HSP超前地質預報技術在雙護盾TBM施工隧道中的應用

程 德 勝，汪 旭

(1.華能西藏雅魯藏布江水電開發投資有限公司， 四川 成都 610093；2.中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引 言

目前TBM已經廣泛應用于各種類型的隧道施工，由于該設備對地質條件適應性較差[1]，因此要求對隧道地質條件有充分了解和準確把握，由于設計階段的精度所限或其他原因，隧道設計與實際地質情況相差較大，致使針對TMB施工的隧道超前地質預報研究日顯突出。由于TBM施工隧道環境的復雜性，在該類隧道中開展一般隧道超前地質預報方法存在較大的難度，且預報效果也會受到眾多干擾源的影響，難以為TBM的安全掘進提供指導作用[2]。然而，受限于方法技術的發展及成本的控制，目前TBM施工段超前地質預報主要方法多是從傳統鉆爆法改良而來[3]，由于TBM施工隧道的特殊性，這些方法適應性較差，預報準確率有待提高。PETRONIO等[4,5]提出了應用于TBM施工的隧道隨鉆地震波預報法(Tunnel-Seismic-While-Drilling，簡稱TSWD)，該方法利用TBM掘進機刀盤滾刀切割巖石所激發信號作為震源信號，通過對安裝在刀盤的檢波器所記錄的震源信號(pilot signal)和在隧道外的接收信號進行互相關運算，能夠有效提取到隧道前方不良地質體的反射波，并據此對前方地質條件作出判斷。該方法實現了在TBM不停機的條件下對前方圍巖變化情況進行預報，對TBM施工起到了積極的指導作用。國內，李蒼松等[6]針對TBM隧道施工的特殊性研究了HSP聲波超前地質預報方法，對掌子面前方的不良地質體進行了有效預報。但該類被動源方法目前使用的都是較大的偏移距，且主要是利用透射波進行地質預報，在具體實施時，難度較大，且震源能量衰減較多，降低了分辨率及預報準確率。

本文利用TBM掘進破巖所產生的地震波作為HSP超前地質預報的震源，通過對所采集的反射地震波進行反演成像，在西藏某公路隧道雙護盾TBM掘進期間，提供了有關掌子面前方圍巖和地質條件變化的信息，對減少因突發地質災害造成的損失提供了技術支持。并根據實際圍巖開挖觀察結果以及基于TBM掘進參數的模糊數學判別結果，對長距離連續跟蹤探測的HSP預報結果進行了評價。結果表明，該方法現場操作便捷，能夠實現在不停機狀態下對前方地質情況進行探測，且探測精度較高。

1 方法原理

適用于雙護盾TBM施工的HSP地質預報技術主要利用TBM掘進時滾刀破巖所產生的地震波作為探測的震源信號，該被動信號特征依賴于掘進參數、巖性和滾刀的狀態，是連續隨機震源，通過長時間的積累可以獲得足夠的能量，可作為震源信號進行地質探測，震源信號在隧道中的巖體內傳播，當遇到存在波阻抗差異的地質界面時，如節理裂隙帶、斷層破碎帶、巖溶等不良地質體時，便會發生反射[7]，反射波經過地層的傳播，被檢波器所接收，通過對檢波器的具體布設，可實現陣列式數據采集，并通過深度域繞射掃描偏移疊加成像技術，進行反演解釋。該方法數據處理的關鍵技術主要基于多源地震[8]及地震干涉技術。多震源地震技術是近年來發展起來的地震快速采集技術。它不考慮相鄰時間激發炮之間前一炮信號對后一炮的影響，可以同步或近同步激發兩個或兩個以上的震源。地震干涉法的研究最早由CLAERBOUT等[9]提出，該方法能夠在不知道震源特性的情況下通過波場之間的互相關重構來自地質構造的反射信息，從而對介質的構造特征進行探測。

圖1為在雙護盾TBM施工中進行HSP地質預報測試時的布置示意圖。信號接收檢波器在邊墻兩側進行陣列式布設，接收自刀盤切割巖石所產生并傳播的信號，本文所用HSP法現場操作便捷，測試時間短，能夠減少來自隧道內臺架、金屬、高壓電等的影響。

圖1 HSP現場測試布置三維示意圖

對于雙護盾TBM施工隧道，信號采集和數據儲存都通過無線發射器由主機內置計算機進行控制。每次測試時，采集一到兩個掘進循環進尺的數據(1.8～3.6 m)，數據量要求不少于800道，實際測試時接收傳感器之間的間隔可根據現場條件具體確定。超前探測預報范圍可達到80～100 m。

2 工程實例

2.1 工程概況

西藏某公路隧道全長4 775 m，位于極高山亞區，是高原隆升、侵蝕最為強烈的地區，地形起伏大，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌，平均海拔達到4 000～5 500 m。隧道內徑8.4 m，開挖洞徑9.1 m，隧道最大埋深約為830 m。該隧道采用雙護盾TBM施工，區內巖性以花崗片麻巖、條帶狀混合片麻巖、眼球狀混合片麻巖、腸狀混合片麻巖等組成，片麻理發育，巖石總體屬中硬巖-堅硬巖，受片麻理影響，巖石強度各項異性較明顯。

地質構造形跡主要表現為韌性剪切帶、次級小型斷層、長大裂隙和節理裂隙系統，對隧道穩定性起著控制作用。隧道橫穿一個背斜，與背斜樞紐方向大角度相交，該區域新構造運動強烈，地震活動頻繁，其50年超越概率10%地震動峰值加速度≥0.4 g，對應地震烈度≥IX度，區域構造穩定性差，加之埋深較大，因此TBM卡機風險較大，掘進期間的超前地質預報將非常重要。本文采用HSP超前地質預報技術對該隧道進行了連續探測，主要對開挖工作面前方可能開挖揭露的斷層、破碎帶、軟弱夾層等不良地質體(帶)發生的可能性、規模及性質等進行預報。

2.2 預報成果及開挖驗證

HSP超前地質預報具體實施為，在TBM保養期間，實施布極孔鉆孔和掌子面地質情況觀察分析；在TBM掘進施工過程中，實施HSP法數據采集。本文對典型里程段的預報成果進行了分析說明，并結合實際開挖圍巖情況對預報成果進行驗證。

在隧道施工至K10+072附近時，HSP探測結果顯示前方至少超過50 m的范圍內存在反射異常(見圖2)，具體分析結果如表1所列，圍巖情況極差，當天發出預警，隧道在加強支護的條件下繼續掘進，之后TBM遭遇大范圍的斷層破碎帶，多次發生塌方現象，具體圍巖開挖揭露情況如圖3所示。

除上述里程范圍發生較大面積的塌方外，掌子面在里程K10+545～K10+550、K10+577～K10+586范圍內也發生了小范圍塌方，該異常圍巖情況同樣在HSP超前地質預報成果圖中有明顯反射異常(見圖4)，具體分析結果如表2所列。

隧道掘進1 200 m期間，采用HSP法對前方實施了連續探測預報，預報結果均果對TBM掘進施工起到了積極的指導作用，預報結果與實際開挖均較為符合，圖5為該掘進期間對HSP探測結果。

圖2 K10+072掌子面HSP探測反演分析成果

預報范圍探 測 結 果K10+073～K10+126該段探測范圍位于掌子面前方53 m,有明顯反射異常,初步判斷圍巖完整性和穩定性較差,可能存在間斷式節理裂隙發育帶,局部可能存在塌方現象,需注意里程K10+073～K10+084、K10+088～K10+108、K10+117～K10+126。K10+126～K10+173該段探測寬度為47 m,有明顯反射異常,初步判斷圍巖完整性和穩定性較差,可能存在空腔、塌方現象。其中,K10+126～K10+140段,需注意局部區域可能出現的塌方現象;K10+140～K10+173段,可能存節理裂隙密集發育帶或斷層破碎帶。

圖3 K10+096位置TBM前方圍巖照片

3 分析與討論

雙護盾TBM在掘進期間，由于其施工特點，所露圍巖有限，對圍巖地質特征的觀察受到很大制約，對圍巖情況的判斷僅能-依靠地質觀察窗和出渣情況，判斷往往會存在一定的主觀性以及誤差，因此必須充分利用各種手段獲得的信息，適時對圍巖狀況進行判斷，研究表明通過對掘進參數進行分析，能夠對圍巖地質情況進行有效判別，能夠客觀的反應所遇圍巖變化情況[10]，因此本文選取掘進時的推力及貫入度，利用模糊數學方法，對TBM掘進過程中圍巖狀況進行了判別，并將判別結果與HSP預測結果進行對比分析。

圖4 K10+500掌子面HSP探測反演分析成果

測試范圍探 測 結 果K10+500—K10+543該段探測結果位于掌子面前方43 m,未見明顯反射異常,圍巖穩定性較好、完整性較好。K10+543—K10+549該段探測結果有明顯反射異常,初步判斷圍巖完整性和穩定性較差。K10+549—K10+572該段探測結果未見明顯反射異常,圍巖整體穩定性較好、完整性較好。K10+572—K10+585該段探測結果局部有明顯反射異常,初步判斷圍巖完整性和穩定性較差,局部可能存在節理裂隙和破碎帶。K10+585—K10+600該段探測結果未見明顯反射異常,圍巖整體穩定性較好、完整性較好。

與實際開挖情況所進行的統計對比。從圖中可知圍巖變化情況與掘進參數的變化規律存在較高的相關性，因此，本文將對掘進參數進行詳細的分析，對預報成果進行更為客觀性的評價。

圖5 HSP地質預報成果與揭露情況統計

在TBM掘進過程中，若推力與貫入度均水平同步、均勻變化，說明圍巖情況正常，若推力與貫入度的變化情況出現較大比例的突變，則表明TBM所經過的圍巖地層情況發生變化或其掘進姿態存在問題等。因此本文對應每一環掘進時的推力及貫入度，對圍巖進行了模糊判別。剔除人為原因導致的異常掘進參數，共選擇了633環的掘進參數，所形成的掘進特性空間為Ωi，每一環的掘進參數構成總空間Ωi的一個子空間Ωi。將參數點(xi,yi)描繪在F-R(推力-貫入度)平面中即可得到如圖3所示的子空間Ωi分布。在該子空間中，將掘進參數點進行回歸分析，取得回歸曲線y=kx，本文中實際掘進參數經回歸分析后得到k=1 325.9，即回歸曲線為y=1 325.9x。根據回歸分析的預測與控制原理[11]，y的置信水平為1-α的預測區間近似為：

y1=kx-σeu1-α/2

(1)

y2=kx+σeu1-α/2

(2)

式中u1-α/2為標準正態分布的1-α的上分位點，本文中取置信水平為1-0.05，因此可查表獲得u1-0.05/2=1.96；σe為回歸分析的殘差均方差，其值為2 557.04。

至此，在空間Ωi中建立了兩個集合，即A：y1=kx-b，B：y2=kx+b，其中b=σeu1-α/2=5011.79，它們將空間Ωi劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區域，如圖6所示。

當掘進參數點(xi,yi)落在I區內時，推力與貫入度基本成比例變化，表明TBM在正常圍巖情況中掘進(包含了較軟及較硬圍巖情況)；而當掘進參數點(xi,yi)落在Ⅲ區內時，推力增加幅度較大，但貫入度卻仍保持在一個較低的水平，表明TBM刀盤被擠壓性巖石所卡住或遭遇塌方導致刀盤荷載增加，或正在穿越的圍巖地層硬度異常增加；當掘進參數點(xi,yi)位于Ⅲ區內時，推力并未明顯增加，但貫入度異常增高，表明圍巖節理裂隙較為發育或破碎程度嚴重，容易發生塌方等災害。采用歐式距離對圍巖變化情況進行了更為詳細的模糊判別，每一環掘進參數點(xi,yi)與模糊集合A、B的距離(按點到直線的距離計算)分別按下式計算

圖6 掘進參數回歸分析所確定模糊分類集合

(3)

(4)

對所得的各距離進行歸一化處理，分別得到d01i、d02i，根據歸一化距離與隸屬度的關系，可得掘進參數點(xi,yi)對模糊集合A、B的隸屬度分別為

(5)

(6)

對比根據由掘進參數模糊判別的結果與HSP超前探測預報結果可以看出，HSP預報結果與模糊分類結果存在較高的相關性，其中也存在HSP預報結果中部分較小異常在掘進中并未引起掘進參數的異常變化。總體對比結果表明HSP探測結果具有較高的準確性，能夠在雙護盾TBM施工期間對前方地質圍巖情況做出可靠的判斷，有效指導其施工。

圖7 HSP地質預報成果與掘進參數模糊判別對比

4 結 語

本文通過HSP超前地質預報技術在西藏某公路隧道雙護盾TBM掘進期間的應用，得出以下結論：

(1)結合探測成果與實際開挖所揭露的圍巖情況表明，HSP地質預報法對節理裂隙密集帶、斷層破碎帶等地質異常情況響應較好，但在圍巖較為破碎的洞段，震源能量衰減較大，因此為保證TBM掘進施工的安全，應增加相鄰兩次預報的搭接長度；

(2)基于掘進參數的模糊數學判別圍巖結果與HSP探測結果基本吻合，該客觀性評價表明了該方法具有較高的預報準確率，能夠對TBM施工期間前方地質圍巖情況做出可靠的判斷；

(3)HSP超前地質預報技術不影響TBM施工，前期準備工作少，現場操作便捷，針對雙護盾TBM隧道施工預報適應性較強，在對西藏某公路隧道雙護盾TBM施工階段連續探測期間，準確提供了有關掌子面前方圍巖地質情況變化的信息，為提前采取相應措施、減少因災害造成的損失提供了技術支持，具有較高的實用價值。

目前適用于雙護盾TBM施工隧道的HSP超前地質預報方法主要是利用縱波信號，對于隧道突涌水的預報，效果還不是很理想，而橫波對含水體等介質較為敏感，因此需進一步研究橫波超前地質預報方法，提高對突涌水等災害的預報準確度。此外，基于文中的研究內容，還需采取數值模擬手段對TBM刀盤滾刀破巖所激發的地震波場進行詳細研究，綜合考慮影響多震源地震波場的各種因素，以便采取相應的數據處理方法，提高采集數據的質量。