曾云川， 劉建兵， 聶利超

(1. 云桂鐵路云南有限公司， 云南 昆明 650011； 2. 山東大學， 山東 濟南 250100)

0 引言

隨著我國經濟的不斷發(fā)展和交通強國戰(zhàn)略的實施，我國的交通基礎建設迎來了新的發(fā)展階段，隧道及地下工程領域發(fā)展到了一個黃金機遇期。目前，我國已建成27 000 km鐵路、公路隧道，未來10年將新建隧道上萬km。我國已成為世界上隧道(洞)修建數量最多、規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國家[1-3]。隨著隧道數量的不斷增加，隧道建設向長距離、大埋深的方向發(fā)展，TBM以其較快的掘進速度、相對安全的施工優(yōu)勢，在隧道修建中發(fā)揮著不可替代的作用。但是，TBM在進行隧道開挖過程中，面臨的困難和挑戰(zhàn)日益突出，隧道內部地層巖性等變化層出不窮，TBM無法準確預知前方的不良地質信息而容易發(fā)生隧道坍塌、突水突泥等地質災害[4]，造成不必要的經濟損失，甚至發(fā)生TBM卡機事故，嚴重影響施工進度和人身安全。所以，對于TBM施工隧道掌子面前方不良地質體的探測和預報已刻不容緩[5]。

國內外研究者對于隧道的超前探測做出了大量的研究，研發(fā)了許多超前探測方法，例如超前鉆探、地震波法、地質雷達法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法等[6]。瞬變電磁法和地質雷達法等電磁類方法因受到TBM強烈電磁以及金屬體的干擾難以應用于TBM隧道中。地震波法首先被應用于TBM隧道，例如： Petronio等[7]提出了隧道隨鉆地震超前探測技術(TSWD)，用于TBM隧道的超前探測； 德國GFZ公司研制的ISIS技術，利用氣錘產生脈沖信號，可以實現主動源超前探測[8]； 李術才等[9]提出了搭載于TBM的破巖震源和主動源地震波法，并已在工程實踐中得到驗證； 中鐵西南科學研究院研發(fā)的HSP聲波發(fā)射技術,利用刀盤切割激發(fā)信號作為震源，實現了TBM掘進掌子面前方不良地質的超前預報[10]。除了地震波法，電法也被應用于隧道的超前預報，例如： 德國GD公司研發(fā)的BEAM系統,通過連續(xù)獲取探測區(qū)域內圍巖視電阻率與頻率效應百分比，對掌子面前方地下水以及圍巖完整性做出判斷[11]； 李術才等[12]提出TBM搭載的激發(fā)極化的方案，可以用于掌子面前方含水體的定位與水量估算。然而，單一的超前地質預報方法僅對一種物性敏感，難以全面描述異常體地質的屬性。因此，綜合超前預報已成為目前研究的趨勢之一。

曲海鋒等[13]以地面地質調查法、地質雷達、TSP 3種超前地質預報技術為手段，基于系統論的觀點提出和建立綜合地質預報方法和思想體系，并結合廣仁嶺公路隧道，驗證了該方法的可行性和有效性。Wang等[14]通過TRT、紅外探水、探地雷達超前地質預報方法和隧道設計資料對大獨山隧道進行了斷層破碎帶、巖溶裂隙區(qū)以及富水區(qū)的探測，說明全面、超前的地質預報是高風險隧道安全施工的保證。Li等[15]利用激發(fā)極化法和地震波法對吉林引松輸水工程進行了超前地質勘察，準確探明了掌子面前方的斷層破碎帶和含水構造等不良地質的情況，避免了突水突泥和塌方等災害的發(fā)生，保證了TBM安全、高效地掘進。Reinhold等[16]借助于地質素描、地震波法等方法對Brenner Base隧道進行建模預測，說明了不同勘探方法的優(yōu)缺點，并根據它們之間的互補性，形成了綜合預測模型。選擇隧道綜合超前預報方法可以使隧道探測更加準確，能夠最大限度地避免地質災害的發(fā)生，保證隧道安全施工與人民生命財產安全。

以上研究主要針對超前地質預報方法和理論，對于TBM隧道綜合預報指導動態(tài)施工管理的方法卻鮮有報道。本文以高黎貢山隧道為例，通過地震波法和激發(fā)極化法對掌子面前方進行綜合超前地質預報，探明前方不良地質體以及含水體的情況，以期為施工單位進行動態(tài)施工管理提供指導，保證TBM隧道施工安全，并為以后TBM隧道施工模式的選擇提供一定參考。

1 工程概況與不良地質分析

1.1 工程概況

高黎貢山隧道全長34.5 km，為大瑞鐵路的控制性工程。該隧道位于云南省西部(見圖1)，隧道最大埋深達1 155 m，埋深超過500 m的隧道段落長26.8 km。隧道入口21 km處采用鉆爆法施工，出口13.5 km處采用TBM施工[17]。

圖1 高黎貢山隧道位置圖

1.2 不良地質分析

高黎貢山隧道地質縱斷面圖如圖2所示。高黎貢山隧道所屬的區(qū)域大部分位于滇西南地震帶，小部分處于鮮水河-滇東地震帶。區(qū)域內地震活動強度大、頻度高，并穿越鎮(zhèn)安斷層、勐冒斷層等活動斷裂。同時，高黎貢山隧道工區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞縫合帶附近，穿越其兩兩相互碰撞匯聚的金沙江縫合帶、瀾滄江縫合帶、保山地塊與騰沖地塊碰撞匯聚之怒江縫合帶，工程地質條件極為復雜，具有“三高”(高地熱、高地應力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質條件和活躍的岸坡淺表改造過程)的特征，施工難度極高，工程建設風險突出。

高黎貢山隧道圍巖巖性以花崗巖(D1K+209～+225段落)為主。由于當地的內動力地質作用活躍，花崗巖巖體的裂隙程度較高，加上云南多雨的潮濕氣候，花崗巖與雨水經年累月地發(fā)生物理化學反應，強度逐漸下降，特別是在風力的帶動作用下，破碎的花崗巖堆積在深切河谷以及斷層地區(qū)，形成較厚的破碎巖體風化層。隨著時間的推移，形成的巖層產狀變化較大，巖體完整性較差，巖體極為破碎稀松，在隧道開挖過程中，容易發(fā)生掉塊、塌腔、突水突泥等地質災害，嚴重影響隧道施工安全。

圖2 高黎貢山隧道地質縱斷面圖[18]

2 TBM隧道綜合超前預報與施工管理

通過TBM隧道綜合超前預報(地質分析、地震波法、激發(fā)極化法)獲得掌子面前方的不良地質情況，以為隧道的施工管理提供參考，及時調整施工設計； 同時采取合理有效的方法進行現場施工，避免隧道內發(fā)生突水突泥等地質災害。施工的同時，加強現場監(jiān)控量測，避免隧道內二次災害的發(fā)生。TBM綜合超前預報及施工管理流程如圖3所示。

圖3 TBM綜合超前預報與施工管理流程

2.1 TBM隧道綜合超前預報

為了對掌子面前方的地質情況進行準確地預報，采用綜合超前預報的方法進行探測。綜合超前預報方法包括： 地質分析、地震波法以及激發(fā)極化法。通過地質分析對隧道掌子面前方地質情況進行預估，判斷可能發(fā)生的地質災害； 通過地震波法獲取掌子面前方異常地質情況，如斷層破碎帶等不良地質體； 采用激發(fā)極化法對前方含水體進行水量定位和估算。同時，在地質解譯的過程中，將前期地質分析的結果和地震波法的信息加入激發(fā)極化的解譯和反演中，采用模型參數約束反演，解決反演結果的非唯一性問題，提高探測精度。

2.1.1 地質分析

在隧道修建前，在隧道軸線地表附近，通過踏勘以及地面鉆孔的方法，推測地下地層巖性、地質構造、地下水發(fā)育情況等工程地質條件，粗略估計當地圍巖的等級、地下水含量等地質情況，分析修建隧道過程中可能發(fā)生的地質災害。在隧道修建過程中，根據已開挖段落的節(jié)理、層理等構造以及地下水發(fā)育情況，估計掌子面前方的地質情況，為隧道超前預報提供基本地質信息與部分圍巖物理性質信息。

2.1.2 地震波法

高黎貢山隧道正洞利用搭載于TBM的破巖震源進行地震波超前探測[9]。TBM破巖震源地震波超前探測利用TBM掘進過程中刀具破巖產生的強烈震動作為震源，進行TBM施工前方不良地質的實時超前預報。該方法在刀盤后方搭載先導傳感器獲取破巖震動信號，并借助于在TBM隧道邊墻上搭載的接收傳感器，實現對破巖震動引起的反射波的采集，通過將先導傳感器信號與接收傳感器信號進行聯合處理，實現掌子面前方地質情況的實時預測。破巖震源地震波實時超前探測的基本原理： 當刀具破巖產生的地震波遇到波阻抗(密度與波速的乘積)差異界面時，一部分信號透射進入前方介質，一部分信號被反射回來被高靈敏的地震信號傳感器接收，如圖4所示。波阻抗的變化通常發(fā)生在地質巖層界面或巖體內不連續(xù)界面，因此，通過對接收到的地震信號進行分析處理(在數據處理成像過程中，采用Ashida等[19]提出的等走時平面算法)，可以探明隧道工作面前方不良地質(如軟弱帶、破碎帶、斷層等)的性質、位置及規(guī)模[20]。

圖4 地震波法原理圖

2.1.3 激發(fā)極化法

高黎貢山隧道采用搭載于TBM的激發(fā)極化超前探測系統進行不良地質含水體探測[10]。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搭載測量電極系，TBM施工時測量電極系收縮到刀盤的刀艙中。采用多芯電纜與供電電極系和測量電極系連接，同時設計單芯電纜連接電極B與N，探測儀器安裝在TBM主控室，電纜連接到主控室的儀器。測量時，通過液壓系統推出電極伸縮到掌子面，實現激發(fā)極化超前探測。

采用的隧道激發(fā)極化多同性源陣列觀測技術原理如圖5所示。在掌子面后方隧道洞壁布置4個供電電極，組成供電電極系(電極A)；供電B電極與N電極位于隧道后方無窮遠處。探測時，4個供電電極系A供入相同電流，陣列測量電極M的電勢。測量結束后，沿隧道軸線向后移動供電電極系A，繼續(xù)測量電極M的電勢，直至電極A移動到預定的探測位置時測量結束[21]。此方法可以實現掌子面前方30 m距離的含水體的探測。

圖5 激發(fā)極化多同性源陣列觀測技術原理圖

在進行激發(fā)極化反演時施加模型參數約束。將前期踏勘、地質鉆探中獲得的介質電阻率信息以及采用地震波法獲得的異常體界面信息映射到激發(fā)極化反演得到參考模型，并在激發(fā)極化反演中施加參考模型約束，引導反演向信息確定的方向進行，對于反演解的多解性起到壓制作用[22]。

2.2 施工管理

隧道工程在修建過程中，由于其距離長、埋深大等因素，不同于其他路面建設工程，具有特殊性[23]。隧道施工周期長、投資大，需要的建設材料種類多樣，機械投入大； 且隧道工程大多位于山嶺地帶，圍巖、地下水等地質情況復雜，不確定性因素繁多，在建設過程中極易發(fā)生突水突泥、掉塊坍塌等多種施工災害，嚴重威脅施工人員以及施工機械的安全。為了保證隧道安全、高效施工，合理正確的施工管理是必不可少的。

在隧道建設過程中，應首先借助搭載于TBM的地震波探測系統以及激發(fā)極化探測系統對掌子面前方進行超前探測，探明掌子面前方的不良地質。根據解譯結果，施工方應與超前地質預報團隊開展聯合會商，結合超前地質預報成果分析掌子面前方的地質情況，并在此基礎上制定針對性的處置方案，從而保證施工人員與機械的安全，避免出現TBM卡機等事故。

通過采用“先超前預報，后施工管理，再掘進施工”的施工策略，可以在基本已知前方地質條件的情況下制定掘進策略，從而有效避免過去僅憑經驗施工帶來的局限性，并在很大程度上提高TBM施工的安全性。

3 工程實踐

高黎貢山隧道主洞彩云號TBM搭載的超前地質預報系統在完成調試和測試后，至今已施作90余次，累計里程近7 km，全部探明施工過程中的重大不良地質災害源，例如D1K226+014處塌腔涌水、D1K224+348和D1K224+310處強風化破碎帶、D1K224+220處破碎富水區(qū)、D1K223+342～+313段落強風化破碎區(qū)、D1K221+902處風化破碎區(qū)、D1K220+848和D1K220+510處裂隙股狀水等。探測結果與開挖結果對比驗證如表1所示。實踐表明，采用搭載的綜合超前地質預報系統可使2種方法相互補充、聯合解譯、綜合分析，更加準確地預報掌子面前方的含水體與圍巖完整性的變化，預報準確率大大提高，且搭載式儀器操作簡便快捷，可以滿足TBM快速施工的需要。

表1 探測結果及開挖結果對比驗證

3.1 地質分析

研究區(qū)域地質情況如圖6所示。探測樁號D1K221+365附近地表大面積出露燕山期侵入花崗巖，受構造影響，區(qū)內巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，侵入巖活動頻繁，易形成風化槽，隧道圍巖穩(wěn)定性差。除花崗巖之外，還大面積出露震旦—寒武系公養(yǎng)河群變質巖帶，巖性為灰綠色變質粉砂巖、變質長石石英雜砂巖、變質粉砂質板巖夾細粉晶白云巖。此外，小面積出露志留系頁巖、砂質白云巖、砂巖、粉砂巖。

已開挖段落D1K221+400～+370圍巖破碎，裂隙較發(fā)育，局部塌腔。在護盾后方左側洞壁密集掉塊及護盾后方右側塌腔(見圖6(b))，底部股狀出水，圍巖線狀流水； 在D1K221+370右側底部鉆孔股狀涌水(見圖6(c))，涌水量約10 m3/h。對于探測段落D1K221+365～+265，由之前踏勘和開挖段落可以確定其位于花崗巖出露區(qū)，受構造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，侵入巖活動頻繁，尤其鄰近地層接觸帶(D1K221+300附近為花崗巖與志留系變質細砂巖)，涌水量會有所增加； 若處理不及時或處理不當，易出現大規(guī)模坍塌，甚至冒頂，導致地表水直接進入隧道，形成涌水涌泥。

(a) 區(qū)域地表水文地質圖

(b) 圍巖塌腔(D1K221+400～+370)

(c) 股狀涌水(D1K221+370)

3.2 地震波探測分析

在掌子面D1K221+365處進行地震勘探，確定掌子面前方斷層等不良地質體的情況。其勘探范圍在z方向為100 m，在x、y方向為20 m(在直角坐標系中，x方向為垂直于隧道底面的向上方向，y方向為掌子面寬度方向，z方向為開挖方向)，同時采用2.1.2節(jié)提到的等走時平面算法進行地震的偏移成像，結果如圖7所示。圍巖的巖石特性通過偏移成像的圖來反映，選取絕對振幅較大的點進行顯示。

通過勘測區(qū)域的地震波反射成像圖和地質分析，推斷解譯如下。

1)D1K221+365～+345段落： 在反射圖像上，未出現明顯正負反射，推斷該段落圍巖破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔。

2)D1K221+345～+305段落： 在反射圖像上，出現正負反射，推斷該段落圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中，D1K221+325附近圍巖破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔。

3)D1K221+305～+265段落： 在反射圖像上，出現明顯正負反射，推斷該段落圍巖破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔，其中，D1K221+300～+275段落接近地層接觸帶，圍巖裂隙發(fā)育，開挖易形成塌腔。

圖7 TBM破巖震源地震成像

3.3 激發(fā)極化法探測分析

為了確定D1K221+365前方含水體的情況，進行了隧道三維激發(fā)極化超前探測，同時借助于模型參數約束反演，得到激發(fā)極化反演圖像，如圖8所示。其中，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，坐標原點為掌子面中心位置； 紅色代表高阻區(qū)域，藍色代表低阻區(qū)域。

圖8 激發(fā)極化三維成像圖

綜合水文地質分析和激發(fā)極化探測結果，可得到：

1)D1K221+365～+345段落，三維激發(fā)極化圖像激發(fā)極化較低，推斷開挖時掌子面前方會出現線狀流水，裂隙發(fā)育處股狀出水；

2)D1K221+345～+335段落，激發(fā)極化圖像激發(fā)極化較前一段有所增加，推斷該段落會出現滴水，局部裂隙發(fā)育處會出現線狀流水。

4 施工處置措施及驗證

4.1 施工處置措施

由第3節(jié)可知，隧道開挖過程中發(fā)生了掉塊、塌腔等不良地質，為了防止不良地質進一步發(fā)展、保證施工人員以及機械的安全，采取了合理的施工管理措施進行處理。

對于已開挖的隧道掉塊坍塌部分進行立拱處理，防止掉塊以及坍塌等二次災害的發(fā)生。立拱完成后進行混凝土注漿加固，對前方掉塊區(qū)域(D1K221+342～+337)實施泵送混凝土回填，同時為保證回填飽滿密實，在該拱頂位置徑向打設注漿管，注漿管布置如圖9(a)所示； 注漿管的長度、規(guī)格應滿足設計要求，其結構如圖9(b)所示。

(a) 注漿管布置示意圖

(b) 注漿管結構圖

注漿管埋設后，使用應急噴射C25初期支護混凝土對注漿加固段全環(huán)應急噴射混凝土封閉，防止注漿過程中出現漏漿現象。噴漿過程中需注意對設備進行覆蓋，避免回彈料堆積在設備上，造成設備損害，噴射混凝土過程中及時鏟除鼓包。

根據TBM綜合超前探測結果進行合理地施工設計，決定先開挖后進行治理，現場施工采取有效的措施，保證隧道建設順利進行，保證TBM安全、高效地施工。

4.2 現場驗證

探測結束后，TBM在隧道內繼續(xù)向前掘進，掘進過程中發(fā)現圍巖破碎，且在D1K221+324處發(fā)生圍巖掉塊塌腔，如圖10(a)所示； 同時，該段落大部分地區(qū)出現滴水和滲水，其中，D1K221+355處發(fā)生線狀流水(如圖10(b)所示)，與超前探測結果一致?，F場驗證結果表明，采用本文提出的方法所取得的預報成果與開挖結果基本一致，符合工程應用要求。

(a) 圍巖掉塊塌腔

(b) 線狀流水

5 結論與展望

本文通過對高黎貢山隧道D1K221+365處進行地震波法和激發(fā)極化法綜合超前地質預報分析，并進行施工動態(tài)管理，得出以下結論：

1)借助地震波法和激發(fā)極化法對隧道掌子面前方進行探測，可以發(fā)揮每種方法的優(yōu)勢并進行互補，可以較好地反映掌子面前方的不良地質情況，對斷層破碎帶以及含水體進行超前預報，指導TBM安全、高效地施工。

2)合理的TBM施工動態(tài)管理至關重要，在隧道修建過程中，根據掌子面前方的地質情況及時進行相應的動態(tài)施工措施，可有效避免坍塌、突水突泥等災害的發(fā)生。

通過采用本文提出的搭載于TBM的超前地質預報指導動態(tài)施工管理的方法，可以有效提高TBM施工安全，避免發(fā)生不良地質災害。但目前僅研究了適用于敞開式TBM的搭載與動態(tài)施工管理辦法，未來將對更多TBM機型開展研究，以期為TBM安全、高效地施工提供參考。

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