抽水蓄能電站地下洞室地質超前預報體系建立與工程應用

董金良，段君奇，劉 昌，巨廣宏，仝 帆，張巖祥，馬 軍

(1.新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆 哈密 839000；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

超前地質預報技術在公路、鐵路、水利、引水式電站工程等各行業中得以全面應用并逐漸規范化，地質預報準確率近年來也有較大提升[1-3]。盡管現行地質超前預報方法種類繁多，但目前適用于抽水蓄能隧洞的預報方法及儀器設備前人總結較少，亦未有行業規范進行約束。隨著抽水蓄能項目(以下簡稱“抽蓄項目”)的增多，對開挖隧洞進行“全斷面、不間斷、全覆蓋”的地質預報已提到日程。

抽蓄項目地下洞室一般有40余條，包括輸水洞、地下廠房、高壓岔管洞、進廠交通洞、通風安全洞，排水排煙洞，泄洪洞、放空洞、導流洞、施工支洞等，各洞室洞徑變化很大，開挖工藝及支護方式等也各不相同[4]。抽蓄項目地下洞室具有“洞室數量多、種類多、斷面變化大、坡度變化大、地下廠房跨度大、地下水位變化大、地下洞室埋深大、地質條件復雜、不同種類的洞室對地質預報設備要求也不同”等特點[5]。隧洞往往由于斷面條件、施工條件等限制而使多種地質預報方法不太適應，復雜多變的地質條件導致在洞室施工中經常會遇到地質條件與勘察設計不符、圍巖條件變化較大以及出現突發性地質災害等情況[6]。

針對抽蓄項目洞室的特點，為盡可能減少地質預報出現的偏差并提高預報準確率，需要研究一種適用于抽蓄項目地質預報應采用的方法體系，對隧洞前方圍巖的不良地質情況及時預測，以便開挖風險等級不高時可正常掘進；風險等級較高時，應通過中期、短期及掌子面地質預報，對不良地質及時發現，及時處理，降低工程風險。為此，本文針對抽蓄項目地下洞室特點，建立了一套多種預報方法結合的綜合地質超前預報體系，并在哈密、鎮安抽水蓄能電站中得以應用。

1 地質預報方法選擇

地質超前預報由來己久，我國自20世紀50年代開始，先后采用超前地質導坑、水平超前鉆探等傳統方法進行超前預報，但因預報距離短且對施工干擾大難以推廣[7]。為開發更加簡便、有效科學的地質超前預報方法，我國自20世紀80年代初期開始探索使用地球物理方法，即地質雷達法、地震反射、負視速度法、陸地聲納法、紅外探測法和水平聲波剖面法等方法進行地質超前預報，并取得了一定的效果。國外相關研究工作起步雖晚，但進展迅速，尤以瑞士Amberg公司推出的基于地震反射波法的TSP地質超前預報系統在國內的應用最為廣泛。工程地質分析法、TSP法、地質雷達法、紅外探測法、超前鉆探法及TCT法等是當前國內外應用較為普遍的幾種地質預報方法[8]。

目前，常用的超前地質預報方法除常規的地質分析法及超前鉆孔外，發展最快的是效率較高的物探方法，如TCT法(TGS360Pro設備)、TSP203預報系統、TVSP法、綜合地震成像、水平聲波剖面法、TRT真地震反射成像技術[9]、陸地聲納法、面波法、紅外探水法、探地雷達[10]、BEAM法和瞬變電磁法等，前6種方法是利用地震反射波原理，其中應用最廣的是TSP203預報系統，但TCT法(TGS360Pro設備)是最新、最高效，最簡單好用、預報準確度高的三維可視化預報方法。在隧道內使用反射地震進行超前預報時，觀測的空間有限，同時隧道圍巖不同方向都可能形成反射，使之在解釋與判別方面存在很大的困難[11]。當開挖洞室兩壁掛網噴護、混凝土澆筑等處理后，常見地震波法需要開啟試驗窗口，對支護的整體性有傷害，而且用時長[12-13]。幾種常見的地震反射波原理預報法中，TCT法(TGS360Pro設備)比較適用于多種斷面、多種工況、多種地質條件，適應性較強[14]。總體而言，常見的地質超前預報方法，按地質預報距離可分為4級：

(1)長期地質預報(預報距離1 000 m)。主要方法有工程地質分析法等。

(2)中期地質預報(預報距離200 m)。主要方法有TCT法(TGS設備)、TGP、TRT、TST和TSP等[15]。

(3)短期地質預報(預報距離20～30 m)。主要方法有地質震達、瞬變電磁法等。

(4)掌子面地質預報。主要方法有地質編錄、超前鉆孔、孔內攝像等[16]。

抽蓄項目地下洞室眾多，洞室參數及工況各異，參數特征及預報方法對比見表1。受斷面條件、施工條件等限制，本文選擇適應性較好的工程地質分析法、TCT法(TGS360Pro設備)、地質雷達長中短結合的地質預報方法作為抽蓄項目地下洞室綜合預報方法。

表1 抽水蓄能電站地下洞室參數特征及預報方法

2 地質預報體系的建立

因獨特的水工布置，抽蓄項目隧洞工程規模大，且往往區域地質背景及工程地質條件、水文地質條件復雜。為盡可能減少預報偏差并提高預報準確率，建立長期、中期、短期地質超前預報相結合的地質綜合預報體系十分必要。

2.1 地質預報原則

抽蓄項目地質預報應遵循以下原則：①地質分析。基于已有資料并多方收集資料，進行地質分析，預報前對預報洞段地質條件要有充分認知和基本判斷。②全洞段、分階段實施。地質預報涵蓋全洞段，隨勘察設計階段分步實施。③預報準確率高。2種以上方法聯合使用，提高預報準確性，對不良地質體的識別準確率應大于85%，定位準確率應大于80%。④施工干擾小。儀器設備恰當，合理安排工作流程，現場操作時間短，對施工干擾小。

2.2 地質預報風險分級

劃分地質風險等級的目的是對掌子面前方可能出現的地質災害有更為清楚的認識，在施工中及時采取相應的防范措施，對可能發生的地質災害有針對性地定制應急預案。

通過此項工作，查明地下洞室沿線可能的主要地質災害類型、大體位置及嚴重程度，分析潛在風險發生的可能性及其后果，建立超前地質預報體系，并通過專家論證確定數種超前預報方案，作為模糊優選系統理論中的決策集，最終確定理論上的最佳方案。

地質風險等級劃分主要是依據前期地質勘察資料及后期地面與洞內的地質調查結果，采用工程地質分析法進行宏觀長期地質預報，判斷工程區域內可能存在的不良地質體的類型、位置、規模等信息，分析潛在的地質災害及可能對施工造成的影響，劃分地質風險等級，風險等級可以分為5級：1級(稍有風險)、2級(一般風險)、3級(顯著風險)、4級(高度風險)、5級(風險極大)。

2.3 地質預報三階段劃分

地質預報的三階段分別為：①第一階段。前期宏觀工程地質分析，確定風險等級。②第二階段。采用具體的預報方法，確定不良地質體種類、位置、規模等。③第三階段。依據地質預報原則，按不同風險等級，采用綜合分析法確定預報成果，并在開挖中不斷對預報結果進行驗證，有異常再按流程返回預報，持續改進。三階段地質預報流程見圖1。

圖1 三階段地質預報流程

2.4 地質預報體系建立

抽蓄項目地下洞室地質超前預報體系建立，就是采用適合抽蓄項目地下洞室地質預報的方法、設備，基于地質預報基本原則，按“三階段、四原則、五級風險、四級預報”方法建立地質預報工作流程和地質預報體系。抽蓄項目地下洞室地質超前預報流程見圖2。

圖2 抽蓄項目地下洞室地質超前預報流程

3 工程應用

3.1 哈密抽水蓄能電站

3.1.1 風險等級確定

首先，根據前期已有資料對通風兼安全洞k0+093～k0+193洞段進行工程地質分析。該隧洞埋深淺，一般40～100 m，巖性為暗紫紅色泥巖夾砂巖，泥巖為軟巖，抗壓強度低，地下水活動輕微。隧洞開挖存在坍塌、泥巖軟化、冒頂等重大工程地質問題。據已開挖洞段地質編錄及掌子面揭示情況，該洞段為Ⅳ類圍巖，洞室不穩定，臨時支護為鋼支撐加掛網噴護混凝土，開挖風險等級為3級，需進行中期地質預報。

掌子面后方洞室兩壁已支護處理，一般中期預報方法需要對已噴護網片進行切割處理，有些還需要炸藥作為震源，存在安全風險。綜合分析認為，采用不受空間及施工條件限制的TCT法(TGS360Pro設備)直接在掌子面測試。

3.1.2 中期地質預報(TCT法)的應用

采用俄羅斯超前預報系統TCT法(TGS360Pro設備)對通風兼安全洞k0+093～k0+193段進行現場數據采集，對該洞段泊松比、含水概率、相對應力、圍巖危險性等級等進行了預測預報。測試成果見圖3。

圖3 k0+093～k0+193洞段測試成果

結合掌子面揭露地質信息，對k0+093～k0+193洞段相對應力、含水概率、縱波波速、橫波波速、縱橫波波速比、泊松比、楊氏模量、圍巖危險等級進行綜合分析。預報結果見表2。

表2 TCT法預報結果

3.1.3 開挖驗證

通風兼安全洞k0+093～k0+193洞段地質預報段實際開挖為：k0+093～k0+145洞段巖性為泥巖，暗紫紅色，為軟巖，飽水抗壓強度低，洞室穩定性差，圍巖類別為Ⅲ類～Ⅳ類，以Ⅳ類為主；k0+145～k0+193洞段巖性為砂巖夾泥巖，洞室較穩定，圍巖類別以Ⅲ類為主。

采用本文建立的抽蓄項目地質預報體系，較準確地預報了掌子面前方100 m地質條件，預報準確率達85%以上，施工方根據地質預報提前做好了應對預案及處理措施，及時調整了開挖斷面和臨時支護方式，開挖順利通過該洞段。地質預報成果與開挖對比見圖4。

圖4 地質預報成果與開挖對比

3.2 鎮安抽水蓄能電站

3.2.1 風險等級確定

首先，根據前期已有資料對2號隧道洞k0+965～k0+860洞段進行工程地質分析。2號隧道布置在上下水庫連接公路k0+860～k0+965洞段，隧道寬8.7 m，高4.5m，底板縱向坡度8%。隧道穿越地層為震旦系條紋條痕大理巖，薄層結構，巖層走向為NE24°～30°，傾向SE，傾角5°～20°；巖體無強風化，弱卸荷水平深度一般8～18 m，弱風化下限水平深度20～45 m；地下水不豐富，局部溶隙較發育，對隧道圍巖穩定不利。

該洞段隧道頂板埋深10～35 m，巖性以薄層條紋條痕大理巖為主，層面裂隙發育，傾角較為平緩，圍巖自穩能力較差，圍巖級別為Ⅳ級，局部由不利結構面組合形成的不穩定塊體在開挖過程中可能產生塌方，須及時支護和加固。參照地質預報體系，該洞段開挖風險等級為4級，整體洞段需進行長、中短期結合地質預報的地質預報。

3.2.2 中、短期結合地質預報方法的應用

根據前期已有地質資料進行分析，k0+930～k0+880洞段可能存在不利結構面組合形成的不穩定塊體，在開挖過程中可能產生塌方，需進行預報。不利結構面主要有3組：①組。NW325°NE∠18°，寬0.1～0.2 cm，充填巖屑、鈣質，少量泥質，面較平直粗糙，發育大于5條。②組。NE6°SE∠81°，寬0.1～0.2 cm，充填巖屑、泥質、鈣質，面較平直粗糙，發育大于5條，間距1 m。③組。NW340°NE∠80°，寬0.1～0.2 cm，充填巖屑、泥質，面平直光滑，可見延伸大于5 m。

(1)中期地質預報TRT7000預報法。TRT7000法測試結果見圖5、6。從圖5、6可知，k0+965～k0+935洞段未見明顯異常，p波波速為5 800 m/s，圍巖與掌子面類似，圍巖參考等級為III級。k0+935～k0+905洞段張性裂隙較發育，局部裂隙水呈滲出狀，開挖支護不及時，局部易產生掉塊、塌方，圍巖平均波速為5 600 m/s，圍巖以III級為主，局部IV級。

圖5 三維成像圖-立體圖

圖6 波速分布

(2)中期地質預報TGS360預報法。TGS360地質預報成果見圖7、8。從圖7、8可知，k0+966～k0+921洞段巖性為中薄層條紋條痕大理巖，裂隙較發育，圍巖總體穩定性較好。k0+936～k0+926洞段局部可能存在較破碎區域或溶隙發育區，較掌子面潮濕局部可能含水，危險等級4級。k0+921～k0+896洞段巖性以中薄層條紋條痕大理巖，巖體基本無卸荷，裂隙較為發育，圍巖總體穩定性較好。k0+911～k0+901洞段可能存在破碎帶或斷層，危險等級4～5級。k0+896～ k0+851洞段巖性為中薄層條紋條痕大理巖，巖體基本無卸荷，裂隙較為發育，圍巖總體穩定性較好。k0+895～k0+885洞段應力云圖有很大差異，波速變化很大，此區域可能存在溶孔或溶縫，含水可能性較大，危險等級5級。

圖7 圍巖危險等級劃分

圖8 地下水含水概率分布

(3)短期地質預報地質雷達預報法。k0+919～k0+889洞段地質雷達測試成果見圖9。從圖9可知，0～160 ns的區段內(距離深度為0～8 m的區段即k0+919～k0+911洞段)電磁波反射相對明顯，主要原因為裂隙發育，局部溶蝕裂隙發育，裂隙含水。160～600 ns的區段內(距離深度為8～30 m的區段即k0+911～k0+889洞段)電磁波反射相對較弱，衰減快，基本無反射信號，可能為裂隙發育或者地質異常，開挖時應注意觀察。

圖9 地質雷達試驗成果

3.2.3 開挖驗證

k0+966～k0+816洞段巖性為條紋條痕大理巖，灰白色，微風化，巖層產狀NE50°～55°SE∠15-25°，巖層傾角較緩，整體穩定性一般，洞內較干燥，局部洞段(k0+925～k0+932洞段)存在滲水～串珠狀滴水現象，主要在左拱頂部位，圍巖類別以Ⅲ級為主，局部(k0+910～k0+900洞段)由于溶蝕裂隙發育導致洞室整體穩定性較差，為Ⅳ級。

采用本文建立的抽水蓄能電站地質預報體系，較準確地預報了掌子面前方100 m地質條件。結果表明，k0+910～k0+900洞段洞室整體穩定性差，存在局部坍塌的可能，預報準確率達85%以上。施工方根據地質預報提前做好了應對預案及處理措施，及時調整了開挖斷面和臨時支護方式，開挖順利通過該洞段。

4 結 語

目前，地下洞室預測預報主要針對公路、鐵路、引調水等線狀工程開展，針對地下洞室眾多、洞型各異的抽蓄項目開展較少。本文根據抽蓄項目地下洞室幾何特征與地質條件，基于地質預報基本原則，選擇適合抽蓄項目地下洞室地質預報方法、設備，采用工程地質分析法，TCT法(TGS360Pro設備)，地質雷達法長、中、短期預報方法與開挖面地質分析相結合，按“三階段、四原則、五級風險、四級預報”方法，建立地質預報工作流程和地質預報體系，并在哈密、鎮安2個抽水蓄能電站項目得到較好的應用，可為同類工程提供借鑒。