深埋隧洞TBM超前地质预报及预处理关键技术研究

王远超， 杜雷功， 王迎春, *， 章跃林

(1. 新疆伊犁河流域开发建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 830000；2. 中水北方勘测设计研究有限责任公司， 天津 300222)

0 引言

目前国内外隧洞超前地质预报的技术手段和方法主要有地质类、物探类及水平钻探法3大类。其中物探类方法主要包括地震负视速度法、TSP[1]预报法(瑞士)、TGP预报(国产)、TRT[2]预报(美国)、TST预报(国产)、HSP水平声波剖面法(国产)、陆地声呐法(国产)、面波法、地质雷达法(电磁波类)、TGS360PRO(俄罗斯)、BEAM[2]法(德国)，以及用于隧洞掌子面前方探水的复频电导率法(CFC)、三维激发极化法[3](山东大学)、瞬变电磁法等。国内外预报技术因预报精度、预报长度、解译难度、安装难度等因素，单一预报方法的应用效果不尽理想，应结合预报的主要工程地质条件，采用2种及以上的物探测试方法，遇异常情况钻孔验证，综合分析形成较为准确的超前预报结果。

本文研究项目为解决敞开式TBM在有外水Ⅳ、Ⅴ类围岩以及不良地质洞段掘进困难问题，进行有针对性的超前地质预报及预处理关键技术研究，采用TRT7000、TSP203、激发极化法、微震等多项超前预报技术，配合采取超前钢花管、管棚跟管等预处理措施；同时，提出采用钢管片、钢拱架背覆钢板、H型钢筋排、延长护盾、自进式中空注浆锚杆加固围岩等处理措施，以有效减少卡机现象。在TBM通过大断层破碎带、中强蚀变岩、突涌水、护盾上方及人孔涌渣等极为恶劣的地质条件时，采用预处理关键技术，避免TBM埋机等事故风险，是本项目的创新之处。

1 工程概况及主要地质问题

某工程隧洞最大埋深约2 270 m，洞长超过40 km，设计输水流量为70 m3/s，TBM最大开挖直径为6.8 m。工程存在高地应力、高外水压力、高地温(高于37 ℃)、高耐磨性(花岗岩)、强岩爆、强蚀变岩(统称“四高二强”)，区域属强烈隆升区，褶曲和断裂发育，地震活动强烈，沿线存在区域性大断层、不整合接触带、泥岩等，极易发生围岩严重—极严重挤压大变形，主要工程地质和水文地质问题严重制约了TBM的安全掘进[1]。工程所面临问题的复杂程度属国内外罕见。针对深埋复杂地质洞段关键技术难题，提出以下解决方案并通过实践应用。

1)优化设备配置，满足复杂地质条件下超前预报、预处理设备的布置、安装和使用；

2)应用多种超前预报技术，综合分析评价地质情况；

3)根据地质分析预报结果，超前预处理不良地质洞段；

4)应用超前导孔纵波测试、裸孔注浆等检查手段，检测围岩加固效果；

5)结合监测结果，优化处理措施。

2 TBM设备优化设计

为充分发挥敞开式TBM的施工能力，除了对TBM的设备配置进行针对性设计以外，在TBM掘进施工过程中应对主机和后配套中配置的设备不断进行优化和完善。

2.1 断层破碎带、蚀变带的设备配置

针对断层破碎带及蚀变带岩层，在敞开式TBM设备L1区和L2区各配置2台锚杆钻机，L1区的2台锚杆钻机安装在钢拱架安装器的后部，L2区的2台锚杆钻机安装在喷混桥前方。L1区的锚杆钻机可以快速进行锚杆支护，以及增设L1区的应急喷混凝土系统，让TBM能快速通过围岩松散地段；L2区的锚杆钻机紧随其后进行补钻加固围岩。

2.2 涌水、排水的配置

配置强排水系统，排水系统的最大排水量应大于TBM设备用水量与掌子面最大涌水量之和，当涌水量大时结合集水井进行排水，排水量的计算一般按照Q排≥Q1(TBM设备用水量)+Q2(最大涌水量)。当涌水量比较大时，需修建集水井进行排水，具体配置为： 1)泵站水泵在TBM主梁下侧，分别配置3台排量为30 m3/h、2台排量为162 m3/h、2台排量为400 m3/h的水泵，共计7台排沙泵； 2)总排水能力为1 214 m3/h； 3)抬高TBM后配套台车约80 cm以应对突水，保护人员和设备的安全。另外，在后配套设备及人员工作区设置防护棚板，防止高压裂隙水对人员及设备的冲击；在L1区配置超前预注浆封堵设备，必要时对高水压洞段进行超前预注浆堵水。

2.3 围岩变形的针对性设计

通过刀盘扩挖功能解决中强蚀变岩等软弱围岩收敛变形问题，当遇到轻微或中等蚀变岩洞段时需增大边滚刀的超挖垫块，实现刀盘的扩挖功能，长距离扩挖直径为10 cm，短距离(3～5 m)可实现扩挖直径为15 cm。

当TBM遇到强蚀变岩等围岩大变形时[2-3]，在人工扩挖洞室内将刀盘直径由6.5 m扩大至6.8 m，分体式刀盘更换刀盘外周分瓣。

2.4 岩爆的针对性设计

增加顶护盾及侧护盾尾部长1.28 m，顶护盾、搭接护盾、侧护盾尾部增加岩爆防护板，保护作业人员和设备；在L1区通过钻孔释放岩体应力;同时在L1区配置喷射水管，对岩体表面进行喷水以减缓岩爆；针对岩爆滞后性[4-5]，在TBM主梁上部设置防护板。在L1区增加钢管片安装器，在紧急情况下安装钢管片，及时封闭岩面，提供支撑能力；钢筋排背覆钢板或钢拱架背覆钢板及时成环封闭，保证了人员和设备的安全，为后续加固处理创造条件。

3 TBM施工超前地质预报

施工期采用TRT7000、TSP203、激发极化法、微震、超前地质钻孔等超前地质预报手段，结合地勘、地面物探(包括EH4大地电磁测探、V8探测)和已揭露围岩等资料综合分析判断，开展超前地质预报[6-12]。主要解决： 1)地层岩性及地质构造预测预报，重点是岩爆、断层破碎带、蚀变岩层、不整合接触带的分布情况等； 2)地下水预测预报，预测隧洞掌子面前方的富水带，分析隧洞水文地质条件及环境变化，预报突涌水、突泥风险情况； 3)超前物探发现异常情况，仍需超前钻孔验证，及时形成地质预报结果，提出隧洞施工应对建议。

3.1 前期地质勘探工作

主要进行综合物探测井、地应力测试、地面物探(在大断层及蚀变岩区域采用EH4大地电磁测深和V8探测)等地面地质勘探工作。地质勘探结果表明： 推测分段蚀变岩总长约1 400 m；构造破碎带主要包括百余条断层及多条不整合接触带；N1+2泥岩段承压水最大水头为450 m，位于隧洞进口软岩洞段，总长约4 225 m；隧洞中部洞段高外水压力大于15 MPa；洞内最大涌水量约720 m3/h，位于F7断层(长400 m)洞段；高地应力洞段最大水平主应力为60 MPa。

3.2 TRT7000超前预报

施工期采用TRT7000预测前方围岩情况，如图1所示。由图1可知，桩号K37+831～+871段预报显示前方围岩总体较破碎，地下水出露以滴水—线状流水为主，局部破碎区出现股状涌水；桩号K37+774～+831段预报显示前方围岩破碎，以碎屑散体结构为主，局部为碎裂结构，岩体强度低、不均一，该洞段地下水状态以渗水、滴水为主，局部出现线状流水。

图1 TRT7000超前预报示意图

3.3 TSP203超前预报

由于护盾及刀盘上方出现塌腔，对TRT7000预测影响较大，依据前期地勘资料分析前方可能为突涌水洞段，而TSP203对水较为敏感并且能够避免塌腔的影响，因此选择TSP203测试方法。

1)桩号K37+694～+786洞段围岩破碎，地下水以滴水—线流为主，测试结果与掌子面开挖情况基本一致。

2)桩号K37+666～+694洞段围岩完整性差，地下水以线流为主，局部破碎区可能涌水，超前钻孔验证与TSP203测试结果基本一致。

3.4 超前钻探

对掘进机掌子面前方进行超前钻探，有效测孔深度为15 m；声波测试得到围岩声波波速为3 000～5 960 m/s，平均值为4 560 m/s；完整性系数为0.21～0.84，平均值为0.49。综合分析后预报该段围岩完整性差—较破碎，节理密集发育，围岩稳定性差，伴随少量渗水，测试段围岩情况与掌子面附近相似，未见明显好转迹象。超前钻探与TRT7000的预报结果基本吻合，也与实际揭露的围岩情况相符。

4 不良地质洞段超前预处理技术

4.1 蚀变岩洞段地质特征与危害

本工程出口段侵入岩的部分洞段存在蚀变现象：轻微蚀变岩分布不连续，岩体内裂隙较发育，综合判断为Ⅲ类围岩(轻微蚀变)；中等蚀变岩体完整程度不均一，围岩整体呈碎裂结构，洞室干燥，未见地下水，综合判断为Ⅳ类围岩(中等蚀变岩)；中强蚀变岩体较破碎—破碎，洞顶裂隙发育并存在泥化现象，岩体以碎裂结构为主，洞室干燥，综合判断为Ⅴ1类围岩(中、强蚀变岩)；强蚀变岩体破碎，呈碎屑状结构、滴渗水，实测出水量为每延米洞长2～3 L/min，该段顶拱塌落、拱架变形，塌落深度局部可达3～4 m，综合判断为Ⅴ2类围岩(强蚀变岩)。

4.1.1 本工程蚀变岩隧洞围岩分类

针对工程实际对蚀变岩进行分类，为超前预处理和一次支护提供依据。分类考虑的主要因素为岩石的蚀变程度、岩石强度(回弹值)、岩体结构、完整程度、纵波波速、结构面特征及地下水活动状态等。分类标准见表1。

表1 蚀变岩隧洞围岩分类标准

注： 上述围岩划分标准仅适用于蚀变花岗岩洞段，后续根据工作深度不断补充完善。

4.1.2 蚀变岩洞段撑靴部位加固处理措施

采取预处理措施的步骤为： 清除松散岩石—挂网(φ8 mm@100 mm钢筋网)—喷纳米混凝土—采用φ40 mm自进式中空注浆钢花管或φ25 mm自进式中空注浆锚杆。考虑注浆材料固结时间，采用化学灌浆，利用TBM检修的4 h加固撑靴部位，为TBM连续掘进创造条件，避免长时间停滞造成卡机现象。

4.1.3 蚀变岩洞段超前预处理措施

盾尾采用自进式中空注浆钢花管和自进式中空注浆锚杆，顶拱化学灌浆超前加固围岩；如掌子面或刀盘上方围岩不稳定，采用φ32 mm玻璃纤维锚杆化学灌浆超前加固围岩。

4.1.4 蚀变岩洞段辅助措施

1)为充分释放地应力，确保支护稳定，利用边刀垫片增加开挖直径，最大可扩挖10～15 cm； 2)在蚀变岩洞段，TBM施工工法为“三低、一高、一连续”，三低为低转速、低推力、低贯入度，一高为高转矩，一连续为连续掘进； 3)延长护盾，钢拱架在盾尾内安装，从而减少清渣工作量。

4.2 突涌水超前预处理

4.2.1 堵水预处理原则

在分析地勘资料的基础上，预判可能出现突涌水的洞段，加强超前探水预报(用具备孔口自动封闭等功能的探水设备)；以堵为主，堵排结合，做好堵、排水施工预案；做好设备和材料的准备工作。

4.2.2 堵水预处理主要措施

预报前方可能出现较大涌水时，停止TBM掘进，根据前方水量、水压等情况，采取相应的堵水预案；采用表面注浆封堵和设排水孔等方式处理渗漏水；采用TBM配备的超前钻机进行超前堵水和加固围岩，超前预注浆形成阻水帷幕[13]；在极端情况下[14]，如预判最大涌水量发生在F7断层，拟采用超高压预注浆堵水加固围岩，钻爆法开挖，TBM滑行通过。

4.3 岩爆洞段处理

4.3.1 岩爆洞段处理原则

根据地面地勘和监测资料分析，做好岩爆分析预判，制定不同岩爆等级的处理预案，建立岩爆快速反应、决策、处置机制。

4.3.2 岩爆洞段处理措施

采用机械化作业以及微震监测+地质超前预报+应力解除(超前钻孔水压致裂，钻孔或导洞爆破)+系统支护紧跟作业面的综合施工方法，有效降低安全风险、抵御岩爆危害，从而保障施工进度。轻微岩爆洞段： 全断面喷厚10 cm合成粗纤维混凝土，顶拱设长2.5 m、φ25 mm的涨壳式预应力中空注浆锚杆，局部设HW125钢拱架+φ16 mm钢筋排。中等岩爆洞段： 全断面喷厚15 cm纳米合成粗纤维混凝土，顶拱设长2.5 m、φ25 mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，全断面设HW150钢拱架+φ20 mm钢筋排。强烈岩爆洞段： 全断面喷厚20 cm纳米合成粗纤维混凝土，侧顶拱设长3.5 m、φ25 mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，全断面设加密HW200钢拱架+φ20 mm钢筋排。

4.3.3 微震技术

微震监测系统主体上由洞外系统控制中心、洞内数据采集仪(GS)及传感器3部分组成，并通过互联网与决策部门形成信息互动。微震信号由传感器采集并流向数据采集仪，之后经光电转换后的数字信号通过光纤传输至系统控制中心，技术人员于控制中心内完成数据处理与分析，以及对监测系统的控制和管理；决策部门则可通过互联网实时观测当前洞内围岩的微震活动状况并审读技术人员提交的分析结果，以便做出相应的决定和采取适当的岩爆灾害控制措施。

1)已采用微震监测技术分析研究TBM掘进前方地震构造对岩爆特别是强、极强岩爆的孕育发生的作用机制，找出能量释放的主控结构面。

2)实时动态监测，分析研判岩爆的危险区域，结合围岩应力场和力学性质研究，对不同等级岩爆进行超前预处理，实现对岩爆动力灾害的有效防控。微震技术超前地质预报岩爆处理流程如图2所示。

4.3.4 岩爆洞段预测建议

本工程多次发生中等岩爆，已按上述措施进行成功的预测和处理，下一步根据微震监测圈定的潜在岩爆危险区域，结合围岩应力场和力学性质研究成果，对岩爆可能发生的空间位置、区域范围和危险等级进行预测预警。

4.4 断层破碎带超前预处理

4.4.1 断层破碎带超前预处理原则

结合地勘、超前地质预报、超前钻等地质预报分析技术，判断断层破碎带的范围和断层性质[15]；制定处理预案(本工程在TBM掘进过程中人孔涌泥、涌渣以及护盾、刀盘上方塌方严重等极为复杂地质条件下采取超前管棚法)；做好设备、材料的准备。

4.4.2 超前管棚预注浆

第1层采用φ42 mm自进式超前中空锚杆钻孔注浆，及时化学灌浆，保护主机设备，兼顾堵水和加固围岩；第2层在顶拱范围内进行管棚法施工，安装导向管、跟管，采取控制孔斜措施，超前预加固围岩。管棚法方案及扩挖洞室如图3所示。

图2微震技术超前地质预报岩爆处理流程图

Fig. 2 Flowchart of rockburst treatment predicted by microseismic advance geological prediction method

图3 管棚法方案及扩挖洞室示意图(单位： cm)

4.4.3 TBM掘进前注浆效果质量检查

TBM掘进前注浆效果质量检查综合应用声波测试法、全孔壁数字成像法、导孔压浆检查和注浆量间接检查法进行。1)声波测试法，在第1层孔化学灌浆保护主机完成后，在顶拱实施超前导孔，采用单孔声波法探明前方地质情况，灌后扫孔声波测试检查灌浆效果； 2)全孔壁数字成像法，在每一钻进循环选取导孔及灌后检查孔，灌浆前后作为全孔深段开展全孔壁数字成像测试，管棚注浆纵波检查效果如图4所示； 3)导孔压浆检查，前方围岩软弱破碎，宜采用压稀浆检查，若不合格继续补灌至合格，通过2序孔的注浆量间接检查1序孔的注浆效果。

继续掘进采用钢拱架及其他一次支护对盾尾后方塌方体加固处理，护盾及刀盘上方设导水孔等措施，将前方渗涌水导至盾尾后方，确保后续掘进作业安全；对刀盘前方围岩采取玻璃纤维中空锚杆化学注浆，固结掌子面和刀盘上方不稳定岩体，确保刀盘运转正常。

5 结论与建议

1)在高地应力、高外水压力、高地温、高耐磨性(花岗岩)、强岩爆、强蚀变岩及区域性大断层破碎带、突涌水、涌泥砂、围岩大变形等复杂和不良地质条件下进行TBM施工，应首先做好超前地质预报，将地面地质勘探结果与洞内的超前地质探测结果相结合，物探结果与钻探结果相结合，综合分析形成较为准确的超前预报结果。

2)针对地质预报结果采取相应的超前预处理措施，对预报的不良地质洞段进行超前预处理，实现预处理措施与地质条件相适应、预处理措施与设备能力相适应、机械作业与人工作业相结合、预处理措施与后加固措施相配套，不断解决TBM施工中遇到的疑难技术问题。超前加固预处理前方岩体，减少了卡机现象，避免了埋机等事故风险，利用TBM掘进能力安全通过复杂地质洞段。

3)通过对高埋深复杂地质洞段敞开式TBM超前地质预报及预处理关键技术的研究与实践，为国内外大埋深、长距离隧洞TBM施工提供了经验借鉴和技术参考。

4)根据微震监测圈定的潜在岩爆危险区域，结合围岩应力场和力学性质研究成果，对岩爆可能发生的空间位置、区域范围和危险等级进行预测预警。

5)建议下阶段对强岩爆的预警等方面进一步研究。

图4 超前裸孔预注浆围岩的纵波变化情况

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