錦屏二級(jí)水電站引水隧洞不良地質(zhì)洞段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

四川二灘國(guó)際工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司 四川成都 610072

摘要：錦屏二級(jí)水電站引水隧洞處于高山峽谷的巖溶地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，主要不良地質(zhì)問(wèn)題有高地應(yīng)力和巖爆、涌（突）水、高地溫、有害氣體、圍巖穩(wěn)定及隧洞所穿越的斷層破碎帶等。由于設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘察具有局限性，施工階段通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可進(jìn)一步確定不良地質(zhì)問(wèn)題可能出現(xiàn)的規(guī)模和位置，提前制定針對(duì)性的工程處理措施，降低不良地質(zhì)條件影響。

關(guān)鍵詞：不良地質(zhì)；超前；地質(zhì)預(yù)報(bào)

1 工程概況

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，利用雅礱江下游河段150km長(zhǎng)大河彎的天然落差，通過(guò)長(zhǎng)約16.67km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310m。電站總裝機(jī)容量4 800MW，單機(jī)容量600MW。工程樞紐結(jié)構(gòu)主要由首部攔河閘壩、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長(zhǎng)隧洞、大容量引水式電站。

東端1#、3#引水隧洞主要采用TBM法開(kāi)挖，直徑12.4m，混凝土襯砌厚度60cm，襯砌后隧洞洞徑11.2m；東端2#、4#引水隧洞采用鉆爆法開(kāi)挖，直徑13.0m，襯砌厚度40～60cm，混凝土襯砌后洞徑11.8m。引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長(zhǎng)、洞徑大的特點(diǎn)。

2 引水隧洞主要不良地質(zhì)問(wèn)題

2.1 涌（突）水

引水隧洞工程區(qū)內(nèi)地表巖溶不發(fā)育，但賦存豐富的地下水，由NNE、NEE、NWW向三組結(jié)構(gòu)面構(gòu)成主要導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)。從引水隧洞揭露的巖溶發(fā)育情況可以看出，涌水具有大流量、高壓力、突發(fā)性特點(diǎn)，錦屏山東、中部有穩(wěn)定的補(bǔ)給源，隧洞涌水流量穩(wěn)定，西部涌水衰減快，補(bǔ)給源有限。

2.2 圍巖破壞

2.2.1 軟弱巖

較軟弱巖（T2y4層中白云質(zhì)擠壓夾層）、斷層帶的變形破壞引起掉塊、坍塌等，但一般規(guī)模不大。

2.2.2 高地應(yīng)力和巖爆

高地應(yīng)力和巖爆是本工程的主要地質(zhì)問(wèn)題之一，經(jīng)回歸分析，隧洞線高程最大和最小主應(yīng)力分別為70MPa和30MPa，以自重應(yīng)力為主。引水隧洞內(nèi)出現(xiàn)的巖爆等級(jí)以輕微～中等為主；其型式為剝落、松脫、彈射；其類(lèi)型為零星、成片、連續(xù)型。巖爆是引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中遇見(jiàn)的主要巖體破壞現(xiàn)象之一。

2.2.3 高外水壓力

引水隧洞除因高地應(yīng)力所產(chǎn)生的巖體脆性變形破壞以外，高外水壓力對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定和施工將產(chǎn)生較大影響，也可能是引水隧洞將遇到的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。

2.2.4 巖溶

在高程2000m以下位置，巖溶發(fā)育較弱并以垂直系統(tǒng)為主，深部以NEE、NWW向的構(gòu)造節(jié)理及其交匯帶被溶蝕擴(kuò)大了的溶蝕裂隙為主。在高程1600m附近的巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，溶洞少，且規(guī)模不大。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的地質(zhì)勘探儀器和技術(shù)現(xiàn)狀，僅通過(guò)地表勘察較難查明山體深部詳細(xì)的不良地質(zhì)問(wèn)題，并且受探測(cè)精度限制，部分測(cè)試判斷的地質(zhì)體準(zhǔn)確位置可能會(huì)與實(shí)際位置存在差異，甚至可能出現(xiàn)局部地段的較大出入，因此，有必要在施工階段開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。引水隧洞施工過(guò)程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用綜合預(yù)報(bào)方法，堅(jiān)持預(yù)報(bào)在前，先探后掘，最大限度查明不良地質(zhì)體及地下水狀況，以指導(dǎo)施工，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 工程地質(zhì)法

每循環(huán)爆破結(jié)束，由地質(zhì)工程師結(jié)合設(shè)計(jì)單位提供的地質(zhì)資料及相鄰洞段揭示的地質(zhì)資料對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行觀察并做地質(zhì)素描記錄。觀察項(xiàng)目包括開(kāi)挖面正面及側(cè)面穩(wěn)定狀態(tài)、巖性風(fēng)化程度、裂隙間距、形狀、涌水情況、水的影響等。素描記錄工作面的巖層產(chǎn)狀、構(gòu)造及特殊地質(zhì)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)靠近工作面的初期支護(hù)進(jìn)行觀察，噴射混凝土是否開(kāi)裂、是否有脫落、掉塊等，預(yù)測(cè)不良地質(zhì)可能發(fā)生洞段。

3.2 表面雷達(dá)

3.2.1 表面雷達(dá)探測(cè)目的

在工作面及側(cè)壁進(jìn)行表面雷達(dá)探測(cè)，探測(cè)工作面前方及側(cè)壁20～30m深度范圍的地層巖性界面、較大節(jié)理與構(gòu)造、富水帶、溶蝕通道及地下水等，判斷不良地質(zhì)體的位置及規(guī)模，推測(cè)地下水的大致富水程度。

3.2.2 儀器設(shè)備

表面雷達(dá)預(yù)報(bào)使用拉托維亞進(jìn)口的Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)，選用100MHz雷達(dá)天線，并備有38/75/150MHz 天線作為輔助探測(cè)天線。

3.2.3 表面雷達(dá)測(cè)線布置

每掘進(jìn)20m探測(cè)一次，有效探測(cè)距離25～30m，每次重復(fù)5～10m。在工作面、左側(cè)壁、右側(cè)壁及洞底板至少各布置一條測(cè)線，左右側(cè)壁測(cè)線長(zhǎng)度大于開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，且與前次表面雷達(dá)測(cè)線至少重合2m以上。

3.2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇合適的儀器參數(shù)，采樣率宜選用天線中心頻率的6倍～10倍。測(cè)試過(guò)程中，天線應(yīng)緊貼巖壁，水平測(cè)線高度基本一致，垂直測(cè)線應(yīng)保持鉛直。采用連測(cè)時(shí)，應(yīng)勻速緩慢移動(dòng)天線，保障點(diǎn)距不大于20cm；采用點(diǎn)測(cè)時(shí)，點(diǎn)間距為20cm。采用測(cè)量輪標(biāo)注時(shí)，每5m校對(duì)一次。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，避開(kāi)測(cè)線附近的機(jī)械設(shè)備與金屬物體、導(dǎo)線等。利用表面雷達(dá)開(kāi)展的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確～基本準(zhǔn)確率約占88%。

3.3 TSP超前地質(zhì)探測(cè)

3.3.1 TSP探測(cè)目的

TSP超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)用于預(yù)報(bào)工作面前方0～120m范圍內(nèi)及周?chē)R近區(qū)域地質(zhì)狀況，預(yù)測(cè)工作面前方圍巖的類(lèi)別；主要是對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造及地下水的預(yù)報(bào)，包括底層巖性界面、構(gòu)造破碎帶、富水區(qū)、巖溶發(fā)育等不良地質(zhì)體，確定其位置、規(guī)模及大致產(chǎn)狀，推測(cè)其性質(zhì)。

3.3.2 儀器設(shè)備及工作流程

TSP采用瑞士最新設(shè)備超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)TSP203。工作流程：確定孔位-鉆孔-安裝傳感器-埋設(shè)炸藥-引爆-TSP測(cè)量。

3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

每次預(yù)報(bào)有效距離為120～150m，重復(fù)20～50m。每次預(yù)報(bào)時(shí)，在工作面后方55m位置左、右壁各布置一個(gè)接收孔，孔徑Φ45～50mm，深度1.8～1.9m，方向垂直支洞軸線上傾5°～10°，距離底板高1m。在洞壁布置24個(gè)炮孔，孔徑Φ38～42mm，深度1.5m，方向垂直支洞軸線下傾10°～20°，距離底板高1m。第1個(gè)炮孔距離同側(cè)接收器孔20m，炮孔間距1.5m。

東端1#、2#引水隧洞TSP203共探測(cè)26次，對(duì)其中24次進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證；結(jié)果是預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率～基本準(zhǔn)確率達(dá)到85%，不準(zhǔn)確約占15%。但存在具體位置有誤，突涌水的水量、水壓未能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)。

3.4超前鉆探法

結(jié)合工程地質(zhì)法、TSP203超前探測(cè)系統(tǒng)布置超前探孔，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域采用超前鉆探的方式進(jìn)行勘察，取得最直接的依據(jù)。一般布設(shè)3孔，進(jìn)行驗(yàn)證，一旦驗(yàn)證有不良地質(zhì)條件存在，增加探孔數(shù)量和深度，確定巖體節(jié)理、地下水發(fā)育狀況。施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用沿掌子面布置3～7個(gè)超前的深孔，預(yù)測(cè)前方地下水情況，特別是可能有突水地段，采用這種方法是行之有效的。

3.5 BEAM超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

BEAM 法（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），是國(guó)際上目前唯一的一種電法超前預(yù)報(bào)方法。該方法是在TBM隧洞掘進(jìn)的同時(shí)，使用三個(gè)電極聚焦地面電流，自動(dòng)探測(cè)三倍隧洞直徑范圍內(nèi)的地質(zhì)條件的一種地質(zhì)測(cè)量方法，能夠與TBM掘進(jìn)同步預(yù)測(cè)掌子面前方的巖體的完整性和富水性。

3.6 紅外線探測(cè)儀法

通過(guò)HY-303型探水儀探測(cè)掘進(jìn)前方是否存在水體。紅外探水探測(cè)速度快，基本不占用生產(chǎn)時(shí)間；資料分析快，測(cè)量完畢，即可得出初步結(jié)論，室內(nèi)整理及編寫(xiě)報(bào)告也較快；準(zhǔn)確率較高，特別在石灰?guī)r洞段，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率能高達(dá)80%，但對(duì)水量、水壓及危害程度無(wú)法預(yù)測(cè)，紅外探水一般平均20m測(cè)量一次。

3.7 經(jīng)驗(yàn)判斷法

不良地質(zhì)體在被揭露之前往往表現(xiàn)出一些明顯或不明顯前兆標(biāo)志，它們是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要信息。仔細(xì)觀察、描述開(kāi)挖石渣、結(jié)構(gòu)面及巖層形態(tài)、量測(cè)結(jié)構(gòu)面及巖層特征參數(shù)，是正確進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。

4 總結(jié)

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中突涌水、巖爆是重點(diǎn)預(yù)報(bào)對(duì)象。根據(jù)工程實(shí)踐，綜合運(yùn)用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，互相印證、取長(zhǎng)補(bǔ)短、綜合解釋?zhuān)梢垣@得良好的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果，為引水隧洞施工安全和工程安全風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、處理提供了技術(shù)保障。