引大濟湟工程隧道三維超前地質預報

李海寧,段君奇

(1.青海省引大濟湟工程建設運行局，西寧 810000；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著公路、鐵路、水利水電工程及抽水蓄能電站建設步伐的加快，地下洞室工程地質問題顯得尤為突出，如區域構造帶、活斷層、高地震烈度、高地應力、巖溶發育，以及大跨度地下洞室開挖圍巖變形、涌水、突泥、巖爆、巖溶塌陷、有害氣體危害等地質問題突出[1-5]。公路行業有過一些地方地質預報標準，如湖北省、云南省紛紛制定了公路隧道施工地質預報規程等。2019中國工程建設標準化協會發布了DB35/T 1866-2019《公路隧道超前地質預報技術規程》，使得公路行業地質預報進一步規范化。2015年鐵路行業也發布了統一規范Q/CR 9217-2015《鐵路隧道超前地質預報技術規程》。2019年中國工程建設標準化協會發布了T/CECS 616-2019《隧道施工超前地質預報技術規范》[6-7]，使得水電行業有了統一的地質預報規范。近些年抽水蓄能電站項目要求對開挖隧洞進行“全斷面、不間斷、全覆蓋”的地質預報。各行各業對超前地質預報工作重視程度明顯增加，要求更加規范化，但水利行業目前還沒有相應的地質預報規范[8-10]。

引大濟湟工程是一項大型綜合水利工程，主要任務是解決湟水干流地區城鎮生活、生態、工業、農林牧業用水問題[11]。該工程引水隧洞建筑物等級為2級，洞徑 5.6～6.1 m，洞線全長24.3 km，最大埋深約1 100 m。引水隧洞工程線路長、埋深大、地下水位高，且沿途穿越多條大斷層。

引大濟湟工程引水隧洞穿越的地層巖性多變，工程地質條件復雜，主要工程地質問題有:① 區域大斷裂段的穩定問題；② 淺埋松散覆蓋層內黏土、壤土、濕陷性黃土洞室的穩定問題[12]；③ 深埋隧洞高水壓、富水地段涌水、突泥問題，煤氣、瓦斯地層有害氣體及瓦斯爆炸問題；④ 高地應力硬巖巖爆及軟巖塑性變形等問題[13]，主要不良地質現象現場照片見圖1。

圖1 部分隧洞洞段不良地質現象照片

在此背景下，青海省引大濟湟工程建設運行局在青海引大濟湟項目，進行了1 a的超前地質預報研究，對TGS360 Pro隧道三維超前地質預報技術原理、預報分析方法及預報成果進行分析總結、凝練。為高寒地區工程地質預報提供借鑒。

1 TGS360 Pro地質預報原理

TGS360Pro以Byerlee, J.D., 1978.巖石形變理論(T/σ

圖2 反射波探測原理

利用TGS360 Pro儀器采集的數據，可以獲得隧道掌子面前方的圍巖應力、含水可能性、P波波速、S波波速、波速比、泊松比、楊氏模量、危險性等級等8個物性參數[15]。根據8個參數的變化來預報隧道掌子面前方地質情況。TGS采用模塊化界面，操作方便簡單，數據智能處理，結果重復性不受人為操作因素限制。三維數據體顯示，也可按不同高度切片來觀測更大圍巖范圍，直觀判斷地質破碎帶、斷層、空洞的位置及大??；準確判斷地下水活動情況，處理成果豐富、分析軟件計算模型科學、計算方法獨特，可提高超前預報病害判斷的準確性，提高施工效率，做好應急預案及安全預防。

2 TGS360 Pro地質預報應用

本次試驗洞段為引大濟湟西干渠31號隧洞進口段，該隧洞埋深10～40 m，地表為強濕陷性黃土，隧洞洞身巖性為暗紫紅色泥巖，泥巖為軟巖，飽水抗壓強度低。隧洞開挖存在坍塌、泥巖軟化、流塑、涌水、突泥、冒頂等工程地質問題[16]。TGS測試位置掌子面為樁號50+665.00 m，試驗洞段圍巖類別為Ⅳ類，地下水活動輕微～中等。因地下水水壓長期處于較高水平，洞室巖體強度低，隧洞施工安全風險高，易引發塌方、涌水、突泥、冒頂等事故。

本次預報采用俄羅斯超前預報系統TGS 360 Pro，對引大濟湟西干渠31號隧洞進口掌子面50+665.00 m樁號進行了數據采集，對樁號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、相對應力、巖體危險性等級等進行了預測預報。洞室腰線高度(距離洞室底板2 m)三維平切預報成果數據見圖3：

圖3 相對應力參數測試成果圖 單位：樁號，m

根據各參數分析，其中50+600.00 m～50+575.00 m洞段泊松比參數變化異常，含水概率高達75%以上，且地下水比較集中，相對應力變化值也高達90%，巖體危險等級達到了最高級Ⅴ級，該洞段涌水、突泥和坍塌的可能性高達80%。具體預測預報分析成果見表1。

表1 TGS360 Pro預報結果表

3 開挖驗證

31號洞進口地質預報段實際開挖為：50+665.00 m～50+575.00 m段巖性為泥巖，暗紫紅色，泥巖為軟巖，飽水抗壓強度低，洞室穩定性差。50+665.00 m～50+575.00 m段巖性為板巖，洞室較穩定。本次地質預報在無前期地質資料的基礎上，基本較準確的預報了地下水與洞室穩定情況，準確率達80%以上?，F場根據地質預報提前做好了應對預案及處理措施，成功通過開挖驗證。TGS360 Pro地質預報成果與開挖驗證對比見圖4。

圖4 TGS地質預報成果與開挖對比圖 單位：樁號，m

4 結 論

(1) 此次對引大濟湟工程31號洞樁號50+665.00 m～50+565.00 m段的預測得到了50+645.00 m～50+610.00 m段發育斷層，局部存在開挖掉塊；50+600.00 m～50+575.00 m段存在涌水和突泥的可能性，巖體危險性等級高，坍塌、冒頂可能性較大，經與開挖驗證對比，結果基本一致。

(2) TGS360 Pro地質超前預報在引大濟湟工程中的應用，成功預測了隧洞涌水、突泥、坍塌等不良地質現象，成功避免了洞室坍塌冒頂事件發生，并為應急處理、超前支護和支護設計提供了重要的決策依據。該方法結論直觀、準確且操作簡單。

(3) 準確預報施工前方地質條件是隧洞地質災害防控的基礎，可靠的超前預報不僅能防范不良地質條件掘進中的塌方、冒頂等重大事故，而且可獲得支護參數優化依據，節約工期、節省投資，TGS360 Pro隧道三維地質預報系統可以滿足高寒地區隧洞地質預報的要求。