大伙房水庫輸水應急入連工程——隧洞施工期超前地質預報設計

李 瑞，楊曉飛，鐘明明

（大連市供水有限公司，遼寧 大連 116011）

大伙房水庫輸水應急入連工程碧流河水庫北段工程引水規模3億m3/年，主要供水對象為大連市。隧洞采用無壓洞，洞線總長為14.11 km，實施超前地質預報時隧洞剩余長度約為2.8 km。這段隧洞圍巖為中等～微風化花崗巖，巖質較堅硬，結構面發育2～3組，巖體以塊狀結構為主，有大量滲水、滴水，局部洞段開挖期間出現大量涌水和靠近掌子面塌方現象，巖體穩定性較差，以Ⅲ類圍巖為主，局部為Ⅳ或Ⅴ類圍巖。

因此，考慮隧洞施工安全，減少工程投資，加快進度，隧洞施工期應進行超前地質預報。

1 設計依據和原則

設計依據的主要規程、規范和設計文件為：SL326-2005《水利水電工程物探規程》；《隧洞工程地質勘察報告》。隧洞施工超前預報是一項復雜而艱難的任務，及時發現不良地質現象并分析處理，確保工程施工安全，考慮國內外技術水平，設計遵循以下原則：1）根據工程的級別、地形地質條件，按著突出重點、統籌安排、布置合理；2）測試斷面選在地質條件差部位，以不良地質體預報為主，同時兼顧指導施工；3）測試方法的選擇要符合工程實際，科學合理，并有成功經驗；4）探地雷達測試與超前地質預測相結合。

2 超前地質預報方法

2.1 超前地質預測

1）收集、研究地質資料。了解不良地質洞段內宏觀的地質環境、大型構造形跡的發育分布規律以及工程圍巖所處的具體構造部位、巖體的結構特征、節理裂隙發育程度、巖體完整性、巖石（體）強度、地下水狀態等；具體掌握全隧洞的地質背景，標出存在的不良地質問題和洞段，判斷各段圍巖的穩定程度、可能發生地質災害的位置、規模、性質和防治措施。

2）現場調查研究和施工地質編錄。緊跟隧洞施工，對已開挖洞段地質狀態作精細真實的描述，可作為超前預報的依據，該內容包括巖性、巖石堅硬程度及完整情況、斷層及破碎帶、節理裂隙、地下水狀態、不良地質現象等作編錄。

3）圍巖特性測試。根據預測需要，對巖石物理力學特性進行補充測試，如巖石點荷載強度、巖石回彈值、巖體彈性模量、軟弱面剪切強度等，必要時，還應進行初始地應力和二次應力場的評估或測試等。上述數據是預報圍巖穩定性的重要參數。

4）地質力學調查分析。應用地質力學方法對掌子面附近和前方的圍巖進行地質力學調查測繪，確定圍巖結構面的力學性質、結構體強度，確定圍巖結構面的組合關系和結構體的形狀，確定二次應力與圍巖強度的關系，測試圍巖卸荷回彈變形特性，以及卸荷速度對回彈變形的影響。

5）斷層參數預測分析。利用斷層影響帶的特殊節理或集中帶的分布規律，通過對斷層影響帶的系統編錄所得經驗公式，來預報隧洞斷層破碎帶的位置和規模。由于大多數不良地質現象與斷層破碎帶有密切的關系，故依據斷層破碎帶推斷其它不良地質體的位置和規模。

6）地質體投射分析。在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、規模和巖體質量及精確測定不良地質體產狀的基礎上，應用地質界面和地質體透射公式進行預報。

7）正洞地質編錄與預測。隧洞施工中，及時對其開挖面(掌子面、邊墻面和拱頂面)上的各種地質現象進行測繪和記錄，利用已挖洞段地質情況來預報前方可能出現的不良地質現象。

2.2 探地雷達超前探測

該工程采用地質預測法與探地雷達法綜合探測進行超前地質預報。探地雷達設備采用美國GSSI公司生產的探地雷達和100 MHz屏蔽天線。探地雷達是一種超高頻電磁技術，是利用超高頻（106～109 Hz）脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理勘探方法。主要研究地下介質的電性差異和與電磁波的傳播特性，確定界面或目標體的位置。一般巖體、混凝土等物質的相對介電常數為4～8，空氣相對介電常數為1，而水體的相對介電常數高達81，差異較大，如在探測范圍內存在水體、洞體、斷層破碎帶，則會在雷達波形圖中形成強烈的反射波信號，再經后期處理，能夠得到較為清晰的波形異常圖。

在眾多地質超前預報手段中，使用探地雷達預報屬于短期預報手段，預報距離與圍巖電性參數、測試環境干擾強弱有關，一般，探地雷達探測距離在20～30 m。在隧道超前跟蹤探測及預報中，探地雷達可預測前方30～50 m范圍內的斷層、洞體、裂隙帶、富水帶等地質構造。

3 實施方案技術要求

3.1 測線布置

在隧洞掌子面布置2條水平測線，測線長度4 m，測點間距20 cm，測線距離隧洞底板1 m和2.5 m。當測量時發現有不良地質體時，在洞側壁增加測線，以便了解地質體規模及走向等。測量時，由兩位測量人員手持天線緊貼掌子面由探測起點移動到探測終點，見圖1。

圖1 地質雷達測線布置圖

3.2 資料整理要求

探地雷達所采集的原始數據，需要經過處理后才能得到有助于解釋的數據或圖像。原始數據中既包含有用信息，也包含噪聲，有些情況下有用信息還可能會被噪聲掩蓋。數據處理的目的是壓制噪聲，增強信號，提高數據信噪比，以便從數據中提取速度、振幅、頻率和相位等特征信息，幫助對資料進行解釋。

資料處理和解釋包括以下幾個步驟：

1）資料整理。對現場所測資料進行整理，包括測量測網資料整理，野外記錄表格的電子化錄入工作，工作照片整理，備份野外探測數據。

2）圖像顯示。利用專門的處理軟件打開數據，采用線掃描方式、波形加變面積方式、波形圖等方式顯示測量數據。

3）資料編輯。剔除強烈的干擾信息，把一條測線上相鄰的幾個數據剖面連接在一起組成長剖面數據文件。

4）增益處理。采取整體增益，對整個數據剖面的振幅信息進行放大，或者采用指數增益函數對某一個深度區間的振幅信息進行局部放大，便于數據顯示、選做。

5）一維頻率濾波。如果在探測資料中出現了低頻信號干擾，請采用頻率濾波方法濾除低頻干擾信號。通常情況下不做此處理。

6）高級濾波。在探測資料中如果出現多次波干擾信息，需要利用反褶積方法消除多次波干擾，恢復地下真正的地質構造剖面。

7）探測圖像。輸出探測圖像，并且對各幅探測圖像進行比較，尋找差異，同時結合地質資料，進行地質推斷和資料解釋工作，給出地質剖面圖。也需要結合各里程樁號地質雷達探測剖面信息，組成一幅隧道剖面圖。

3.3 數據處理流程

探地雷達的數據處理流程一般情況下可分為三部分。第一部分為數據編輯，包括數據的連接、廢道的剔除、數據觀測方向的一致化等；第二部分為常規處理，包括數字濾波、振幅處理、反褶積和偏移等；第三部分包括剖面修飾處理的相干加強，以及數字圖像處理技術中的一些分割方法等，數據處理流程：探地雷達剖面→檢查并改正頭文件→去除不需要的道→排列第一次突跳→合并相關文件→去掉背景→反褶積、偏移處理→AGC處理（確定雷達波速度）→繪出雷達探測時間和深度剖面→異常分類和分析異常。

3.4 預期成果及預報

在隧道超前跟蹤探測及預報中，根據探地雷達解譯得出結果進行預報：1）根據電磁速度和反射走時計算雷達探測距離；2）掌子面前方0～30 m范圍內根據雷達波整體反射情況，以及頻率變化，局部出現明顯的小范圍的反射波情況，推測該段圍巖局部是否有不良地質體或含水帶；3）根據各幅探測圖像結合地質資料，進行地質推斷和資料解釋，給出各里程樁號隧道地質剖面圖，適時進行預報。

4 結語

1）在大伙房輸水隧洞穿越的花崗巖地區，根據已有類似工程經驗，利用完整巖體與相對破碎巖體之間、含水量不等的巖體之間存在較大的電學性質差異，具有良好的地球物理測試條件，因此，開挖過程中采用地質雷達預報掌子面前不良地質體和富水帶是可行的。

2）通過地質雷達預報成果與超前地質預測的綜合對比，對巖體中存在的不良地質體、地下水及圍巖類別進行預報，具有較好的準確度。

3）地質雷達超前預報工作給施工提供了大量的具有指導意義的結論與建議，可以減少工程施工中因圍巖條件變化而帶來的災害性事故，為引水隧洞順利貫通起到了重要作用。

4）隧洞施工超前預報中，地質雷達探測深度應控制在20～30 m，測試工作應與施工方密切配合，及時跟蹤測試，才能達到完整、準確的預報效果。

［1］王太國，徐艷.地下洞室地質超前地質預報方法綜述［J］.科技信息，2010（21）.

［2］巨浪，沙椿.地質雷達在福堂水電站引水隧洞施工超前預報中的應用［J］.水電站設計，2005（3）.

［3］單治鋼.錦屏二級水電站深埋隧洞綜合地質超前預報［J］.山東大學學報，2009（12）.

［4］譚天元，張偉.隧洞超前地質預報中的新技術—BEAM法［J］.貴州水利發電，2008（12）.