小斷面輸水隧洞TBM 施工超前地質預報探析

郭燕青，蒙 雷

1.湖北廣播電視大學，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學基建與維修處，湖北 武漢 430070

1 基本情況

某隧洞穿越區地面高程 100～700m，屬于丘陵-低山地貌類型，該隧洞沿線主要存在基巖裂隙水，整體水量較為貧乏，且存在局部不均衡，補充來源主要為地表降雨，附近河溝為其排泄基準面。通過探測發現地下水位高程為115.26～145.04m，隧洞處于地下水之下。其沿線的斷層多為膠結較好的糜棱巖，其透水性較弱，斷層沿線未見泉水出露。根據計算，某部位預測最大用水量為155.2m3/d［1］。施工時建議采用超前鉆進行預報，須根據施工工法分別采用不同措施處理。

2 TST 方法原理

本次隧洞內超前地質預報探測方法采用北京同度物探公司研發的隧洞地質超前預報系統 TST（Tunnel Seismic Tomography），超前地質預報中獲得的波速為未開挖巖石的原位彈性波速Vpr，在圍壓條件下波速值較高。各種巖土規范中作為圍巖工程分類的波速是巖塊卸荷后的波速Vpm。工程中早已發現兩者之間有較大的差異，兩者的關系用完整性系數表征：

完整性系數的取值：0.15 ≤K ≤0.75；

或可表示為：

這就是說，巖體工程分類中的波速值應該比超前探測得到的波速值低，大約在0.4～0.8 倍之間，取決于巖體的完整性。當地震波遇到存在波阻抗差異的巖石界面時，其中一部分地震波信號會反射回來，另一部分地震波信號會透射進入前方介質［2］。數據通過相關軟件處理后，便可了解隧洞工作面前方不良地質體的性質和位置及規模。超前地質預報時每一次預報距離與隧洞直徑有關，一般為100m，需連續預報時前后兩次應重疊至少10m，以便保障探測面全覆蓋［3］。

3 儀器設備

超前地質預報系統硬件包括振動震源和信號采集系統兩部分。信號采集系統由檢波器、連接線纜及數字信號記錄器組成；本次預報的振動源采用的是TDIS 編碼沖擊震源［4］。

地震信號記錄器有24 通道，24 位A/D 轉換，其中最大采樣頻率156Khz，最大采樣長度100K。檢波器部分為內置的IC放大器壓電晶體帶阻尼，頻帶范圍為0.5Hz～5000Hz。TDIS 編碼沖擊震源是一種新型震源。它的工作原理是通過編碼控制震源的重復頻率，通過相關處理將小能量信號累集成大能量信號，提高信噪比。沖擊震源的優點是使用方便，不用打孔，不破壞洞壁。本次預報中，沖擊震源使用的參數為：重復頻率2～8 次/秒，沖擊時間50s，沖擊次數250 次/點，沖擊能量為1.2 萬J/點。

4 測線布置

本次預報區域為：249+066～248+966。根據設計資料顯示，該區域屬于工程地質第4段（247+500～253+450），長 5.950km，圍巖等級劃分為Ⅱ類，即圍巖基本穩定。圍巖為太古界桐柏山群新店組（Arx）混合片麻巖和太古界桐柏山群黃土寨組（Arh）黑云奧長混合片麻巖，呈新鮮狀，地下水活動輕微，可能會有裂隙性滲水現象。隧洞走向為 100°，片麻理產狀為45～76°∠22～80°，片理走向與洞線交角為35～66°。上覆巖體厚度為 70～646m，其中 樁號253+973部位鉆孔聲波成果揭示洞身段巖石完整性系數 0.64，巖體屬于較完整性巖體，圍巖整體穩定較好。

表1 隧洞地質構造分段表

本次TST 數據采集采用的方案為：①震源激發數總計8 個，布置在洞室兩側壁，其中每側4 個；②檢波器采用洞壁表面耦合方式；③檢波器數總計8 個，布置在洞壁兩側，其中每側4 個，間距為2.0m。除每側第1 個震源孔距檢波器2m 外，其余激發點間距均為8m，設計點位詳見下圖。由于隧洞施工環境，實際布設與設計略有偏差。

圖1 TST 激發與接收方式

5 結論

該隧洞掌子面前方100m 內圍巖的地質體偏移圖像和圍巖波速曲線如下。

利用上述成果圖并結合地質資料分析得出以下預報結果：隧洞TST地質超前預報報告，掌子面249+066前方100m區間內，具體分段描述如下表:

根據TST 超前地質預報分析的成果，各地質單元的分析推斷與施工建議如下［6］：

（1）249+066～249+049，長度17m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節理裂隙欠發育。

（2）249+049～249+039，長度10m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析［7］，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較差，巖體破碎，節理裂隙發育，可能存在軟弱夾層建議按IIIa 級圍巖的支護類型施工并及時進行超前支護［8］，施工時應嚴格執行超挖回填，二次襯砌應在初期支護變形趨于穩定時及時施作，盡早開挖和澆筑仰拱使隧道形成封閉環，改善隧道受力分布。

（3）249+039～249+026，長度13m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節理裂隙弱發育。

（4）249+026～249+013，長度13m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖圍巖，完整性較差，巖體破碎，節理裂隙發育。建議按IIIa 級圍巖的支護類型施工并及時進行超前支護，施工時應嚴格執行超挖回填，二次襯砌應在初期支護變形趨于穩定時及時施作，盡早開挖和澆筑仰拱使隧道形成封閉環，改善隧道受力分布［9］。

圖2 地質構造偏移圖和波速V 分布曲線

（5）249+013～248+994，長度19m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節理裂隙弱發育。

（6）248+994～248+984，長度10m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析［10］，該段圍巖巖性為片麻巖圍巖，完整性較差，巖體破碎，節理裂隙發育。建議按IIIa 級圍巖的支護類型施工并及時進行超前支護，施工時應嚴格執行超挖回填，二次襯砌應在初期支護變形趨于穩定時及時施作，盡早開挖和澆筑仰拱使隧道形成封閉環，改善隧道受力分布。

（7）248+984～248+966，長度18m，原設計為II 級圍巖。通過地震波地質構造偏移圖像以及速度曲線并結合地質資料的綜合分析，該段圍巖巖性為片麻巖，圍巖完整性較好，節理裂隙弱發育。