TBM隧道施工超前地質(zhì)預報現(xiàn)狀和技術(shù)

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(jù)2016年的統(tǒng)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(fā)展后，高難度隧道得建設(shè)對地質(zhì)勘察有了很高的要求。但是山高洞深、地質(zhì)條件龐雜紊亂和地表勘察技術(shù)方法困難，施工時難以對工程地質(zhì)狀況有所有精準的把握，另外不良地質(zhì)體有較很強的隱蔽性，難以對隧道沿線不良地質(zhì)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(fā)突水突泥，塌方等地質(zhì)災害，帶來沉重的人員和錢的損失。TBM 施工環(huán)境龐雜紊亂，看的環(huán)境被 TBM 的電子機械填滿，金屬系統(tǒng)產(chǎn)生龐雜紊亂的電磁場。

1 TBM 施工超前地質(zhì)預報技術(shù)現(xiàn)狀

TBM本身是一個龐然大物，電磁環(huán)境極為龐雜紊亂，誘發(fā)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(shù)，地質(zhì)雷達技術(shù)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(shè)置超前探測測線，和陣列激發(fā)裝置與傳感器。致使超前地質(zhì)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(tǒng)可用的地質(zhì)雷達等技術(shù)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(zhì)預報技術(shù)注重與 TBM 機械結(jié)合，并且形成自動化系統(tǒng)，這代表了 TBM 施工環(huán)境探測技術(shù)得需要和未來發(fā)展趨勢。

2 TBM 施工超前地質(zhì)預報技術(shù)方法

2.1 宏觀超前地質(zhì)預報

依據(jù)：區(qū)域地質(zhì)資料（水文、工程、巖溶）調(diào)查為基礎(chǔ)，補充野外地質(zhì)勘測、物探、綜合分析。

作用：預報施工會遇到的不良地質(zhì)類型、規(guī)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(zhì)分布圖。

內(nèi)容：①不良地質(zhì)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(zhì)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?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W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(zhì)繼續(xù)向前傳播。聲學阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面和巖體內(nèi)不連續(xù)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(shù)據(jù)得出結(jié)果。

2.3 中距離（50-80米）超前地質(zhì)預報

多點陣列式瞬變電磁探測（該方法為傳統(tǒng)瞬變電磁探測的改進）：測含水構(gòu)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(fā)的二次感應電磁場來確定含水構(gòu)造。

方法：利用電磁脈沖激發(fā)，不接地回線向地下發(fā)射一次場，在一次場斷電后，測量由地下介質(zhì)產(chǎn)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(zhì)的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

改進：

①發(fā)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(tǒng)的電磁干擾，使測量數(shù)據(jù)更精準。②發(fā)射（或接收）裝置回線結(jié)構(gòu)的改進：與傳統(tǒng)的線框結(jié)構(gòu)相比，改進的 3種方式具備輕便、快速拆組、方便運輸節(jié)約預報時間1/3-1/2，節(jié)省勞動力。③三維探測：傳統(tǒng)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(shù)據(jù)，并在三維空間刻畫掌子面前方的含水形態(tài)。

優(yōu)點：精確測量出掌子面前方的水的形態(tài)，并匯出三維圖。缺點：只能測水。

2.4 近距離（30米）超前地質(zhì)預報

多同性源陣列激發(fā)極化法（探水）

原理：不同地質(zhì)介質(zhì)之間（圍巖與不良地質(zhì)體）的激電參數(shù)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過測量分析地質(zhì)體的激電效應實現(xiàn)探查。在電流激發(fā)作用下，因為電化學作用引起地質(zhì)介質(zhì)電荷分離，從而產(chǎn)生隨時間變化的二次電場現(xiàn)象。當供電電極 AB供入穩(wěn)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(wěn)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(xù)探測，實現(xiàn)對異常體的三維成像，提高定位精確度。

優(yōu)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(xù)探測，實現(xiàn)對異常體的三維成像，提高定位精確度。

3 結(jié)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(shù)和設(shè)備須要滿足更高的要求，這是以后需攻關(guān)的重點和熱點問題?；诖罅康恼{(diào)研和對理解，認為今后隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)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(shù)的發(fā)展深化；TBM 施工隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)與裝備； 隨鉆或鉆孔精細超前探測理論與技術(shù)；實時超前地質(zhì)預報與施工災害監(jiān)測技術(shù)。

[1] 尚彥軍，楊志法，曾慶利，等. TBM 施工遇險工程地質(zhì)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(shù)才，薛翊國，張慶松，等. 高風險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災害綜合預報預警關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)超前預報方法研究[J]. 鐵道勘察， 2005，

[4] 趙永貴. 國內(nèi)外隧道超前預報技術(shù)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(fā)展[J]. 巖石力學與工程學報， 2003， 22(8)： 1 399–1 402.