玉瓦水电站引水发电隧洞TRT技术地质超前预报

罗 宇, 胡 帅

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

玉瓦水电站引水发电隧洞TRT技术地质超前预报

罗 宇, 胡 帅

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

主要介绍TRT地质超前预报系统的工作原理和方法,阐述该方法在玉瓦水电站引水隧洞超前地质预报中的实际使用情况及效果,总结TRT地质超前预报优缺点的基础上,证明TRT技术在隧洞中长距离预测结果具有较强的准确性和精度。

TRT;地质超前预报;隧洞

水利水电建设中常有深埋长隧洞,然而目前深埋长隧洞的前期勘探却缺乏有效的手段,难以满足指导施工的要求,在隧洞施工过程中常遇到塌方、突泥、突水、岩爆等地质灾害。这些地质灾害对施工进度造成了较严重的影响,并对人员和设备安全构成了威胁,因此地质预测预报在深埋长隧洞施工中尤为重要。

隧洞施工超前地质预测预报研究已有60多年,但受技术限制,在相当长一段时间内地质预测预报方法主要是超前勘探法(包括超前导洞和超前钻孔)和工程地质分析法,预报的长度和精度都有限。近年来随着电子技术的发展,出现了大量的基于仪器的物探法预测预报,如地震反射法、地质雷达法、瞬变电磁法、声波探测法、红外探测法等。目前能达到100～150 m 预报距离的主要是地震勘探技术,有负视速度法、水平剖面法(HSP)、TSP、TRT、TST及TGP等[1],其原理基本一致,但近年来发展起来的TRT 技术采用空间多点激发和接收、三维空间观测和无限传输信号等手段,具有测试简便、快捷、成果更精密等技术优越性,本文将其应用到玉瓦水电站引水隧洞地质超前预报中,通过与地表调查及开挖实际进行对比,验证了该方法的使用效果。

1 TRT技术简介

TRT(Tunnel Reflection Tomography)技术是地震波反射体追踪成像技术的简称,由美国西斯陆地地质设备公司研制开发[2]。目前该技术在国内公路、铁路隧洞超前地质预报中已成熟应用,并取得较好的效果,能对掌子面前方100～150 m的地质体进行有效预测,且可结合地震波速进行围岩分级评估。由于隧洞使用性质的不同,TRT技术在水电行业应用情况也不尽相同,对数据的解译需更加准确。

1.1 TRT技术工作原理

TRT技术是通过地震波在传播过程中到达波阻抗差异界面上时(如岩层面、断层、地下水软弱层等),一部分反射回来的信号被传感器接收,一部分信号继续向前传播。通过已接收到的反射信号的时间、振幅、频率以及衰减等数据分析,从而确定探测前方岩体的反射系数、地震波在岩体中传播的速度以及岩体的动力学性质,进而推断前方是否存在地质异常体,以及异常体的位置和规模等。

1.2 数据采集

TRT系统采用12个震源和10个传感器,震源布置在隧洞掌子面附近的左右边墙上,分2个断面布置,断面间隔为2 m;传感器布置在距震源点10～20 m的隧道两边墙及拱顶上,分4个断面布置,断面间隔5 m。距离震源最近的断面布置两个检波器,布置在左右拱腰部位,第二个断面布置三个检波器,分别布置在拱顶和边墙的下部,第三、第四断面布置方式分别和第一、第二断面的布置方式相同。具体布置情况如图1所示。

仪器的工作过程为:在震源点上锤击,在锤击岩体产生地震波的同时,触发器产生一个触发信号给基站,然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令,并把远程模块传回的地震波数据传输到笔记本电脑,完成地震波数据采集。仪器连接如图2所示。

图1 TRT系统布置示意图Fig.1 Layout sketch map of TRT system

图2 TRT地震波采集系统模型Fig.2 Acquisition system model of TRT seismic wave

1.3 系统特点

TRT技术采用三维空间全断面多点激发和接收观测方式,其检波器和激发的炮点呈空间分布,以便获得足够的空间波场信息,从而使前方地质缺陷的定位精度大大提高,克服其他物探预报方法无法准确判别小构造、小岩溶等地质体的弊端;在异常体定位的方法上,改变其他方法采用上行波和下行波的焦点来确定,而是采用由震源点和检波点为焦点,以入射波和反射波的总时间为距离组成的椭球体,通过多组球体确定异常体的位置和延伸方向,如图3所示。

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

TRT技术的优缺点见表1。

表1 TRT技术特点

2 工程实例

2.1 工程概况

玉瓦水电站位于四川省九寨沟县境内,属引水隧洞式水电站,引水隧洞洞长14.1 km,共设计6条施工支洞。隧洞区地层为一套区域浅变质的地槽型沉积建造,岩浆活动微弱。出露基岩为二叠系滨、浅海相沉积的薄层砂质灰岩夹中厚层砂质灰岩、板岩。区内岩溶不发育,隧洞埋深一般300～400 m,隧洞轴线与岩层走向一般小角度相交,岩层陡倾。前期勘探预测隧洞围岩类别以Ⅲ类为主,局部洞段受小构造的影响,岩体破碎,加之地下水作用,围岩极不稳定,为Ⅳ、Ⅴ类围岩。特别是顺层破碎带,由于洞轴线与岩层夹角小,将影响较长的洞段,对施工极为不利。

2.2 TRT超前地质预报

引水隧洞4#支洞下游掌子面施工至(引)9+247 m后,隧洞内小构造发育,地下水活跃。受其影响岩体破碎,围岩类别为Ⅳ类。随着开挖相继暴露出多条顺层挤压破碎带,严重影响施工进度,决定在(引)9+282 m采用TRT地质超前预报探测前方地质条件。

此次TRT测试根据上述工作原理,在掌子面(引)9+282 m处设置震源点,并在震源点后方10～20 m范围内边墙及顶拱布置4个断面共10个传感器。仪器布置完成后,停止施工降低干扰,进行数据采集。最终得到掌子面前方110 m范围的地震波反射三维图像(见图4),及地震波纵波波速图(见图5)。

图4 地震波三维成像立体图Fig.4 Block diagram of three-dimensional imaging of seismic wave

通过TRT系统对数据分析和过滤,得到三维图(图4),图中浅色为正反射、深色为负反射(地震波从一种低阻抗物质传播到一种高阻抗物质时,反射系数是正的;反之,反射系数是负的)。通过三维图可得:9+282～9+302 m段地震波反射不明显,开挖面内未见低阻异常,岩体情况与掌子面类似;9+302～9+352 m段地震波反射明显,蓝黄反射点相间分布,推测该段内岩体均一性变差;掌子面前方9+352～9+382 m段地震波反射不明显,推测该段岩体均一性相对较好;掌子面前方9+382～9+392 m段蓝色负反射明显,且地震波迅速衰减,存在低阻异常带。

由于受9+382～9+392 m的低阻异常带影响,地震波迅速衰减,反射信号微弱,有效取值只有掌子面前方60 m。该段范围内地震波速度在2 200～2 609 m/s之间变化,平均速度约为2 350 m/s。其中,掌子面前方15 m范围内平均波速值2 280 m/s,波速较低,应受开挖爆破影响导致;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 超前地质预报结果与开挖揭示地质条件对比

通过TRT地震波反射三维图和地震波波速图综合分析,预测了4#支洞下游(引)9+282～(引)9+392 m段围岩地质条件,并与实际开挖结果进行了验证(见表2)。

由表2可见:TRT地质预报该段地质条件与实际开挖揭示地质条件基本一致,100 m内预报误差在5 m以内;对影响围岩类别的因素也具有较为准确的预测,对裂隙构造和地下水相对较为敏感,预测精度较高。

图5 地震波波速图Fig.5 Wave velocity diagram of seismic wave

表2 TRT预报与开挖揭示对照表

3 结语

从玉瓦水电站引水隧洞的应用情况来看,首先,TRT预测了掌子面后100 m范围岩体情况经开挖验证基本正确,其预测距离和精度均达到了预期;其次,TRT技术现场操作简单,数据采集只需10～30 min,且不需要使用炸药爆破作为震源,不但对施工干扰小,也很安全。由于TRT测试对传感器的设置要求较高,传感器需要与岩壁凝固结实,且部分传感器需设置到顶拱,因此在测试过程中,这部分工作对测试效率影响较大,玉瓦水电站引水隧洞洞径较小,测试相对较顺利。对于规模较大的隧洞,在顶拱设置传感器则需要专门的升降设备辅助。总的来看,TRT在隧洞的中长距离预测预报上其方法技术是可行的,其预测成果具有较强的参考价值。

另外,在玉瓦水电站引水隧洞的测试中,笔者将TRT测试的地震波纵波波速成果引入分析中,对于更进一步判断岩体的完整性作了些尝试。若将其与声波测试波速相关性比较值得进一步研究,对比实际开挖后揭示的围岩条件,可为以后超前地质预报围岩类别划分提供参考,将更进一步扩大TRT预测预报技术的应用范围。

[1] 陈刚毅.TRT地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的应用[J].资源环境与工程,2009,23(3):304-307.

[2] 刘杰,廖春木.TRT技术在隧道地质超前预报中的应用[J].铁道建筑,2011(4):77-79.

(责任编辑：于继红)

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

罗宇(1985-),男,助理工程师,土木工程专业,从事水利水电工程地质方面工作。E-mail:23055236@qq.com

TV554

A

1671-1211(2016)03-0385-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.032

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.022.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37