玉瓦水電站引水發電隧洞TRT技術地質超前預報

羅 宇, 胡 帥

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

玉瓦水電站引水發電隧洞TRT技術地質超前預報

羅 宇, 胡 帥

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

主要介紹TRT地質超前預報系統的工作原理和方法,闡述該方法在玉瓦水電站引水隧洞超前地質預報中的實際使用情況及效果,總結TRT地質超前預報優缺點的基礎上,證明TRT技術在隧洞中長距離預測結果具有較強的準確性和精度。

TRT;地質超前預報;隧洞

水利水電建設中常有深埋長隧洞,然而目前深埋長隧洞的前期勘探卻缺乏有效的手段,難以滿足指導施工的要求,在隧洞施工過程中常遇到塌方、突泥、突水、巖爆等地質災害。這些地質災害對施工進度造成了較嚴重的影響,并對人員和設備安全構成了威脅,因此地質預測預報在深埋長隧洞施工中尤為重要。

隧洞施工超前地質預測預報研究已有60多年,但受技術限制,在相當長一段時間內地質預測預報方法主要是超前勘探法(包括超前導洞和超前鉆孔)和工程地質分析法,預報的長度和精度都有限。近年來隨著電子技術的發展,出現了大量的基于儀器的物探法預測預報,如地震反射法、地質雷達法、瞬變電磁法、聲波探測法、紅外探測法等。目前能達到100～150 m 預報距離的主要是地震勘探技術,有負視速度法、水平剖面法(HSP)、TSP、TRT、TST及TGP等[1],其原理基本一致,但近年來發展起來的TRT 技術采用空間多點激發和接收、三維空間觀測和無限傳輸信號等手段,具有測試簡便、快捷、成果更精密等技術優越性,本文將其應用到玉瓦水電站引水隧洞地質超前預報中,通過與地表調查及開挖實際進行對比,驗證了該方法的使用效果。

1 TRT技術簡介

TRT(Tunnel Reflection Tomography)技術是地震波反射體追蹤成像技術的簡稱,由美國西斯陸地地質設備公司研制開發[2]。目前該技術在國內公路、鐵路隧洞超前地質預報中已成熟應用,并取得較好的效果,能對掌子面前方100～150 m的地質體進行有效預測,且可結合地震波速進行圍巖分級評估。由于隧洞使用性質的不同,TRT技術在水電行業應用情況也不盡相同,對數據的解譯需更加準確。

1.1 TRT技術工作原理

TRT技術是通過地震波在傳播過程中到達波阻抗差異界面上時(如巖層面、斷層、地下水軟弱層等),一部分反射回來的信號被傳感器接收,一部分信號繼續向前傳播。通過已接收到的反射信號的時間、振幅、頻率以及衰減等數據分析,從而確定探測前方巖體的反射系數、地震波在巖體中傳播的速度以及巖體的動力學性質,進而推斷前方是否存在地質異常體,以及異常體的位置和規模等。

1.2 數據采集

TRT系統采用12個震源和10個傳感器,震源布置在隧洞掌子面附近的左右邊墻上,分2個斷面布置,斷面間隔為2 m;傳感器布置在距震源點10～20 m的隧道兩邊墻及拱頂上,分4個斷面布置,斷面間隔5 m。距離震源最近的斷面布置兩個檢波器,布置在左右拱腰部位,第二個斷面布置三個檢波器,分別布置在拱頂和邊墻的下部,第三、第四斷面布置方式分別和第一、第二斷面的布置方式相同。具體布置情況如圖1所示。

儀器的工作過程為:在震源點上錘擊,在錘擊巖體產生地震波的同時,觸發器產生一個觸發信號給基站,然后基站給無線遠程模塊下達采集地震波指令,并把遠程模塊傳回的地震波數據傳輸到筆記本電腦,完成地震波數據采集。儀器連接如圖2所示。

圖1 TRT系統布置示意圖Fig.1 Layout sketch map of TRT system

圖2 TRT地震波采集系統模型Fig.2 Acquisition system model of TRT seismic wave

1.3 系統特點

TRT技術采用三維空間全斷面多點激發和接收觀測方式,其檢波器和激發的炮點呈空間分布,以便獲得足夠的空間波場信息,從而使前方地質缺陷的定位精度大大提高,克服其他物探預報方法無法準確判別小構造、小巖溶等地質體的弊端;在異常體定位的方法上,改變其他方法采用上行波和下行波的焦點來確定,而是采用由震源點和檢波點為焦點,以入射波和反射波的總時間為距離組成的橢球體,通過多組球體確定異常體的位置和延伸方向,如圖3所示。

圖3 地震波反射原理示意圖Fig.3 Sketch map of reflection principle of seismic wave

TRT技術的優缺點見表1。

表1 TRT技術特點

2 工程實例

2.1 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內,屬引水隧洞式水電站,引水隧洞洞長14.1 km,共設計6條施工支洞。隧洞區地層為一套區域淺變質的地槽型沉積建造,巖漿活動微弱。出露基巖為二疊系濱、淺海相沉積的薄層砂質灰巖夾中厚層砂質灰巖、板巖。區內巖溶不發育,隧洞埋深一般300～400 m,隧洞軸線與巖層走向一般小角度相交,巖層陡傾。前期勘探預測隧洞圍巖類別以Ⅲ類為主,局部洞段受小構造的影響,巖體破碎,加之地下水作用,圍巖極不穩定,為Ⅳ、Ⅴ類圍巖。特別是順層破碎帶,由于洞軸線與巖層夾角小,將影響較長的洞段,對施工極為不利。

2.2 TRT超前地質預報

引水隧洞4#支洞下游掌子面施工至(引)9+247 m后,隧洞內小構造發育,地下水活躍。受其影響巖體破碎,圍巖類別為Ⅳ類。隨著開挖相繼暴露出多條順層擠壓破碎帶,嚴重影響施工進度,決定在(引)9+282 m采用TRT地質超前預報探測前方地質條件。

此次TRT測試根據上述工作原理,在掌子面(引)9+282 m處設置震源點,并在震源點后方10～20 m范圍內邊墻及頂拱布置4個斷面共10個傳感器。儀器布置完成后,停止施工降低干擾,進行數據采集。最終得到掌子面前方110 m范圍的地震波反射三維圖像(見圖4),及地震波縱波波速圖(見圖5)。

圖4 地震波三維成像立體圖Fig.4 Block diagram of three-dimensional imaging of seismic wave

通過TRT系統對數據分析和過濾,得到三維圖(圖4),圖中淺色為正反射、深色為負反射(地震波從一種低阻抗物質傳播到一種高阻抗物質時,反射系數是正的;反之,反射系數是負的)。通過三維圖可得:9+282～9+302 m段地震波反射不明顯,開挖面內未見低阻異常,巖體情況與掌子面類似;9+302～9+352 m段地震波反射明顯,藍黃反射點相間分布,推測該段內巖體均一性變差;掌子面前方9+352～9+382 m段地震波反射不明顯,推測該段巖體均一性相對較好;掌子面前方9+382～9+392 m段藍色負反射明顯,且地震波迅速衰減,存在低阻異常帶。

由于受9+382～9+392 m的低阻異常帶影響,地震波迅速衰減,反射信號微弱,有效取值只有掌子面前方60 m。該段范圍內地震波速度在2 200～2 609 m/s之間變化,平均速度約為2 350 m/s。其中,掌子面前方15 m范圍內平均波速值2 280 m/s,波速較低,應受開挖爆破影響導致;15～40 m段平均波速2 435 m/s,波速略高;40～60 m段平均波速2 340 m/s,波速稍低。

2.3 超前地質預報結果與開挖揭示地質條件對比

通過TRT地震波反射三維圖和地震波波速圖綜合分析,預測了4#支洞下游(引)9+282～(引)9+392 m段圍巖地質條件,并與實際開挖結果進行了驗證(見表2)。

由表2可見:TRT地質預報該段地質條件與實際開挖揭示地質條件基本一致,100 m內預報誤差在5 m以內;對影響圍巖類別的因素也具有較為準確的預測,對裂隙構造和地下水相對較為敏感,預測精度較高。

圖5 地震波波速圖Fig.5 Wave velocity diagram of seismic wave

表2 TRT預報與開挖揭示對照表

3 結語

從玉瓦水電站引水隧洞的應用情況來看,首先,TRT預測了掌子面后100 m范圍巖體情況經開挖驗證基本正確,其預測距離和精度均達到了預期;其次,TRT技術現場操作簡單,數據采集只需10～30 min,且不需要使用炸藥爆破作為震源,不但對施工干擾小,也很安全。由于TRT測試對傳感器的設置要求較高,傳感器需要與巖壁凝固結實,且部分傳感器需設置到頂拱,因此在測試過程中,這部分工作對測試效率影響較大,玉瓦水電站引水隧洞洞徑較小,測試相對較順利。對于規模較大的隧洞,在頂拱設置傳感器則需要專門的升降設備輔助。總的來看,TRT在隧洞的中長距離預測預報上其方法技術是可行的,其預測成果具有較強的參考價值。

另外,在玉瓦水電站引水隧洞的測試中,筆者將TRT測試的地震波縱波波速成果引入分析中,對于更進一步判斷巖體的完整性作了些嘗試。若將其與聲波測試波速相關性比較值得進一步研究,對比實際開挖后揭示的圍巖條件,可為以后超前地質預報圍巖類別劃分提供參考,將更進一步擴大TRT預測預報技術的應用范圍。

[1] 陳剛毅.TRT地質超前預報技術及其在三峽翻壩高速公路中的應用[J].資源環境與工程,2009,23(3):304-307.

[2] 劉杰,廖春木.TRT技術在隧道地質超前預報中的應用[J].鐵道建筑,2011(4):77-79.

(責任編輯：于繼紅)

TRT Geological Advanced Prediction in Diversion Tunnelof Yuwa Hydropower Station

LUO Yu, HU Shuai

(PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu,Sichuan610072)

In this paper,the working principle and method of advanced prediction system of TRT geological is mainly introduced,the authors discusses advanced prediction in diversion tunnel of Yuwa hydropower station at actual usage and effect.The advantages and disadvantages of advance geological forecast of TRT are summarized on this basis.It is proved that the TRT technology has strong accuracy and precision in the long distance prediction results in the tunnel.

TRT; advance geological prediction; tunnel

2016-05-13;改回日期:2016-05-27

羅宇(1985-),男,助理工程師,土木工程專業,從事水利水電工程地質方面工作。E-mail:23055236@qq.com

TV554

A

1671-1211(2016)03-0385-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.032

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.022.html 數字出版日期:2016-05-30 09:37