抽水蓄能電站地下洞室地質(zhì)超前預(yù)報(bào)體系建立與工程應(yīng)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(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在公路、鐵路、水利、引水式電站工程等各行業(yè)中得以全面應(yīng)用并逐漸規(guī)范化，地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率近年來也有較大提升[1-3]。盡管現(xiàn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法種類繁多，但目前適用于抽水蓄能隧洞的預(yù)報(bào)方法及儀器設(shè)備前人總結(jié)較少，亦未有行業(yè)規(guī)范進(jìn)行約束。隨著抽水蓄能項(xiàng)目(以下簡稱“抽蓄項(xiàng)目”)的增多，對開挖隧洞進(jìn)行“全斷面、不間斷、全覆蓋”的地質(zhì)預(yù)報(bào)已提到日程。

抽蓄項(xiàng)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(jìn)廠交通洞、通風(fēng)安全洞，排水排煙洞，泄洪洞、放空洞、導(dǎo)流洞、施工支洞等，各洞室洞徑變化很大，開挖工藝及支護(hù)方式等也各不相同[4]。抽蓄項(xiàng)目地下洞室具有“洞室數(shù)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(zhì)條件復(fù)雜、不同種類的洞室對地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備要求也不同”等特點(diǎn)[5]。隧洞往往由于斷面條件、施工條件等限制而使多種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法不太適應(yīng)，復(fù)雜多變的地質(zhì)條件導(dǎo)致在洞室施工中經(jīng)常會遇到地質(zhì)條件與勘察設(shè)計(jì)不符、圍巖條件變化較大以及出現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害等情況[6]。

針對抽蓄項(xiàng)目洞室的特點(diǎn)，為盡可能減少地質(zhì)預(yù)報(bào)出現(xiàn)的偏差并提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，需要研究一種適用于抽蓄項(xiàng)目地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)采用的方法體系，對隧洞前方圍巖的不良地質(zhì)情況及時預(yù)測，以便開挖風(fēng)險(xiǎn)等級不高時可正常掘進(jìn)；風(fēng)險(xiǎn)等級較高時，應(yīng)通過中期、短期及掌子面地質(zhì)預(yù)報(bào)，對不良地質(zhì)及時發(fā)現(xiàn)，及時處理，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文針對抽蓄項(xiàng)目地下洞室特點(diǎn)，建立了一套多種預(yù)報(bào)方法結(jié)合的綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)體系，并在哈密、鎮(zhèn)安抽水蓄能電站中得以應(yīng)用。

1 地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選擇

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)由來己久，我國自20世紀(jì)50年代開始，先后采用超前地質(zhì)導(dǎo)坑、水平超前鉆探等傳統(tǒng)方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，但因預(yù)報(bào)距離短且對施工干擾大難以推廣[7]。為開發(fā)更加簡便、有效科學(xué)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，我國自20世紀(jì)80年代初期開始探索使用地球物理方法，即地質(zhì)雷達(dá)法、地震反射、負(fù)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(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，并取得了一定的效果。國外相關(guān)研究工作起步雖晚，但進(jìn)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(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用最為廣泛。工程地質(zhì)分析法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探測法、超前鉆探法及TCT法等是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用較為普遍的幾種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[8]。

目前，常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法除常規(guī)的地質(zhì)分析法及超前鉆孔外，發(fā)展最快的是效率較高的物探方法，如TCT法(TGS360Pro設(shè)備)、TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)、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(shù)[9]、陸地聲納法、面波法、紅外探水法、探地雷達(dá)[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(yīng)用最廣的是TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)，但TCT法(TGS360Pro設(shè)備)是最新、最高效，最簡單好用、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度高的三維可視化預(yù)報(bào)方法。在隧道內(nèi)使用反射地震進(jìn)行超前預(yù)報(bào)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(dāng)開挖洞室兩壁掛網(wǎng)噴護(hù)、混凝土澆筑等處理后，常見地震波法需要開啟試驗(yàn)窗口，對支護(hù)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(yù)報(bào)法中，TCT法(TGS360Pro設(shè)備)比較適用于多種斷面、多種工況、多種地質(zhì)條件，適應(yīng)性較強(qiáng)[14]?？傮w而言，常見的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，按地質(zhì)預(yù)報(bào)距離可分為4級：

(1)長期地質(zhì)預(yù)報(bào)(預(yù)報(bào)距離1 000 m)。主要方法有工程地質(zhì)分析法等。

(2)中期地質(zhì)預(yù)報(bào)(預(yù)報(bào)距離200 m)。主要方法有TCT法(TGS設(shè)備)、TGP、TRT、TST和TSP等[15]。

(3)短期地質(zhì)預(yù)報(bào)(預(yù)報(bào)距離20～30 m)。主要方法有地質(zhì)震達(dá)、瞬變電磁法等。

(4)掌子面地質(zhì)預(yù)報(bào)。主要方法有地質(zhì)編錄、超前鉆孔、孔內(nèi)攝像等[16]。

抽蓄項(xiàng)目地下洞室眾多，洞室參數(shù)及工況各異，參數(shù)特征及預(yù)報(bào)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(yīng)性較好的工程地質(zhì)分析法、TCT法(TGS360Pro設(shè)備)、地質(zhì)雷達(dá)長中短結(jié)合的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法作為抽蓄項(xiàng)目地下洞室綜合預(yù)報(bào)方法。

表1 抽水蓄能電站地下洞室參數(shù)特征及預(yù)報(bào)方法

2 地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的建立

因獨(dú)特的水工布置，抽蓄項(xiàng)目隧洞工程規(guī)模大，且往往區(qū)域地質(zhì)背景及工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件復(fù)雜。為盡可能減少預(yù)報(bào)偏差并提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，建立長期、中期、短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)體系十分必要。

2.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)原則

抽蓄項(xiàng)目地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)遵循以下原則：①地質(zhì)分析?；谝延匈Y料并多方收集資料，進(jìn)行地質(zhì)分析，預(yù)報(bào)前對預(yù)報(bào)洞段地質(zhì)條件要有充分認(rèn)知和基本判斷。②全洞段、分階段實(shí)施。地質(zhì)預(yù)報(bào)涵蓋全洞段，隨勘察設(shè)計(jì)階段分步實(shí)施。③預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高。2種以上方法聯(lián)合使用，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，對不良地質(zhì)體的識別準(zhǔn)確率應(yīng)大于85%，定位準(zhǔn)確率應(yīng)大于80%。④施工干擾小。儀器設(shè)備恰當(dāng)，合理安排工作流程，現(xiàn)場操作時間短，對施工干擾小。

2.2 地質(zhì)預(yù)報(bào)風(fēng)險(xiǎn)分級

劃分地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級的目的是對掌子面前方可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害有更為清楚的認(rèn)識，在施工中及時采取相應(yīng)的防范措施，對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害有針對性地定制應(yīng)急預(yù)案。

通過此項(xiàng)工作，查明地下洞室沿線可能的主要地質(zhì)災(zāi)害類型、大體位置及嚴(yán)重程度，分析潛在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性及其后果，建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，并通過專家論證確定數(shù)種超前預(yù)報(bào)方案，作為模糊優(yōu)選系統(tǒng)理論中的決策集，最終確定理論上的最佳方案。

地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級劃分主要是依據(jù)前期地質(zhì)勘察資料及后期地面與洞內(nèi)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，采用工程地質(zhì)分析法進(jìn)行宏觀長期地質(zhì)預(yù)報(bào)，判斷工程區(qū)域內(nèi)可能存在的不良地質(zhì)體的類型、位置、規(guī)模等信息，分析潛在的地質(zhì)災(zāi)害及可能對施工造成的影響，劃分地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級，風(fēng)險(xiǎn)等級可以分為5級：1級(稍有風(fēng)險(xiǎn))、2級(一般風(fēng)險(xiǎn))、3級(顯著風(fēng)險(xiǎn))、4級(高度風(fēng)險(xiǎn))、5級(風(fēng)險(xiǎn)極大)。

2.3 地質(zhì)預(yù)報(bào)三階段劃分

地質(zhì)預(yù)報(bào)的三階段分別為：①第一階段。前期宏觀工程地質(zhì)分析，確定風(fēng)險(xiǎn)等級。②第二階段。采用具體的預(yù)報(bào)方法，確定不良地質(zhì)體種類、位置、規(guī)模等。③第三階段。依據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)原則，按不同風(fēng)險(xiǎn)等級，采用綜合分析法確定預(yù)報(bào)成果，并在開挖中不斷對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，有異常再按流程返回預(yù)報(bào)，持續(xù)改進(jìn)。三階段地質(zhì)預(yù)報(bào)流程見圖1。

圖1 三階段地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

2.4 地質(zhì)預(yù)報(bào)體系建立

抽蓄項(xiàng)目地下洞室地質(zhì)超前預(yù)報(bào)體系建立，就是采用適合抽蓄項(xiàng)目地下洞室地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法、設(shè)備，基于地質(zhì)預(yù)報(bào)基本原則，按“三階段、四原則、五級風(fēng)險(xiǎn)、四級預(yù)報(bào)”方法建立地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程和地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。抽蓄項(xiàng)目地下洞室地質(zhì)超前預(yù)報(bào)流程見圖2。

圖2 抽蓄項(xiàng)目地下洞室地質(zhì)超前預(yù)報(bào)流程

3 工程應(yīng)用

3.1 哈密抽水蓄能電站

3.1.1 風(fēng)險(xiǎn)等級確定

首先，根據(jù)前期已有資料對通風(fēng)兼安全洞k0+093～k0+193洞段進(jìn)行工程地質(zhì)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(qiáng)度低，地下水活動輕微。隧洞開挖存在坍塌、泥巖軟化、冒頂?shù)戎卮蠊こ痰刭|(zhì)問題。據(jù)已開挖洞段地質(zhì)編錄及掌子面揭示情況，該洞段為Ⅳ類圍巖，洞室不穩(wěn)定，臨時支護(hù)為鋼支撐加掛網(wǎng)噴護(hù)混凝土，開挖風(fēng)險(xiǎn)等級為3級，需進(jìn)行中期地質(zhì)預(yù)報(bào)。

掌子面后方洞室兩壁已支護(hù)處理，一般中期預(yù)報(bào)方法需要對已噴護(hù)網(wǎng)片進(jìn)行切割處理，有些還需要炸藥作為震源，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。綜合分析認(rèn)為，采用不受空間及施工條件限制的TCT法(TGS360Pro設(shè)備)直接在掌子面測試。

3.1.2 中期地質(zhì)預(yù)報(bào)(TCT法)的應(yīng)用

采用俄羅斯超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)TCT法(TGS360Pro設(shè)備)對通風(fēng)兼安全洞k0+093～k0+193段進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，對該洞段泊松比、含水概率、相對應(yīng)力、圍巖危險(xiǎn)性等級等進(jìn)行了預(yù)測預(yù)報(bào)。測試成果見圖3。

圖3 k0+093～k0+193洞段測試成果

結(jié)合掌子面揭露地質(zhì)信息，對k0+093～k0+193洞段相對應(yīng)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(xiǎn)等級進(jìn)行綜合分析。預(yù)報(bào)結(jié)果見表2。

表2 TCT法預(yù)報(bào)結(jié)果

3.1.3 開挖驗(yàn)證

通風(fēng)兼安全洞k0+093～k0+193洞段地質(zhì)預(yù)報(bào)段實(shí)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(qiáng)度低，洞室穩(wěn)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(wěn)定，圍巖類別以Ⅲ類為主。

采用本文建立的抽蓄項(xiàng)目地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了掌子面前方100 m地質(zhì)條件，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)85%以上，施工方根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)提前做好了應(yīng)對預(yù)案及處理措施，及時調(diào)整了開挖斷面和臨時支護(hù)方式，開挖順利通過該洞段。地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與開挖對比見圖4。

圖4 地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與開挖對比

3.2 鎮(zhèn)安抽水蓄能電站

3.2.1 風(fēng)險(xiǎn)等級確定

首先，根據(jù)前期已有資料對2號隧道洞k0+965～k0+860洞段進(jìn)行工程地質(zhì)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(jié)構(gòu)，巖層走向?yàn)镹E24°～30°，傾向SE，傾角5°～20°；巖體無強(qiáng)風(fēng)化，弱卸荷水平深度一般8～18 m，弱風(fēng)化下限水平深度20～45 m；地下水不豐富，局部溶隙較發(fā)育，對隧道圍巖穩(wěn)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(fā)育，傾角較為平緩，圍巖自穩(wěn)能力較差，圍巖級別為Ⅳ級，局部由不利結(jié)構(gòu)面組合形成的不穩(wěn)定塊體在開挖過程中可能產(chǎn)生塌方，須及時支護(hù)和加固。參照地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，該洞段開挖風(fēng)險(xiǎn)等級為4級，整體洞段需進(jìn)行長、中短期結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.2.2 中、短期結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用

根據(jù)前期已有地質(zhì)資料進(jìn)行分析，k0+930～k0+880洞段可能存在不利結(jié)構(gòu)面組合形成的不穩(wěn)定塊體，在開挖過程中可能產(chǎn)生塌方，需進(jìn)行預(yù)報(bào)。不利結(jié)構(gòu)面主要有3組：①組。NW325°NE∠18°，寬0.1～0.2 cm，充填巖屑、鈣質(zhì)，少量泥質(zhì)，面較平直粗糙，發(fā)育大于5條。②組。NE6°SE∠81°，寬0.1～0.2 cm，充填巖屑、泥質(zhì)、鈣質(zhì)，面較平直粗糙，發(fā)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(zhì)，面平直光滑，可見延伸大于5 m。

(1)中期地質(zhì)預(yù)報(bào)TRT7000預(yù)報(bào)法。TRT7000法測試結(jié)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(fā)育，局部裂隙水呈滲出狀，開挖支護(hù)不及時，局部易產(chǎn)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(zhì)預(yù)報(bào)TGS360預(yù)報(bào)法。TGS360地質(zhì)預(yù)報(bào)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(fā)育，圍巖總體穩(wěn)定性較好。k0+936～k0+926洞段局部可能存在較破碎區(qū)域或溶隙發(fā)育區(qū)，較掌子面潮濕局部可能含水，危險(xiǎn)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(fā)育，圍巖總體穩(wěn)定性較好。k0+911～k0+901洞段可能存在破碎帶或斷層，危險(xiǎn)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(fā)育，圍巖總體穩(wěn)定性較好。k0+895～k0+885洞段應(yīng)力云圖有很大差異，波速變化很大，此區(qū)域可能存在溶孔或溶縫，含水可能性較大，危險(xiǎn)等級5級。

圖7 圍巖危險(xiǎn)等級劃分

圖8 地下水含水概率分布

(3)短期地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)法。k0+919～k0+889洞段地質(zhì)雷達(dá)測試成果見圖9。從圖9可知，0～160 ns的區(qū)段內(nèi)(距離深度為0～8 m的區(qū)段即k0+919～k0+911洞段)電磁波反射相對明顯，主要原因?yàn)榱严栋l(fā)育，局部溶蝕裂隙發(fā)育，裂隙含水。160～600 ns的區(qū)段內(nèi)(距離深度為8～30 m的區(qū)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(fā)育或者地質(zhì)異常，開挖時應(yīng)注意觀察。

圖9 地質(zhì)雷達(dá)試驗(yàn)成果

3.2.3 開挖驗(yàn)證

k0+966～k0+816洞段巖性為條紋條痕大理巖，灰白色，微風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀NE50°～55°SE∠15-25°，巖層傾角較緩，整體穩(wěn)定性一般，洞內(nèi)較干燥，局部洞段(k0+925～k0+932洞段)存在滲水～串珠狀滴水現(xiàn)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(fā)育導(dǎo)致洞室整體穩(wěn)定性較差，為Ⅳ級。

采用本文建立的抽水蓄能電站地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了掌子面前方100 m地質(zhì)條件。結(jié)果表明，k0+910～k0+900洞段洞室整體穩(wěn)定性差，存在局部坍塌的可能，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)85%以上。施工方根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)提前做好了應(yīng)對預(yù)案及處理措施，及時調(diào)整了開挖斷面和臨時支護(hù)方式，開挖順利通過該洞段。

4 結(jié) 語

目前，地下洞室預(yù)測預(yù)報(bào)主要針對公路、鐵路、引調(diào)水等線狀工程開展，針對地下洞室眾多、洞型各異的抽蓄項(xiàng)目開展較少。本文根據(jù)抽蓄項(xiàng)目地下洞室?guī)缀翁卣髋c地質(zhì)條件，基于地質(zhì)預(yù)報(bào)基本原則，選擇適合抽蓄項(xiàng)目地下洞室地質(zhì)預(yù)報(bào)方法、設(shè)備，采用工程地質(zhì)分析法，TCT法(TGS360Pro設(shè)備)，地質(zhì)雷達(dá)法長、中、短期預(yù)報(bào)方法與開挖面地質(zhì)分析相結(jié)合，按“三階段、四原則、五級風(fēng)險(xiǎn)、四級預(yù)報(bào)”方法，建立地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程和地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，并在哈密、鎮(zhèn)安2個抽水蓄能電站項(xiàng)目得到較好的應(yīng)用，可為同類工程提供借鑒。