綜合超前地質預報技術在TBM法超特長隧洞的應用
——以北疆供水二期工程為例

白 亮

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

目前，世界各國已經在交通運輸、水利水電及城市排污等領域建成多條長度超過10 km的長大隧道。而隨著隧道施工技術的不斷發展，超長、特長隧道等超級隧道工程也不斷涌現。由于TBM的安全、高效、環保等特點[ 1]，其已被廣泛用于超長、特長隧道工程的施工[ 2-3]。如已建成的吉林省中部城市引松供水工程[ 4]、新疆土庫鐵路二線中天山隧洞[ 5]，以及正在建設中的山西中部引黃工程[ 6]，陜西省引漢濟渭工程[ 7]等。

與此同時，隨著各超級隧道工程的陸續開工建設，為了縮短工期，加大建設力度，TBM施工也已由1臺TBM獨頭施工或者兩臺TBM相向施工向多臺TBM交接施工轉變[ 8]。同時，單臺TBM的獨頭掘進距離也不斷增長，甚至出現了獨頭掘進20 km以上的超特長隧道。在TBM長距離掘進施工過程中，其掘進路線上的地層巖性、地質構造以及水文地質條件常呈現出多變的特點，極易遇到斷層破碎帶、蝕變帶、巖溶等不良地質。而TBM對不良地質的適應性較差，當在此條件下掘進時，施工效率將直線下降，影響TBM掘進的安全與進度，甚至會出現突涌水、塌方、卡機等災害，嚴重時更會造成機械損毀、設備報廢、威脅人員生命安全，并造成巨額經濟損失。

為有效掌握隧道掌子面前方的工程地質與水文地質狀況，減少不良地質對TBM施工造成的影響和損失，國內外學者在超前地質預報技術方面展開了大量的科學研究及工程實踐工作[ 9-10]。目前國內的超前地質預報方法主要分為地質分析法和地球物理方法。地質分析法主要包括超前導洞、超前鉆探、地質調查等。超前導洞和超前鉆探方法可以對判斷掌子面圍巖狀況進行較為準確的判斷，但其施工效率低、成本高，除在極端特殊地層外，應用較少；地質調查法主要包括地表補充地質調查、隧洞內地質素描和地質編錄[ 11]等，通過地質分析、地質作圖、地質類比和趨勢分析等可對掌子面前方的地質情況進行推斷和預測，但其精度及預測范圍相對較低。地球物理方法主要包括地震波法、電磁類法、電法和紅外線法等[ 12]，可以對掌子面前方的工程和水文地質條件進行較為準確的預報，且操作便捷、探測精度較高，已廣泛應用于各類下地工程施工中[ 13]。隨著TBM的廣泛使用，超前地質預報技術也同時應用到TBM掘進施工中，但因受到TBM施工的空間及環境限制，對超前預報技術與設備的定量化、簡單化、快速化、自動化、集成化、可視化等方面均提出了更高的要求[ 14]。總的來說，由于TBM施工隧洞的復雜探測環境，目前TBM施工隧洞可用的超前地質預報方法以地質分析法、地震波法和電阻率法為主。李術才等[ 15]在此基礎上，提出了適用于TBM隧洞施工期的綜合超前地質預報技術體系，并以吉林省中部城市引松供水工程為例，對TBM施工隧洞掌子面前方的溶洞、斷層破碎帶等不良地質進行了準確的預報。楊繼華等[ 16]以厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工為例，提出以地質分析為基礎，物探與鉆探相結合的適合雙護盾TBM的綜合超前地質預報方法，并對預報效果進行了評價。盡管如此，綜合地質預報技術在TBM上的應用仍處于初級階段[ 14]，且在以往類似工程的綜合地質預報技術上也多應用于已出現或已預判出的不良地質情況，并且連續預報的長度均較短，同時也沒有將地質預報技術納入至常規的施工工序。對于超特長隧道來說，隧道地質條件大部分較為復雜，且變化頻繁，軟巖、硬巖、破碎圍巖、突涌水等交替變化，這就對地質預報技術提出了新的要求。

本文所依托的北疆供水二期工程某標段工程，為應對復雜多變的地質條件，采用地質分析法、激發極化法和地震法相結合的超前地質預報體系，并將地質預報工作納入常規施工工序，對地質條件復雜段進行超前預報。根據預報結果配合TBM掘進施工，為各工序的靈活轉換提供了有力支持，為TBM在地質條件復雜多變的超特長隧道中安全、高效掘進奠定了基礎。

1 工程概況

本工程為北疆供水二期工程某標段，主隧洞全長43 847 m，設計縱坡1/2583。其中采用鉆爆法施工的洞段長2 732 m，采用TBM法施工的洞段長41 115 m。TBM掘進段采用兩臺不同品牌(一臺由中鐵裝備生產制造，一臺由鐵建重工生產制造)的國產TBM施工，最長獨頭掘進距離為17.5 km。隧洞開挖斷面為圓形，開挖直徑為7.0 m。根據地質勘探資料，TBM掘進段圍巖主要為泥盆系中統蘊都卡拉組(D2ya)凝灰質砂巖、凝灰巖；泥盆系中統江孜爾庫都克組凝灰巖夾凝灰角礫巖；華力西期紫紅—肉紅色堿性、鉀質花崗巖，圍巖類別以Ⅱ類為主。區域內地表水貧乏，主要受冰雪融水和大氣降水補給，蒸發量遠大于降水量，地下不發育，礦化度較高。本工程范圍內50年超越概率10%中硬場地地震動峰值加速度位于0.15g區域，對應的地震基本烈度為Ⅶ級。

本工程兩臺TBM均通過一條支洞運輸到組裝洞，進行組裝、步進并始發；兩臺TBM通過同一個組裝洞反向掘進，過程中的材料、人員、機械設備的運輸也全部通過同一個組裝洞完成，這就對組裝洞的結構布置形式提出了新的要求。

2 綜合超前地質預報技術

2.1 TBM施工隧洞超前地質預報方法的適用性

本文所依托的北疆供水工程隧洞單洞長度超過17 km，且隧洞穿越地層變化頻繁，圍巖在軟巖、硬巖、破碎帶交替變化，嚴重影響了TBM安全高效掘進，因此必須要進行超前地質預報工作，且需對掌子面前方地質條件進行連續預報。另外，為了保障TBM高效快掘進，還要保證各工序之間銜接緊密，即需將超前地質預報納入到TBM常規施工工序中。基于上述兩方面原因，需選用預測精度高、操作便捷的超前地質預報方法，結合各類地質預報法的特點，選用了地質分析法、激發極化法和地震法相結合的綜合地質預報法[ 15]，如圖1所示。

圖1 綜合超前地質預報技術

2.2 地質分析法

地質分析法是隧道超前地質預報最基本的方法，包括工程地質調查法、超前導洞法和超前水平鉆探法等。工程地質調査法是通過地表和隧道內的地質調查與分析，推斷前方的地質情況。在隧道埋深較淺、構造不太復雜的情況下具有很高的準確性，但在復雜地質條件下的預報結果精度難以保證。超前導洞法在隧道施工預報中也經常用到，可較全面的揭露正洞前方的地質情況，但耗時較長，經濟代價較高。超前水平鉆孔法與超前導洞坑法的原理基本相同，是用鉆探設備向掌子面前方鉆探，直接露隧道掌子面前方的地質情況，是最直接有效的超前地質預報方法之一，但僅為一孔之見，常存在不良地質體的漏報漏探情況。

2.3 激發極化法

激發極化探測方法是電法勘探的一個重要分支，以圍巖和含水地質構造的電性參數差異為物理基礎。通過在掌子面布置一定數量的電極，如圖2所示，在掌子面上布置測量電極，同時在邊墻上布置多圈供電電極。探測時，供電電極供入直流電(A、B電極)，測量電極(M、N電極)測量兩個電極間的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。通過反演計算，得到探測區域圍巖電阻率剖面，對含水構造表現為低阻，對完整圍巖表現為高阻，同時結合激發極化半衰時之差與反演低阻體體積估算水量，從而達到對探測區域地質情況探測的目的。激發極化法可以提供掌子面前方30 m范圍內含導水構造、涌水區等突水突泥災害源的空間位置。

圖2 隧洞激發極化法超前探測示意圖

2.4 地震法

地震探測技術的基本原理在于當地震波遇到波阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質。波阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，地震波從一種低波阻抗物質傳播到一個高波阻抗物質時，反射系數是正的；反之，反射系數是負的。因此，當地震波從軟巖傳播到硬巖時，反射波的偏轉極性和波源是一致的。當巖體內部有破裂帶時，反射波的極性會反轉。反射體的尺寸越大，波阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易探測到。通過分析，被用來了解隧洞工作面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層等)、位置及規模。地震成像結果采用相對解釋原理，即確定一個背景場，所有解釋相對背景值進行，異常區域會偏離背景區域值，根據偏離與分布多少解釋隧洞前方的地質情況。地震的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，具體方法見圖3。地震法可以提供掌子面前方80 m～100 m處及開挖洞徑周邊20 m處斷層、破碎帶的空間位置。

圖3 隧洞地震波法超前探測點位空間布置圖

3 綜合超前地質預報技術的建立與實施

3.1 超前地質預報工序的建立

為了能夠更好地指導TBM掘進，提高施工效率，工程引入了地震法和激發極化法等超前地質預報方法，結合地質編錄及地質素描等資料，對TBM掘進段前方的地質情況進行綜合超前預報，為掘進施工提供有利的參考依據。根據預報結果提前進行施工組織計劃，加快破碎圍巖段的施工進度。因在施工過程中，工程遭遇長距離、變化頻繁的連續破碎圍巖段，工程將上述三種超前地質預報方法納入TBM掘進的正常施工工序，展開綜合性超前地質預報，從而在TBM掘進開始，即可為現場施工作業人員及技術人員提供有利的判斷依據。由于地震法的有效預報范圍為100 m，激發極化法的有效預報范圍為30 m，且兩種探測方法的現場施作時間均需要2 h左右，為不影響TBM掘進施工，利用TBM固定保養時間、連續皮帶硫化時間或長時間停機時間，展開超前地質預報。另外，為確保超前探測的連續性，要求每次地震法預報的范圍起始點應在上次探測范圍結束點之前，以有效覆蓋全部掘進區段，而根據現場地下水發育情況開展激發極化法的地質預報工作。綜合超前地質預報的工作流程如圖4所示。

3.2 綜合超前地質預報技術實施

北疆供水二期工程某標段上游TBM掘進段根據地質勘測資料，此段圍巖以Ⅱ類圍巖為主，局部夾有Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。但在實際掘進過程中，當TBM掘進至樁號KS111+877時，地質條件較地勘資料發生了較大變化，圍巖巖性變為青灰色凝灰巖夾黑灰色凝灰巖，裂隙發育程度明顯增高，圍巖條件明顯變差。在樁號KS111+642.0—KS111+619.4段裂隙較發育，主要發育一組產狀80°～90°NW∠45°～60°裂隙，裂隙面平直粗糙，局部可見白色鈣質填充物，該組裂隙延伸長度5 m～21 m，表現為裂隙密集帶的形式，局部發生掉塊現象。在樁號KS111+619.4—KS111+614.4段發育產狀270°～280°SW∠30°～40°及產狀70°～80°SE∠50°～60°的兩組裂隙，裂隙面平直、閉合并充填薄層鈣質薄膜，且裂隙面相互切割，形成裂隙密集帶，巖體較破碎、穩定性差，出現最大深度0.5 m的塌腔。在樁號KS111+576.0—KS111+568.5段發育一組產狀60°～70°NW∠40°～45°裂隙，裂隙面起伏粗糙、閉合，局部有白色鈣質填充物，局部發生破碎掉塊現象。自此之后，現場出露圍巖條件持續變差，裂隙發育程度明顯提高，且裂隙多分布于頂拱,在裂隙組合切割下隧洞上半圓黑灰色凝灰巖中常有塌腔、掉塊現象，經地質工程師綜合判斷，對圍巖類別進行降級處理。同時，圍巖條件變化頻繁，在不同圍巖類別之間反復變化，給TBM施工造成了極大困擾，在圍巖變化初期，嚴重制約了施工進度。因此，自樁號KS111+552.0開始對前方地質條件開展超前預報，以指導TBM施工。現場圍巖情況如圖5及表1所示。

圖4 綜合超前地質預報工作流程

(a) 拱架及鋼筋排支護 (b) 混凝土回填

現場探測情況如圖6所示。

(a) 激發地震波 (b) 采集數據

3.3 應用效果分析

自2019年4月6日開始進行超前地質預報，共計進行地震法預報18次，激發極化法預報19次，部分探測結果如圖7所示，具體探測結果統計見表1。

由表1可以看出，地震法超前預報對圍巖破碎帶、圍巖變化情況均有較好的預測，預測結果與實際出露圍巖準確率能達到80%以上。激發極化法對地下水的超前預報結果與實際出露圍巖的滲涌水情況基本一致，準確率也能達到70%以上。同時，結合地質調查資料對前方圍巖的初步預測，三種方法相結合的綜合超前地質預報對TBM施工過程中不良地質預報的準確率約在80%左右，對TBM掘進提供了良好的施工依據。

圖7 激發極化法探測結果圖

表1 綜合地質預報結果與實際揭露情況對比表

起訖里程勘察設計圍巖類別施工揭露圍巖類別施工揭露巖性及構造描述滲涌水出水形狀滲涌水出水量/(m3·h-1)地質預報結果KS110+095.0—KS110+084.7ⅡⅢb圍巖巖性為白色花崗巖局部夾凝灰巖夾層,節理密集發育,節理面平直光滑,局部可見黃鐵礦化現象。——KS110+084.7—KS110+073.7ⅡⅤ圍巖巖性為蝕變花崗巖,呈黃色淺肉紅色,班雜結構塊磚構造,單軸飽和抗壓的強度小于5 MPa。——KS110+073.7—KS110+062.0ⅡⅢb圍巖巖性為花崗巖局部夾凝灰巖,花崗巖呈弱風化輕微蝕變現象,蝕變花崗巖強度低于60 MPa。——KS110+062.0—KS110+045.0ⅡⅢa圍巖巖性為凝灰巖與花崗巖交替的凝灰巖夾層,整體較完整,局部較破碎。線狀水0.15地震法探測結果:(1)KS110+088.0—KS110+068.0段:圍巖較破碎,節理裂隙發育,易發生掉塊和塌腔。(2)KS110+068.0—KS110+909.0段:圍巖完整性差,局部節理裂隙發育,可能發生掉塊或塌腔。激發極化法探測結果:(1)KS110+069.0—KS110+039.0段:地下水較不發育,局部出現滴滲水。(2)KS110+033.0—KS110+028.0段:易出現滴滲水。(3)KS110+028.0—KS110+989.0段:圍巖地下水不發育。(4)KS109+989.0—KS109+969.0段:局部易出現滴滲水。

與此同時，連續的超前探測效率也在此過程中不斷提高，兩種探測方法同時施作的時間從開始的3 h縮減至2 h左右，整個探測過程完全避開TBM掘進時間，始終未對施工生產造成影響。另外，每次探測后2 h內即可得出探測結果，現場施工可依此及時做好工序調整、材料儲備、人員培訓等各方面施工準備工作，對現場施工具有較強的指導意義。由此，綜合超前預報技術與TBM掘進施工各工序相互結合并協調統一，成功納入TBM掘進施工工序中，為不良地質段的高效施工提供了有利的技術支撐。

綜合超前地質預報技術的應用也使各工序轉換逐步變得的靈活、快速，工序銜接也不斷緊密。在各工序調整穩定后，每天架立拱架的數量由7榀～8榀，上升到每天11榀～12榀，單日的掘進進尺也由7 m～8 m上升至15 m左右。由此可見，綜合超前地質預報技術對不良地質段TBM的掘進施工具有一定的促進作用，達到了預期的應用效果。

4 結論與建議

本文以北疆供水二期工程某標段為背景，采用地質分析、地震法及激發極化法相結合的綜合超前地質預報技術，與TBM掘進施工各工序相互協調統一，納入至正常施工工序中，對不良地質段進行連續超前地質預報，并提供了有效的施工地質依據，得出了以下幾點結論：

(1) 結合相關研究及現場出現的不良地質狀況，工程采用綜合超前地質預報技術對反復、頻繁變化的地質條件進行連續超前預報，并作為施工工序納入工序管理，形成了合理高效的超前地質預報與TBM掘進施工技術。

(2) 綜合超前地質預報技術與北疆供水二期工程TBM掘進施工各工序相結合，進行連續性探測，得到了較好的探測結果。與實際出露的地質情況相比，地震法對圍巖性狀的探測準確率可達80%以上，激發極化法對地下水的探測準確率可達70%以上，能夠為TBM掘進提供有效的施工依據，可在不良地質段施工前做好各項施工準備工作，以提高施工效率。

(3) 由連續性的超前地質預報及其預報結果的準確性，可以看出，在不良地質段將超前預報技術與施工工序緊密結合，可以有效提升施工效率。在未來的TBM法工程中，將超前預報技術在TBM上進行集成搭載，并進行實時探測，將會對TBM施工技術的智能化、高效化帶來積極的促進作用，這也將成為未來TBM施工技術的發展方向之一。