抽水蓄能电站地下洞室地质超前预报体系建立与工程应用

董金良，段君奇，刘 昌，巨广宏，仝 帆，张岩祥，马 军

(1.新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆 哈密 839000；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

超前地质预报技术在公路、铁路、水利、引水式电站工程等各行业中得以全面应用并逐渐规范化，地质预报准确率近年来也有较大提升[1-3]。尽管现行地质超前预报方法种类繁多，但目前适用于抽水蓄能隧洞的预报方法及仪器设备前人总结较少，亦未有行业规范进行约束。随着抽水蓄能项目(以下简称“抽蓄项目”)的增多，对开挖隧洞进行“全断面、不间断、全覆盖”的地质预报已提到日程。

抽蓄项目地下洞室一般有40余条，包括输水洞、地下厂房、高压岔管洞、进厂交通洞、通风安全洞，排水排烟洞，泄洪洞、放空洞、导流洞、施工支洞等，各洞室洞径变化很大，开挖工艺及支护方式等也各不相同[4]。抽蓄项目地下洞室具有“洞室数量多、种类多、断面变化大、坡度变化大、地下厂房跨度大、地下水位变化大、地下洞室埋深大、地质条件复杂、不同种类的洞室对地质预报设备要求也不同”等特点[5]。隧洞往往由于断面条件、施工条件等限制而使多种地质预报方法不太适应，复杂多变的地质条件导致在洞室施工中经常会遇到地质条件与勘察设计不符、围岩条件变化较大以及出现突发性地质灾害等情况[6]。

针对抽蓄项目洞室的特点，为尽可能减少地质预报出现的偏差并提高预报准确率，需要研究一种适用于抽蓄项目地质预报应采用的方法体系，对隧洞前方围岩的不良地质情况及时预测，以便开挖风险等级不高时可正常掘进；风险等级较高时，应通过中期、短期及掌子面地质预报，对不良地质及时发现，及时处理，降低工程风险。为此，本文针对抽蓄项目地下洞室特点，建立了一套多种预报方法结合的综合地质超前预报体系，并在哈密、镇安抽水蓄能电站中得以应用。

1 地质预报方法选择

地质超前预报由来己久，我国自20世纪50年代开始，先后采用超前地质导坑、水平超前钻探等传统方法进行超前预报，但因预报距离短且对施工干扰大难以推广[7]。为开发更加简便、有效科学的地质超前预报方法，我国自20世纪80年代初期开始探索使用地球物理方法，即地质雷达法、地震反射、负视速度法、陆地声纳法、红外探测法和水平声波剖面法等方法进行地质超前预报，并取得了一定的效果。国外相关研究工作起步虽晚，但进展迅速，尤以瑞士Amberg公司推出的基于地震反射波法的TSP地质超前预报系统在国内的应用最为广泛。工程地质分析法、TSP法、地质雷达法、红外探测法、超前钻探法及TCT法等是当前国内外应用较为普遍的几种地质预报方法[8]。

目前，常用的超前地质预报方法除常规的地质分析法及超前钻孔外，发展最快的是效率较高的物探方法，如TCT法(TGS360Pro设备)、TSP203预报系统、TVSP法、综合地震成像、水平声波剖面法、TRT真地震反射成像技术[9]、陆地声纳法、面波法、红外探水法、探地雷达[10]、BEAM法和瞬变电磁法等，前6种方法是利用地震反射波原理，其中应用最广的是TSP203预报系统，但TCT法(TGS360Pro设备)是最新、最高效，最简单好用、预报准确度高的三维可视化预报方法。在隧道内使用反射地震进行超前预报时，观测的空间有限，同时隧道围岩不同方向都可能形成反射，使之在解释与判别方面存在很大的困难[11]。当开挖洞室两壁挂网喷护、混凝土浇筑等处理后，常见地震波法需要开启试验窗口，对支护的整体性有伤害，而且用时长[12-13]。几种常见的地震反射波原理预报法中，TCT法(TGS360Pro设备)比较适用于多种断面、多种工况、多种地质条件，适应性较强[14]。总体而言，常见的地质超前预报方法，按地质预报距离可分为4级：

(1)长期地质预报(预报距离1 000 m)。主要方法有工程地质分析法等。

(2)中期地质预报(预报距离200 m)。主要方法有TCT法(TGS设备)、TGP、TRT、TST和TSP等[15]。

(3)短期地质预报(预报距离20～30 m)。主要方法有地质震达、瞬变电磁法等。

(4)掌子面地质预报。主要方法有地质编录、超前钻孔、孔内摄像等[16]。

抽蓄项目地下洞室众多，洞室参数及工况各异，参数特征及预报方法对比见表1。受断面条件、施工条件等限制，本文选择适应性较好的工程地质分析法、TCT法(TGS360Pro设备)、地质雷达长中短结合的地质预报方法作为抽蓄项目地下洞室综合预报方法。

表1 抽水蓄能电站地下洞室参数特征及预报方法

2 地质预报体系的建立

因独特的水工布置，抽蓄项目隧洞工程规模大，且往往区域地质背景及工程地质条件、水文地质条件复杂。为尽可能减少预报偏差并提高预报准确率，建立长期、中期、短期地质超前预报相结合的地质综合预报体系十分必要。

2.1 地质预报原则

抽蓄项目地质预报应遵循以下原则：①地质分析。基于已有资料并多方收集资料，进行地质分析，预报前对预报洞段地质条件要有充分认知和基本判断。②全洞段、分阶段实施。地质预报涵盖全洞段，随勘察设计阶段分步实施。③预报准确率高。2种以上方法联合使用，提高预报准确性，对不良地质体的识别准确率应大于85%，定位准确率应大于80%。④施工干扰小。仪器设备恰当，合理安排工作流程，现场操作时间短，对施工干扰小。

2.2 地质预报风险分级

划分地质风险等级的目的是对掌子面前方可能出现的地质灾害有更为清楚的认识，在施工中及时采取相应的防范措施，对可能发生的地质灾害有针对性地定制应急预案。

通过此项工作，查明地下洞室沿线可能的主要地质灾害类型、大体位置及严重程度，分析潜在风险发生的可能性及其后果，建立超前地质预报体系，并通过专家论证确定数种超前预报方案，作为模糊优选系统理论中的决策集，最终确定理论上的最佳方案。

地质风险等级划分主要是依据前期地质勘察资料及后期地面与洞内的地质调查结果，采用工程地质分析法进行宏观长期地质预报，判断工程区域内可能存在的不良地质体的类型、位置、规模等信息，分析潜在的地质灾害及可能对施工造成的影响，划分地质风险等级，风险等级可以分为5级：1级(稍有风险)、2级(一般风险)、3级(显著风险)、4级(高度风险)、5级(风险极大)。

2.3 地质预报三阶段划分

地质预报的三阶段分别为：①第一阶段。前期宏观工程地质分析，确定风险等级。②第二阶段。采用具体的预报方法，确定不良地质体种类、位置、规模等。③第三阶段。依据地质预报原则，按不同风险等级，采用综合分析法确定预报成果，并在开挖中不断对预报结果进行验证，有异常再按流程返回预报，持续改进。三阶段地质预报流程见图1。

图1 三阶段地质预报流程

2.4 地质预报体系建立

抽蓄项目地下洞室地质超前预报体系建立，就是采用适合抽蓄项目地下洞室地质预报的方法、设备，基于地质预报基本原则，按“三阶段、四原则、五级风险、四级预报”方法建立地质预报工作流程和地质预报体系。抽蓄项目地下洞室地质超前预报流程见图2。

图2 抽蓄项目地下洞室地质超前预报流程

3 工程应用

3.1 哈密抽水蓄能电站

3.1.1 风险等级确定

首先，根据前期已有资料对通风兼安全洞k0+093～k0+193洞段进行工程地质分析。该隧洞埋深浅，一般40～100 m，岩性为暗紫红色泥岩夹砂岩，泥岩为软岩，抗压强度低，地下水活动轻微。隧洞开挖存在坍塌、泥岩软化、冒顶等重大工程地质问题。据已开挖洞段地质编录及掌子面揭示情况，该洞段为Ⅳ类围岩，洞室不稳定，临时支护为钢支撑加挂网喷护混凝土，开挖风险等级为3级，需进行中期地质预报。

掌子面后方洞室两壁已支护处理，一般中期预报方法需要对已喷护网片进行切割处理，有些还需要炸药作为震源，存在安全风险。综合分析认为，采用不受空间及施工条件限制的TCT法(TGS360Pro设备)直接在掌子面测试。

3.1.2 中期地质预报(TCT法)的应用

采用俄罗斯超前预报系统TCT法(TGS360Pro设备)对通风兼安全洞k0+093～k0+193段进行现场数据采集，对该洞段泊松比、含水概率、相对应力、围岩危险性等级等进行了预测预报。测试成果见图3。

图3 k0+093～k0+193洞段测试成果

结合掌子面揭露地质信息，对k0+093～k0+193洞段相对应力、含水概率、纵波波速、横波波速、纵横波波速比、泊松比、杨氏模量、围岩危险等级进行综合分析。预报结果见表2。

表2 TCT法预报结果

3.1.3 开挖验证

通风兼安全洞k0+093～k0+193洞段地质预报段实际开挖为：k0+093～k0+145洞段岩性为泥岩，暗紫红色，为软岩，饱水抗压强度低，洞室稳定性差，围岩类别为Ⅲ类～Ⅳ类，以Ⅳ类为主；k0+145～k0+193洞段岩性为砂岩夹泥岩，洞室较稳定，围岩类别以Ⅲ类为主。

采用本文建立的抽蓄项目地质预报体系，较准确地预报了掌子面前方100 m地质条件，预报准确率达85%以上，施工方根据地质预报提前做好了应对预案及处理措施，及时调整了开挖断面和临时支护方式，开挖顺利通过该洞段。地质预报成果与开挖对比见图4。

图4 地质预报成果与开挖对比

3.2 镇安抽水蓄能电站

3.2.1 风险等级确定

首先，根据前期已有资料对2号隧道洞k0+965～k0+860洞段进行工程地质分析。2号隧道布置在上下水库连接公路k0+860～k0+965洞段，隧道宽8.7 m，高4.5m，底板纵向坡度8%。隧道穿越地层为震旦系条纹条痕大理岩，薄层结构，岩层走向为NE24°～30°，倾向SE，倾角5°～20°；岩体无强风化，弱卸荷水平深度一般8～18 m，弱风化下限水平深度20～45 m；地下水不丰富，局部溶隙较发育，对隧道围岩稳定不利。

该洞段隧道顶板埋深10～35 m，岩性以薄层条纹条痕大理岩为主，层面裂隙发育，倾角较为平缓，围岩自稳能力较差，围岩级别为Ⅳ级，局部由不利结构面组合形成的不稳定块体在开挖过程中可能产生塌方，须及时支护和加固。参照地质预报体系，该洞段开挖风险等级为4级，整体洞段需进行长、中短期结合地质预报的地质预报。

3.2.2 中、短期结合地质预报方法的应用

根据前期已有地质资料进行分析，k0+930～k0+880洞段可能存在不利结构面组合形成的不稳定块体，在开挖过程中可能产生塌方，需进行预报。不利结构面主要有3组：①组。NW325°NE∠18°，宽0.1～0.2 cm，充填岩屑、钙质，少量泥质，面较平直粗糙，发育大于5条。②组。NE6°SE∠81°，宽0.1～0.2 cm，充填岩屑、泥质、钙质，面较平直粗糙，发育大于5条，间距1 m。③组。NW340°NE∠80°，宽0.1～0.2 cm，充填岩屑、泥质，面平直光滑，可见延伸大于5 m。

(1)中期地质预报TRT7000预报法。TRT7000法测试结果见图5、6。从图5、6可知，k0+965～k0+935洞段未见明显异常，p波波速为5 800 m/s，围岩与掌子面类似，围岩参考等级为III级。k0+935～k0+905洞段张性裂隙较发育，局部裂隙水呈渗出状，开挖支护不及时，局部易产生掉块、塌方，围岩平均波速为5 600 m/s，围岩以III级为主，局部IV级。

图5 三维成像图-立体图

图6 波速分布

(2)中期地质预报TGS360预报法。TGS360地质预报成果见图7、8。从图7、8可知，k0+966～k0+921洞段岩性为中薄层条纹条痕大理岩，裂隙较发育，围岩总体稳定性较好。k0+936～k0+926洞段局部可能存在较破碎区域或溶隙发育区，较掌子面潮湿局部可能含水，危险等级4级。k0+921～k0+896洞段岩性以中薄层条纹条痕大理岩，岩体基本无卸荷，裂隙较为发育，围岩总体稳定性较好。k0+911～k0+901洞段可能存在破碎带或断层，危险等级4～5级。k0+896～ k0+851洞段岩性为中薄层条纹条痕大理岩，岩体基本无卸荷，裂隙较为发育，围岩总体稳定性较好。k0+895～k0+885洞段应力云图有很大差异，波速变化很大，此区域可能存在溶孔或溶缝，含水可能性较大，危险等级5级。

图7 围岩危险等级划分

图8 地下水含水概率分布

(3)短期地质预报地质雷达预报法。k0+919～k0+889洞段地质雷达测试成果见图9。从图9可知，0～160 ns的区段内(距离深度为0～8 m的区段即k0+919～k0+911洞段)电磁波反射相对明显，主要原因为裂隙发育，局部溶蚀裂隙发育，裂隙含水。160～600 ns的区段内(距离深度为8～30 m的区段即k0+911～k0+889洞段)电磁波反射相对较弱，衰减快，基本无反射信号，可能为裂隙发育或者地质异常，开挖时应注意观察。

图9 地质雷达试验成果

3.2.3 开挖验证

k0+966～k0+816洞段岩性为条纹条痕大理岩，灰白色，微风化，岩层产状NE50°～55°SE∠15-25°，岩层倾角较缓，整体稳定性一般，洞内较干燥，局部洞段(k0+925～k0+932洞段)存在渗水～串珠状滴水现象，主要在左拱顶部位，围岩类别以Ⅲ级为主，局部(k0+910～k0+900洞段)由于溶蚀裂隙发育导致洞室整体稳定性较差，为Ⅳ级。

采用本文建立的抽水蓄能电站地质预报体系，较准确地预报了掌子面前方100 m地质条件。结果表明，k0+910～k0+900洞段洞室整体稳定性差，存在局部坍塌的可能，预报准确率达85%以上。施工方根据地质预报提前做好了应对预案及处理措施，及时调整了开挖断面和临时支护方式，开挖顺利通过该洞段。

4 结 语

目前，地下洞室预测预报主要针对公路、铁路、引调水等线状工程开展，针对地下洞室众多、洞型各异的抽蓄项目开展较少。本文根据抽蓄项目地下洞室几何特征与地质条件，基于地质预报基本原则，选择适合抽蓄项目地下洞室地质预报方法、设备，采用工程地质分析法，TCT法(TGS360Pro设备)，地质雷达法长、中、短期预报方法与开挖面地质分析相结合，按“三阶段、四原则、五级风险、四级预报”方法，建立地质预报工作流程和地质预报体系，并在哈密、镇安2个抽水蓄能电站项目得到较好的应用，可为同类工程提供借鉴。