羅 宇, 胡 帥

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

玉瓦水電站引水發(fā)電隧洞TRT技術(shù)地質(zhì)超前預(yù)報

羅 宇, 胡 帥

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

主要介紹TRT地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的工作原理和方法,闡述該方法在玉瓦水電站引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報中的實際使用情況及效果,總結(jié)TRT地質(zhì)超前預(yù)報優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,證明TRT技術(shù)在隧洞中長距離預(yù)測結(jié)果具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和精度。

TRT;地質(zhì)超前預(yù)報;隧洞

水利水電建設(shè)中常有深埋長隧洞,然而目前深埋長隧洞的前期勘探卻缺乏有效的手段,難以滿足指導(dǎo)施工的要求,在隧洞施工過程中常遇到塌方、突泥、突水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害。這些地質(zhì)災(zāi)害對施工進(jìn)度造成了較嚴(yán)重的影響,并對人員和設(shè)備安全構(gòu)成了威脅,因此地質(zhì)預(yù)測預(yù)報在深埋長隧洞施工中尤為重要。

隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報研究已有60多年,但受技術(shù)限制,在相當(dāng)長一段時間內(nèi)地質(zhì)預(yù)測預(yù)報方法主要是超前勘探法(包括超前導(dǎo)洞和超前鉆孔)和工程地質(zhì)分析法,預(yù)報的長度和精度都有限。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的基于儀器的物探法預(yù)測預(yù)報,如地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、聲波探測法、紅外探測法等。目前能達(dá)到100～150 m 預(yù)報距離的主要是地震勘探技術(shù),有負(fù)視速度法、水平剖面法(HSP)、TSP、TRT、TST及TGP等[1],其原理基本一致,但近年來發(fā)展起來的TRT 技術(shù)采用空間多點激發(fā)和接收、三維空間觀測和無限傳輸信號等手段,具有測試簡便、快捷、成果更精密等技術(shù)優(yōu)越性,本文將其應(yīng)用到玉瓦水電站引水隧洞地質(zhì)超前預(yù)報中,通過與地表調(diào)查及開挖實際進(jìn)行對比,驗證了該方法的使用效果。

1 TRT技術(shù)簡介

TRT(Tunnel Reflection Tomography)技術(shù)是地震波反射體追蹤成像技術(shù)的簡稱,由美國西斯陸地地質(zhì)設(shè)備公司研制開發(fā)[2]。目前該技術(shù)在國內(nèi)公路、鐵路隧洞超前地質(zhì)預(yù)報中已成熟應(yīng)用,并取得較好的效果,能對掌子面前方100～150 m的地質(zhì)體進(jìn)行有效預(yù)測,且可結(jié)合地震波速進(jìn)行圍巖分級評估。由于隧洞使用性質(zhì)的不同,TRT技術(shù)在水電行業(yè)應(yīng)用情況也不盡相同,對數(shù)據(jù)的解譯需更加準(zhǔn)確。

1.1 TRT技術(shù)工作原理

TRT技術(shù)是通過地震波在傳播過程中到達(dá)波阻抗差異界面上時(如巖層面、斷層、地下水軟弱層等),一部分反射回來的信號被傳感器接收,一部分信號繼續(xù)向前傳播。通過已接收到的反射信號的時間、振幅、頻率以及衰減等數(shù)據(jù)分析,從而確定探測前方巖體的反射系數(shù)、地震波在巖體中傳播的速度以及巖體的動力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而推斷前方是否存在地質(zhì)異常體,以及異常體的位置和規(guī)模等。

1.2 數(shù)據(jù)采集

TRT系統(tǒng)采用12個震源和10個傳感器,震源布置在隧洞掌子面附近的左右邊墻上,分2個斷面布置,斷面間隔為2 m;傳感器布置在距震源點10～20 m的隧道兩邊墻及拱頂上,分4個斷面布置,斷面間隔5 m。距離震源最近的斷面布置兩個檢波器,布置在左右拱腰部位,第二個斷面布置三個檢波器,分別布置在拱頂和邊墻的下部,第三、第四斷面布置方式分別和第一、第二斷面的布置方式相同。具體布置情況如圖1所示。

儀器的工作過程為:在震源點上錘擊,在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時,觸發(fā)器產(chǎn)生一個觸發(fā)信號給基站,然后基站給無線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令,并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦,完成地震波數(shù)據(jù)采集。儀器連接如圖2所示。

圖1 TRT系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Layout sketch map of TRT system

圖2 TRT地震波采集系統(tǒng)模型Fig.2 Acquisition system model of TRT seismic wave

1.3 系統(tǒng)特點

TRT技術(shù)采用三維空間全斷面多點激發(fā)和接收觀測方式,其檢波器和激發(fā)的炮點呈空間分布,以便獲得足夠的空間波場信息,從而使前方地質(zhì)缺陷的定位精度大大提高,克服其他物探預(yù)報方法無法準(zhǔn)確判別小構(gòu)造、小巖溶等地質(zhì)體的弊端;在異常體定位的方法上,改變其他方法采用上行波和下行波的焦點來確定,而是采用由震源點和檢波點為焦點,以入射波和反射波的總時間為距離組成的橢球體,通過多組球體確定異常體的位置和延伸方向,如圖3所示。

圖3 地震波反射原理示意圖Fig.3 Sketch map of reflection principle of seismic wave

TRT技術(shù)的優(yōu)缺點見表1。

表1 TRT技術(shù)特點

2 工程實例

2.1 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內(nèi),屬引水隧洞式水電站,引水隧洞洞長14.1 km,共設(shè)計6條施工支洞。隧洞區(qū)地層為一套區(qū)域淺變質(zhì)的地槽型沉積建造,巖漿活動微弱。出露基巖為二疊系濱、淺海相沉積的薄層砂質(zhì)灰?guī)r夾中厚層砂質(zhì)灰?guī)r、板巖。區(qū)內(nèi)巖溶不發(fā)育,隧洞埋深一般300～400 m,隧洞軸線與巖層走向一般小角度相交,巖層陡傾。前期勘探預(yù)測隧洞圍巖類別以Ⅲ類為主,局部洞段受小構(gòu)造的影響,巖體破碎,加之地下水作用,圍巖極不穩(wěn)定,為Ⅳ、Ⅴ類圍巖。特別是順層破碎帶,由于洞軸線與巖層夾角小,將影響較長的洞段,對施工極為不利。

2.2 TRT超前地質(zhì)預(yù)報

引水隧洞4#支洞下游掌子面施工至(引)9+247 m后,隧洞內(nèi)小構(gòu)造發(fā)育,地下水活躍。受其影響巖體破碎,圍巖類別為Ⅳ類。隨著開挖相繼暴露出多條順層擠壓破碎帶,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,決定在(引)9+282 m采用TRT地質(zhì)超前預(yù)報探測前方地質(zhì)條件。

此次TRT測試根據(jù)上述工作原理,在掌子面(引)9+282 m處設(shè)置震源點,并在震源點后方10～20 m范圍內(nèi)邊墻及頂拱布置4個斷面共10個傳感器。儀器布置完成后,停止施工降低干擾,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最終得到掌子面前方110 m范圍的地震波反射三維圖像(見圖4),及地震波縱波波速圖(見圖5)。

圖4 地震波三維成像立體圖Fig.4 Block diagram of three-dimensional imaging of seismic wave

通過TRT系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分析和過濾,得到三維圖(圖4),圖中淺色為正反射、深色為負(fù)反射(地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一種高阻抗物質(zhì)時,反射系數(shù)是正的;反之,反射系數(shù)是負(fù)的)。通過三維圖可得:9+282～9+302 m段地震波反射不明顯,開挖面內(nèi)未見低阻異常,巖體情況與掌子面類似;9+302～9+352 m段地震波反射明顯,藍(lán)黃反射點相間分布,推測該段內(nèi)巖體均一性變差;掌子面前方9+352～9+382 m段地震波反射不明顯,推測該段巖體均一性相對較好;掌子面前方9+382～9+392 m段藍(lán)色負(fù)反射明顯,且地震波迅速衰減,存在低阻異常帶。

由于受9+382～9+392 m的低阻異常帶影響,地震波迅速衰減,反射信號微弱,有效取值只有掌子面前方60 m。該段范圍內(nèi)地震波速度在2 200～2 609 m/s之間變化,平均速度約為2 350 m/s。其中,掌子面前方15 m范圍內(nèi)平均波速值2 280 m/s,波速較低,應(yīng)受開挖爆破影響導(dǎo)致;15～40 m段平均波速2 435 m/s,波速略高;40～60 m段平均波速2 340 m/s,波速稍低。

2.3 超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與開挖揭示地質(zhì)條件對比

通過TRT地震波反射三維圖和地震波波速圖綜合分析,預(yù)測了4#支洞下游(引)9+282～(引)9+392 m段圍巖地質(zhì)條件,并與實際開挖結(jié)果進(jìn)行了驗證(見表2)。

由表2可見:TRT地質(zhì)預(yù)報該段地質(zhì)條件與實際開挖揭示地質(zhì)條件基本一致,100 m內(nèi)預(yù)報誤差在5 m以內(nèi);對影響圍巖類別的因素也具有較為準(zhǔn)確的預(yù)測,對裂隙構(gòu)造和地下水相對較為敏感,預(yù)測精度較高。

圖5 地震波波速圖Fig.5 Wave velocity diagram of seismic wave

表2 TRT預(yù)報與開挖揭示對照表

3 結(jié)語

從玉瓦水電站引水隧洞的應(yīng)用情況來看,首先,TRT預(yù)測了掌子面后100 m范圍巖體情況經(jīng)開挖驗證基本正確,其預(yù)測距離和精度均達(dá)到了預(yù)期;其次,TRT技術(shù)現(xiàn)場操作簡單,數(shù)據(jù)采集只需10～30 min,且不需要使用炸藥爆破作為震源,不但對施工干擾小,也很安全。由于TRT測試對傳感器的設(shè)置要求較高,傳感器需要與巖壁凝固結(jié)實,且部分傳感器需設(shè)置到頂拱,因此在測試過程中,這部分工作對測試效率影響較大,玉瓦水電站引水隧洞洞徑較小,測試相對較順利。對于規(guī)模較大的隧洞,在頂拱設(shè)置傳感器則需要專門的升降設(shè)備輔助?？偟膩砜?TRT在隧洞的中長距離預(yù)測預(yù)報上其方法技術(shù)是可行的,其預(yù)測成果具有較強(qiáng)的參考價值。

另外,在玉瓦水電站引水隧洞的測試中,筆者將TRT測試的地震波縱波波速成果引入分析中,對于更進(jìn)一步判斷巖體的完整性作了些嘗試。若將其與聲波測試波速相關(guān)性比較值得進(jìn)一步研究,對比實際開挖后揭示的圍巖條件,可為以后超前地質(zhì)預(yù)報圍巖類別劃分提供參考,將更進(jìn)一步擴(kuò)大TRT預(yù)測預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用范圍。

[1] 陳剛毅.TRT地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)及其在三峽翻壩高速公路中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程,2009,23(3):304-307.

[2] 劉杰,廖春木.TRT技術(shù)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2011(4):77-79.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

TRT Geological Advanced Prediction in Diversion Tunnelof Yuwa Hydropower Station

LUO Yu, HU Shuai

(PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu,Sichuan610072)

In this paper,the working principle and method of advanced prediction system of TRT geological is mainly introduced,the authors discusses advanced prediction in diversion tunnel of Yuwa hydropower station at actual usage and effect.The advantages and disadvantages of advance geological forecast of TRT are summarized on this basis.It is proved that the TRT technology has strong accuracy and precision in the long distance prediction results in the tunnel.

TRT; advance geological prediction; tunnel

2016-05-13;改回日期:2016-05-27

羅宇(1985-),男,助理工程師,土木工程專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)方面工作。E-mail:23055236@qq.com

TV554

A

1671-1211(2016)03-0385-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.032

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.022.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37