引水隧洞中综合超前地质预报技术应用研究

游洋

摘要：近年来，超前地质预报技术在我国的发展较为迅速并在实际工程预报中取得了较好效果，但不同的超前地质预报技术在实际应用中均有一定的局限，为使超前地质预报技术效果最优化、最大限度的提升预报结果的准确性，就需要结合施工地的实际情况对不同超前地质预报技术进行组合应用。基于此，文章在对现阶段超前地质预报技术的常见方法、问题进行分析的基础上，提出了相关的应用优化建议和组合使用建议，并结合工程实例实际探讨了引水隧洞中综合超前地质预报技术的应用效果，以供参考。

关键词：引水隧洞;综合超前地质预报技术;应用;研究

一、引水隧洞中综合超前地质预报技术的常用方法及存在的问题

（一）地面地质调查法

地面地质调查法是一种长期超前的地质预测方法，主要根据地下地表结构的相关原理，对隧洞附近地段进行初步预测，得到不良地段的轮廓，预测范围在200m左右，在实际施工作业中应用性强，成本低[1]。

地质调查包括隧洞勘察设计资料的收集与分析、隧洞工程地质及水文地质面补充调查、隧洞内地质素描。常用于隧洞可能发生的地质灾害的初步预测，适用于各种地质环境。当隧洞埋深较小，地质构造简单时，精度较高。但在实际应用过程中，由于预测范围相对狭窄，很难预测深部地质水平，特别是地层岩性的变化，以及岩石结构本身的复杂多变，增加了隧洞综合地质预测的难度。

（二）TSP法

在隧洞信息化施工过程中，TSP法是综合超前地质预报技术中最常用的方法。通过地震波反射特征，可以准确预测隧洞施工150m范围内的特殊地质条件和岩石性质[2]。TSP法还可以提供隧洞信息化施工所需的杨氏模量、泊松比等岩石力学参数，从而促进施工的稳定发展。该方法能够通过精确的预测技术，对围岩的等级和属性进行信息反馈，便于施工。在实际应用中，能准确地对不良地段进行信息反馈，提高施工效率。

但不足在于其对断层、节理、软弱岩层界面异常带在探测成果图中的显示较为相近，对于经验不足的人员或在解释水平不高的情况下，将很难对不同地质结构的异常带进行区分，造成判断失误，继而影响工程进度和施工安全性。

（三）地质雷达法

地质雷达方法不同于上述两种方法，而是一种短程电磁波预报方法，通过利用电磁波在隧洞开挖前方岩体中的传播和反射特性，根据反射脉冲波的传播速度和传播时间的方式，可以預测隧洞开挖面前方的地质条件，预测距离一般为10m-30m，适用于岩溶、断层破碎带、软弱夹层、富水断层、地下河等非均质地质体或其它含水岩层的预测。具有分辨率高、无损伤、检测和数据处理速度快、移动性强等特点[3]。

但最大的缺点是可预报范围小，只能控制在30m以内，用这种方法预报时，很难克服施工隧洞中的干扰因素，影响探测结果的准确性，信息的准确性通常只能保证在10米以内。

二、引水隧洞中综合超前地质预报技术的应用优化建议

（一）科学理论指导

在隧洞施工过程中，施工地的地质要素与周围地质系统的相互作用通常被视为一个整体系统，在对这一系统进行分析和研究时，应遵循以下原则：

第一，整体性原则。要从整体出发，明确整体性原则，即从整体出发，认识要素之间的非加性关系[4];

第二，动态原则。系统的每个组成部分都是灵活的，在应用超前地质预报技术对其进行预测时，应当坚持每个构成要素都是灵活的，都是可变动的的思想。

第三，合理优化原则。这就要求在建设过程中，把建设中存在的问题统筹兼顾，实现效益最大化。例如，通过新技术的检测，可以知道隧洞围岩存在不良地质，类似于高应力软岩的问题。如果施工开挖，会影响隧洞的施工，甚至导致变形。此时，合理的做法是不支护隧洞，让其自然变化，直至变形程度减轻。

（二）定性分析

定性分析需要利用地质地面调查方法来预测隧洞建设范围。然后，根据具体情况，采用编录、素描等方法，对存在较大问题的领域进行了系统、详细的分析和探讨。

（三）定量分析

定量分析是在定性分析的基础上，确定隧洞施工过程中不良地质地段的类别和特征，并通过一定的公式进行准确计算和定位[5]。此外，还可以利用一定的仪器设备，合理采集和限制重要地段的参数，做好隧洞监控作业，结合具体情况为隧洞施工提供一定的科学数据。

三、工程实例分析

（一）工程概况

本次研究选取的隧洞位于秦岭腹地，属于秦岭中山区。山脉总体呈东西走向。太白盆地分布于近东西向的山区。盆地南北山区为构造侵蚀地貌，海拔1700～3500m，河谷发育，植被茂密。盆地东西长约15公里，南北宽3-5公里。盆地东部五里坡是长江水系与黄河水系的分水岭，海拔1800-2000m，隧洞穿越区位于太白盆地南缘，东高西低，海拔1600-1800m。施工段的围岩主要为凝灰质砂岩、凝灰岩、钾质花岗岩，围岩类别以Ⅱ类为主。

（二）综合超前地质预报法的应用

为了合理安排施工进度，配置施工资源，必须对该区域的地质条件进行宏观的整体预测，同时对隧洞前方一定范围内的围岩条件和不良地质现象进行更加精确的预测。从上文分析可知，不同地质超前预报方法都有一定的局限性。为此，本项目探索了隧洞综合超前地质预报方法，制定了隧洞综合超前地质预报流程。如图1所示。

通过对区域地质、历次地质勘探成果及开挖揭露的地质条件进行统计分析，拟定补充地表调查路线，确定重点调查内容，开展补充地表调查，复核历次地质资料，综合对比不同超前地质预报技术各自的优劣势，结合本隧洞工作面地质录井，最终择采用TSP试验进行隧洞中长距离地质预测，采用探地雷达进行隧洞短距离地质预测。原因如下：（1）地面地质调查法适用于隧洞埋深较小、地质构造简单的工程施工，此时才可有较高的精度较高。而本次工程的地层岩性和岩石结构本身较为复杂，这将使得该技术的预测精度降低，对比排除地面地质调查法。（2）地质雷达法虽然适用于多种含水岩层的预测，且对于数据的处理速度快，但不足在于可预报范围小，本工程的预测范围较大，采用地质雷达法的费用过高且精度不够，因此予以排除。（3）TSP能够进行大范围的预测，且工程具备经验丰富的人员，因此可以有效避免判断失误，故最终选择TSP法。

结合应用超前地质预报技术后得出，里程K15+397～K15+336出现低阻断裂带，断裂带影响带为K15+381～K15+360，宽度约21m，声速约1850m/s，可能出现断块，裂隙水较发育（如表1、图2所示）。

结合综合地质超预报结果，提出以下结论建议：

（1）TBM掘进至K15+381～K15+360断层破碎带时，注意地下水的发育;

（2）岩体稳定性差，易发生局部坍塌，对此，可以采用超前固结灌浆加固后及时掘进的方式;

（3）掘进参数动态调整，及时跟进。

（三）综合超前地质预报情况与隧洞实际开挖情况比较

K15+397至导流洞进口开挖61m后，实际地质情况如下：

（1） K15+397～+383岩体以微风化为主，岩体较完整破碎，岩石坚硬，节理裂隙较发育，层间胶结一般，岩体呈块状结构，局部有掉块现象。

（2） K15+383～+358.9岩体以强风化为主，节理裂隙发育。岩体较破碎，呈碎裂结构，层间粘结性差，夹软弱夹层及粘土，崩塌、崩塌严重，裂隙水发育，存在断层擦痕，夹断层泥，岩体自稳性差。

（3） K15+358-+336里程范围内，岩体性质逐渐好转，由强风化变为弱风化，岩体较破碎，岩石坚硬，节理裂隙发育，层间胶结一般，呈块状结构。

结果表明，三种方法对复杂多变地质条件的综合评价与隧洞开挖后的实际地质条件基本一致，对断层位置和裂隙影响带宽度的预测与实际开挖位置相差不大，因此，采用三种方法对隧洞开挖后的地质条件进行综合评价是可行的，综合方法在复杂地质超前预报中具有重要作用。另外需要指出的是，在围岩由Ⅲ类进入Ⅴ类的工程中，为了实现安全过渡，本次工程对于预报成果中存在的异常体，进行超前钻探，以探明前方围岩完整程度，及其含水性状，并加埋孔口封闭器，同时利用前期的长探洞或超前隧洞（掌子在前方的隧洞）已揭露的地质条件，为后期施工起到了较好的指导作用。

四、结论

综上所述，现代引水隧洞工程大多具有规模大、施工周期长、施工难度大、地质情况复杂多变等特点，若不能准确把握前方施工范围的地质条件，则十分容易引发塌方、涌水突泥等地质灾害。因此，在施工前期地质勘查的基础上，通过有效、可靠的综合超前地质预报技术，可帮助明确掌子面前方一定范围内的围岩地质条件，并用于指导隧洞施工，能够有效防止工程地质灾害发生。总之，超前地质预报对水工隧洞防控作用明显，水利行业需进一步加大推广及普及。

参考文献：

[1]白亮.綜合超前地质预报技术在TBM法超特长隧洞的应用——以北疆供水二期工程为例[J].水利与建筑工程学报，2020，18（1）：128-134.

[2]廖卓.综合地质超前预报方法在超深埋长隧洞中的应用[J].科技通报，2015，（3）：128-131.

[3]刘志宏.综合地质超前预报技术在某电站工程中的应用[J].大坝与安全，2016，（4）：56-61.

[4]李俊杰，张红纲，何建设， 等.综合物探技术在方解石隧洞段涌水预报中的应用[J].地球物理学进展，2019，34（2）：737-744.

[5]杨继华，闫长斌，苗栋， 等.双护盾TBM施工隧洞综合超前地质预报方法研究[J].工程地质学报，2019，27（2）：250-259.

云南省滇中引水工程建设管理局 云南 昆明 650000