综合预报技术在TBM隧道掘进中的改性应用

王登锋，胡新朋

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001)

1 引 言

近年来，大量学者们研究探索TBM施工特殊环境中的有效观测模式及可用超前地质预报技术[1,2]。地震反射法首先被引入TBM环境的超前探测领域[3]，以TBM掘进破岩震动作为震源的被动地震超前探测技术被认为是适应TBM施工自动探测的较好思路，但是由于刀盘及刀具破岩激发的声波信号频带较宽且频率复杂，频带密集、杂乱，各种杂波干扰严重，有效波的识别与分离十分困难，需要进一步解决该问题，以提高被动源地震超前探测技术的可靠性和适应性。

TBM掘进机本身是一个庞然大物，电磁环境极为复杂，诱发电磁场发生畸变，引起的强烈干扰严重影响掌子面前方的有效地球物理响应，导致在钻爆法施工隧道中可用的瞬变电磁技术和地质雷达技术均无法用于TBM施工环境[4]。但钻爆法中可用的TSP，TRT，TST等技术已逐步应用于敞开式TBM施工中[5]。

目前TBM施工环境中的超前地质预报技术都十分注重与TBM机械的一体化和探测自动化，这代表了TBM施工环境探测技术的特殊需要和发展趋势[6]。但从技术原理和探测效果来看，TBM施工超前地质预报现有技术的定量化水平及精度较低[7,8]，难以满足工程实际需要，且由于已有技术还未在TBM隧道应用成熟，综合探测的思想与技术还处于探索阶段[9,10]，未来任重道远。随着TBM法隧道施工的实例越来越多，基于TBM施工的特点和地质适应性方面的局限性，对超前地质预报的需求也不尽相同。尽管应用的超前地质预报方法层出不穷，包括引入的钻爆法超前地质预报地质素描、TSP、TST、超前钻、跨孔电阻率CT探测等和创新研发的HSP、三维地震波超前探测、三维激发极化预报方式等。但这些方法具有各自优劣性，本文通过分析TBM施工常用的地质预报方式原理以及适用范围，选择性地提出“长距离整体预报+中距离重点分析+短距离循环对比”的综合预报技术，成立超前地质预报应用管理小组加强预报过程实施、结果研判以及现场应对管理。依托在大瑞铁路高黎贡山隧道应用实践，体现出综合预报技术的优势，做到了不同探测方法的结果可相互验证和相互补充，增加了超前地质预报的准确性和对施工的指导性。

2 现有常用地质预报技术比较分析

依据现有常用地质预报技术方式，从预报内容、自身优势和不足三个方面进行分类，见表1。每种预报方式都有其缺点，单一的预报方式在TBM隧道中应用已无法满足施工需求。

表1 现有常用地质预报技术比较分析

3 综合预报体系的建立和应用管理

根据现有常用地质预报技术的比较分析简述，可以看出每种预报方式都存在一定局限性。且因TBM施工的特殊性，仅仅依靠一种或几种超前地质预报的结果来指导施工效果不佳。针对上述情况，本文提出建立一种综合预报体系，首先掌握工程宏观地质条件，结合隧道线路的踏勘与岩层出露的验证分析，提出长距离(100～120 m)TSP、HSP地震波法对前方100 m范围整体地质情况的预报、中距离(30～40 m)超前钻和三维激发极化预报对地质构造和含水情况的预测分析、短距离(2～5 m)地质素描循环验证相结合的综合预报技术，最后成立超前地质预报应用管理小组加强预报过程实施、结果研判以及提高现场应对管理水平。该预报体系形成了基础知识掌握+预报技术保障+应用管理实施的良好循环，对今后TBM隧道超前地质预报技术的发展具有一定的理论和实践意义。

在综合预报体系基础上，提出综合地质预报的工作流程，见图1。首先收集隧道区域勘察设计资料，查明掌子面前方设计确定的岩性、产状、风化程度、水文条件以及断层破碎带等不良地质体范围。结合综合预报技术所做的预报结果，超前地质预报应用管理小组提出现场应对措施。

图1 综合地质预报的工作流程

4 综合预报技术的应用实例

4.1 工程概况

高黎贡山隧道是大瑞铁路重点控制性工程，全长34.538 km，开挖直径达9.03 m，隧道最大埋深达1 155 m，平均埋深800 m，出口段施工起讫里程D1K213+580～D1K227+500，全长13.92正线公里，平导工程11 518.58 m，其中TBM施工10 623 m；I线正洞工程13 260 m，其中TBM施工12 546 m。出口段穿越8种岩性、7条断层，其中2条为活动断层地质及特殊岩土发育，具有“三高”(高地热、高地应力和高地震烈度、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程)的地理特征[11,12]。

4.2 综合预报的实施和评价

本文首先依据高黎贡山隧道平导PDZK221+876～PDZK221+756段勘测设计资料为隧道穿越燕山期侵入之花岗岩地层，段内断裂、褶皱发育，受构造影响，岩体破碎，节理裂隙发育，侵入岩活动频繁，隧道围岩稳定性差；破碎带附近地下水丰富，水量较大，风化层厚度大。再结合现场施工实际情况，考虑几种超前地质预报方法的预报长度、搭接长度以及现场的不可控因素的影响，几种预报方式无法完全按照同一里程路段完成。TSP以PDZK221+876～PDZK221+756段，HSP以PDZK221+866～PDZK221+766段，超前钻探以PDZK221+850.8～PDZK221+820.2和PDZK221+823.9～PDZK221+785.4段，激发极化法以PDZK221+848.9～PDZK221+818.9和PDZK221+818.9～PDZK221+788.9段，地质素描以PDZK221+874.659～PDZK221+747.791段每2 m为一个循环的实施来评价综合预报体系的适用性，选择的施工段落满足综合预报相互验证的要求。

4.2.1 长距离整体预报

4.2.1.1 TSP超前地质预报

采用TSP303 Plus系统，对隧道进行120 m的长距离预报，探测预报的范围为PDZK221+876～PDZK221+756段，对前方不良地质体的分布情况及富水带位置进行预报。采用TsPWin软件对原始数据进行处理，实际激发19炮，所记录的炮孔数据有19炮合格，可用于数据处理和解释。通过软件分析得到如图2所示的物理力学参数成果图和图3所示的二维反射层位图。结合地质资料、地震波反射资料以及数据处理资料，反映地震反射波显示出如下特征，得出结论如下。

图3 二维反射层位

图2 物理力学参数成果

1)PDZK221+876～PDZK221+831段：岩体完整性差，其中PDZK221+862～PDZK221+831段围岩风化程度高，节理裂隙发育，岩体极破碎，可能发育有破碎带，自稳能力差；PDZK221+841～PDZK221+824附近区段富含地下水。

2)PDZK221+831～PDZK221+785段：围岩完整性较差，其中PDZK221+812～ PDZK221+795段围岩中风化至强风化，为软岩，节理裂隙发育，岩体相对破碎；PDZK221+822～PDZK221+820、PDZK221+801～ PDZK221+793附近区段地下水发育。

3)PDZK221+785～PDZK221+756段：围岩完整性相对前段较好，其中PDZK221+793～PDZK221+761段节理裂隙较发育，局部岩体较破碎；PDZK221+781、PDZK221+761处附近发育地下水。

4.2.4.2 HSP超前地质预报

HSP206超前地质预报仪发射、同步接收、里程等参数调节、数据传输等全部由便携式计算机通过并行口对主机实施控制。现场采集软件、与该仪器采集数据匹配的专用反射谱分析和反射子波分析软件，结合地质调查方法，确保了探测的快速、资料的准确和分析结果的可靠。对现场采集的原始波形曲线进行处理分析，图4为反演分析成果图，上部X轴刻度表示距离，单位m；下部X轴代表里程；Y轴表示掌子面宽度方向，单位m。分析结果如下。

图4 221+866里程探测反演分析成果(XOY切片0 m位置-水平和垂直洞轴切片)

PDZK221+860～PDZK221+850、PDZK221+845～PDZK221+831、PDZK221+810～PDZK221+790、PDZK221+784～PDZK221+778、PDZK221+771～PDZK221+766等段存在反射界面，上述段落岩体较破碎—破碎，节理裂隙发育；有节理密集带及不利结构面发育，岩体易沿结构面掉块、坍塌，围岩完整性和稳定性较差。

综合分析TSP和HSP预报结论，PDZK221+866～PDZK221+831段、PDZK221+810～PDZK221+778段节理裂隙发育的破碎带以及地下水发育情况预报结果基本一致，在整体上掌握前方围岩及地下水情况。

4.2.2 中距离重点分析

4.2.2.1 超前钻探

采用TBM搭载的超前钻机Atlas Cop 1838型，PDZK221+850.8～PDZK221+820.2段钻孔编号为PD-19-05，PDZK221+823.9～PDZK221+785.4段钻孔编号为PD-19-06，两段钻孔位置、参数及深度如图5所示，现场施工照片见图6。

图5 钻孔位置、参数及深度

图6 现场施工照片

超前钻探结论分析：

PDZK221+850.8～PDZK221+820.2段超前水平钻孔共施做2孔；1#孔共32 m，换算直线距离约30.6 m，2#孔共32 m，换算直线距离约30.1 m,钻孔位置位于底护盾左、右侧。根据钻孔钻进速率、返碴、返水情况及孔内成像判定：该段岩性为花岗岩，其中1#孔PDZK221+850.0～PDZK221+836.2(0～14 m)段、2#孔PDZK221+847.2～PDZK221+832.5(0～15 m)段钻进速度快，存在卡钻现象，岩体松散破碎，水质浑浊，围岩自稳能力差，易掉块、坍塌；1#孔PDZK221+832.9～PDZK221+825.2(25～32 m)段、2# 孔PDZK221+830.5～PDZK221+822.7(20～28 m)段局部存在轻微卡钻现象，岩体较破碎—破碎，节理裂隙发育，局部发育不利结构面，易掉块。该段地下水发育，1#孔终孔水量约10 m3/h,2#孔终孔水量约8.0 m3/h，推测主要发育为线状、小股状出水。

PDZK221+823.9～PDZK221+785.4段超前水平钻孔共施做2孔；1#孔共41 m，换算直线距离约38.5 m，2#孔共39 m，换算直线距离约37.1 m,钻孔位置位于底护盾左、右侧。根据钻孔钻进速率、返碴、返水情况及孔内成像判定：该段岩性为花岗岩，两孔钻进情况相似，其中PDZK221+816.9～PDZK221+806.4(7～17 m)段钻进速度较快，局部岩质较软，岩体较破碎—破碎，节理裂隙发育。该段地下水发育，1#孔终孔水量约13.0 m3/h,2#孔终孔水量约10.0 m3/h，推测主要发育为线状、股状出水；PDZK221+802.8～PDZK221+787.6(21～36)段岩体较破碎至破碎，围岩完整性较差，易掉块、坍塌。

利用超前钻探重点分析了TSP和HSP预报结论显示的PDZK221+866～221+831段和PDZK221+810～221+778段节理裂隙较发育和富含地下水的破碎段，与现场揭示情况以及钻孔情况基本吻合。

4.2.2.2 激发极化法

采用TBM搭载激发极化超前预报仪器，将供电电极系集成到TBM的护盾上并沿环向布置，测量电极系集成在刀盘上，刀盘上通过开孔的方式安装测量电极系，TBM 施工时测量电极系收缩到刀盘的刀仓中。

PDZK221+848.9～PDZK221+818.9激发极化三维成像图如图7所示，图8为激发极化半衰时之差数据，其中X方向表示竖直方向，单位m，Y方向表示掌子面宽度方向, 单位m，Z方向表示开挖方向, 单位m，坐标原点为掌子面中心位置，综合分析，激发极化预报结果如下：

图7 激发极化三维成像

图8 激发极化半衰时之差数据

1)PDZK221+848.9～PDZK221+828.9段落：三维电阻率图像段落：三维电阻率图像段落：三维电阻率图像左前方呈现较小范围低阻体，推断此段落裂隙发育开挖时可能出现线状水。

2)PDZK221+828.9～PDZK221+818.9段落：三维电阻率图像值段落：三维电阻率图像值较前一段变高，推断裂隙较前一段发育稍有减少，局部有渗水。

3)综合半衰时之差包络面积与低阻体区域体积，估算含水区域(30 m×30 m×30 m)静储水量为100 m3。

PDZK221+818.9～PDZK221+788.9段激发极化三维成像图如图9所示，X方向表示竖直方向，Y方向表示掌子面宽度方向，Z方向表示开挖方向，坐标原点为掌子面中心位置，图10为激发极化半衰时之差数据，综合分析，激发极化预报结果如下：

图9 激发极化三维成像

图10 激发极化半衰时之差数据

1)PDZK221+818.9～PDZK221+797.9段落：三维电阻率图像中出现大面积低电阻率值区域，推断该区域围岩完整性差，裂隙发育，开挖时易揭露地下水流通道形成股状涌水。

2)PDZK221+797.9～PDZK221+788.9段落：三维电阻率图像中电阻率值较前一段落稍有增高，中间部位电阻率值相对较低，推断为一岩溶裂隙。开挖易揭露地下水流通道形成线状涌水。

3)综合半衰时之差包络面积与低阻体区域体积，估算含水区域(30 m×30 m×30 m)静储水量为500 m3。

分析对比激发极化预报的结果，与TSP预报的含地下水段落的范围一致，含水量的预测略有不同，需要掌子面素描进一步确定。

4.2.3 短距离循环验证

因地质素描循环距离短，选择PDZK221+818～PDZK221+797段前面几种对此预报围岩差，地下水发育，通过地质素描和开挖验证综合预报得出的结论是否更为准确。从中选取了4个循环的地质素描报告如图10所示，得出的结论如下。

根据素描的项目种类和现场的照片直接验证了PDZK221+805.569～PDZK221+803.569、PDZK221+801.435～PDZK221+798.285、PDZK221+798.285～PDZK221+796.285、PDZK221+792.871～PDZK221+790.871围岩完整性差，节理裂隙发育至极发育，局部围岩呈散体状，掉块严重，整体湿润，线状水流出。开挖揭露情况比预报结果更甚，但整体一致。同时地质素描依据开挖验证情况提出处理措施，更为直接有效。

超前地质预报应用管理小组通过分析研判综合预报结果，针对不良地质段采取预处理措施，超前灌注化学浆液，特别严重地段停机盾尾顶部开挖小导洞至掌子面后打设中管棚支护，有效降低了TBM卡机风险，保证了隧道施工安全。

图11 现场地质素描结论

5 结论与思考

1)TBM隧道的“长距离整体预报+中距离重点分析+短距离循环对比”综合超前地质预报技术，以隧道区域勘察设计资料为基础，现场踏勘和岩层出露分析为前提，多种预报方式相互验证，增加了超前地质预报的准确性，提高了超前地质预报方法在TBM法施工隧道的认可度。

2)综合超前地质预报技术是对现有预报方法准确度和可信度的一种提升，仍需针对TBM法施工特有的边界条件和影响因素进行研究，从设备、软件、人员经验着手，切实提高地质预报能力，真正发挥TBM掘进效率高的特点。

3)长大复杂隧道TBM施工应用综合超前地质预报技术，需要施工单位的专项应用管理、深度介入专业单位的预报解析等，在通过1 000 m段或5次预报的试验段磨合后，达到一个可以较为准确地指导施工，至少可以规避重大地质风险的程度。