HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在雙護(hù)盾TBM施工隧道中的應(yīng)用

程 德 勝，汪 旭

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

0 引 言

目前TBM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種類型的隧道施工，由于該設(shè)備對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性較差[1]，因此要求對(duì)隧道地質(zhì)條件有充分了解和準(zhǔn)確把握，由于設(shè)計(jì)階段的精度所限或其他原因，隧道設(shè)計(jì)與實(shí)際地質(zhì)情況相差較大，致使針對(duì)TMB施工的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究日顯突出。由于TBM施工隧道環(huán)境的復(fù)雜性，在該類隧道中開展一般隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法存在較大的難度，且預(yù)報(bào)效果也會(huì)受到眾多干擾源的影響，難以為TBM的安全掘進(jìn)提供指導(dǎo)作用[2]。然而，受限于方法技術(shù)的發(fā)展及成本的控制，目前TBM施工段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要方法多是從傳統(tǒng)鉆爆法改良而來(lái)[3]，由于TBM施工隧道的特殊性，這些方法適應(yīng)性較差，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有待提高。PETRONIO等[4,5]提出了應(yīng)用于TBM施工的隧道隨鉆地震波預(yù)報(bào)法(Tunnel-Seismic-While-Drilling，簡(jiǎn)稱TSWD)，該方法利用TBM掘進(jìn)機(jī)刀盤滾刀切割巖石所激發(fā)信號(hào)作為震源信號(hào)，通過對(duì)安裝在刀盤的檢波器所記錄的震源信號(hào)(pilot signal)和在隧道外的接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，能夠有效提取到隧道前方不良地質(zhì)體的反射波，并據(jù)此對(duì)前方地質(zhì)條件作出判斷。該方法實(shí)現(xiàn)了在TBM不停機(jī)的條件下對(duì)前方圍巖變化情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)TBM施工起到了積極的指導(dǎo)作用。國(guó)內(nèi)，李蒼松等[6]針對(duì)TBM隧道施工的特殊性研究了HSP聲波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對(duì)掌子面前方的不良地質(zhì)體進(jìn)行了有效預(yù)報(bào)。但該類被動(dòng)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(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，在具體實(shí)施時(shí)，難度較大，且震源能量衰減較多，降低了分辨率及預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

本文利用TBM掘進(jìn)破巖所產(chǎn)生的地震波作為HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的震源，通過對(duì)所采集的反射地震波進(jìn)行反演成像，在西藏某公路隧道雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)期間，提供了有關(guān)掌子面前方圍巖和地質(zhì)條件變化的信息，對(duì)減少因突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的損失提供了技術(shù)支持。并根據(jù)實(shí)際圍巖開挖觀察結(jié)果以及基于TBM掘進(jìn)參數(shù)的模糊數(shù)學(xué)判別結(jié)果，對(duì)長(zhǎng)距離連續(xù)跟蹤探測(cè)的HSP預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該方法現(xiàn)場(chǎng)操作便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)在不停機(jī)狀態(tài)下對(duì)前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，且探測(cè)精度較高。

1 方法原理

適用于雙護(hù)盾TBM施工的HSP地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要利用TBM掘進(jìn)時(shí)滾刀破巖所產(chǎn)生的地震波作為探測(cè)的震源信號(hào)，該被動(dòng)信號(hào)特征依賴于掘進(jìn)參數(shù)、巖性和滾刀的狀態(tài)，是連續(xù)隨機(jī)震源，通過長(zhǎng)時(shí)間的積累可以獲得足夠的能量，可作為震源信號(hào)進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)，震源信號(hào)在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到存在波阻抗差異的地質(zhì)界面時(shí)，如節(jié)理裂隙帶、斷層破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)體時(shí)，便會(huì)發(fā)生反射[7]，反射波經(jīng)過地層的傳播，被檢波器所接收，通過對(duì)檢波器的具體布設(shè)，可實(shí)現(xiàn)陣列式數(shù)據(jù)采集，并通過深度域繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)，進(jìn)行反演解釋。該方法數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)主要基于多源地震[8]及地震干涉技術(shù)。多震源地震技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的地震快速采集技術(shù)。它不考慮相鄰時(shí)間激發(fā)炮之間前一炮信號(hào)對(duì)后一炮的影響，可以同步或近同步激發(fā)兩個(gè)或兩個(gè)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(chǎng)之間的互相關(guān)重構(gòu)來(lái)自地質(zhì)構(gòu)造的反射信息，從而對(duì)介質(zhì)的構(gòu)造特征進(jìn)行探測(cè)。

圖1為在雙護(hù)盾TBM施工中進(jìn)行HSP地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試時(shí)的布置示意圖。信號(hào)接收檢波器在邊墻兩側(cè)進(jìn)行陣列式布設(shè)，接收自刀盤切割巖石所產(chǎn)生并傳播的信號(hào)，本文所用HSP法現(xiàn)場(chǎng)操作便捷，測(cè)試時(shí)間短，能夠減少來(lái)自隧道內(nèi)臺(tái)架、金屬、高壓電等的影響。

圖1 HSP現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置三維示意圖

對(duì)于雙護(hù)盾TBM施工隧道，信號(hào)采集和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存都通過無(wú)線發(fā)射器由主機(jī)內(nèi)置計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。每次測(cè)試時(shí)，采集一到兩個(gè)掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺的數(shù)據(jù)(1.8～3.6 m)，數(shù)據(jù)量要求不少于800道，實(shí)際測(cè)試時(shí)接收傳感器之間的間隔可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件具體確定。超前探測(cè)預(yù)報(bào)范圍可達(dá)到80～100 m。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

西藏某公路隧道全長(zhǎng)4 775 m，位于極高山亞區(qū)，是高原隆升、侵蝕最為強(qiáng)烈的地區(qū)，地形起伏大，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌，平均海拔達(dá)到4 000～5 500 m。隧道內(nèi)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(hù)盾TBM施工，區(qū)內(nèi)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(fā)育，巖石總體屬中硬巖-堅(jiān)硬巖，受片麻理影響，巖石強(qiáng)度各項(xiàng)異性較明顯。

地質(zhì)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為韌性剪切帶、次級(jí)小型斷層、長(zhǎng)大裂隙和節(jié)理裂隙系統(tǒng)，對(duì)隧道穩(wěn)定性起著控制作用。隧道橫穿一個(gè)背斜，與背斜樞紐方向大角度相交，該區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，其50年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度≥0.4 g，對(duì)應(yīng)地震烈度≥IX度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，加之埋深較大，因此TBM卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較大，掘進(jìn)期間的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)將非常重要。本文采用HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)該隧道進(jìn)行了連續(xù)探測(cè)，主要對(duì)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(zhì)體(帶)發(fā)生的可能性、規(guī)模及性質(zhì)等進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2.2 預(yù)報(bào)成果及開挖驗(yàn)證

HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具體實(shí)施為，在TBM保養(yǎng)期間，實(shí)施布極孔鉆孔和掌子面地質(zhì)情況觀察分析；在TBM掘進(jìn)施工過程中，實(shí)施HSP法數(shù)據(jù)采集。本文對(duì)典型里程段的預(yù)報(bào)成果進(jìn)行了分析說明，并結(jié)合實(shí)際開挖圍巖情況對(duì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行驗(yàn)證。

在隧道施工至K10+072附近時(shí)，HSP探測(cè)結(jié)果顯示前方至少超過50 m的范圍內(nèi)存在反射異常(見圖2)，具體分析結(jié)果如表1所列，圍巖情況極差，當(dāng)天發(fā)出預(yù)警，隧道在加強(qiáng)支護(hù)的條件下繼續(xù)掘進(jìn)，之后TBM遭遇大范圍的斷層破碎帶，多次發(fā)生塌方現(xiàn)象，具體圍巖開挖揭露情況如圖3所示。

除上述里程范圍發(fā)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(nèi)也發(fā)生了小范圍塌方，該異常圍巖情況同樣在HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖中有明顯反射異常(見圖4)，具體分析結(jié)果如表2所列。

隧道掘進(jìn)1 200 m期間，采用HSP法對(duì)前方實(shí)施了連續(xù)探測(cè)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果均果對(duì)TBM掘進(jìn)施工起到了積極的指導(dǎo)作用，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖均較為符合，圖5為該掘進(jìn)期間對(duì)HSP探測(cè)結(jié)果。

圖2 K10+072掌子面HSP探測(cè)反演分析成果

預(yù)報(bào)范圍探 測(cè) 結(jié) 果K10+073～K10+126該段探測(cè)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(wěn)定性較差,可能存在間斷式節(jié)理裂隙發(fā)育帶,局部可能存在塌方現(xiàn)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(cè)寬度為47 m,有明顯反射異常,初步判斷圍巖完整性和穩(wěn)定性較差,可能存在空腔、塌方現(xiàn)象。其中,K10+126～K10+140段,需注意局部區(qū)域可能出現(xiàn)的塌方現(xiàn)象;K10+140～K10+173段,可能存節(jié)理裂隙密集發(fā)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(hù)盾TBM在掘進(jìn)期間，由于其施工特點(diǎn)，所露圍巖有限，對(duì)圍巖地質(zhì)特征的觀察受到很大制約，對(duì)圍巖情況的判斷僅能-依靠地質(zhì)觀察窗和出渣情況，判斷往往會(huì)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(shí)對(duì)圍巖狀況進(jìn)行判斷，研究表明通過對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，能夠?qū)鷰r地質(zhì)情況進(jìn)行有效判別，能夠客觀的反應(yīng)所遇圍巖變化情況[10]，因此本文選取掘進(jìn)時(shí)的推力及貫入度，利用模糊數(shù)學(xué)方法，對(duì)TBM掘進(jìn)過程中圍巖狀況進(jìn)行了判別，并將判別結(jié)果與HSP預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 K10+500掌子面HSP探測(cè)反演分析成果

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

與實(shí)際開挖情況所進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)對(duì)比。從圖中可知圍巖變化情況與掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律存在較高的相關(guān)性，因此，本文將對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行更為客觀性的評(píng)價(jià)。

圖5 HSP地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與揭露情況統(tǒng)計(jì)

在TBM掘進(jìn)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(xiàn)較大比例的突變，則表明TBM所經(jīng)過的圍巖地層情況發(fā)生變化或其掘進(jìn)姿態(tài)存在問題等。因此本文對(duì)應(yīng)每一環(huán)掘進(jìn)時(shí)的推力及貫入度，對(duì)圍巖進(jìn)行了模糊判別。剔除人為原因?qū)е碌漠惓＞蜻M(jìn)參數(shù)，共選擇了633環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)，所形成的掘進(jìn)特性空間為Ωi，每一環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)構(gòu)成總空間Ωi的一個(gè)子空間Ωi。將參數(shù)點(diǎn)(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(jìn)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，取得回歸曲線y=kx，本文中實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)經(jīng)回歸分析后得到k=1 325.9，即回歸曲線為y=1 325.9x。根據(jù)回歸分析的預(yù)測(cè)與控制原理[11]，y的置信水平為1-α的預(yù)測(cè)區(qū)間近似為：

y1=kx-σeu1-α/2

(1)

y2=kx+σeu1-α/2

(2)

式中u1-α/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的1-α的上分位點(diǎn)，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(gè)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(gè)區(qū)域，如圖6所示。

當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)點(diǎn)(xi,yi)落在I區(qū)內(nèi)時(shí)，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(jìn)(包含了較軟及較硬圍巖情況)；而當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)點(diǎn)(xi,yi)落在Ⅲ區(qū)內(nèi)時(shí)，推力增加幅度較大，但貫入度卻仍保持在一個(gè)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(dǎo)致刀盤荷載增加，或正在穿越的圍巖地層硬度異常增加；當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)點(diǎn)(xi,yi)位于Ⅲ區(qū)內(nèi)時(shí)，推力并未明顯增加，但貫入度異常增高，表明圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育或破碎程度嚴(yán)重，容易發(fā)生塌方等災(zāi)害。采用歐式距離對(duì)圍巖變化情況進(jìn)行了更為詳細(xì)的模糊判別，每一環(huán)掘進(jìn)參數(shù)點(diǎn)(xi,yi)與模糊集合A、B的距離(按點(diǎn)到直線的距離計(jì)算)分別按下式計(jì)算

圖6 掘進(jìn)參數(shù)回歸分析所確定模糊分類集合

(3)

(4)

對(duì)所得的各距離進(jìn)行歸一化處理，分別得到d01i、d02i，根據(jù)歸一化距離與隸屬度的關(guān)系，可得掘進(jìn)參數(shù)點(diǎn)(xi,yi)對(duì)模糊集合A、B的隸屬度分別為

(5)

(6)

對(duì)比根據(jù)由掘進(jìn)參數(shù)模糊判別的結(jié)果與HSP超前探測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，HSP預(yù)報(bào)結(jié)果與模糊分類結(jié)果存在較高的相關(guān)性，其中也存在HSP預(yù)報(bào)結(jié)果中部分較小異常在掘進(jìn)中并未引起掘進(jìn)參數(shù)的異常變化。總體對(duì)比結(jié)果表明HSP探測(cè)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，能夠在雙護(hù)盾TBM施工期間對(duì)前方地質(zhì)圍巖情況做出可靠的判斷，有效指導(dǎo)其施工。

圖7 HSP地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與掘進(jìn)參數(shù)模糊判別對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在西藏某公路隧道雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)期間的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1)結(jié)合探測(cè)成果與實(shí)際開挖所揭露的圍巖情況表明，HSP地質(zhì)預(yù)報(bào)法對(duì)節(jié)理裂隙密集帶、斷層破碎帶等地質(zhì)異常情況響應(yīng)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(jìn)施工的安全，應(yīng)增加相鄰兩次預(yù)報(bào)的搭接長(zhǎng)度；

(2)基于掘進(jìn)參數(shù)的模糊數(shù)學(xué)判別圍巖結(jié)果與HSP探測(cè)結(jié)果基本吻合，該客觀性評(píng)價(jià)表明了該方法具有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，能夠?qū)BM施工期間前方地質(zhì)圍巖情況做出可靠的判斷；

(3)HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)不影響TBM施工，前期準(zhǔn)備工作少，現(xiàn)場(chǎng)操作便捷，針對(duì)雙護(hù)盾TBM隧道施工預(yù)報(bào)適應(yīng)性較強(qiáng)，在對(duì)西藏某公路隧道雙護(hù)盾TBM施工階段連續(xù)探測(cè)期間，準(zhǔn)確提供了有關(guān)掌子面前方圍巖地質(zhì)情況變化的信息，為提前采取相應(yīng)措施、減少因?yàn)?zāi)害造成的損失提供了技術(shù)支持，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

目前適用于雙護(hù)盾TBM施工隧道的HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要是利用縱波信號(hào)，對(duì)于隧道突涌水的預(yù)報(bào)，效果還不是很理想，而橫波對(duì)含水體等介質(zhì)較為敏感，因此需進(jìn)一步研究橫波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，提高對(duì)突涌水等災(zāi)害的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。此外，基于文中的研究?jī)?nèi)容，還需采取數(shù)值模擬手段對(duì)TBM刀盤滾刀破巖所激發(fā)的地震波場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)研究，綜合考慮影響多震源地震波場(chǎng)的各種因素，以便采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。