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四川二滩国际工程咨询有限责任公司 四川成都 610072
摘要：锦屏二级水电站引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，主要不良地质问题有高地应力和岩爆、涌（突）水、高地温、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。由于设计阶段地质勘察具有局限性，施工阶段通过超前地质预报，可进一步确定不良地质问题可能出现的规模和位置，提前制定针对性的工程处理措施，降低不良地质条件影响。
关键词：不良地质；超前；地质预报
1 工程概况
锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。电站总装机容量4 800MW，单机容量600MW。工程枢纽结构主要由首部拦河闸坝、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。
东端1#、3#引水隧洞主要采用TBM法开挖，直径12.4m，混凝土衬砌厚度60cm，衬砌后隧洞洞径11.2m；东端2#、4#引水隧洞采用钻爆法开挖，直径13.0m，衬砌厚度40～60cm，混凝土衬砌后洞径11.8m。引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。
2 引水隧洞主要不良地质问题
2.1 涌（突）水
引水隧洞工程区内地表岩溶不发育，但赋存丰富的地下水，由NNE、NEE、NWW向三组结构面构成主要导水网络。从引水隧洞揭露的岩溶发育情况可以看出，涌水具有大流量、高压力、突发性特点，锦屏山东、中部有稳定的补给源，隧洞涌水流量稳定，西部涌水衰减快，补给源有限。
2.2 围岩破坏
2.2.1 软弱岩
较软弱岩（T2y4层中白云质挤压夹层）、断层带的变形破坏引起掉块、坍塌等，但一般规模不大。
2.2.2 高地应力和岩爆
高地应力和岩爆是本工程的主要地质问题之一，经回归分析，隧洞线高程最大和最小主应力分别为70MPa和30MPa，以自重应力为主。引水隧洞内出现的岩爆等级以轻微～中等为主；其型式为剥落、松脱、弹射；其类型为零星、成片、连续型。岩爆是引水隧洞开挖过程中遇见的主要岩体破坏现象之一。
2.2.3 高外水压力
引水隧洞除因高地应力所产生的岩体脆性变形破坏以外，高外水压力对隧洞围岩稳定和施工将产生较大影响，也可能是引水隧洞将遇到的地质灾害问题。
2.2.4 岩溶
在高程2000m以下位置，岩溶发育较弱并以垂直系统为主，深部以NEE、NWW向的构造节理及其交汇带被溶蚀扩大了的溶蚀裂隙为主。在高程1600m附近的岩溶形态以溶蚀裂隙为主，溶洞少，且规模不大。
3 超前地质预报方法
根据目前国内外现有的地质勘探仪器和技术现状，仅通过地表勘察较难查明山体深部详细的不良地质问题，并且受探测精度限制，部分测试判断的地质体准确位置可能会与实际位置存在差异，甚至可能出现局部地段的较大出入，因此，有必要在施工阶段开展超前地质预报工作。引水隧洞施工过程中的超前地质预报采用综合预报方法，坚持预报在前，先探后掘，最大限度查明不良地质体及地下水状况，以指导施工，规避安全风险。
3.1 工程地质法
每循环爆破结束，由地质工程师结合设计单位提供的地质资料及相邻洞段揭示的地质资料对开挖面进行观察并做地质素描记录。观察项目包括开挖面正面及侧面稳定状态、岩性风化程度、裂隙间距、形状、涌水情况、水的影响等。素描记录工作面的岩层产状、构造及特殊地质现象，同时对靠近工作面的初期支护进行观察，喷射混凝土是否开裂、是否有脱落、掉块等，预测不良地质可能发生洞段。
3.2 表面雷达
3.2.1 表面雷达探测目的
在工作面及侧壁进行表面雷达探测，探测工作面前方及侧壁20～30m深度范围的地层岩性界面、较大节理与构造、富水带、溶蚀通道及地下水等，判断不良地质体的位置及规模，推测地下水的大致富水程度。
3.2.2 仪器设备
表面雷达预报使用拉托维亚进口的Zond-12e型地质雷达，选用100MHz雷达天线，并备有38/75/150MHz 天线作为辅助探测天线。
3.2.3 表面雷达测线布置
每掘进20m探测一次，有效探测距离25～30m，每次重复5～10m。在工作面、左侧壁、右侧壁及洞底板至少各布置一条测线，左右侧壁测线长度大于开挖循环进尺长度，且与前次表面雷达测线至少重合2m以上。
3.2.4 现场测试
通过实验选择合适的仪器参数，采样率宜选用天线中心频率的6倍～10倍。测试过程中，天线应紧贴岩壁，水平测线高度基本一致，垂直测线应保持铅直。采用连测时，应匀速缓慢移动天线，保障点距不大于20cm；采用点测时，点间距为20cm。采用测量轮标注时，每5m校对一次。现场测试时，避开测线附近的机械设备与金属物体、导线等。利用表面雷达开展的地质超前预报的准确～基本准确率约占88%。
3.3 TSP超前地质探测
3.3.1 TSP探测目的
TSP超前地质探测系统用于预报工作面前方0～120m范围内及周围临近区域地质状况，预测工作面前方围岩的类别；主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括底层岩性界面、构造破碎带、富水区、岩溶发育等不良地质体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。
3.3.2 仪器设备及工作流程
TSP采用瑞士最新设备超前地质探测系统TSP203。工作流程：确定孔位-钻孔-安装传感器-埋设炸药-引爆-TSP测量。 3.3.3 现场测试
每次预报有效距离为120～150m，重复20～50m。每次预报时，在工作面后方55m位置左、右壁各布置一个接收孔，孔径Φ45～50mm，深度1.8～1.9m，方向垂直支洞轴线上倾5°～10°，距离底板高1m。在洞壁布置24个炮孔，孔径Φ38～42mm，深度1.5m，方向垂直支洞轴线下倾10°～20°，距离底板高1m。第1个炮孔距离同侧接收器孔20m，炮孔间距1.5m。
东端1#、2#引水隧洞TSP203共探测26次，对其中24次进行了开挖验证；结果是预报的准确率～基本准确率达到85%，不准确约占15%。但存在具体位置有误，突涌水的水量、水压未能准确地预报。
3.4超前钻探法
结合工程地质法、TSP203超前探测系统布置超前探孔，对关键区域采用超前钻探的方式进行勘察，取得最直接的依据。一般布设3孔，进行验证，一旦验证有不良地质条件存在，增加探孔数量和深度，确定岩体节理、地下水发育状况。施工现场经常采用沿掌子面布置3～7个超前的深孔，预测前方地下水情况，特别是可能有突水地段，采用这种方法是行之有效的。
3.5 BEAM超前预报系统
BEAM 法（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），是国际上目前唯一的一种电法超前预报方法。该方法是在TBM隧洞掘进的同时，使用三个电极聚焦地面电流，自动探测三倍隧洞直径范围内的地质条件的一种地质测量方法，能够与TBM掘进同步预测掌子面前方的岩体的完整性和富水性。
3.6 红外线探测仪法
通过HY-303型探水仪探测掘进前方是否存在水体。红外探水探测速度快，基本不占用生产时间；资料分析快，测量完毕，即可得出初步结论，室内整理及编写报告也较快；准确率较高，特别在石灰岩洞段，预报准确率能高达80%，但对水量、水压及危害程度无法预测，红外探水一般平均20m测量一次。
3.7 经验判断法
不良地质体在被揭露之前往往表现出一些明显或不明显前兆标志，它们是超前地质预报的重要信息。仔细观察、描述开挖石渣、结构面及岩层形态、量测结构面及岩层特征参数，是正确进行超前地质预报的关键。
4 总结
锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中突涌水、岩爆是重点预报对象。根据工程实践，综合运用多种超前地质预报方法，互相印证、取长补短、综合解释，可以获得良好的超前地质预报效果，为引水隧洞施工安全和工程安全风险的识别、处理提供了技术保障。
摘要：锦屏二级水电站引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，主要不良地质问题有高地应力和岩爆、涌（突）水、高地温、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。由于设计阶段地质勘察具有局限性，施工阶段通过超前地质预报，可进一步确定不良地质问题可能出现的规模和位置，提前制定针对性的工程处理措施，降低不良地质条件影响。
关键词：不良地质；超前；地质预报
1 工程概况
锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。电站总装机容量4 800MW，单机容量600MW。工程枢纽结构主要由首部拦河闸坝、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。
东端1#、3#引水隧洞主要采用TBM法开挖，直径12.4m，混凝土衬砌厚度60cm，衬砌后隧洞洞径11.2m；东端2#、4#引水隧洞采用钻爆法开挖，直径13.0m，衬砌厚度40～60cm，混凝土衬砌后洞径11.8m。引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。
2 引水隧洞主要不良地质问题
2.1 涌（突）水
引水隧洞工程区内地表岩溶不发育，但赋存丰富的地下水，由NNE、NEE、NWW向三组结构面构成主要导水网络。从引水隧洞揭露的岩溶发育情况可以看出，涌水具有大流量、高压力、突发性特点，锦屏山东、中部有稳定的补给源，隧洞涌水流量稳定，西部涌水衰减快，补给源有限。
2.2 围岩破坏
2.2.1 软弱岩
较软弱岩（T2y4层中白云质挤压夹层）、断层带的变形破坏引起掉块、坍塌等，但一般规模不大。
2.2.2 高地应力和岩爆
高地应力和岩爆是本工程的主要地质问题之一，经回归分析，隧洞线高程最大和最小主应力分别为70MPa和30MPa，以自重应力为主。引水隧洞内出现的岩爆等级以轻微～中等为主；其型式为剥落、松脱、弹射；其类型为零星、成片、连续型。岩爆是引水隧洞开挖过程中遇见的主要岩体破坏现象之一。
2.2.3 高外水压力
引水隧洞除因高地应力所产生的岩体脆性变形破坏以外，高外水压力对隧洞围岩稳定和施工将产生较大影响，也可能是引水隧洞将遇到的地质灾害问题。
2.2.4 岩溶
在高程2000m以下位置，岩溶发育较弱并以垂直系统为主，深部以NEE、NWW向的构造节理及其交汇带被溶蚀扩大了的溶蚀裂隙为主。在高程1600m附近的岩溶形态以溶蚀裂隙为主，溶洞少，且规模不大。
3 超前地质预报方法
根据目前国内外现有的地质勘探仪器和技术现状，仅通过地表勘察较难查明山体深部详细的不良地质问题，并且受探测精度限制，部分测试判断的地质体准确位置可能会与实际位置存在差异，甚至可能出现局部地段的较大出入，因此，有必要在施工阶段开展超前地质预报工作。引水隧洞施工过程中的超前地质预报采用综合预报方法，坚持预报在前，先探后掘，最大限度查明不良地质体及地下水状况，以指导施工，规避安全风险。
3.1 工程地质法
每循环爆破结束，由地质工程师结合设计单位提供的地质资料及相邻洞段揭示的地质资料对开挖面进行观察并做地质素描记录。观察项目包括开挖面正面及侧面稳定状态、岩性风化程度、裂隙间距、形状、涌水情况、水的影响等。素描记录工作面的岩层产状、构造及特殊地质现象，同时对靠近工作面的初期支护进行观察，喷射混凝土是否开裂、是否有脱落、掉块等，预测不良地质可能发生洞段。
3.2 表面雷达
3.2.1 表面雷达探测目的
在工作面及侧壁进行表面雷达探测，探测工作面前方及侧壁20～30m深度范围的地层岩性界面、较大节理与构造、富水带、溶蚀通道及地下水等，判断不良地质体的位置及规模，推测地下水的大致富水程度。
3.2.2 仪器设备
表面雷达预报使用拉托维亚进口的Zond-12e型地质雷达，选用100MHz雷达天线，并备有38/75/150MHz 天线作为辅助探测天线。
3.2.3 表面雷达测线布置
每掘进20m探测一次，有效探测距离25～30m，每次重复5～10m。在工作面、左侧壁、右侧壁及洞底板至少各布置一条测线，左右侧壁测线长度大于开挖循环进尺长度，且与前次表面雷达测线至少重合2m以上。
3.2.4 现场测试
通过实验选择合适的仪器参数，采样率宜选用天线中心频率的6倍～10倍。测试过程中，天线应紧贴岩壁，水平测线高度基本一致，垂直测线应保持铅直。采用连测时，应匀速缓慢移动天线，保障点距不大于20cm；采用点测时，点间距为20cm。采用测量轮标注时，每5m校对一次。现场测试时，避开测线附近的机械设备与金属物体、导线等。利用表面雷达开展的地质超前预报的准确～基本准确率约占88%。
3.3 TSP超前地质探测
3.3.1 TSP探测目的
TSP超前地质探测系统用于预报工作面前方0～120m范围内及周围临近区域地质状况，预测工作面前方围岩的类别；主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括底层岩性界面、构造破碎带、富水区、岩溶发育等不良地质体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。
3.3.2 仪器设备及工作流程
TSP采用瑞士最新设备超前地质探测系统TSP203。工作流程：确定孔位-钻孔-安装传感器-埋设炸药-引爆-TSP测量。 3.3.3 现场测试
每次预报有效距离为120～150m，重复20～50m。每次预报时，在工作面后方55m位置左、右壁各布置一个接收孔，孔径Φ45～50mm，深度1.8～1.9m，方向垂直支洞轴线上倾5°～10°，距离底板高1m。在洞壁布置24个炮孔，孔径Φ38～42mm，深度1.5m，方向垂直支洞轴线下倾10°～20°，距离底板高1m。第1个炮孔距离同侧接收器孔20m，炮孔间距1.5m。
东端1#、2#引水隧洞TSP203共探测26次，对其中24次进行了开挖验证；结果是预报的准确率～基本准确率达到85%，不准确约占15%。但存在具体位置有误，突涌水的水量、水压未能准确地预报。
3.4超前钻探法
结合工程地质法、TSP203超前探测系统布置超前探孔，对关键区域采用超前钻探的方式进行勘察，取得最直接的依据。一般布设3孔，进行验证，一旦验证有不良地质条件存在，增加探孔数量和深度，确定岩体节理、地下水发育状况。施工现场经常采用沿掌子面布置3～7个超前的深孔，预测前方地下水情况，特别是可能有突水地段，采用这种方法是行之有效的。
3.5 BEAM超前预报系统
BEAM 法（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），是国际上目前唯一的一种电法超前预报方法。该方法是在TBM隧洞掘进的同时，使用三个电极聚焦地面电流，自动探测三倍隧洞直径范围内的地质条件的一种地质测量方法，能够与TBM掘进同步预测掌子面前方的岩体的完整性和富水性。
3.6 红外线探测仪法
通过HY-303型探水仪探测掘进前方是否存在水体。红外探水探测速度快，基本不占用生产时间；资料分析快，测量完毕，即可得出初步结论，室内整理及编写报告也较快；准确率较高，特别在石灰岩洞段，预报准确率能高达80%，但对水量、水压及危害程度无法预测，红外探水一般平均20m测量一次。
3.7 经验判断法
不良地质体在被揭露之前往往表现出一些明显或不明显前兆标志，它们是超前地质预报的重要信息。仔细观察、描述开挖石渣、结构面及岩层形态、量测结构面及岩层特征参数，是正确进行超前地质预报的关键。
4 总结
锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中突涌水、岩爆是重点预报对象。根据工程实践，综合运用多种超前地质预报方法，互相印证、取长补短、综合解释，可以获得良好的超前地质预报效果，为引水隧洞施工安全和工程安全风险的识别、处理提供了技术保障。