引水隧洞中綜合超前地質預報技術應用研究

游洋

摘要：近年來，超前地質預報技術在我國的發展較為迅速并在實際工程預報中取得了較好效果，但不同的超前地質預報技術在實際應用中均有一定的局限，為使超前地質預報技術效果最優化、最大限度的提升預報結果的準確性，就需要結合施工地的實際情況對不同超前地質預報技術進行組合應用。基于此，文章在對現階段超前地質預報技術的常見方法、問題進行分析的基礎上，提出了相關的應用優化建議和組合使用建議，并結合工程實例實際探討了引水隧洞中綜合超前地質預報技術的應用效果，以供參考。

關鍵詞：引水隧洞;綜合超前地質預報技術;應用;研究

一、引水隧洞中綜合超前地質預報技術的常用方法及存在的問題

（一）地面地質調查法

地面地質調查法是一種長期超前的地質預測方法，主要根據地下地表結構的相關原理，對隧洞附近地段進行初步預測，得到不良地段的輪廓，預測范圍在200m左右，在實際施工作業中應用性強，成本低[1]。

地質調查包括隧洞勘察設計資料的收集與分析、隧洞工程地質及水文地質面補充調查、隧洞內地質素描。常用于隧洞可能發生的地質災害的初步預測，適用于各種地質環境。當隧洞埋深較小，地質構造簡單時，精度較高。但在實際應用過程中，由于預測范圍相對狹窄，很難預測深部地質水平，特別是地層巖性的變化，以及巖石結構本身的復雜多變，增加了隧洞綜合地質預測的難度。

（二）TSP法

在隧洞信息化施工過程中，TSP法是綜合超前地質預報技術中最常用的方法。通過地震波反射特征，可以準確預測隧洞施工150m范圍內的特殊地質條件和巖石性質[2]。TSP法還可以提供隧洞信息化施工所需的楊氏模量、泊松比等巖石力學參數，從而促進施工的穩定發展。該方法能夠通過精確的預測技術，對圍巖的等級和屬性進行信息反饋，便于施工。在實際應用中，能準確地對不良地段進行信息反饋，提高施工效率。

但不足在于其對斷層、節理、軟弱巖層界面異常帶在探測成果圖中的顯示較為相近，對于經驗不足的人員或在解釋水平不高的情況下，將很難對不同地質結構的異常帶進行區分，造成判斷失誤，繼而影響工程進度和施工安全性。

（三）地質雷達法

地質雷達方法不同于上述兩種方法，而是一種短程電磁波預報方法，通過利用電磁波在隧洞開挖前方巖體中的傳播和反射特性，根據反射脈沖波的傳播速度和傳播時間的方式，可以預測隧洞開挖面前方的地質條件，預測距離一般為10m-30m，適用于巖溶、斷層破碎帶、軟弱夾層、富水斷層、地下河等非均質地質體或其它含水巖層的預測。具有分辨率高、無損傷、檢測和數據處理速度快、移動性強等特點[3]。

但最大的缺點是可預報范圍小，只能控制在30m以內，用這種方法預報時，很難克服施工隧洞中的干擾因素，影響探測結果的準確性，信息的準確性通常只能保證在10米以內。

二、引水隧洞中綜合超前地質預報技術的應用優化建議

（一）科學理論指導

在隧洞施工過程中，施工地的地質要素與周圍地質系統的相互作用通常被視為一個整體系統，在對這一系統進行分析和研究時，應遵循以下原則：

第一，整體性原則。要從整體出發，明確整體性原則，即從整體出發，認識要素之間的非加性關系[4];

第二，動態原則。系統的每個組成部分都是靈活的，在應用超前地質預報技術對其進行預測時，應當堅持每個構成要素都是靈活的，都是可變動的的思想。

第三，合理優化原則。這就要求在建設過程中，把建設中存在的問題統籌兼顧，實現效益最大化。例如，通過新技術的檢測，可以知道隧洞圍巖存在不良地質，類似于高應力軟巖的問題。如果施工開挖，會影響隧洞的施工，甚至導致變形。此時，合理的做法是不支護隧洞，讓其自然變化，直至變形程度減輕。

（二）定性分析

定性分析需要利用地質地面調查方法來預測隧洞建設范圍。然后，根據具體情況，采用編錄、素描等方法，對存在較大問題的領域進行了系統、詳細的分析和探討。

（三）定量分析

定量分析是在定性分析的基礎上，確定隧洞施工過程中不良地質地段的類別和特征，并通過一定的公式進行準確計算和定位[5]。此外，還可以利用一定的儀器設備，合理采集和限制重要地段的參數，做好隧洞監控作業，結合具體情況為隧洞施工提供一定的科學數據。

三、工程實例分析

（一）工程概況

本次研究選取的隧洞位于秦嶺腹地，屬于秦嶺中山區。山脈總體呈東西走向。太白盆地分布于近東西向的山區。盆地南北山區為構造侵蝕地貌，海拔1700～3500m，河谷發育，植被茂密。盆地東西長約15公里，南北寬3-5公里。盆地東部五里坡是長江水系與黃河水系的分水嶺，海拔1800-2000m，隧洞穿越區位于太白盆地南緣，東高西低，海拔1600-1800m。施工段的圍巖主要為凝灰質砂巖、凝灰巖、鉀質花崗巖，圍巖類別以Ⅱ類為主。

（二）綜合超前地質預報法的應用

為了合理安排施工進度，配置施工資源，必須對該區域的地質條件進行宏觀的整體預測，同時對隧洞前方一定范圍內的圍巖條件和不良地質現象進行更加精確的預測。從上文分析可知，不同地質超前預報方法都有一定的局限性。為此，本項目探索了隧洞綜合超前地質預報方法，制定了隧洞綜合超前地質預報流程。如圖1所示。

通過對區域地質、歷次地質勘探成果及開挖揭露的地質條件進行統計分析，擬定補充地表調查路線，確定重點調查內容，開展補充地表調查，復核歷次地質資料，綜合對比不同超前地質預報技術各自的優劣勢，結合本隧洞工作面地質錄井，最終擇采用TSP試驗進行隧洞中長距離地質預測，采用探地雷達進行隧洞短距離地質預測。原因如下：（1）地面地質調查法適用于隧洞埋深較小、地質構造簡單的工程施工，此時才可有較高的精度較高。而本次工程的地層巖性和巖石結構本身較為復雜，這將使得該技術的預測精度降低，對比排除地面地質調查法。（2）地質雷達法雖然適用于多種含水巖層的預測，且對于數據的處理速度快，但不足在于可預報范圍小，本工程的預測范圍較大，采用地質雷達法的費用過高且精度不夠，因此予以排除。（3）TSP能夠進行大范圍的預測，且工程具備經驗豐富的人員，因此可以有效避免判斷失誤，故最終選擇TSP法。

結合應用超前地質預報技術后得出，里程K15+397～K15+336出現低阻斷裂帶，斷裂帶影響帶為K15+381～K15+360，寬度約21m，聲速約1850m/s，可能出現斷塊，裂隙水較發育（如表1、圖2所示）。

結合綜合地質超預報結果，提出以下結論建議：

（1）TBM掘進至K15+381～K15+360斷層破碎帶時，注意地下水的發育;

（2）巖體穩定性差，易發生局部坍塌，對此，可以采用超前固結灌漿加固后及時掘進的方式;

（3）掘進參數動態調整，及時跟進。

（三）綜合超前地質預報情況與隧洞實際開挖情況比較

K15+397至導流洞進口開挖61m后，實際地質情況如下：

（1） K15+397～+383巖體以微風化為主，巖體較完整破碎，巖石堅硬，節理裂隙較發育，層間膠結一般，巖體呈塊狀結構，局部有掉塊現象。

（2） K15+383～+358.9巖體以強風化為主，節理裂隙發育。巖體較破碎，呈碎裂結構，層間粘結性差，夾軟弱夾層及粘土，崩塌、崩塌嚴重，裂隙水發育，存在斷層擦痕，夾斷層泥，巖體自穩性差。

（3） K15+358-+336里程范圍內，巖體性質逐漸好轉，由強風化變為弱風化，巖體較破碎，巖石堅硬，節理裂隙發育，層間膠結一般，呈塊狀結構。

結果表明，三種方法對復雜多變地質條件的綜合評價與隧洞開挖后的實際地質條件基本一致，對斷層位置和裂隙影響帶寬度的預測與實際開挖位置相差不大，因此，采用三種方法對隧洞開挖后的地質條件進行綜合評價是可行的，綜合方法在復雜地質超前預報中具有重要作用。另外需要指出的是，在圍巖由Ⅲ類進入Ⅴ類的工程中，為了實現安全過渡，本次工程對于預報成果中存在的異常體，進行超前鉆探，以探明前方圍巖完整程度，及其含水性狀，并加埋孔口封閉器，同時利用前期的長探洞或超前隧洞（掌子在前方的隧洞）已揭露的地質條件，為后期施工起到了較好的指導作用。

四、結論

綜上所述，現代引水隧洞工程大多具有規模大、施工周期長、施工難度大、地質情況復雜多變等特點，若不能準確把握前方施工范圍的地質條件，則十分容易引發塌方、涌水突泥等地質災害。因此，在施工前期地質勘查的基礎上，通過有效、可靠的綜合超前地質預報技術，可幫助明確掌子面前方一定范圍內的圍巖地質條件，并用于指導隧洞施工，能夠有效防止工程地質災害發生。總之，超前地質預報對水工隧洞防控作用明顯，水利行業需進一步加大推廣及普及。

參考文獻：

[1]白亮.綜合超前地質預報技術在TBM法超特長隧洞的應用——以北疆供水二期工程為例[J].水利與建筑工程學報，2020，18（1）：128-134.

[2]廖卓.綜合地質超前預報方法在超深埋長隧洞中的應用[J].科技通報，2015，（3）：128-131.

[3]劉志宏.綜合地質超前預報技術在某電站工程中的應用[J].大壩與安全，2016，（4）：56-61.

[4]李俊杰，張紅綱，何建設， 等.綜合物探技術在方解石隧洞段涌水預報中的應用[J].地球物理學進展，2019，34（2）：737-744.

[5]楊繼華，閆長斌，苗棟， 等.雙護盾TBM施工隧洞綜合超前地質預報方法研究[J].工程地質學報，2019，27（2）：250-259.

云南省滇中引水工程建設管理局 云南 昆明 650000