基于物探技术的TBM施工隧洞地质超前预报方法

巨广宏,张明财

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中国是一个多山国家，地质条件比较复杂，各种造山带、断裂带发育，地下水丰富。随经济建设持续发展、对资源合理开发需求日益增长，我国将在交通、矿产、水电、引调水等工程领域修建数百条隧洞，且深、长、大洞径、地质条件复杂成为现代隧洞的主要特点。在隧洞前期勘测设计阶段，受方法技术和投入成本限制，仅能掌握隧洞轴线附近有限的地质信息。后期隧洞开挖过程中，断层破碎带、软弱结构面、节理密集带、喀斯特、高地应力等地质问题常会导致冒顶、涌水、突泥 (砂)、塌方等工程安全事故[1-3]。地质超前预报可及时获取掌子面前方比较详细的地质信息，有效避免工程事故的发生[4-5]。

隧洞施工技术前后经历了人工挖掘、钻爆法开挖、TBM开挖等技术革新[6]。钻爆法是山岭隧道工程常用的掘进方式，该方法对围岩扰动破坏性较大，施工安全风险较高，且该方法需要钻眼—安放炸药—控爆—清渣，程序繁杂，施工效率较低。相比而言，TBM施工技术广泛融合了遥控遥测、信息电子等高新技术，充分利用机械压力对岩石进行破碎、切削，掘进、出渣、衬砌、灌浆等工序一次完成，具有通风要求低，安全性好，衬砌支护工程量少，施工进度快等优点[3,7-8]。

TBM虽拥有诸多优点，但由于该设备一般比较庞大，在适应复杂地质条件方面不如钻爆法灵活，尤其在没有预警的情况下遭遇软弱破碎围岩、岩溶、暗河、断层等不良地质条件，会导致掘进速度减缓，处理不当会造成卡机被困、拖延工期[9-11], 超前预报技术可对TBM开挖掌子面前方的围岩地质情况进行预测，降低TBM掘进的施工风险。因此，超前预报技术成为当前隧道建设的重点研究课题[12-14]。当前，国内外相关学者和工程技术人员已经研发了多种隧洞地质超前预报的物探方法，主要包括：地质雷达法[15]、TGS360PRO(俄罗斯)[16-18]、ISP预报(德国)[19-20]、TGP预报(国产)[21-23]、TRT预报(美国)[24-25]、TSP预报法(瑞士)[26]、TST预报(国产)[27]、HSP水平声波剖面法(国产)[28]、BEAM预报法(德国)[29-30]、陆地声呐法(国产)[31]、三维激发极化法(山东大学)[32]、复频电导率法(CFC)[33]、瞬变电磁法等[34-35]，这些方法在钻爆法施工隧洞中得到了充分的应用与发展，取得了良好效果。然而，在TBM施工隧洞中开展地质超前预报，须符合一定的应用条件。首先，庞大的TBM往往占据了本来就狭小的隧洞空间，刀盘和掌子面“零距离”，部分预报方法无法实施或者实施困难，如：TRT预报法[36-38]、陆地声呐法[2]、瞬变电磁法[39]等；其次，TBM属于金属构件，如果采用地质雷达法[15]、瞬变电磁法[40]、复频电导率法(CFC)[33]，势必会造成严重的电磁干扰，导致预报结果不准确；再次，TBM正常的掘进效率较高，如地质雷达法、三维激发极化法等短距离预报法的预报距离落后于TBM单次掘进的距离，较难满足TBM高速掘进施工的工程要求；同时，诸如TSP[41-42]、TGP[22]、TST[43]等预报法需要在洞壁造孔，逐炮进行爆破激发地震波，作业周期较长，严重影响TBM的工作效率。为了克服TBM施工隧道超前预报中的多解性难题，不少学者采用了综合物探技术，将短距离的细节预报与中、长距离的宏观预报有效结合起来，进行多尺度分析和综合探测。采用短距离细节预报成果对中、长距离的宏观预报成果进行复核、验证，提高预报精度[14,44-48]。本文从TGS360Proc超前预报法、BEAM超前预报法、三维激发极化超前预报法、HSP超前预报法、ISP超前预报法等5种方法的基本原理出发，探讨了每种方法的现场工作技术方法，在此基础上，对每种方法的工作适应性和优缺点进行了分析比较，冀对TBM开挖技术提供技术参考，降低TBM卡机或被埋的事故风险。

1 TBM施工隧洞中的地质超前预报技术

苛刻的作业条件和技术因素，为TBM施工隧洞中开展地质超前预报工作设立了技术“门槛”。从某些角度考虑，目前TGS360PRO预报法、BEAM预报法、三维激发极化法、HSP预报法、ISP预报法可以适应TBM施工隧洞中的地质超前预报。

1.1 TGS360Pro预报法

TGS360Pro是俄罗斯Ural State Mining大学与俄罗斯GEOTECH公司合作研发的新一代地震波类地质超前预报系统，相比于其他的地震类超前预报方法，该系统的显著特点在于可以超前预报掌子面前方的富水情况，其核心机理归结为2个美国专利：“预报地下流体的动态参数的方法”[49]和“确定地下流体存在性的方法”[50]。

1.1.1TGS360Pro预报法基本原理

TGS360Pro预报法的基本理论基础来源于早在1965年Maurice A.Biot建立的固-液多孔隙双相介质中地震波传播理论。假设岩体为非均匀应力状态下的离散介质，由于一般情况下，地震波信号的瞬时频率、幅度与岩体结构面法向相互对应，据此可区分块状岩体的密实、破碎程度[49-50]。

地下岩层间的相对应力存在差异，岩体破碎处的应力会降低，且地下水通常从高应力区域流向低应力区域，进而形成裂隙水，在封闭区域内则聚集填充，形成溶洞。预应力条件下法向入射的地震波，其反射系数可以表示为：

式中：Z*和Z分别是预应力和无应力半空间地层中的波阻抗，g/cm3·m/s;ω表示圆频率，rad/s。

这里，P表示当前岩体应力与静水压力的比例系数；μ*是预应力半空间中的剪切模量，GPa。根据弹性波动方程和广义Hook定律，经过一系列公式推导可得：在离散介质中，应力变化几乎不受弹性模量的影响，即Z≈Z*，因此方程(1)可简化为：

假设沿着反射边界上弹性模量不发生变化，只有压力P变化，则反射边界上的点L和点M处的反射系数之比可表示为：

将式(2)代入方程(4)进行推导，则反射界面上两点处的压力变化dP可化简为：

在高模量介质中，a取2；在低模量介质中，a取1。

1.1.2TGS360Pro预报法现场工作方法

TGS360Pro超前预报系统目前有2种工作布置方法。在钻爆法施工的隧道，将检波器安置于掌子面，如图1(a)所示，在TBM施工隧道中，由于掌子面前方被刀头占据，不能按照图1(a)的布设方式进行施测，只能将检波器安置于TBM尾端的两边洞壁进行施测，如图1(b)所示。

现场操作时，通常将三分量检波器安置于洞壁或掌子面上预设的钻孔内，且与岩体紧密接触，采用铁锤敲击激发地震波。整套外业数据采集工作可在1小时内完成[51-52]。

图1 TGS360Pro 超前预报工作装置布设方案

1.2 BEAM预报法

BEAM(Bore—TunnelingElectricalAheadMonitoring)是由德国Qumon公司研发的新一代电法类地质超前预报系统[29-30,53-54]，该方法也称为聚焦地电交流激发极化法，其核心机理是： 利用同性电极相互排斥的原理，通过外围的环状电极发射一个保护电流，同时在其内部发射一个测量探测电流，以便电流聚焦进入要探测的岩体中，如图2所示。测取与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE(Percentagefrequencyeffect)的变化，以此来预报掌子面前方岩体的完整性和含水性，该方法极大地改善了电法探测的灵敏度和稳定性。

图2 BEAM地质超前预报电流传播示意

1.2.1BEAM预报法基本原理

BEAM预报系统采用多频方式向隧洞围岩中供电，设供电电流频率分别为f1和f2，则计算电阻率分别为：

其中Rf1、Uf1、If1分别为供电频率为f1时的电阻率、电压和电流，Rf2、Uf2、If2分别为供电频率为f2时的电阻率、电压和电流。频率效应百分比PFE可按下式计算：

掌子面前方岩体中含水或者裂隙发育时，BEAM预报法所测得的电阻率会显示明显的变化，更进一步地，频率效应百分比度量了两种频率下计算电阻率的相对变化(极化信息)，可综合分析掌子面前方岩体的相对破碎程度。

1.2.2BEAM预报法现场工作方法

在钻爆法施工的隧洞中，BEAM超前预报法体现不出优势所在，现场工作程序比较繁杂。需要将环型供电电极A1(不少于9根)等间距布设在掌子面外缘已打好的孔内(孔内注水以降低接地电阻)；沿隧道掌子面内壁按环型状等间距布设测量电极A0(一般为6根)；离掌子面300～600m远处布置一根无穷远B极，与A1、A0极形成回路。在采用TBM掘进施工的隧洞中，直接将供电电极A1安置于TBM的刀头位置，将测量电极安装于外侧护盾上，由BEAM主机按一定的程序发射不同频率的互斥的供电电流进行控制测量，进而获取到掌子面前方一定范围内极化率和电阻率数值空间分布数据。

1.3 三维激发极化预报法

近年来，山东大学李术才教授科研团队研发了GEI-TBM三维激发极化地质超前预报系统，该系统采用先进的多同性源阵列激发极化方法对掌子面前方地质条件进行超前探测，其新颖的电极观测模式具有前向聚焦与后向屏蔽的优势，不仅增大了探测距离，而且可有效地压制旁侧干扰。通过逐步的技术提升[55-58]，在我国隧道超前预报领域取得了良好的实际应用效果。

1.3.1三维激发极化预报法基本原理

地下介质中普遍存在激发极化效应，因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场变化，其原理示意图如图3所示。

三维激发极化超前预报法通常采用极化率、电阻率和半衰时3个参数描述激发极化效应。极化率可反映岩、矿石激发极化效应的相对强度，其值可由二次场电压 与总电场值的比值表示，计算如公式(10)所示。

式中：η为极化率，ΔU1和ΔU2分别为一次和二次电压场。电阻率是表示岩、矿石导电性好坏的典型参数，其值可由一次场电压ΔU1计算，计算公式如公式(11)所示。

式中：ρ为电阻率；R为电阻；L为所测试的岩体的长度；S为测试岩体的横截面积；ΔU1为一次场电压；I为电流。

图3 激发极化法基本原理示意

掌子面前方岩体中含水或者裂隙发育时，激发极化法所测得的电阻率会显示明显的变化，频率效应百分比度量了2种频率下计算电阻率的相对变化(极化信息)，可综合分析掌子面前方岩体的相对破碎程度及含水情况。

1.3.2三维激发极化预报现场工作方法

首先在掌子面后方洞壁围岩上距离掌子面2、4、10、20、30m处布设环状供电电极系，每一处的环状供电电极由位于围岩左上、右上、左下、右下位置处的4个供电电极A组成；其次在掌子面上布设阵列式测量电极系，测量电极系由线距2m的3条测线构成，每条测线上的测量电极M的电极距为1.5m；最后将测量电极N与供电电极B布设于掌子面后方较远处(相当于无穷远)。测量时，按照距离掌子面距离由近及远，环状供电电极依次对4个供电电极同时供入相同电流，阵列式测量电极M依次采集电场和电流数据，循环往复，直到最后一组环状供电电极完成供电，测量电极完成数据采集。其观测系统示意如图4所示。

1.4 HSP预报法

HSP系统为中铁西南科学研究院自主研发，创造性地提出了利用掘进机刀盘刀具切割岩石产生的振动信号作为激发震源的不良地质体预报方法[59-61]。

图4 TBM机载激发极化法超前预报观测三维示意

1.4.1HSP预报法基本原理

HSP预报的理论基础是弹性波的惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，在TBM施工隧洞，TBM掘进时滚刀破岩所产生的连续随机主要依赖于掘进参、滚刀的状态及岩性，该信号属于典型的连续随机信号，HSP预报将该随机信号“变废为宝”，采用多源地震[62]和地震干涉技术，通过波场之间的互相关重构来自地质构造的反射信息 , 从而对节理裂隙带 、 断层破碎带、岩溶等不良地质体的构造特征进行探测，相比于传统的地震波法探测原理，多源地震探测的波动方程震源项中附加了多震源混合矩阵算子

1.4.2HSP预报法现场工作方法

在TBM施工隧洞中，HSP预报现场工作方法为[63]：在TBM刀盘内部安装一个同步信号检波器，用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号，在TBM工作面后部的隧道洞壁围岩内安装反射波信号检波器，用于接收由TBM工作面前方经岩体反射回传的声波信号；现场工作布置如图5所示[59]。将上述同步信号检波器和反射波信号检波器所接收的信号传输给HSP预报主控机， HSP预报主控机对信号进行处理和综合分析后可获取到掌子面前方地质预报成果。

1.5 ISP预报法

ISP地质超前预报系统是由德国海瑞克集团联合德国卡鲁斯鲁厄工业大学及德国地质研究中心等研究机构联合研发的专用于TBM施工隧洞的机载式地震波类预报系统[19,20,64]。

1.5.1ISP预报法基本原理

地震波在复杂介质空间中传播时，纵波和横波的传播能量较低，随着传播距离的加大，在波长记录中很难识别；相对地，在传统地震反射勘探中被认为是干扰波的Rayleigh面波却凭借其衰减小、信噪比高、分辨率高等优异的特点[65]，可在隧洞超前预报中发挥显著的作用，由于隧洞结构的复杂性，Rayleigh面波在沿洞壁呈逆时针椭圆形态先前传播，传播至拐点时，Rayleigh面波转换为横波继续向掌子面前方传播，横波在破碎岩体中发生反射，向后传播至隧洞掌子面或者岩壁时再次转换为Rayleigh面波，该波形转换过程示意图如图6所示[66]，这种R-S-S-R波形的转换、识别、解译为ISP预报奠定了理论基础。

1.5.2ISP预报法现场工作方法

在隧洞洞壁两侧，利用风钻钻设深度约为1.5 m的钻孔，并用强力风管清除孔内残渣，在孔底注入适量树脂锚固剂，借助电钻安置检波器套管，待锚固剂固结后，安置好检波器，并用专用水准卡尺进行调平。通过电缆连接检波器与数据记录器。将ISP预报系统主机与TBM操作室的网关相连，获取TBM各部件的硬件信息，确保各个硬件信息准确无误后，通过ISP预报系统主机操作TBM冲击锤激发地震波并采集波形数据。原始数据经过专业软件分析、处理后，即可得到隧洞掌子面前方的节理裂隙密集带、断层破碎带、软弱岩层、破碎岩体不良地质体的展布信息。

2 5种地质超前预报技术综合比较

本文所述5种地质超前预技术的主要优、缺点比较情况如表1所示。

表1 5种超前预报方法优、缺点对比

3 结论及建议

3.1 结论

(1) TGS360Proc、HSP、ISP预报法的基本理论基础为地下介质的弹性波传播方程，主要根据弹性波波速、泊松比、杨氏模量等信息分析预报掌子面前方的岩体破碎情况，以此达到超前预报的目的。

(2) BEAM预报法和三维激发极化法的基本理论基础为电磁波传播方程，主要根据电阻率、极化率等信息分析预报掌子面前方的岩体富水情况，以此达到超前预报的目的。

(3) TGS360Proc预报法通过灵活地布设震源和检波器，在地震波探测的基础上创新性地发展了“动态流体法”理论，借助该理论基础，既可以探测常规的弹性波参数(如纵、横波波速，杨氏模量，泊松比等)，还可以对地下富水情况进行预报，在TBM施工隧洞地质超前预报中具有推广应用前景。

3.2 建 议

本文所示的5种可适应于TBM施工隧洞的超前预报技术有各自的特点，在具体的工程实践中，应按照特定的预报目标，采用合适的预报技术，在经济和时间充足的情况下，可采用多种技术进行综合探测，优劣互补，以期取得最佳预报效果。本文所述的TGS360Proc、HSP、ISP预报法采用了地震波/声波的基本理论基础，在数据处理阶段，采用三维空间中的全波形反演技术，预期可以获得较准确的预报探测结果。