無(wú)前期地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，基本較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)了地下水與洞室穩(wěn)定情況，準(zhǔn)確率達(dá)80%以上。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)提前做好了應(yīng)對(duì)預(yù)案及處理措施，成功通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證。TGS360 Pro地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與開(kāi)挖驗(yàn)證對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 TGS地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與開(kāi)挖對(duì)比圖 單位：樁號(hào)，m

4 結(jié) 論

(1) 此次對(duì)引大濟(jì)湟工程31號(hào)洞樁號(hào)50+665.00 m～50+565.00 m段的預(yù)測(cè)得到了50+645.00 m～50+610.00 m段發(fā)育斷層，局部存在開(kāi)挖掉塊；50+600.00 m～50+575.00 m段存在涌水和突泥的可能性，巖體危險(xiǎn)性等級(jí)高，坍塌、冒頂可能性較大，經(jīng)與開(kāi)挖驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)果基本一致。

(2) TGS360 Pro地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在引大濟(jì)湟工程中的應(yīng)用，成功預(yù)測(cè)了隧洞涌水、突泥、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，成功避免了洞室坍塌冒頂事件發(fā)生，并為應(yīng)急處理、超前支護(hù)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要的決策依據(jù)。該方法結(jié)論直觀、準(zhǔn)確且操作簡(jiǎn)單。

(3) 準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工前方地質(zhì)條件是隧洞地質(zhì)災(zāi)害防控的基礎(chǔ)，可靠的超前預(yù)報(bào)不僅能防范不良地質(zhì)條件掘進(jìn)中的塌方、冒頂?shù)戎卮笫鹿?，而且可獲得支護(hù)參數(shù)優(yōu)化依據(jù)，節(jié)約工期、節(jié)省投資，TGS360 Pro隧道三維地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以滿足高寒地區(qū)隧洞地質(zhì)預(yù)報(bào)的要求。