王登鋒，胡新朋

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 引 言

近年來，大量學(xué)者們研究探索TBM施工特殊環(huán)境中的有效觀測模式及可用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)[1,2]。地震反射法首先被引入TBM環(huán)境的超前探測領(lǐng)域[3]，以TBM掘進破巖震動作為震源的被動地震超前探測技術(shù)被認(rèn)為是適應(yīng)TBM施工自動探測的較好思路，但是由于刀盤及刀具破巖激發(fā)的聲波信號頻帶較寬且頻率復(fù)雜，頻帶密集、雜亂，各種雜波干擾嚴(yán)重，有效波的識別與分離十分困難，需要進一步解決該問題，以提高被動源地震超前探測技術(shù)的可靠性和適應(yīng)性。

TBM掘進機本身是一個龐然大物，電磁環(huán)境極為復(fù)雜，誘發(fā)電磁場發(fā)生畸變，引起的強烈干擾嚴(yán)重影響掌子面前方的有效地球物理響應(yīng)，導(dǎo)致在鉆爆法施工隧道中可用的瞬變電磁技術(shù)和地質(zhì)雷達技術(shù)均無法用于TBM施工環(huán)境[4]。但鉆爆法中可用的TSP，TRT，TST等技術(shù)已逐步應(yīng)用于敞開式TBM施工中[5]。

目前TBM施工環(huán)境中的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)都十分注重與TBM機械的一體化和探測自動化，這代表了TBM施工環(huán)境探測技術(shù)的特殊需要和發(fā)展趨勢[6]。但從技術(shù)原理和探測效果來看，TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)有技術(shù)的定量化水平及精度較低[7,8]，難以滿足工程實際需要，且由于已有技術(shù)還未在TBM隧道應(yīng)用成熟，綜合探測的思想與技術(shù)還處于探索階段[9,10]，未來任重道遠。隨著TBM法隧道施工的實例越來越多，基于TBM施工的特點和地質(zhì)適應(yīng)性方面的局限性，對超前地質(zhì)預(yù)報的需求也不盡相同。盡管應(yīng)用的超前地質(zhì)預(yù)報方法層出不窮，包括引入的鉆爆法超前地質(zhì)預(yù)報地質(zhì)素描、TSP、TST、超前鉆、跨孔電阻率CT探測等和創(chuàng)新研發(fā)的HSP、三維地震波超前探測、三維激發(fā)極化預(yù)報方式等。但這些方法具有各自優(yōu)劣性，本文通過分析TBM施工常用的地質(zhì)預(yù)報方式原理以及適用范圍，選擇性地提出“長距離整體預(yù)報+中距離重點分析+短距離循環(huán)對比”的綜合預(yù)報技術(shù)，成立超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用管理小組加強預(yù)報過程實施、結(jié)果研判以及現(xiàn)場應(yīng)對管理。依托在大瑞鐵路高黎貢山隧道應(yīng)用實踐，體現(xiàn)出綜合預(yù)報技術(shù)的優(yōu)勢，做到了不同探測方法的結(jié)果可相互驗證和相互補充，增加了超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性和對施工的指導(dǎo)性。

2 現(xiàn)有常用地質(zhì)預(yù)報技術(shù)比較分析

依據(jù)現(xiàn)有常用地質(zhì)預(yù)報技術(shù)方式，從預(yù)報內(nèi)容、自身優(yōu)勢和不足三個方面進行分類，見表1。每種預(yù)報方式都有其缺點，單一的預(yù)報方式在TBM隧道中應(yīng)用已無法滿足施工需求。

表1 現(xiàn)有常用地質(zhì)預(yù)報技術(shù)比較分析

3 綜合預(yù)報體系的建立和應(yīng)用管理

根據(jù)現(xiàn)有常用地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的比較分析簡述，可以看出每種預(yù)報方式都存在一定局限性。且因TBM施工的特殊性，僅僅依靠一種或幾種超前地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果來指導(dǎo)施工效果不佳。針對上述情況，本文提出建立一種綜合預(yù)報體系，首先掌握工程宏觀地質(zhì)條件，結(jié)合隧道線路的踏勘與巖層出露的驗證分析，提出長距離(100～120 m)TSP、HSP地震波法對前方100 m范圍整體地質(zhì)情況的預(yù)報、中距離(30～40 m)超前鉆和三維激發(fā)極化預(yù)報對地質(zhì)構(gòu)造和含水情況的預(yù)測分析、短距離(2～5 m)地質(zhì)素描循環(huán)驗證相結(jié)合的綜合預(yù)報技術(shù)，最后成立超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用管理小組加強預(yù)報過程實施、結(jié)果研判以及提高現(xiàn)場應(yīng)對管理水平。該預(yù)報體系形成了基礎(chǔ)知識掌握+預(yù)報技術(shù)保障+應(yīng)用管理實施的良好循環(huán)，對今后TBM隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的發(fā)展具有一定的理論和實踐意義。

在綜合預(yù)報體系基礎(chǔ)上，提出綜合地質(zhì)預(yù)報的工作流程，見圖1。首先收集隧道區(qū)域勘察設(shè)計資料，查明掌子面前方設(shè)計確定的巖性、產(chǎn)狀、風(fēng)化程度、水文條件以及斷層破碎帶等不良地質(zhì)體范圍。結(jié)合綜合預(yù)報技術(shù)所做的預(yù)報結(jié)果，超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用管理小組提出現(xiàn)場應(yīng)對措施。

圖1 綜合地質(zhì)預(yù)報的工作流程

4 綜合預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用實例

4.1 工程概況

高黎貢山隧道是大瑞鐵路重點控制性工程，全長34.538 km，開挖直徑達9.03 m，隧道最大埋深達1 155 m，平均埋深800 m，出口段施工起訖里程D1K213+580～D1K227+500，全長13.92正線公里，平導(dǎo)工程11 518.58 m，其中TBM施工10 623 m；I線正洞工程13 260 m，其中TBM施工12 546 m。出口段穿越8種巖性、7條斷層，其中2條為活動斷層地質(zhì)及特殊巖土發(fā)育，具有“三高”(高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力和高地震烈度、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過程)的地理特征[11,12]。

4.2 綜合預(yù)報的實施和評價

本文首先依據(jù)高黎貢山隧道平導(dǎo)PDZK221+876～PDZK221+756段勘測設(shè)計資料為隧道穿越燕山期侵入之花崗巖地層，段內(nèi)斷裂、褶皺發(fā)育，受構(gòu)造影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，侵入巖活動頻繁，隧道圍巖穩(wěn)定性差；破碎帶附近地下水豐富，水量較大，風(fēng)化層厚度大。再結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，考慮幾種超前地質(zhì)預(yù)報方法的預(yù)報長度、搭接長度以及現(xiàn)場的不可控因素的影響，幾種預(yù)報方式無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，超前鉆探以PDZK221+850.8～PDZK221+820.2和PDZK221+823.9～PDZK221+785.4段，激發(fā)極化法以PDZK221+848.9～PDZK221+818.9和PDZK221+818.9～PDZK221+788.9段，地質(zhì)素描以PDZK221+874.659～PDZK221+747.791段每2 m為一個循環(huán)的實施來評價綜合預(yù)報體系的適用性，選擇的施工段落滿足綜合預(yù)報相互驗證的要求。

4.2.1 長距離整體預(yù)報

4.2.1.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報

采用TSP303 Plus系統(tǒng)，對隧道進行120 m的長距離預(yù)報，探測預(yù)報的范圍為PDZK221+876～PDZK221+756段，對前方不良地質(zhì)體的分布情況及富水帶位置進行預(yù)報。采用TsPWin軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理，實際激發(fā)19炮，所記錄的炮孔數(shù)據(jù)有19炮合格，可用于數(shù)據(jù)處理和解釋。通過軟件分析得到如圖2所示的物理力學(xué)參數(shù)成果圖和圖3所示的二維反射層位圖。結(jié)合地質(zhì)資料、地震波反射資料以及數(shù)據(jù)處理資料，反映地震反射波顯示出如下特征，得出結(jié)論如下。

圖3 二維反射層位

圖2 物理力學(xué)參數(shù)成果

1)PDZK221+876～PDZK221+831段：巖體完整性差，其中PDZK221+862～PDZK221+831段圍巖風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極破碎，可能發(fā)育有破碎帶，自穩(wěn)能力差；PDZK221+841～PDZK221+824附近區(qū)段富含地下水。

2)PDZK221+831～PDZK221+785段：圍巖完整性較差，其中PDZK221+812～ PDZK221+795段圍巖中風(fēng)化至強風(fēng)化，為軟巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體相對破碎；PDZK221+822～PDZK221+820、PDZK221+801～ PDZK221+793附近區(qū)段地下水發(fā)育。

3)PDZK221+785～PDZK221+756段：圍巖完整性相對前段較好，其中PDZK221+793～PDZK221+761段節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部巖體較破碎；PDZK221+781、PDZK221+761處附近發(fā)育地下水。

4.2.4.2 HSP超前地質(zhì)預(yù)報

HSP206超前地質(zhì)預(yù)報儀發(fā)射、同步接收、里程等參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热坑杀銛y式計算機通過并行口對主機實施控制?，F(xiàn)場采集軟件、與該儀器采集數(shù)據(jù)匹配的專用反射譜分析和反射子波分析軟件，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查方法，確保了探測的快速、資料的準(zhǔn)確和分析結(jié)果的可靠。對現(xiàn)場采集的原始波形曲線進行處理分析，圖4為反演分析成果圖，上部X軸刻度表示距離，單位m；下部X軸代表里程；Y軸表示掌子面寬度方向，單位m。分析結(jié)果如下。

圖4 221+866里程探測反演分析成果(XOY切片0 m位置-水平和垂直洞軸切片)

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，上述段落巖體較破碎—破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育；有節(jié)理密集帶及不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體易沿結(jié)構(gòu)面掉塊、坍塌，圍巖完整性和穩(wěn)定性較差。

綜合分析TSP和HSP預(yù)報結(jié)論，PDZK221+866～PDZK221+831段、PDZK221+810～PDZK221+778段節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎帶以及地下水發(fā)育情況預(yù)報結(jié)果基本一致，在整體上掌握前方圍巖及地下水情況。

4.2.2 中距離重點分析

4.2.2.1 超前鉆探

采用TBM搭載的超前鉆機Atlas Cop 1838型，PDZK221+850.8～PDZK221+820.2段鉆孔編號為PD-19-05，PDZK221+823.9～PDZK221+785.4段鉆孔編號為PD-19-06，兩段鉆孔位置、參數(shù)及深度如圖5所示，現(xiàn)場施工照片見圖6。

圖5 鉆孔位置、參數(shù)及深度

圖6 現(xiàn)場施工照片

超前鉆探結(jié)論分析：

PDZK221+850.8～PDZK221+820.2段超前水平鉆孔共施做2孔；1#孔共32 m，換算直線距離約30.6 m，2#孔共32 m，換算直線距離約30.1 m,鉆孔位置位于底護盾左、右側(cè)。根據(jù)鉆孔鉆進速率、返碴、返水情況及孔內(nèi)成像判定：該段巖性為花崗巖，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)段鉆進速度快，存在卡鉆現(xiàn)象，巖體松散破碎，水質(zhì)渾濁，圍巖自穩(wěn)能力差，易掉塊、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)段局部存在輕微卡鉆現(xiàn)象，巖體較破碎—破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部發(fā)育不利結(jié)構(gòu)面，易掉塊。該段地下水發(fā)育，1#孔終孔水量約10 m3/h,2#孔終孔水量約8.0 m3/h，推測主要發(fā)育為線狀、小股狀出水。

PDZK221+823.9～PDZK221+785.4段超前水平鉆孔共施做2孔；1#孔共41 m，換算直線距離約38.5 m，2#孔共39 m，換算直線距離約37.1 m,鉆孔位置位于底護盾左、右側(cè)。根據(jù)鉆孔鉆進速率、返碴、返水情況及孔內(nèi)成像判定：該段巖性為花崗巖，兩孔鉆進情況相似，其中PDZK221+816.9～PDZK221+806.4(7～17 m)段鉆進速度較快，局部巖質(zhì)較軟，巖體較破碎—破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。該段地下水發(fā)育，1#孔終孔水量約13.0 m3/h,2#孔終孔水量約10.0 m3/h，推測主要發(fā)育為線狀、股狀出水；PDZK221+802.8～PDZK221+787.6(21～36)段巖體較破碎至破碎，圍巖完整性較差，易掉塊、坍塌。

利用超前鉆探重點分析了TSP和HSP預(yù)報結(jié)論顯示的PDZK221+866～221+831段和PDZK221+810～221+778段節(jié)理裂隙較發(fā)育和富含地下水的破碎段，與現(xiàn)場揭示情況以及鉆孔情況基本吻合。

4.2.2.2 激發(fā)極化法

采用TBM搭載激發(fā)極化超前預(yù)報儀器，將供電電極系集成到TBM的護盾上并沿環(huán)向布置，測量電極系集成在刀盤上，刀盤上通過開孔的方式安裝測量電極系，TBM 施工時測量電極系收縮到刀盤的刀倉中。

PDZK221+848.9～PDZK221+818.9激發(fā)極化三維成像圖如圖7所示，圖8為激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)，其中X方向表示豎直方向，單位m，Y方向表示掌子面寬度方向, 單位m，Z方向表示開挖方向, 單位m，坐標(biāo)原點為掌子面中心位置，綜合分析，激發(fā)極化預(yù)報結(jié)果如下：

圖7 激發(fā)極化三維成像

圖8 激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)

1)PDZK221+848.9～PDZK221+828.9段落：三維電阻率圖像段落：三維電阻率圖像段落：三維電阻率圖像左前方呈現(xiàn)較小范圍低阻體，推斷此段落裂隙發(fā)育開挖時可能出現(xiàn)線狀水。

2)PDZK221+828.9～PDZK221+818.9段落：三維電阻率圖像值段落：三維電阻率圖像值較前一段變高，推斷裂隙較前一段發(fā)育稍有減少，局部有滲水。

3)綜合半衰時之差包絡(luò)面積與低阻體區(qū)域體積，估算含水區(qū)域(30 m×30 m×30 m)靜儲水量為100 m3。

PDZK221+818.9～PDZK221+788.9段激發(fā)極化三維成像圖如圖9所示，X方向表示豎直方向，Y方向表示掌子面寬度方向，Z方向表示開挖方向，坐標(biāo)原點為掌子面中心位置，圖10為激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)，綜合分析，激發(fā)極化預(yù)報結(jié)果如下：

圖9 激發(fā)極化三維成像

圖10 激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)

1)PDZK221+818.9～PDZK221+797.9段落：三維電阻率圖像中出現(xiàn)大面積低電阻率值區(qū)域，推斷該區(qū)域圍巖完整性差，裂隙發(fā)育，開挖時易揭露地下水流通道形成股狀涌水。

2)PDZK221+797.9～PDZK221+788.9段落：三維電阻率圖像中電阻率值較前一段落稍有增高，中間部位電阻率值相對較低，推斷為一巖溶裂隙。開挖易揭露地下水流通道形成線狀涌水。

3)綜合半衰時之差包絡(luò)面積與低阻體區(qū)域體積，估算含水區(qū)域(30 m×30 m×30 m)靜儲水量為500 m3。

分析對比激發(fā)極化預(yù)報的結(jié)果，與TSP預(yù)報的含地下水段落的范圍一致，含水量的預(yù)測略有不同，需要掌子面素描進一步確定。

4.2.3 短距離循環(huán)驗證

因地質(zhì)素描循環(huán)距離短，選擇PDZK221+818～PDZK221+797段前面幾種對此預(yù)報圍巖差，地下水發(fā)育，通過地質(zhì)素描和開挖驗證綜合預(yù)報得出的結(jié)論是否更為準(zhǔn)確。從中選取了4個循環(huán)的地質(zhì)素描報告如圖10所示，得出的結(jié)論如下。

根據(jù)素描的項目種類和現(xiàn)場的照片直接驗證了PDZK221+805.569～PDZK221+803.569、PDZK221+801.435～PDZK221+798.285、PDZK221+798.285～PDZK221+796.285、PDZK221+792.871～PDZK221+790.871圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育至極發(fā)育，局部圍巖呈散體狀，掉塊嚴(yán)重，整體濕潤，線狀水流出。開挖揭露情況比預(yù)報結(jié)果更甚，但整體一致。同時地質(zhì)素描依據(jù)開挖驗證情況提出處理措施，更為直接有效。

超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用管理小組通過分析研判綜合預(yù)報結(jié)果，針對不良地質(zhì)段采取預(yù)處理措施，超前灌注化學(xué)漿液，特別嚴(yán)重地段停機盾尾頂部開挖小導(dǎo)洞至掌子面后打設(shè)中管棚支護，有效降低了TBM卡機風(fēng)險，保證了隧道施工安全。

圖11 現(xiàn)場地質(zhì)素描結(jié)論

5 結(jié)論與思考

1)TBM隧道的“長距離整體預(yù)報+中距離重點分析+短距離循環(huán)對比”綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，以隧道區(qū)域勘察設(shè)計資料為基礎(chǔ)，現(xiàn)場踏勘和巖層出露分析為前提，多種預(yù)報方式相互驗證，增加了超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性，提高了超前地質(zhì)預(yù)報方法在TBM法施工隧道的認(rèn)可度。

2)綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)是對現(xiàn)有預(yù)報方法準(zhǔn)確度和可信度的一種提升，仍需針對TBM法施工特有的邊界條件和影響因素進行研究，從設(shè)備、軟件、人員經(jīng)驗著手，切實提高地質(zhì)預(yù)報能力，真正發(fā)揮TBM掘進效率高的特點。

3)長大復(fù)雜隧道TBM施工應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，需要施工單位的專項應(yīng)用管理、深度介入專業(yè)單位的預(yù)報解析等，在通過1 000 m段或5次預(yù)報的試驗段磨合后，達到一個可以較為準(zhǔn)確地指導(dǎo)施工，至少可以規(guī)避重大地質(zhì)風(fēng)險的程度。