TRT技術(shù)在西藏德羅引水隧洞施工中的應(yīng)用

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，成都，610213)

1 工程概況

拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則市薩迦縣，是雅魯藏布江右岸一級(jí)支流夏布曲干流上的控制性工程，工程位于海拔高程4300m地區(qū)，高寒缺氧，該工程包括樞紐工程和配套灌區(qū)工程。德羅引水發(fā)電系統(tǒng)是其組成部分，包括進(jìn)水口、德羅引水隧洞、前池、引水壓力鋼管和主廠房，其中德羅引水發(fā)電隧洞長(zhǎng)7.536km，最大埋深213m，圍巖主要為J2z、J1r鈣質(zhì)頁(yè)巖，含泥質(zhì)、炭質(zhì)，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r。圍巖巖性較軟弱，遇水易軟化。部分洞段有基巖裂隙水滲出，頁(yè)巖和斷層破碎帶洞段可能出現(xiàn)大變形，隧洞穿過(guò)Ⅳ1類、Ⅳ2類和Ⅴ類圍巖。施工過(guò)程中采用TRT法對(duì)德羅引水隧洞進(jìn)行中長(zhǎng)距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，查明引水隧洞掌子面前方的圍巖情況，為隧洞施工開(kāi)挖和支護(hù)提供了指導(dǎo)意見(jiàn)和依據(jù)。

2 圍巖地球物理特征

德羅引水隧洞巖體主要為頁(yè)巖、砂巖、板巖及它們的混合巖層，由于巖體性質(zhì)和破碎程度的不同，完整巖體的縱波速度為2900m/s～3800m/s，而軟弱破碎帶、裂隙密集帶、含水帶等不良地質(zhì)體的波速相對(duì)較低，導(dǎo)致完整巖體與相對(duì)破碎巖體之間、含水量不等的巖體之間以及不同巖性巖體之間存在較大的波阻抗差異，這些差異為在開(kāi)挖過(guò)程中預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖中節(jié)理裂隙密集帶、斷層破碎帶、擠壓破碎帶、富水帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)體提供了有利的地球物理?xiàng)l件。

3 TRT方法的原理

3.1 原理簡(jiǎn)介

TRT是隧道地震波反射層析成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)的基本原理是當(dāng)人工激發(fā)的地震波遇到聲學(xué)阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射回來(lái)的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面，反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差異越大，回波就越明顯，越容易被探測(cè)到。通過(guò)對(duì)反射波信息進(jìn)行處理和分析，可了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。

TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：在震源點(diǎn)上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時(shí)，觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給基站，然后基站給無(wú)線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令，并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦，完成地震波數(shù)據(jù)采集。儀器連接詳見(jiàn)圖1。

圖1 TRT6000地震波采集系統(tǒng)模型

德羅引水隧洞開(kāi)挖洞型為馬蹄形隧洞，每次測(cè)試時(shí)共安裝10個(gè)檢波器，檢波器按“2-3-2-3”的方式布置于四個(gè)接收斷面上，斷面間距約5m，其中隧洞左、右邊墻分別布置2個(gè)檢波器，左、右拱角分別布置2個(gè)檢波器，拱頂共布置2個(gè)檢波器；錘擊震源點(diǎn)盡可能靠近掌子面附近，錘擊震源點(diǎn)共12個(gè)，按兩個(gè)斷面布置，斷面間距約2m，每個(gè)斷面布置6個(gè)震源點(diǎn)，其中左、右邊墻各布置3個(gè)。每個(gè)震源點(diǎn)錘擊3次，可獲取360組反射地震波信號(hào)。TRT的震源和檢波器采用立體布置方式，詳見(jiàn)圖2。

圖2 TRT震源和檢波器的布置方式

3.2 成果解析方法和原則

TRT成像圖采用的是相對(duì)解釋原理，即確定一個(gè)背景場(chǎng)，所有解釋相對(duì)背景值進(jìn)行，異常區(qū)域會(huì)偏離背景區(qū)域值，根據(jù)偏離與分布多少解釋隧道前方的地質(zhì)情況。對(duì)圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行解釋判斷的原則如下：

(1)一般來(lái)說(shuō)，軟件設(shè)定圍巖相對(duì)背景值破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)域呈藍(lán)色顯示，相對(duì)背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示；

(2)根據(jù)反射波信息，并結(jié)合巖體分段波速及其相對(duì)變化情況，綜合分析判斷各類地質(zhì)異常體；

(3)從整體上對(duì)成像圖進(jìn)行解釋，不能單獨(dú)參照一個(gè)斷面的圖像；

(4)必須結(jié)合隧洞相關(guān)地質(zhì)情況，進(jìn)行綜合分析判斷。

4 典型斷面成果分析

施工中對(duì)德羅引水隧洞的多個(gè)掌子面開(kāi)展了TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，典型成果分析如下：

4.1 K1+537m～K1+700m段

本次測(cè)試時(shí)，當(dāng)前掌子面樁號(hào)為K1+537m，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)樁號(hào)段為K1+537m～K1+700m，預(yù)報(bào)距離163m，各個(gè)視角的三維成果圖和地震波波速分段圖詳見(jiàn)圖3-圖6。

圖3 K1+537m～K1+700m段三維成像-俯視圖

圖4 K1+537m～K1+700m段三維成像-側(cè)視圖

圖5 K1+537m～K1+700m段三維成像-立體圖

圖6 地震波速度圖(X軸-樁號(hào)、Y軸-速度m/s)

根據(jù)TRT測(cè)試三維成果圖，并結(jié)合地質(zhì)資料，綜合預(yù)報(bào)如下：

(1)預(yù)報(bào)段地震波速度在3086m/s～3989m/s之間，平均速度約為3593m/s；

(2)K1+537m～K1+685m段：地震波總體反射弱，未見(jiàn)大范圍的明顯反射界面，僅在K1+655m樁號(hào)附近零星分布點(diǎn)狀反射；此段地震波速度有逐步減小的趨勢(shì)。由此推測(cè)，此樁號(hào)段的圍巖情況總體上與當(dāng)前掌子面類似，未見(jiàn)明顯的大結(jié)構(gòu)面發(fā)育；但在K1+655m樁號(hào)附近巖體相對(duì)軟弱破碎，局部有輕微地下水活動(dòng)，應(yīng)注意掌子面局部掉塊；

(3)K1+685m～K1+700m段：地震波反射相對(duì)較強(qiáng)，呈藍(lán)黃相間的互層狀，藍(lán)色的低阻抗帶較連續(xù)；此段地震波速度明顯降低。由此推測(cè)，此樁號(hào)段巖體結(jié)構(gòu)面相對(duì)較發(fā)育，巖體軟弱破碎，局部可能有地下水活動(dòng)，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意掌子面坍塌或掉塊，并加強(qiáng)支護(hù)和排水。

4.2 K1+979m～K1+861m段

本次測(cè)試時(shí)，當(dāng)前掌子面樁號(hào)為K1+979m，未見(jiàn)明顯的大結(jié)構(gòu)面發(fā)育。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)樁號(hào)段為K1+979m～K1+861m，預(yù)報(bào)距離118m，各個(gè)視角的三維成果圖和地震波波速分段圖詳見(jiàn)圖7-圖10。

圖7 K1+979m～K1+861m段三維成像-俯視圖

圖8 K1+979m～K1+861m段三維成像-側(cè)視圖

圖9 K1+979m ～K1+861m段三維成像-立體圖

圖10 地震波速度圖(X軸-樁號(hào)、Y軸-速度m/s)

根據(jù)TRT測(cè)試三維成果圖，并結(jié)合地質(zhì)資料，綜合推測(cè)如下：

(1)預(yù)報(bào)段地震波速度在2815m/s～3381m/s之間，平均速度約為3072m/s；

(2)K1+979m～K1+886m段：地震波總體反射弱，未見(jiàn)大范圍的明顯反射界面；此段地震波速度有逐步減小的趨勢(shì)。由此推測(cè)，此樁號(hào)段的圍巖情況總體上與當(dāng)前掌子面類似，未見(jiàn)明顯變化；

(3)K1+886m～K1+861m段：地震波反射相對(duì)較強(qiáng)，呈藍(lán)黃相間的互層狀，且連續(xù)性較差；此段地震波速度明顯降低。由此推測(cè)，此樁號(hào)段巖體結(jié)構(gòu)面相對(duì)較發(fā)育，巖體軟弱破碎，局部有輕微地下水活動(dòng)，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意掌子面掉塊，并加強(qiáng)支護(hù)。

4.3 后續(xù)開(kāi)挖驗(yàn)證情況

(1)K1+537m～K1+685m段：未見(jiàn)明顯的大結(jié)構(gòu)面發(fā)育，與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。在K1+650m～K1+660m樁號(hào)附近掉塊嚴(yán)重，應(yīng)用預(yù)報(bào)成果提前進(jìn)行了處理；

(2)K1+685m～K1+700m段：巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體軟弱破碎，地下水活動(dòng)滲出明顯，與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致，施工中通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)和排水加以解決，取得了很好的效果；

(3)K1+979m～K1+886m段：未見(jiàn)明顯的大結(jié)構(gòu)面發(fā)育，與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致；

(4)K1+886m～K1+861m段：結(jié)構(gòu)面相對(duì)較發(fā)育，巖體軟弱破碎，局部有輕微地下水活動(dòng)，掌子面掉塊嚴(yán)重，與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上典型斷面的預(yù)報(bào)成果可以看出，TRT技術(shù)預(yù)報(bào)了掌子面前方的圍巖情況，對(duì)施工起到了巨大的指導(dǎo)作用。通過(guò)后續(xù)施工驗(yàn)證，準(zhǔn)確率高，為工程提前預(yù)判和采取相應(yīng)工程措施提供了可靠依據(jù)。該方法作為隧洞施工的有力輔助手段，值得大力推廣。