TBM隧道施工超前地質預報現狀和技術

古上申

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

0 引言

這些年來鉆爆法人機材成本的急速增加，未來我國會增加掘進機（TBM）施工方法。根據2016年的統計，不久我國掘進機開挖的隧道大約超過 5000 km，掘進機的需要購買超過 180臺。社會發展后，高難度隧道得建設對地質勘察有了很高的要求。但是山高洞深、地質條件龐雜紊亂和地表勘察技術方法困難，施工時難以對工程地質狀況有所有精準的把握，另外不良地質體有較很強的隱蔽性，難以對隧道沿線不良地質狀況精準說明。通常災害賦存源在隧道施工影響下可能引發突水突泥，塌方等地質災害，帶來沉重的人員和錢的損失。TBM 施工環境龐雜紊亂，看的環境被 TBM 的電子機械填滿，金屬系統產生龐雜紊亂的電磁場。

1 TBM 施工超前地質預報技術現狀

TBM本身是一個龐然大物，電磁環境極為龐雜紊亂，誘發電磁場畸變，引起得強烈影響可能“吞沒”掌子面前方得物理響應，致使在鉆爆法中可用的瞬變電磁技術，地質雷達技術均無法用于 TBM 施工。與此同時，TBM占了掌子面后方得很大空間，掌子面后方的墻不具備設置超前探測測線，和陣列激發裝置與傳感器。致使超前地質預報的觀測空間極為狹小，難以對掌子面前方進行觀測，傳統可用的地質雷達等技術難以運用到 TBM施工里面來。

總體的來說，目前 TBM 施工中得超前地質預報技術注重與 TBM 機械結合，并且形成自動化系統，這代表了 TBM 施工環境探測技術得需要和未來發展趨勢。

2 TBM 施工超前地質預報技術方法

2.1 宏觀超前地質預報

依據：區域地質資料（水文、工程、巖溶）調查為基礎，補充野外地質勘測、物探、綜合分析。

作用：預報施工會遇到的不良地質類型、規模大小、大體位置，例如：溶洞，暗河，斷層，裂隙。宏觀預報其可能性，盡可能詳盡的繪制隧道洞身沿線的主要不良地質分布圖。

內容：①不良地質分布圖。②風險等級劃分，辨別高風險段，為第二階段做準備。

2.2 長距離（100-150米）超前地質預報

TRT：測溶洞，暗河，斷層，裂隙，圍巖等級。

原理：地震波超前預報法，當地震波遇到聲學阻抗差異界面時，一部分信號反射回來被隧道邊墻及頂部的傳感器接收，一部分信號透射進入前方介質繼續向前傳播。聲學阻抗的變化通常發生在地質巖層界面和巖體內不連續界面。

方法：靠近掌子面左右邊墻分別布置兩排震源點（每排3個，共12個），間距2M，距離第二排震源點10-20M開始布置檢波器，共布置4排。第一排檢波器2個，第二排檢波器3個，分別位于左右拱底及拱頂，第3、4布置同1、2。最后通過軟件處理數據得出結果。

2.3 中距離（50-80米）超前地質預報

多點陣列式瞬變電磁探測（該方法為傳統瞬變電磁探測的改進）：測含水構造。原理：基于巖土體與水體之間的電阻率差異，通過觀測低頻電磁波在水體中激發的二次感應電磁場來確定含水構造。

方法：利用電磁脈沖激發，不接地回線向地下發射一次場，在一次場斷電后，測量由地下介質產生的感應二次場隨時間的變化，通過觀測、處理、分析這一隨時間衰減的變化來了解介質的電性、規模、產狀等。

改進：

①發射（或接收）回線裝置材料用非金屬：降低了TBM施工中機械、電液系統的電磁干擾，使測量數據更精準。②發射（或接收）裝置回線結構的改進：與傳統的線框結構相比，改進的 3種方式具備輕便、快速拆組、方便運輸節約預報時間1/3-1/2，節省勞動力。③三維探測：傳統瞬變電磁只能得到二維切片圖像，采用多點陣列式探測方法能夠采集更多的數據，并在三維空間刻畫掌子面前方的含水形態。

優點：精確測量出掌子面前方的水的形態，并匯出三維圖。缺點：只能測水。

2.4 近距離（30米）超前地質預報

多同性源陣列激發極化法（探水）

原理：不同地質介質之間（圍巖與不良地質體）的激電參數差異為物質基礎，通過測量分析地質體的激電效應實現探查。在電流激發作用下，因為電化學作用引起地質介質電荷分離，從而產生隨時間變化的二次電場現象。當供電電極 AB供入穩定電流，測量電極MN之間電壓U隨時間而變化，一般隨著供電時間而增大并趨于穩定的飽和值，當斷開供電電流，斷電瞬間電壓U急劇下降之后緩慢減小，一段時間之后衰減到零附近。

觀測方法：在掌子面后方移動探測。多同性源供電原理，可以減小TBM施工中電極附近異常體的干擾。向掌子面后方移動探測提高探測距離，不用在掌子面下面測量，提高人員安全，不隨掌子面開挖連續探測，實現對異常體的三維成像，提高定位精確度。

優勢：①多同性源供電原理，可以減小TBM施工中電極附近異常體的干擾。②向掌子面后方移動探測提高探測距離，不用在掌子面下面測量，提高人員安全，③不隨掌子面開挖連續探測，實現對異常體的三維成像，提高定位精確度。

3 結論與建議

鉆爆法在近些年有很大的進步，但離定量化還有有一定差距。隧道掘進機施工（TBM 施工）要求超前預報技術和設備須要滿足更高的要求，這是以后需攻關的重點和熱點問題。基于大量的調研和對理解，認為今后隧道超前地質預報技術的 4 個主要趨勢和方向包括：隧道施工定量化超前預報理論與技術的發展深化；TBM 施工隧道超前地質預報技術與裝備； 隨鉆或鉆孔精細超前探測理論與技術；實時超前地質預報與施工災害監測技術。

[1] 尚彥軍，楊志法，曾慶利，等. TBM 施工遇險工程地質問7題分析和失誤的反思[J]. 巖石力學與工程學報， 2007， 26(12)： 2 404–2 411.

[2] 李術才，薛翊國，張慶松，等. 高風險巖溶地區隧道施工地質災害綜合預報預警關鍵技術研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2008，27(7)： 1 297–1 307.

[3] 荊志東. 特長隧道地質超前預報方法研究[J]. 鐵道勘察， 2005，

[4] 趙永貴. 國內外隧道超前預報技術評析與推介[J]. 地球物理學進展，2007， 22(4)

[5] 劉志剛，劉秀峰. TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預報中的應用與發展[J]. 巖石力學與工程學報， 2003， 22(8)： 1 399–1 402.