中国水利水电第九工程局有限公司 贵州贵阳 550081
摘要：夹岩工程深埋隧洞长，岩性多样，构造复杂，且穿越强岩溶地层，地下岩溶管道、暗河发育，水文地质条件复杂，特别是汛期，安全隐患极大。采用超前地质预报，可以预测前方可能存在的较大不良地质洞段，及时采取预防措施，取得较好的成果，确保工程顺利进行。
关键词：夹岩工程；深埋长隧洞；地质超前预报；安全、顺利
1 工程概况
夹岩水利枢纽工程为国家重点水利项目，是一座以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件的综合性大型水利枢纽工程。灌区输水隧洞穿越乌蒙山脉段，埋深300m~620m（其中王家坝隧洞长19.2km、猫场隧洞长15.7km、水打桥隧洞长20.6km、长石板隧洞长15.6km），岩性多样，构造复杂，且需穿越强岩溶地层，地下岩溶管道、暗河发育，水文地质条件复杂，在可能揭露富水断层、岩溶发育的富水段，其中遇岩溶及地下水问题较为突出，经设计估算，隧洞穿越暗河管道时，最大涌水量达2m3/s以上，安全隐患极大。
2 超前地质预报目的
通过超前地质预报可以查明隧洞掌子面前方可能存在的较大不良地质缺陷的规模、空间分布情况等，以便设计单位及时做出正确的处理预案，特别是汛期，可以有效地预测预防涌水涌泥等突发事故的发生，确保工程施工顺利完成，避免安全事故发生或造成人员伤亡事故。
3超前地质预报内容
(1)不良地质预测及灾害地质预报：预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议。
(2)水文地质预报：预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响。
(3)断层及其破碎带的预报：预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策。
(4)围岩类别及其稳定性预报：预报掌子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等。
4 超前地质预报的方法
夹岩水利枢纽工程采用地质调查宏观预测、TSP中长距离预报、短距离表面雷达预报、红外探水预报、超前探孔等多种方法进行综合预报，坚持预报在前，先探后掘，最大限度查明不良地质体及地下水状况，以确保隧洞施工安全，本文主要介绍地震反射波超前预报法(TSP)的使用及取得的效果。
4.1 基本原理
在TSP预报系统中采用高灵敏的具有良好动态响应特性的传感器和一对21位的模数转换器保证该测量系统具有很宽的地震波记录范围，通过TSPwin软件处理可以获得：P波，SH波，SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射在探测范围内的2D或3D空间分布，通过分析这些信息能够对隧洞工作面前方围岩工程地质情况的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报。
图1 TSP探测原理图
4.2 TSP探测目的
TSP超前地质预报系统用于预报隧洞前方0～150m范围内及周围临近区域地质状况，预测掌子面前方围岩的类别；主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括地层岩性界面、构造破碎带、富水带、岩溶发育带等不良地质体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。
4.3 观测系统布置
通过在掘进面后方一定距离内的钻孔中进行微型爆破来发射地震波信号，爆破的地震波在岩体中以球面波的形式向四周传播，其中一部分向隧洞前方传播，当波在隧洞前方遇到一界面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也越强。TSP测量系统中使用了两对三分量高灵敏度传感器，高灵敏度传感器按放在特制金属管内放入钻孔中，分别以平行、垂直和径向隧洞轴线的方向，能保证接收由各种不同角度反射回来的反射信号；使用两对水平和垂直布置的传感器还能有效地减小干扰信号的影响。对炮孔的数量、深度、间距、倾角、高度及传感器的安装都有严格的要求。
4.4 现场测试要求
（1）钻孔
在隧洞左右壁各布置1个接收孔，在左或右壁布置24个爆破孔，风钻钻孔。接收孔：距掌子面40～50m，距第一个爆破孔15～20m，接收孔直径φ38～45mm，孔深2.4～2.5m，向下、向洞口方向倾斜约15～20°，孔口距洞底约1.0m。爆破孔：第一个爆破孔距接收孔15～20m，其余爆破孔间距1.5m呈直线分布，孔径φ38～45mm，孔深1.5m，垂直于隧洞轴向，向下倾斜约15～20°，孔口距洞底面约1.0m。
当接收孔和爆破孔造孔完成后，立即插入孔径略小、长度稍长的PVC管，以保护钻孔防止堵孔，在埋设接收器或炸药时，再将PVC管取出。
图2 TSP观测、接收系统平面示意图
（2）接收器埋设
在现场测试至少12小时前，将特制的接收器套管插入孔内，并采用不收缩水泥或锚固剂进行孔内灌注使其与周围岩体粘合在一起，保持接收器套管与周围岩体良好耦合。在现场测试时，将接收传感器安装在特制套管内，连接电缆至TSP主机。
（3）炸药埋设
将瞬发电雷管与炸药连接牢固，塞入爆破孔孔底，然后灌水封闭炮眼。电雷管的两根引线接出孔外与起爆线相连。每个炮眼根据围岩软硬、完整
程度及距接收传感器位置的远近装入不同份量的一级岩石乳化炸药(10～50g)。
（4）试验数据的采集
在放炮采集信号时，应停止周围300m范围内一切施工干扰，自第一炮眼(近接收传感器)激发地震波，记录仪将同时启动并记录地震波信号，分别记录左、右壁传感器的3个分量信号。自动存盘记录后，依此在其它炮眼激发地震波，直到最后一炮记录结束，完成野外试验数据的采集。有效激发孔数不少于20炮。
4.5 资料处理程序
TSPwin地震数据处理程序主要有12个步骤（a、数据设置；b、带通滤波；c、初至拾取；d拾取处理；e、炮能量均衡；f、Q值估计；g、反射波提取；h、Q滤波；i、P波和S波分离；j、速度分析；k深度偏移；i、反射层提取），执行这些子程序有的还需要输入相应参数，有些参数TSPwin可以自动提供。缺省参数分两类：第一类参数是根据采集的数据和相关的测定的几何参数自动计算出来的，此类参数根据系统自动分类并依据相应规则计算而得；第二类参数是建立在地震波基础理论之上并总结世界各地实际测量经验而来的，但由于在测量中不同岩层中波的相互作用，此类通用参数也不并一定合适。总之，在多数情况下，要得出最准确的TSP预报结果就必须对这些参数进行修正。
4.6 成果的应用
反射层提取后，反射层中主要反映探测范围内几何空间上的构造物理信息（包括反射强度和反射极性），TSP处理成果的解释应遵循下述准则：
（1）反射振幅越强，说明反射系数越大，则弹性阻抗差越大。正的反射振幅表明正的反射系数，也就是坚硬岩石；负的反射振幅则表明是软弱岩石。
（2）如果横波(S)反射比纵波(P)反射强，则表明在反射岩石中富含有盐水或饱和水。
（3）Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常是由流体的存在而引起。
（4）若纵波波速(Vp)下降，则表明裂隙度或孔隙度增加。
（5）根据TSP预报结果，结合前期TSP预报成果及工程地质资料进行综合分析，判断掌子面前方的地质状况，推测不良地质体性状及位置，分析地下水赋存情况和围岩完整程度，预测掌子面前方围岩类别。
5 取得的效果
夹岩水利枢纽工程灌区输水深埋长隧洞施工近两年，一直采取TSP中长距离预报在前，短距离预报在后，先探后掘，目前近100km的长隧洞施工完成约60km，同时经历了两个汛期，预测到较大涌水5次、涌泥2次，均及时做出了处理预案，避免了安全事故发生和人员伤亡事故，确保工程施工顺利进行，并取得较好的效果，值得在类似工程中推广应用。
参考文献：
[1] 《水利水电工程物探规程》（SL326-2005）。
[2] 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）。
[3] 《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DLT5099-2011）。
作者简介：曹佳（1984—），女，湖南省邵阳市人，工程师，从事水利水电工程施工及经营管理工作。
论文作者:曹佳
论文发表刊物:《防护工程》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/26
标签：隧洞论文; 反射论文; 地质论文; 围岩论文; 超前论文; 岩溶论文; 地震波论文; 《防护工程》2017年第21期论文;