大型地下洞室地质缺陷诊断技术

韩宝栓, 袁浩皓

(中国水利水电第七工程局有限公司， 四川成都 610213)

杨房沟水电站左岸引水发电系统厂区围岩岩性主要为微风化—新鲜花岗闪长岩，岩质坚硬，岩体完整性较好—好，强度高，弹性模量大。围岩类别以Ⅱ类为主，约占50 %，Ⅲ类约占40 %，其余少量为Ⅳ类岩体，围岩稳定性较好，局部有潜在的不稳定体。地下洞室大小不等的近40条洞室，地下洞室群开挖方量约162.65×104m3。为诊断地下洞室开挖过程中存在的地质缺陷，本文通过声波测试、孔内成像、动态地质素描手段对开挖过程中地质进行测试，通过对结果进行分析得出开挖过程中可能存在的地质灾害进行研判，并且根据地质缺陷诊断结果及现场实际情况，总结得出现场典型破坏特征。

1 大型地下洞室地质缺陷诊断技术现状分析

国内外大型地下洞室地质缺陷诊断技术手段和方法主要有地质类方法和地球物理类方法两大类。地质类方法主要有地面地质调查法、地下洞室地质素描法和超前钻探法由刘秀峰教授提出的断层参数法等[1]。地球物理类方法多种多样，主要有地质雷达法(GPR)、TSP地震反射波法、瞬变电磁法(TEM)、BEAM技术、TRT地震反射波法、陆地声纳法、负视速度法、瑞雷面波法等[2]。国内相关研究中，曾昭磺等[3]提出了隧道地震反射法超前预报法，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方反射界面的位置，有效地避免了面波和隧道驻波的干扰，提高了信噪比。钟世航[4]发明了陆地声纳法，在被测面表面用锤击产生震动弹性波，弹性波在岩体中传播，遇到波速和宽度不同的界面可产生反射，用在锤击点近旁设置的拾波器接收这一系列反射波，从图中可形成一条线的同一反射面的反射波，结合地质情况，就可判断出各反射界面的性质。北京水电物探研究所[5]研制了TGP-12型隧道地质预报仪器，该技术有利于地质构造面产状、规模和地质体性质的预报。赵永贵[6]提出了隧道地震层析成像法，通过可视化地震反射成像技术，可以预报隧道掌子面前方150 m范周内的不良地质体的位置、性质和规模。周黎明[7]针对隧道超前地质预报工作中岩溶问题的特殊性，运用瞬变电磁法探讨了溶洞、溶隙以及陷落柱等非层状体系的电阻率响应特征。在国外相关研究中，Dickmann[8]提出瑞士Amberg测量技术有限公司开发研制了超前预报统设备TSP隧道地震预报系统。Inazaki等[9]提出了水平声波剖面法(HSP)，水平剖面法的观测系统的横向展布较大，有利于提高速度分析和定位的精度。德国GD公司[10]开发研制的Beam测试系统，改善了电法测试的灵敏度和稳定性。Flavio和Lorenzo[11]利用TBM作为震源，对透射波和反射波采用干涉测量法，提高了测量资料解释水平。

目前洞室地质缺陷诊断技术在理论研究和工程应用方面都取得了一些进展，已经对地下洞室的典型不良地质体进行了模拟，建立了相应的解释准则，研发了适应地下洞室特殊地质环境的仪器，进行了大量的工程实践，取得了一定的经验。但是地下洞室地质情况复杂多变，仅仅依靠地质分析或者一两种地球物理探测方法很难对掌子面前方实际情况进行准确的预测，综合地球物理方法和地质分析是目前最为重要的超前预报思路，然而，综合分析预报涉及到太多的技术方法，这些方法大都是不同原理、不同工作方式、不同应用参数，进行超前预报需要丰富的经验、广泛的基础知识和对各种方法的深刻认识并且还要处理大量的信息。本文利用动态地质素描技术分析开挖过程中存在的地质缺陷，运用钻孔成像技术验证母线洞岩墙发育贯穿性张裂缝的推测，综合运用地质扫描技术、声波测试和孔内成像技术得出的断层影响带范围及厚度，根据地质缺陷诊断结果及现场实际情况，分析总结得出现场典型地质破坏特征。

2 复杂条件大型洞室开挖现场地质缺陷测试与分析

2.1 声波测试技术

本工程利用声波测试技术对开挖过程中的地质松动圈进行测试，通过测试得到在开挖过程中不同部位的地质松弛深度及传播过程中的波速，通过统计分析得出受开挖影响产生较大地质松动的部位。以具有代表性的主副厂房洞为例来说明复杂条件大型洞室开挖现场地质缺陷测试与分析，现场布置了5个声波测试断面，如图1所示。

图1 主副厂房洞地质松动圈声波检测断面典型布置

将部分主副厂房洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ层开挖时，通过声波测试技术测得地质松动数据进行整理，如表1所示。

表1 主副厂房洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ层地质松动圈钻孔声波测试数据

第Ⅰ层开挖完成后声波测试结果显示，厂房顶拱地质松弛深度0.7～2.0 m，平均地质松弛深度为1.4 m，上游拱肩平均地质松弛深度最大，下游拱肩次之，顶拱最小；地质松弛区岩体平均波速4 165 m/s，非松弛区岩体平均波速为5 150 m/s。第Ⅱ层开挖完成后声波测试结果显示，第Ⅱ层边墙地质松弛深度0.7～1.6 m，平均松弛深度为1.2 m，下游边墙比上游边墙松弛深度大；松弛区岩体平均波速4 416 m/s，非松弛区岩体平均波速为5 359 m/s。第Ⅳ层开挖完成后声波测试结果显示，第Ⅳ层边墙地质松弛深度0.8～2.5 m，平均松弛深度为1. 5 m，下游边墙比上游边墙松弛深度大；地质松弛区岩体平均波速4 110 m/s，非松弛区岩体平均波速为5 115 m/s。

第Ⅵ层开挖完成后对第Ⅱ层、第Ⅳ层边墙进行了地质松动深度对比测试，声波测试结果显示，上游侧边墙松弛深度基本无变化，第Ⅱ层下游侧边墙平均松弛深度增加了0.3 m，第Ⅳ层下游侧边墙平均松弛深度增加了0.55 m，表明厂房第Ⅵ层开挖完成后，下游侧边墙岩体存在一定的卸荷松弛现象。

2.2 地质素描技术

地质素描技术在本工程得到了广泛的应用，施工过程中收到地质素描预报2 200多份，通过分析地质素描结果合理安排组织相关施工，确保了洞室岩壁的开挖成型，大大减少了可预见性的地质缺陷工程量。限于篇幅仅对典型部位——主副厂房洞下游边墙施工说明地质素描技术在本工程的运用，下游边墙发育近洞向陡倾角结构面，局部发育节理密集带，对下游边墙稳定不利，存在块体稳定问题，由于厂房跨度大、挖空率高，第一主应力σ1与边墙夹角66～84°，发育NNE向陡倾角优势节理，以上因素共同作用下，带来厂房下卧过程中的高边墙变形问题。图2、图3为第Ⅰ层下游侧顶拱扩挖后厂右0+5 m～厂左0+31.5 m段下游边墙构造发育情况。

图2 厂右0+10 m～厂左0+2 m下游顶拱揭露f1-83

图3 下游边墙厂左21～30m段2012m以下沿f1-83掉块

第Ⅰ层下游侧顶拱扩挖后，厂右0+10 m～厂左0+2 m揭露f1-83，位置如图2所示，产状为N10～20°E NW∠75～85°，顶拱刚揭露时宽度较小，宽1～2 cm，带内充填碎裂岩、岩屑，未见蚀变带。厂左21～30 m、EL2012～2010 m段沿断层面掉块，掉块深度0.3～0.5 m，如图3所示。

经测量得此处f1-83断层宽度变为3～5 cm，两侧岩体有蚀变现象，蚀变带宽10～15 cm，上盘岩体稳定性差，已采取预应力锚杆加强支护。采取同样方法得出，第Ⅱ层开挖后，该段边墙节理较发育，表层岩体松弛现象明显，开挖成型较差。第Ⅲ层下游边墙厂右0+5 m～厂左0+31.5 m段发育f1-83及其影响带和J1-145、J1-164对边墙和岩锚梁稳定不利。

2.3 孔内成像技术

杨房沟水电站引水发电系统地下洞室群在施工中使用孔内成像技术辅助超前地质钻孔进行超前地质预报，效果显著。下面以母线洞的使用情况介绍孔内成像在隧道超前地质钻孔预报中的应用效果。由于孔内成像结果图形过大，仅列出相关结论。为查明岩墙是否存在贯穿性裂缝，在厂房与主变洞之间布置了2个对穿孔，桩号分别为厂右0+19 m和厂右0+45 m。通过孔内成像结果分析得出，与垫层裂缝对应位置即孔深1～35 m段孔内成像中未发现张开裂缝，结合母线洞建基面素描和岩墙钻孔成像成果，可排除岩墙发育贯穿性张裂缝的推测。

2.4 上述三种技术综合运用

根据2.2节研究内容，得出厂右0+5 m～厂左0+31.5 m段EL.2010 m高程以下f1-83影响带宽度变大，影响带内岩体沿结构面多见蚀变现象，以硬质岩为主，间夹不同程度蚀变岩条带。为查明f1-83影响带的宽度和高度，确定影响带分布范围，在厂房二、三层开挖过程中，分别于高程2 010 m、2 004 m、2 000 m附近布置钻孔电视及声波测试孔12个，其中水平孔8个，垂直孔4个。代表性声波孔声速曲线如图4、表2所示。

图4 声速曲线

表2 f1-83影响带水平厚度

由上述测试图形及表格可得，声速曲线中纵波速从3 000 m/s至3 500 m/s有一个明显的跳跃，结合钻孔成像技术进行分析，纵波速从3 000 m/s至3 500 m/s的变化带可判定为f1-83影响带的边界。下游边墙岩锚梁段f1-83影响带厚度为0～3.6 m不等，其中岩锚梁下拐点2 002.7 m高程厚度为2.1～3.0 m，平均波速2 903～3 248 m/s。高波速带距下游边墙水平距离为1.9～4.8 m，平均波速4 500～5 007 m/s。

3 大型地下洞室围岩地质条件与现场典型破坏特征

通过以上地质缺陷诊断技术，综合得出大型地下洞室围岩地质条件，地下厂房区岩性为花岗闪长岩，微风化—新鲜，属为次块状—镶嵌结构岩体，开挖揭示厂区无较大地质断层通过，岩体完整性较好，以II类、III类围岩为主，洞室群围岩的整体稳定条件相对较好。整个洞室开挖过程揭示的围岩地质条件总体与可研阶段预计结果基本一致，局部洞段略差一些。地应力测试结果显示，地下厂房区最大主应力在12～15 MPa，属中等应力区，整体应力水平不高，但大主应力方向与洞室轴线大角度相交，对围岩稳定较不利。根据地下厂房洞室群开挖揭露，厂区围岩中，中陡倾角节理裂隙发育，与洞室轴线夹角较小的结构面及其组合块体是影响洞室围岩变形及稳定的重要因素，特别是三大洞室下游边墙区域，受不利的大主应力方向和顺洞向陡倾结构面叠加效应影响，高边墙围岩开挖卸荷松弛变形问题较突出，并可能表现出一定的时效松弛变形特征。

根据地质缺陷诊断结果及现场实际情况，分析总结得出现场典型破坏特征。从岩体破坏特征来看，结构面控制型、应力控制型以及结构面应力组合型这3种类型的破坏现象均有不同程度的体现。其中结构面控制型破坏相对普遍，三大洞室顶拱部位围岩的局部破坏主要受缓倾结构面控制，在高边墙则主要受陡倾结构面组合控制，在施工过程中出现的局部破坏主要表现为岩块在边墙陡倾角结构面和顶拱缓倾角结构面出露部位的松弛或塌落。虽然杨房沟水电站三大洞室布置形式及岩体结构特征均相对不利，但由于厂区地应力水平整体不高，也不存在较大地质断层通过，施工过程中通过及时支护、适时有效的针对性加强支护等手段，未见大的块体稳定问题以致影响洞室围岩整体稳定的情况。

4 结论

通过对杨房沟水电站复杂条件大型洞室开挖现场地质缺陷测试与分析，地下洞室群围岩地质条件与现场典型破坏特征总结研究，得出了以下结论:

(1)本工程利用声波测试技术对开挖过程中的地质松动圈进行测试，而出洞室上游拱肩平均松弛深度最大，下游拱肩次之，顶拱最小，据此认为上游拱肩是最可能发生塌方和垮塌的部位，应进行锚固加强；随着主副洞室向下进行施工，下游边墙比上游边墙松弛深度大，须在施工中加强锚固以避免下游边墙部位发生塌方和垮塌。

(2)利用地质素描技术，对主副厂房洞下游边墙施工过程的地质情况进行描绘，通过分析地质扫描结果得出，不同开挖阶段受到地质情况不同而对开挖过程产生不同程度影响。在施工中使用孔内成像技术辅助超前地质钻孔进行超前地质预报，效果显著，结合母线洞建基面素描和岩墙钻孔成像成果，可排除岩墙发育贯穿性张裂缝的推测。

(3)通过综合运用上述三种技术得到了声速曲线和钻孔成像结果，综合分析得出了纵波速从3 000 m/s至3 500 m/s 的变化带可判定为f1-83影响带的边界，岩锚梁下拐点2002.7m高程厚度为2.1～3.0m，平均波速2903～3248m/s，高波速带距下游边墙水平距离为1.9～4.8m，平均波速4500～5007m/s。

(4)杨房沟水电站三大洞室布置形式及岩体结构特征均相对不利，由于厂区地应力水平整体不高，也不存在较大地质断层通过，施工过程中通过及时支护、适时有效的针对性加强支护等手段，未见大的块体稳定问题以致影响洞室围岩整体稳定的情况。