引大济湟工程隧道三维超前地质预报

李海宁,段君奇

(1.青海省引大济湟工程建设运行局，西宁 810000；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

随着公路、铁路、水利水电工程及抽水蓄能电站建设步伐的加快，地下洞室工程地质问题显得尤为突出，如区域构造带、活断层、高地震烈度、高地应力、岩溶发育，以及大跨度地下洞室开挖围岩变形、涌水、突泥、岩爆、岩溶塌陷、有害气体危害等地质问题突出[1-5]。公路行业有过一些地方地质预报标准，如湖北省、云南省纷纷制定了公路隧道施工地质预报规程等。2019中国工程建设标准化协会发布了DB35/T 1866-2019《公路隧道超前地质预报技术规程》，使得公路行业地质预报进一步规范化。2015年铁路行业也发布了统一规范Q/CR 9217-2015《铁路隧道超前地质预报技术规程》。2019年中国工程建设标准化协会发布了T/CECS 616-2019《隧道施工超前地质预报技术规范》[6-7]，使得水电行业有了统一的地质预报规范。近些年抽水蓄能电站项目要求对开挖隧洞进行“全断面、不间断、全覆盖”的地质预报。各行各业对超前地质预报工作重视程度明显增加，要求更加规范化，但水利行业目前还没有相应的地质预报规范[8-10]。

引大济湟工程是一项大型综合水利工程，主要任务是解决湟水干流地区城镇生活、生态、工业、农林牧业用水问题[11]。该工程引水隧洞建筑物等级为2级，洞径 5.6～6.1 m，洞线全长24.3 km，最大埋深约1 100 m。引水隧洞工程线路长、埋深大、地下水位高，且沿途穿越多条大断层。

引大济湟工程引水隧洞穿越的地层岩性多变，工程地质条件复杂，主要工程地质问题有:① 区域大断裂段的稳定问题；② 浅埋松散覆盖层内黏土、壤土、湿陷性黄土洞室的稳定问题[12]；③ 深埋隧洞高水压、富水地段涌水、突泥问题，煤气、瓦斯地层有害气体及瓦斯爆炸问题；④ 高地应力硬岩岩爆及软岩塑性变形等问题[13]，主要不良地质现象现场照片见图1。

图1 部分隧洞洞段不良地质现象照片

在此背景下，青海省引大济湟工程建设运行局在青海引大济湟项目，进行了1 a的超前地质预报研究，对TGS360 Pro隧道三维超前地质预报技术原理、预报分析方法及预报成果进行分析总结、凝练。为高寒地区工程地质预报提供借鉴。

1 TGS360 Pro地质预报原理

TGS360Pro以Byerlee, J.D., 1978.岩石形变理论(T/σ

图2 反射波探测原理

利用TGS360 Pro仪器采集的数据，可以获得隧道掌子面前方的围岩应力、含水可能性、P波波速、S波波速、波速比、泊松比、杨氏模量、危险性等级等8个物性参数[15]。根据8个参数的变化来预报隧道掌子面前方地质情况。TGS采用模块化界面，操作方便简单，数据智能处理，结果重复性不受人为操作因素限制。三维数据体显示，也可按不同高度切片来观测更大围岩范围，直观判断地质破碎带、断层、空洞的位置及大小；准确判断地下水活动情况，处理成果丰富、分析软件计算模型科学、计算方法独特，可提高超前预报病害判断的准确性，提高施工效率，做好应急预案及安全预防。

2 TGS360 Pro地质预报应用

本次试验洞段为引大济湟西干渠31号隧洞进口段，该隧洞埋深10～40 m，地表为强湿陷性黄土，隧洞洞身岩性为暗紫红色泥岩，泥岩为软岩，饱水抗压强度低。隧洞开挖存在坍塌、泥岩软化、流塑、涌水、突泥、冒顶等工程地质问题[16]。TGS测试位置掌子面为桩号50+665.00 m，试验洞段围岩类别为Ⅳ类，地下水活动轻微～中等。因地下水水压长期处于较高水平，洞室岩体强度低，隧洞施工安全风险高，易引发塌方、涌水、突泥、冒顶等事故。

本次预报采用俄罗斯超前预报系统TGS 360 Pro，对引大济湟西干渠31号隧洞进口掌子面50+665.00 m桩号进行了数据采集，对桩号50+665.00 m～50+565.00 m段(即掌子面前方100 m)的泊松比、含水可能性、相对应力、岩体危险性等级等进行了预测预报。洞室腰线高度(距离洞室底板2 m)三维平切预报成果数据见图3：

图3 相对应力参数测试成果图 单位：桩号，m

根据各参数分析，其中50+600.00 m～50+575.00 m洞段泊松比参数变化异常，含水概率高达75%以上，且地下水比较集中，相对应力变化值也高达90%，岩体危险等级达到了最高级Ⅴ级，该洞段涌水、突泥和坍塌的可能性高达80%。具体预测预报分析成果见表1。

表1 TGS360 Pro预报结果表

3 开挖验证

31号洞进口地质预报段实际开挖为：50+665.00 m～50+575.00 m段岩性为泥岩，暗紫红色，泥岩为软岩，饱水抗压强度低，洞室稳定性差。50+665.00 m～50+575.00 m段岩性为板岩，洞室较稳定。本次地质预报在无前期地质资料的基础上，基本较准确的预报了地下水与洞室稳定情况，准确率达80%以上。现场根据地质预报提前做好了应对预案及处理措施，成功通过开挖验证。TGS360 Pro地质预报成果与开挖验证对比见图4。

图4 TGS地质预报成果与开挖对比图 单位：桩号，m

4 结 论

(1) 此次对引大济湟工程31号洞桩号50+665.00 m～50+565.00 m段的预测得到了50+645.00 m～50+610.00 m段发育断层，局部存在开挖掉块；50+600.00 m～50+575.00 m段存在涌水和突泥的可能性，岩体危险性等级高，坍塌、冒顶可能性较大，经与开挖验证对比，结果基本一致。

(2) TGS360 Pro地质超前预报在引大济湟工程中的应用，成功预测了隧洞涌水、突泥、坍塌等不良地质现象，成功避免了洞室坍塌冒顶事件发生，并为应急处理、超前支护和支护设计提供了重要的决策依据。该方法结论直观、准确且操作简单。

(3) 准确预报施工前方地质条件是隧洞地质灾害防控的基础，可靠的超前预报不仅能防范不良地质条件掘进中的塌方、冒顶等重大事故，而且可获得支护参数优化依据，节约工期、节省投资，TGS360 Pro隧道三维地质预报系统可以满足高寒地区隧洞地质预报的要求。