大型地下洞室地質缺陷診斷技術

韓寶栓, 袁浩皓

(中國水利水電第七工程局有限公司， 四川成都 610213)

楊房溝水電站左岸引水發電系統廠區圍巖巖性主要為微風化—新鮮花崗閃長巖，巖質堅硬，巖體完整性較好—好，強度高，彈性模量大。圍巖類別以Ⅱ類為主，約占50 %，Ⅲ類約占40 %，其余少量為Ⅳ類巖體，圍巖穩定性較好，局部有潛在的不穩定體。地下洞室大小不等的近40條洞室，地下洞室群開挖方量約162.65×104m3。為診斷地下洞室開挖過程中存在的地質缺陷，本文通過聲波測試、孔內成像、動態地質素描手段對開挖過程中地質進行測試，通過對結果進行分析得出開挖過程中可能存在的地質災害進行研判，并且根據地質缺陷診斷結果及現場實際情況，總結得出現場典型破壞特征。

1 大型地下洞室地質缺陷診斷技術現狀分析

國內外大型地下洞室地質缺陷診斷技術手段和方法主要有地質類方法和地球物理類方法兩大類。地質類方法主要有地面地質調查法、地下洞室地質素描法和超前鉆探法由劉秀峰教授提出的斷層參數法等[1]。地球物理類方法多種多樣，主要有地質雷達法(GPR)、TSP地震反射波法、瞬變電磁法(TEM)、BEAM技術、TRT地震反射波法、陸地聲納法、負視速度法、瑞雷面波法等[2]。國內相關研究中，曾昭磺等[3]提出了隧道地震反射法超前預報法，利用反射波走時曲線與直達波走時曲線的交點推測前方反射界面的位置，有效地避免了面波和隧道駐波的干擾，提高了信噪比。鐘世航[4]發明了陸地聲納法，在被測面表面用錘擊產生震動彈性波，彈性波在巖體中傳播，遇到波速和寬度不同的界面可產生反射，用在錘擊點近旁設置的拾波器接收這一系列反射波，從圖中可形成一條線的同一反射面的反射波，結合地質情況，就可判斷出各反射界面的性質。北京水電物探研究所[5]研制了TGP-12型隧道地質預報儀器，該技術有利于地質構造面產狀、規模和地質體性質的預報。趙永貴[6]提出了隧道地震層析成像法，通過可視化地震反射成像技術，可以預報隧道掌子面前方150 m范周內的不良地質體的位置、性質和規模。周黎明[7]針對隧道超前地質預報工作中巖溶問題的特殊性，運用瞬變電磁法探討了溶洞、溶隙以及陷落柱等非層狀體系的電阻率響應特征。在國外相關研究中，Dickmann[8]提出瑞士Amberg測量技術有限公司開發研制了超前預報統設備TSP隧道地震預報系統。Inazaki等[9]提出了水平聲波剖面法(HSP)，水平剖面法的觀測系統的橫向展布較大，有利于提高速度分析和定位的精度。德國GD公司[10]開發研制的Beam測試系統，改善了電法測試的靈敏度和穩定性。Flavio和Lorenzo[11]利用TBM作為震源，對透射波和反射波采用干涉測量法，提高了測量資料解釋水平。

目前洞室地質缺陷診斷技術在理論研究和工程應用方面都取得了一些進展，已經對地下洞室的典型不良地質體進行了模擬，建立了相應的解釋準則，研發了適應地下洞室特殊地質環境的儀器，進行了大量的工程實踐，取得了一定的經驗。但是地下洞室地質情況復雜多變，僅僅依靠地質分析或者一兩種地球物理探測方法很難對掌子面前方實際情況進行準確的預測，綜合地球物理方法和地質分析是目前最為重要的超前預報思路，然而，綜合分析預報涉及到太多的技術方法，這些方法大都是不同原理、不同工作方式、不同應用參數，進行超前預報需要豐富的經驗、廣泛的基礎知識和對各種方法的深刻認識并且還要處理大量的信息。本文利用動態地質素描技術分析開挖過程中存在的地質缺陷，運用鉆孔成像技術驗證母線洞巖墻發育貫穿性張裂縫的推測，綜合運用地質掃描技術、聲波測試和孔內成像技術得出的斷層影響帶范圍及厚度，根據地質缺陷診斷結果及現場實際情況，分析總結得出現場典型地質破壞特征。

2 復雜條件大型洞室開挖現場地質缺陷測試與分析

2.1 聲波測試技術

本工程利用聲波測試技術對開挖過程中的地質松動圈進行測試，通過測試得到在開挖過程中不同部位的地質松弛深度及傳播過程中的波速，通過統計分析得出受開挖影響產生較大地質松動的部位。以具有代表性的主副廠房洞為例來說明復雜條件大型洞室開挖現場地質缺陷測試與分析，現場布置了5個聲波測試斷面，如圖1所示。

圖1 主副廠房洞地質松動圈聲波檢測斷面典型布置

將部分主副廠房洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ層開挖時，通過聲波測試技術測得地質松動數據進行整理，如表1所示。

表1 主副廠房洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ層地質松動圈鉆孔聲波測試數據

第Ⅰ層開挖完成后聲波測試結果顯示，廠房頂拱地質松弛深度0.7～2.0 m，平均地質松弛深度為1.4 m，上游拱肩平均地質松弛深度最大，下游拱肩次之，頂拱最小；地質松弛區巖體平均波速4 165 m/s，非松弛區巖體平均波速為5 150 m/s。第Ⅱ層開挖完成后聲波測試結果顯示，第Ⅱ層邊墻地質松弛深度0.7～1.6 m，平均松弛深度為1.2 m，下游邊墻比上游邊墻松弛深度大；松弛區巖體平均波速4 416 m/s，非松弛區巖體平均波速為5 359 m/s。第Ⅳ層開挖完成后聲波測試結果顯示，第Ⅳ層邊墻地質松弛深度0.8～2.5 m，平均松弛深度為1. 5 m，下游邊墻比上游邊墻松弛深度大；地質松弛區巖體平均波速4 110 m/s，非松弛區巖體平均波速為5 115 m/s。

第Ⅵ層開挖完成后對第Ⅱ層、第Ⅳ層邊墻進行了地質松動深度對比測試，聲波測試結果顯示，上游側邊墻松弛深度基本無變化，第Ⅱ層下游側邊墻平均松弛深度增加了0.3 m，第Ⅳ層下游側邊墻平均松弛深度增加了0.55 m，表明廠房第Ⅵ層開挖完成后，下游側邊墻巖體存在一定的卸荷松弛現象。

2.2 地質素描技術

地質素描技術在本工程得到了廣泛的應用，施工過程中收到地質素描預報2 200多份，通過分析地質素描結果合理安排組織相關施工，確保了洞室巖壁的開挖成型，大大減少了可預見性的地質缺陷工程量。限于篇幅僅對典型部位——主副廠房洞下游邊墻施工說明地質素描技術在本工程的運用，下游邊墻發育近洞向陡傾角結構面，局部發育節理密集帶，對下游邊墻穩定不利，存在塊體穩定問題，由于廠房跨度大、挖空率高，第一主應力σ1與邊墻夾角66～84°，發育NNE向陡傾角優勢節理，以上因素共同作用下，帶來廠房下臥過程中的高邊墻變形問題。圖2、圖3為第Ⅰ層下游側頂拱擴挖后廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段下游邊墻構造發育情況。

圖2 廠右0+10 m～廠左0+2 m下游頂拱揭露f1-83

圖3 下游邊墻廠左21～30m段2012m以下沿f1-83掉塊

第Ⅰ層下游側頂拱擴挖后，廠右0+10 m～廠左0+2 m揭露f1-83，位置如圖2所示，產狀為N10～20°E NW∠75～85°，頂拱剛揭露時寬度較小，寬1～2 cm，帶內充填碎裂巖、巖屑，未見蝕變帶。廠左21～30 m、EL2012～2010 m段沿斷層面掉塊，掉塊深度0.3～0.5 m，如圖3所示。

經測量得此處f1-83斷層寬度變為3～5 cm，兩側巖體有蝕變現象，蝕變帶寬10～15 cm，上盤巖體穩定性差，已采取預應力錨桿加強支護。采取同樣方法得出，第Ⅱ層開挖后，該段邊墻節理較發育，表層巖體松弛現象明顯，開挖成型較差。第Ⅲ層下游邊墻廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段發育f1-83及其影響帶和J1-145、J1-164對邊墻和巖錨梁穩定不利。

2.3 孔內成像技術

楊房溝水電站引水發電系統地下洞室群在施工中使用孔內成像技術輔助超前地質鉆孔進行超前地質預報，效果顯著。下面以母線洞的使用情況介紹孔內成像在隧道超前地質鉆孔預報中的應用效果。由于孔內成像結果圖形過大，僅列出相關結論。為查明巖墻是否存在貫穿性裂縫，在廠房與主變洞之間布置了2個對穿孔，樁號分別為廠右0+19 m和廠右0+45 m。通過孔內成像結果分析得出，與墊層裂縫對應位置即孔深1～35 m段孔內成像中未發現張開裂縫，結合母線洞建基面素描和巖墻鉆孔成像成果，可排除巖墻發育貫穿性張裂縫的推測。

2.4 上述三種技術綜合運用

根據2.2節研究內容，得出廠右0+5 m～廠左0+31.5 m段EL.2010 m高程以下f1-83影響帶寬度變大，影響帶內巖體沿結構面多見蝕變現象，以硬質巖為主，間夾不同程度蝕變巖條帶。為查明f1-83影響帶的寬度和高度，確定影響帶分布范圍，在廠房二、三層開挖過程中，分別于高程2 010 m、2 004 m、2 000 m附近布置鉆孔電視及聲波測試孔12個，其中水平孔8個，垂直孔4個。代表性聲波孔聲速曲線如圖4、表2所示。

圖4 聲速曲線

表2 f1-83影響帶水平厚度

由上述測試圖形及表格可得，聲速曲線中縱波速從3 000 m/s至3 500 m/s有一個明顯的跳躍，結合鉆孔成像技術進行分析，縱波速從3 000 m/s至3 500 m/s的變化帶可判定為f1-83影響帶的邊界。下游邊墻巖錨梁段f1-83影響帶厚度為0～3.6 m不等，其中巖錨梁下拐點2 002.7 m高程厚度為2.1～3.0 m，平均波速2 903～3 248 m/s。高波速帶距下游邊墻水平距離為1.9～4.8 m，平均波速4 500～5 007 m/s。

3 大型地下洞室圍巖地質條件與現場典型破壞特征

通過以上地質缺陷診斷技術，綜合得出大型地下洞室圍巖地質條件，地下廠房區巖性為花崗閃長巖，微風化—新鮮，屬為次塊狀—鑲嵌結構巖體，開挖揭示廠區無較大地質斷層通過，巖體完整性較好，以II類、III類圍巖為主，洞室群圍巖的整體穩定條件相對較好。整個洞室開挖過程揭示的圍巖地質條件總體與可研階段預計結果基本一致，局部洞段略差一些。地應力測試結果顯示，地下廠房區最大主應力在12～15 MPa，屬中等應力區，整體應力水平不高，但大主應力方向與洞室軸線大角度相交，對圍巖穩定較不利。根據地下廠房洞室群開挖揭露，廠區圍巖中，中陡傾角節理裂隙發育，與洞室軸線夾角較小的結構面及其組合塊體是影響洞室圍巖變形及穩定的重要因素，特別是三大洞室下游邊墻區域，受不利的大主應力方向和順洞向陡傾結構面疊加效應影響，高邊墻圍巖開挖卸荷松弛變形問題較突出，并可能表現出一定的時效松弛變形特征。

根據地質缺陷診斷結果及現場實際情況，分析總結得出現場典型破壞特征。從巖體破壞特征來看，結構面控制型、應力控制型以及結構面應力組合型這3種類型的破壞現象均有不同程度的體現。其中結構面控制型破壞相對普遍，三大洞室頂拱部位圍巖的局部破壞主要受緩傾結構面控制，在高邊墻則主要受陡傾結構面組合控制，在施工過程中出現的局部破壞主要表現為巖塊在邊墻陡傾角結構面和頂拱緩傾角結構面出露部位的松弛或塌落。雖然楊房溝水電站三大洞室布置形式及巖體結構特征均相對不利，但由于廠區地應力水平整體不高，也不存在較大地質斷層通過，施工過程中通過及時支護、適時有效的針對性加強支護等手段，未見大的塊體穩定問題以致影響洞室圍巖整體穩定的情況。

4 結論

通過對楊房溝水電站復雜條件大型洞室開挖現場地質缺陷測試與分析，地下洞室群圍巖地質條件與現場典型破壞特征總結研究，得出了以下結論:

(1)本工程利用聲波測試技術對開挖過程中的地質松動圈進行測試，而出洞室上游拱肩平均松弛深度最大，下游拱肩次之，頂拱最小，據此認為上游拱肩是最可能發生塌方和垮塌的部位，應進行錨固加強；隨著主副洞室向下進行施工，下游邊墻比上游邊墻松弛深度大，須在施工中加強錨固以避免下游邊墻部位發生塌方和垮塌。

(2)利用地質素描技術，對主副廠房洞下游邊墻施工過程的地質情況進行描繪，通過分析地質掃描結果得出，不同開挖階段受到地質情況不同而對開挖過程產生不同程度影響。在施工中使用孔內成像技術輔助超前地質鉆孔進行超前地質預報，效果顯著，結合母線洞建基面素描和巖墻鉆孔成像成果，可排除巖墻發育貫穿性張裂縫的推測。

(3)通過綜合運用上述三種技術得到了聲速曲線和鉆孔成像結果，綜合分析得出了縱波速從3 000 m/s至3 500 m/s 的變化帶可判定為f1-83影響帶的邊界，巖錨梁下拐點2002.7m高程厚度為2.1～3.0m，平均波速2903～3248m/s，高波速帶距下游邊墻水平距離為1.9～4.8m，平均波速4500～5007m/s。

(4)楊房溝水電站三大洞室布置形式及巖體結構特征均相對不利，由于廠區地應力水平整體不高，也不存在較大地質斷層通過，施工過程中通過及時支護、適時有效的針對性加強支護等手段，未見大的塊體穩定問題以致影響洞室圍巖整體穩定的情況。