大伙房水库输水应急入连工程——隧洞施工期超前地质预报设计

李 瑞，杨晓飞，钟明明

（大连市供水有限公司，辽宁 大连 116011）

大伙房水库输水应急入连工程碧流河水库北段工程引水规模3亿m3/年，主要供水对象为大连市。隧洞采用无压洞，洞线总长为14.11 km，实施超前地质预报时隧洞剩余长度约为2.8 km。这段隧洞围岩为中等～微风化花岗岩，岩质较坚硬，结构面发育2～3组，岩体以块状结构为主，有大量渗水、滴水，局部洞段开挖期间出现大量涌水和靠近掌子面塌方现象，岩体稳定性较差，以Ⅲ类围岩为主，局部为Ⅳ或Ⅴ类围岩。

因此，考虑隧洞施工安全，减少工程投资，加快进度，隧洞施工期应进行超前地质预报。

1 设计依据和原则

设计依据的主要规程、规范和设计文件为：SL326-2005《水利水电工程物探规程》；《隧洞工程地质勘察报告》。隧洞施工超前预报是一项复杂而艰难的任务，及时发现不良地质现象并分析处理，确保工程施工安全，考虑国内外技术水平，设计遵循以下原则：1）根据工程的级别、地形地质条件，按着突出重点、统筹安排、布置合理；2）测试断面选在地质条件差部位，以不良地质体预报为主，同时兼顾指导施工；3）测试方法的选择要符合工程实际，科学合理，并有成功经验；4）探地雷达测试与超前地质预测相结合。

2 超前地质预报方法

2.1 超前地质预测

1）收集、研究地质资料。了解不良地质洞段内宏观的地质环境、大型构造形迹的发育分布规律以及工程围岩所处的具体构造部位、岩体的结构特征、节理裂隙发育程度、岩体完整性、岩石（体）强度、地下水状态等；具体掌握全隧洞的地质背景，标出存在的不良地质问题和洞段，判断各段围岩的稳定程度、可能发生地质灾害的位置、规模、性质和防治措施。

2）现场调查研究和施工地质编录。紧跟隧洞施工，对已开挖洞段地质状态作精细真实的描述，可作为超前预报的依据，该内容包括岩性、岩石坚硬程度及完整情况、断层及破碎带、节理裂隙、地下水状态、不良地质现象等作编录。

3）围岩特性测试。根据预测需要，对岩石物理力学特性进行补充测试，如岩石点荷载强度、岩石回弹值、岩体弹性模量、软弱面剪切强度等，必要时，还应进行初始地应力和二次应力场的评估或测试等。上述数据是预报围岩稳定性的重要参数。

4）地质力学调查分析。应用地质力学方法对掌子面附近和前方的围岩进行地质力学调查测绘，确定围岩结构面的力学性质、结构体强度，确定围岩结构面的组合关系和结构体的形状，确定二次应力与围岩强度的关系，测试围岩卸荷回弹变形特性，以及卸荷速度对回弹变形的影响。

5）断层参数预测分析。利用断层影响带的特殊节理或集中带的分布规律，通过对断层影响带的系统编录所得经验公式，来预报隧洞断层破碎带的位置和规模。由于大多数不良地质现象与断层破碎带有密切的关系，故依据断层破碎带推断其它不良地质体的位置和规模。

6）地质体投射分析。在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测定不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体透射公式进行预报。

7）正洞地质编录与预测。隧洞施工中，及时对其开挖面(掌子面、边墙面和拱顶面)上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。

2.2 探地雷达超前探测

该工程采用地质预测法与探地雷达法综合探测进行超前地质预报。探地雷达设备采用美国GSSI公司生产的探地雷达和100 MHz屏蔽天线。探地雷达是一种超高频电磁技术，是利用超高频（106～109 Hz）脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。主要研究地下介质的电性差异和与电磁波的传播特性，确定界面或目标体的位置。一般岩体、混凝土等物质的相对介电常数为4～8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、洞体、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。

在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关，一般，探地雷达探测距离在20～30 m。在隧道超前跟踪探测及预报中，探地雷达可预测前方30～50 m范围内的断层、洞体、裂隙带、富水带等地质构造。

3 实施方案技术要求

3.1 测线布置

在隧洞掌子面布置2条水平测线，测线长度4 m，测点间距20 cm，测线距离隧洞底板1 m和2.5 m。当测量时发现有不良地质体时，在洞侧壁增加测线，以便了解地质体规模及走向等。测量时，由两位测量人员手持天线紧贴掌子面由探测起点移动到探测终点，见图1。

图1 地质雷达测线布置图

3.2 资料整理要求

探地雷达所采集的原始数据，需要经过处理后才能得到有助于解释的数据或图像。原始数据中既包含有用信息，也包含噪声，有些情况下有用信息还可能会被噪声掩盖。数据处理的目的是压制噪声，增强信号，提高数据信噪比，以便从数据中提取速度、振幅、频率和相位等特征信息，帮助对资料进行解释。

资料处理和解释包括以下几个步骤：

1）资料整理。对现场所测资料进行整理，包括测量测网资料整理，野外记录表格的电子化录入工作，工作照片整理，备份野外探测数据。

2）图像显示。利用专门的处理软件打开数据，采用线扫描方式、波形加变面积方式、波形图等方式显示测量数据。

3）资料编辑。剔除强烈的干扰信息，把一条测线上相邻的几个数据剖面连接在一起组成长剖面数据文件。

4）增益处理。采取整体增益，对整个数据剖面的振幅信息进行放大，或者采用指数增益函数对某一个深度区间的振幅信息进行局部放大，便于数据显示、选做。

5）一维频率滤波。如果在探测资料中出现了低频信号干扰，请采用频率滤波方法滤除低频干扰信号。通常情况下不做此处理。

6）高级滤波。在探测资料中如果出现多次波干扰信息，需要利用反褶积方法消除多次波干扰，恢复地下真正的地质构造剖面。

7）探测图像。输出探测图像，并且对各幅探测图像进行比较，寻找差异，同时结合地质资料，进行地质推断和资料解释工作，给出地质剖面图。也需要结合各里程桩号地质雷达探测剖面信息，组成一幅隧道剖面图。

3.3 数据处理流程

探地雷达的数据处理流程一般情况下可分为三部分。第一部分为数据编辑，包括数据的连接、废道的剔除、数据观测方向的一致化等；第二部分为常规处理，包括数字滤波、振幅处理、反褶积和偏移等；第三部分包括剖面修饰处理的相干加强，以及数字图像处理技术中的一些分割方法等，数据处理流程：探地雷达剖面→检查并改正头文件→去除不需要的道→排列第一次突跳→合并相关文件→去掉背景→反褶积、偏移处理→AGC处理（确定雷达波速度）→绘出雷达探测时间和深度剖面→异常分类和分析异常。

3.4 预期成果及预报

在隧道超前跟踪探测及预报中，根据探地雷达解译得出结果进行预报：1）根据电磁速度和反射走时计算雷达探测距离；2）掌子面前方0～30 m范围内根据雷达波整体反射情况，以及频率变化，局部出现明显的小范围的反射波情况，推测该段围岩局部是否有不良地质体或含水带；3）根据各幅探测图像结合地质资料，进行地质推断和资料解释，给出各里程桩号隧道地质剖面图，适时进行预报。

4 结语

1）在大伙房输水隧洞穿越的花岗岩地区，根据已有类似工程经验，利用完整岩体与相对破碎岩体之间、含水量不等的岩体之间存在较大的电学性质差异，具有良好的地球物理测试条件，因此，开挖过程中采用地质雷达预报掌子面前不良地质体和富水带是可行的。

2）通过地质雷达预报成果与超前地质预测的综合对比，对岩体中存在的不良地质体、地下水及围岩类别进行预报，具有较好的准确度。

3）地质雷达超前预报工作给施工提供了大量的具有指导意义的结论与建议，可以减少工程施工中因围岩条件变化而带来的灾害性事故，为引水隧洞顺利贯通起到了重要作用。

4）隧洞施工超前预报中，地质雷达探测深度应控制在20～30 m，测试工作应与施工方密切配合，及时跟踪测试，才能达到完整、准确的预报效果。

［1］王太国，徐艳.地下洞室地质超前地质预报方法综述［J］.科技信息，2010（21）.

［2］巨浪，沙椿.地质雷达在福堂水电站引水隧洞施工超前预报中的应用［J］.水电站设计，2005（3）.

［3］单治钢.锦屏二级水电站深埋隧洞综合地质超前预报［J］.山东大学学报，2009（12）.

［4］谭天元，张伟.隧洞超前地质预报中的新技术—BEAM法［J］.贵州水利发电，2008（12）.