基于TBM隧道中TRT超前地质预报技术的应用研究

唐洪武，刘兆勇

(四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年来，随着工程地球物理技术的不断发展，超前地质预报技术在隧道开挖过程中得到了广泛应用，通过隧道地质超前预报，及时预报掌子面前方的不良地质体及其性质、位置、规模、产状与成灾可能性，预防涌水、突泥、坍塌等灾害性事故的发生，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据。目前用于超前预报的物探方法主要有：中长距离预报(TSP法、TVSP法、HSP法、TRT法等)；短距离预报(地质雷达法、红外测温法、超前勘探法、聚焦电流法等)。我国综合运用以上探测方法，在隧道地质超期预报中已经获得了很多成功的应用实例，为施工和设计单位提供了科学的参考依据。客观地说，以上这些方法在钻爆法开挖的隧道中虽然应用效果较好，但在TBM隧道中并没有取得预期效果。由于TBM掘进机具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞的明显优势，近些年来逐渐被一些大型隧道工程所采用，但由于TBM管片之间的衔接安装使岩体无法裸露，而且TBM掘进机本身结构复杂，因此在TBM隧道中有效地进行超前地质预报逐渐成为隧道领域和地球物理学界的重点和难点。

本文结合TBM掘进机的结构特点，对TRT超前地质预报系统在震源激发、检波器安装等方式上进行改进创新，同时在数据处理过程中引入相对坐标系统，通过开挖验证，TRT超前地质预报技术在TBM隧道中取得了良好预报效果。

1 TRT预报原理

隧道地震波反射体追踪技术简称TRT(Tunnel Reflectiontomography)技术，该技术是由美国NSA工程公司开发的隧洞地质超前预报方法。该方法采用空间多点激发和接收的观测方式，充分获取隧洞掌子面及附近空间地震波场信息，利用速度扫描和偏移成像技术，通过三维成像来预报掌子面正前方及隧道中心线上下和左右各50 m立体空间范围内的岩体情况，确定掌子面前方地质异常体的性质、位置及规模，以此对掌子面前方的地质情况进行长距离预报。

TRT技术的基本原理是当人工激发的地震波遇到声学阻抗差异(密度×波速)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射回来的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面，反射体的尺寸越大声学阻抗差异越大，回波就越明显，越容易被探测到。通过对反射波信息进行处理和分析，可解译出隧道掌子面前方的围岩情况，主要包括断层、破碎带、软弱带，岩溶、富水区等不良地质体的位置和规模。

2 钻爆法隧道TRT预报系统

在常规的钻爆法开挖中，岩体裸露、洞内视野较好，震源点的激发、检波器的安装以及坐标的采集就相对简单。

2.1 震源点激发

TRT系统采用锤击震源进行激发，把触发开关绑扎在锤头上，通过触发线与主机相连接，采用回路触发方式，触发与采集同步进行。采集信号时，用锤头直接锤击岩体表面即可进行激发。

2.2 检波器安装

在传统的钻爆法施工隧道中，只需要通过8 mm左右的电钻打6 cm深的孔，在固定块上抹上膨胀性快干水泥，把固定块固定在隧道边墙和洞顶表面，传感器通过螺丝安装在固定块上，从而实现传感器和岩体的紧密耦合，该方法简便易于操作。

2.3 大地坐标系统

在资料处理的过程中需要建立隧道勘测布置图，因此需要震源点和检波器接收点等点位的三维坐标信息，一般情况下，采用全站仪直接测量出所需点的大地坐标即可。在钻爆法开挖施工的隧道中，由于洞内设备较少，对以上点位的影响较小，可以直接进行测量。

3 TBM隧道TRT预报系统设计

由于TBM隧道与钻爆法隧道开挖方式不同，TBM管片之间的衔接安装无法使岩体裸露出来，而且TBM掘进机本身结构复杂，安装管片所构成的封闭结构使得岩体被隔离，震源点和检波器的安装难度较大；同时由于TBM机设备复杂，震源点和接收点的位置容易被各种设备阻挡，难以用全站仪测量出各个点位的大地坐标，这给建立隧道勘测布置图增加了困难。本文结合TBM掘进机的结构特点，通过对TRT超前地质预报系统在震源激发、检波器安装等方式上进行改进创新，同时在数据处理过程中引入相对坐标系统代替大地坐标系统，在TBM隧道中取得了良好预报效果。

3.1 激发装置的改进

在钻爆法施工隧道中，只需要人工锤击表面的岩体进行激发，方便快捷。但在TBM掘进机中，仅在刀盘附近的伸缩缝和空压锤处能够看到岩体(见图1～2)，伸缩缝一般情况下处在关闭状态，关闭状态下缝隙狭小，仅有10 cm宽，并且附近设备较多，难以直接锤击激发。TBM空压锤处有约20 cm×20 cm的空间能够直接看到岩体，由于附近有空压锤的阻挡，也难以直接锤击激发。

通过现场多次试验，用空压钻在管片定位孔上钻孔，然后加工实心铁棒，把实心铁棒放到定位孔中与岩体紧贴，通过锤击实心铁棒进行激发，效果良好。

图1 TBM伸缩缝处岩体 图2 TBM空压锤处岩体

3.2 接收装置的改进

TBM掘进环境下管片的安装对于实现传感器和岩体的耦合带来了诸多不便，无法像钻爆法隧道一样把传感器通过螺丝安装在岩体的固定块上进行耦合。为了解决该问题，研究小组通过多次试验，发现玻璃纤维是一种特殊的无机非金属材料，以玻璃纤维锚杆为传输媒介，在信号传递的过程中不会对信号产生干扰，对接收方式能有效地改进，效果良好，具体改进如图3～4所示。

3.3 相对坐标系统

如前文所述，在钻爆法施工隧洞中，一般可通过全站仪测出震源点和检波器接收点等点位的大地坐标，建立隧道勘测布置图。而在TBM掘进环境下，由于洞内设备较多，震源点和接收点的位置容易被各种设备阻挡，难以用全站仪测出以上点位的坐标，这增加了建立隧道勘测布置图的困难。研究小组经过不断地努力和尝试，最终通过建立以下点位的相对坐标关系，即建立相对坐标系统解决了上述问题。

隧道勘测布置图是根据12个震源点(S1～S12)、10个检波器(A2～A11)以及掌子面顶拱中心点和A9-A10-A11组成圆弧的最高点。从中心点位置沿着掌子面为X轴正方向，面对掌子面原点右侧为Y轴正方向，原点以上为Z轴正方向，反之则为负方向。因此，在确定震源点和检波器等点位的相对坐标时，只需要用皮尺测量出各点位的相对坐标，不需要用全站仪测出以上点位的大地坐标。

图3 玻璃纤维锚杆 图4 边墙上安装检波器

经过后续处理，在以上两种坐标系统模式下，采用相同的波速和滤波等处理参数，得到的三维反射成像图也完全一致。可见，对于相同的空间波场，两种坐标系统下的三维结构图对异常结构的反映一致。

因此，采用震源点和检波器等点位的相对位置关系建立起来的相对坐标系统，完全可以代替采用全站仪测量出各个点位的大地坐标所建立的大地坐标系统。相对坐标系统的引入解决了在TBM隧道中难以用全站仪测量各点位大地坐标的问题，为在TBM隧道中顺利开展TRT法地质超前预报工作奠定了基础。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

某隧道采用双护盾TBM掘进机施工，隧洞长约5 km。根据已经揭露的地质资料，该洞段岩体以片麻岩和混合片麻岩为主，岩石坚硬，构造整体不发育，主要以小规模断层、挤压破碎带和节理裂隙为主，局部发育断层破碎带。隧道埋深较深，深埋洞段较长，在局部深埋洞段可能会产生由高地应力引起的岩爆、围岩卸荷松弛、片帮等现象。围岩以Ⅲ类为主，约占80%，Ⅳ～Ⅴ类围岩约占20%，具备良好的成洞条件，大部分洞段岩体较完整，较适宜TBM掘进，但在断层、韧性剪切带发育和长大裂隙不利组合等围岩破碎洞段洞室稳定性问题较为突出；同时在TBM掘进过程中也会造成撑靴无法受力、卡机等隐患，对掘进有一定的影响。该区域常年降水充沛，地下水较丰富，但主要集中在进出口浅埋洞段和过沟段，深埋洞段仅在构造破碎带附近存在涌突水现象。

根据前期EH4物探剖面揭示，隧道桩号约K10+070 m～K10+150 m段出现反射异常。经解译，该异常可能为断层带，也可能为裂隙密集带或集中分布的多条小规模断层破碎带所致(见图5)。

图5 EH4物探剖面疑似断层示意

TBM设备造价昂贵，掘进过程中不能后退，为了防止卡机或者被埋等工程事故发生，需查明掌子面前方是否存在EH4所反映的地质异常，需要对掌子面进行地质超前预报。TBM掘进机本身结构复杂，岩体被管片覆盖，如何进行有效地超前地质预报工作一直是该领域的难点。研究小组通过改进激发装置和接收装置，引入相对坐标系统，成功在双护盾TBM掘进机中进行了TRT地质超前预报。

4.2 预报成果分析

本次预报采用TRT地震波三维成像技术，预报段为K10+076 m～K10+176 m。通过对TRT预报资料分析处理，得到成果如图6～7所示。

根据TRT法预报成果，可得出如下推论：

(1)K10+076 m～K10+090 m段地震波反射明显，分布较为分散，地震波速呈降低趋势，推断该段岩体完整性差，层面裂隙或小开度结构面发育，地下水活动弱。

(2)K10+090 m～K10+130 m段地震波反射不明显，推测该段岩体完整性较差，与当前掌子面类似。

(3)K10+130 m～K10+140 m段地震波反射强烈，正负反射分布密集，以黄色正反射为主，局部夹杂蓝色负反射，地震波速呈现整体升高趋势，推测该段围岩断层发育，受断层影响地震波反射出现局部消失和错段现象，地下水活动弱。

(4)K10+140 m～K10+176 m段地震波反射明显，多以零星反射为主，分布较为分散，地震波速相比上段有增高趋势，推测该段围岩与上段相比有变好趋势，但局部裂隙或小开度结构面发育，地下水活动弱。

从以上成果中可以看到，本次TRT地质超前预报在K10+130 m～K10+140 m段发现明显异常，根据异常的空间分布，初步判定为断层，与EH4资料中所反映的物探异常相吻合。

(a)俯视示意

(b)侧视示意

(c)立体示意

图7 地震波速度

4.3 开挖对比

对于本次预报后的地质掘进情况，研究小组人员进行了现场跟踪。

在掘进至K10+076 m时，掌子面在掘进过程中经常出现掉块、塌落现象，出渣以块状为主，掘进参数异常。在K10+076 m～K10+246 m段，地质条件差，掘进过程中先后出现数次伸缩盾、尾盾甚至全盾卡机事故。

受TBM施工机械设备特点和掘进速度影响，观察空间有限且无法连续收集地质信息，仅能从刀盘间隙、侧窗、伸缩盾缝隙进行岩壁观察，同时收集岩渣特征、地下水特征和掘进参数。

渣体观察时，K10+100 m处以前渣体以块状为主，约占70%～80%；K10+100 m以后渣体以粉状为主，少见块状，未见片状。

根据现场开挖掘进情况以及收集揭露的地质资料来看，地质超前预报效果理想，与开挖揭露的地质情况吻合度高，EH4剖面中的异常段在本次预报中也得到了印证。

5 结 语

随着我国水电、公路、铁路等项目的建设，TBM掘进机因其特有的优势在隧道施工中得到越来越普遍的应用，但受TBM掘进机本身的结构所限，传统的地球物理探测手段并没有得到较好的推广，如何在TBM隧道内有效地开展超前地质预报成为隧道领域与工程地球物理学界的重点和难点。

本文通过结合TBM掘进机的结构特点，对TRT超前地质预报系统在震源激发、检波器安装等方式上进行改进创新，同时在数据处理过程中引入相对坐标系统代替大地坐标系统，在TBM隧道施工中取得良好预报效果，对在TBM隧道内有效开展超前地质预报进行了有益的尝试，但有些地方还需要优化和提升。

(1)在TBM掘进机中，优化激发装置采用敲击实心铁棒的方式。虽然敲击实心铁棒能够有效激发，但过于笨重，且不方便操作，优化时可以考虑：①对TBM掘进机的刀盘结构进行改进，利用掘进时刀盘扰动进行激发；②把触发开关绑扎在空压锤上，利用空压锤锤击岩体进行激发；③特制超磁致伸缩激发器，在伸缩缝处激发。

(2)采用不同的工程地球物理探测方法，将中长距离的宏观地质超前预报与短距离的细节预报有效结合起来，进行综合探测。对中长距离的宏观预报所反应的异常采用短距离细节预报进行复核，提高预报精度，提前采取防护措施，优化施工方案，指导隧道开挖。