基于物探技術的TBM施工隧洞地質超前預報方法

巨廣宏,張明財

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中國是一個多山國家，地質條件比較復雜，各種造山帶、斷裂帶發育，地下水豐富。隨經濟建設持續發展、對資源合理開發需求日益增長，我國將在交通、礦產、水電、引調水等工程領域修建數百條隧洞，且深、長、大洞徑、地質條件復雜成為現代隧洞的主要特點。在隧洞前期勘測設計階段，受方法技術和投入成本限制，僅能掌握隧洞軸線附近有限的地質信息。后期隧洞開挖過程中，斷層破碎帶、軟弱結構面、節理密集帶、喀斯特、高地應力等地質問題常會導致冒頂、涌水、突泥 (砂)、塌方等工程安全事故[1-3]。地質超前預報可及時獲取掌子面前方比較詳細的地質信息，有效避免工程事故的發生[4-5]。

隧洞施工技術前后經歷了人工挖掘、鉆爆法開挖、TBM開挖等技術革新[6]。鉆爆法是山嶺隧道工程常用的掘進方式，該方法對圍巖擾動破壞性較大，施工安全風險較高，且該方法需要鉆眼—安放炸藥—控爆—清渣，程序繁雜，施工效率較低。相比而言，TBM施工技術廣泛融合了遙控遙測、信息電子等高新技術，充分利用機械壓力對巖石進行破碎、切削，掘進、出渣、襯砌、灌漿等工序一次完成，具有通風要求低，安全性好，襯砌支護工程量少，施工進度快等優點[3,7-8]。

TBM雖擁有諸多優點，但由于該設備一般比較龐大，在適應復雜地質條件方面不如鉆爆法靈活，尤其在沒有預警的情況下遭遇軟弱破碎圍巖、巖溶、暗河、斷層等不良地質條件，會導致掘進速度減緩，處理不當會造成卡機被困、拖延工期[9-11], 超前預報技術可對TBM開挖掌子面前方的圍巖地質情況進行預測，降低TBM掘進的施工風險。因此，超前預報技術成為當前隧道建設的重點研究課題[12-14]。當前，國內外相關學者和工程技術人員已經研發了多種隧洞地質超前預報的物探方法，主要包括：地質雷達法[15]、TGS360PRO(俄羅斯)[16-18]、ISP預報(德國)[19-20]、TGP預報(國產)[21-23]、TRT預報(美國)[24-25]、TSP預報法(瑞士)[26]、TST預報(國產)[27]、HSP水平聲波剖面法(國產)[28]、BEAM預報法(德國)[29-30]、陸地聲吶法(國產)[31]、三維激發極化法(山東大學)[32]、復頻電導率法(CFC)[33]、瞬變電磁法等[34-35]，這些方法在鉆爆法施工隧洞中得到了充分的應用與發展，取得了良好效果。然而，在TBM施工隧洞中開展地質超前預報，須符合一定的應用條件。首先，龐大的TBM往往占據了本來就狹小的隧洞空間，刀盤和掌子面“零距離”，部分預報方法無法實施或者實施困難，如：TRT預報法[36-38]、陸地聲吶法[2]、瞬變電磁法[39]等；其次，TBM屬于金屬構件，如果采用地質雷達法[15]、瞬變電磁法[40]、復頻電導率法(CFC)[33]，勢必會造成嚴重的電磁干擾，導致預報結果不準確；再次，TBM正常的掘進效率較高，如地質雷達法、三維激發極化法等短距離預報法的預報距離落后于TBM單次掘進的距離，較難滿足TBM高速掘進施工的工程要求；同時，諸如TSP[41-42]、TGP[22]、TST[43]等預報法需要在洞壁造孔，逐炮進行爆破激發地震波，作業周期較長，嚴重影響TBM的工作效率。為了克服TBM施工隧道超前預報中的多解性難題，不少學者采用了綜合物探技術，將短距離的細節預報與中、長距離的宏觀預報有效結合起來，進行多尺度分析和綜合探測。采用短距離細節預報成果對中、長距離的宏觀預報成果進行復核、驗證，提高預報精度[14,44-48]。本文從TGS360Proc超前預報法、BEAM超前預報法、三維激發極化超前預報法、HSP超前預報法、ISP超前預報法等5種方法的基本原理出發，探討了每種方法的現場工作技術方法，在此基礎上，對每種方法的工作適應性和優缺點進行了分析比較，冀對TBM開挖技術提供技術參考，降低TBM卡機或被埋的事故風險。

1 TBM施工隧洞中的地質超前預報技術

苛刻的作業條件和技術因素，為TBM施工隧洞中開展地質超前預報工作設立了技術“門檻”。從某些角度考慮，目前TGS360PRO預報法、BEAM預報法、三維激發極化法、HSP預報法、ISP預報法可以適應TBM施工隧洞中的地質超前預報。

1.1 TGS360Pro預報法

TGS360Pro是俄羅斯Ural State Mining大學與俄羅斯GEOTECH公司合作研發的新一代地震波類地質超前預報系統，相比于其他的地震類超前預報方法，該系統的顯著特點在于可以超前預報掌子面前方的富水情況，其核心機理歸結為2個美國專利：“預報地下流體的動態參數的方法”[49]和“確定地下流體存在性的方法”[50]。

1.1.1TGS360Pro預報法基本原理

TGS360Pro預報法的基本理論基礎來源于早在1965年Maurice A.Biot建立的固-液多孔隙雙相介質中地震波傳播理論。假設巖體為非均勻應力狀態下的離散介質，由于一般情況下，地震波信號的瞬時頻率、幅度與巖體結構面法向相互對應，據此可區分塊狀巖體的密實、破碎程度[49-50]。

地下巖層間的相對應力存在差異，巖體破碎處的應力會降低，且地下水通常從高應力區域流向低應力區域，進而形成裂隙水，在封閉區域內則聚集填充，形成溶洞。預應力條件下法向入射的地震波，其反射系數可以表示為：

式中：Z*和Z分別是預應力和無應力半空間地層中的波阻抗，g/cm3·m/s;ω表示圓頻率，rad/s。

這里，P表示當前巖體應力與靜水壓力的比例系數；μ*是預應力半空間中的剪切模量，GPa。根據彈性波動方程和廣義Hook定律，經過一系列公式推導可得：在離散介質中，應力變化幾乎不受彈性模量的影響，即Z≈Z*，因此方程(1)可簡化為：

假設沿著反射邊界上彈性模量不發生變化，只有壓力P變化，則反射邊界上的點L和點M處的反射系數之比可表示為：

將式(2)代入方程(4)進行推導，則反射界面上兩點處的壓力變化dP可化簡為：

在高模量介質中，a取2；在低模量介質中，a取1。

1.1.2TGS360Pro預報法現場工作方法

TGS360Pro超前預報系統目前有2種工作布置方法。在鉆爆法施工的隧道，將檢波器安置于掌子面，如圖1(a)所示，在TBM施工隧道中，由于掌子面前方被刀頭占據，不能按照圖1(a)的布設方式進行施測，只能將檢波器安置于TBM尾端的兩邊洞壁進行施測，如圖1(b)所示。

現場操作時，通常將三分量檢波器安置于洞壁或掌子面上預設的鉆孔內，且與巖體緊密接觸，采用鐵錘敲擊激發地震波。整套外業數據采集工作可在1小時內完成[51-52]。

圖1 TGS360Pro 超前預報工作裝置布設方案

1.2 BEAM預報法

BEAM(Bore—TunnelingElectricalAheadMonitoring)是由德國Qumon公司研發的新一代電法類地質超前預報系統[29-30,53-54]，該方法也稱為聚焦地電交流激發極化法，其核心機理是： 利用同性電極相互排斥的原理，通過外圍的環狀電極發射一個保護電流，同時在其內部發射一個測量探測電流，以便電流聚焦進入要探測的巖體中，如圖2所示。測取與巖體中孔隙有關的電能儲存能力的參數PFE(Percentagefrequencyeffect)的變化，以此來預報掌子面前方巖體的完整性和含水性，該方法極大地改善了電法探測的靈敏度和穩定性。

圖2 BEAM地質超前預報電流傳播示意

1.2.1BEAM預報法基本原理

BEAM預報系統采用多頻方式向隧洞圍巖中供電，設供電電流頻率分別為f1和f2，則計算電阻率分別為：

其中Rf1、Uf1、If1分別為供電頻率為f1時的電阻率、電壓和電流，Rf2、Uf2、If2分別為供電頻率為f2時的電阻率、電壓和電流。頻率效應百分比PFE可按下式計算：

掌子面前方巖體中含水或者裂隙發育時，BEAM預報法所測得的電阻率會顯示明顯的變化，更進一步地，頻率效應百分比度量了兩種頻率下計算電阻率的相對變化(極化信息)，可綜合分析掌子面前方巖體的相對破碎程度。

1.2.2BEAM預報法現場工作方法

在鉆爆法施工的隧洞中，BEAM超前預報法體現不出優勢所在，現場工作程序比較繁雜。需要將環型供電電極A1(不少于9根)等間距布設在掌子面外緣已打好的孔內(孔內注水以降低接地電阻)；沿隧道掌子面內壁按環型狀等間距布設測量電極A0(一般為6根)；離掌子面300～600m遠處布置一根無窮遠B極，與A1、A0極形成回路。在采用TBM掘進施工的隧洞中，直接將供電電極A1安置于TBM的刀頭位置，將測量電極安裝于外側護盾上，由BEAM主機按一定的程序發射不同頻率的互斥的供電電流進行控制測量，進而獲取到掌子面前方一定范圍內極化率和電阻率數值空間分布數據。

1.3 三維激發極化預報法

近年來，山東大學李術才教授科研團隊研發了GEI-TBM三維激發極化地質超前預報系統，該系統采用先進的多同性源陣列激發極化方法對掌子面前方地質條件進行超前探測，其新穎的電極觀測模式具有前向聚焦與后向屏蔽的優勢，不僅增大了探測距離，而且可有效地壓制旁側干擾。通過逐步的技術提升[55-58]，在我國隧道超前預報領域取得了良好的實際應用效果。

1.3.1三維激發極化預報法基本原理

地下介質中普遍存在激發極化效應，因外電流激發而引起介質內部出現電荷分離，由于電化學作用引起附加電場變化，其原理示意圖如圖3所示。

三維激發極化超前預報法通常采用極化率、電阻率和半衰時3個參數描述激發極化效應。極化率可反映巖、礦石激發極化效應的相對強度，其值可由二次場電壓 與總電場值的比值表示，計算如公式(10)所示。

式中：η為極化率，ΔU1和ΔU2分別為一次和二次電壓場。電阻率是表示巖、礦石導電性好壞的典型參數，其值可由一次場電壓ΔU1計算，計算公式如公式(11)所示。

式中：ρ為電阻率；R為電阻；L為所測試的巖體的長度；S為測試巖體的橫截面積；ΔU1為一次場電壓；I為電流。

圖3 激發極化法基本原理示意

掌子面前方巖體中含水或者裂隙發育時，激發極化法所測得的電阻率會顯示明顯的變化，頻率效應百分比度量了2種頻率下計算電阻率的相對變化(極化信息)，可綜合分析掌子面前方巖體的相對破碎程度及含水情況。

1.3.2三維激發極化預報現場工作方法

首先在掌子面后方洞壁圍巖上距離掌子面2、4、10、20、30m處布設環狀供電電極系，每一處的環狀供電電極由位于圍巖左上、右上、左下、右下位置處的4個供電電極A組成；其次在掌子面上布設陣列式測量電極系，測量電極系由線距2m的3條測線構成，每條測線上的測量電極M的電極距為1.5m；最后將測量電極N與供電電極B布設于掌子面后方較遠處(相當于無窮遠)。測量時，按照距離掌子面距離由近及遠，環狀供電電極依次對4個供電電極同時供入相同電流，陣列式測量電極M依次采集電場和電流數據，循環往復，直到最后一組環狀供電電極完成供電，測量電極完成數據采集。其觀測系統示意如圖4所示。

1.4 HSP預報法

HSP系統為中鐵西南科學研究院自主研發，創造性地提出了利用掘進機刀盤刀具切割巖石產生的振動信號作為激發震源的不良地質體預報方法[59-61]。

圖4 TBM機載激發極化法超前預報觀測三維示意

1.4.1HSP預報法基本原理

HSP預報的理論基礎是彈性波的惠更斯-菲涅爾原理和費馬原理，在TBM施工隧洞，TBM掘進時滾刀破巖所產生的連續隨機主要依賴于掘進參、滾刀的狀態及巖性，該信號屬于典型的連續隨機信號，HSP預報將該隨機信號“變廢為寶”，采用多源地震[62]和地震干涉技術，通過波場之間的互相關重構來自地質構造的反射信息 , 從而對節理裂隙帶 、 斷層破碎帶、巖溶等不良地質體的構造特征進行探測，相比于傳統的地震波法探測原理，多源地震探測的波動方程震源項中附加了多震源混合矩陣算子

1.4.2HSP預報法現場工作方法

在TBM施工隧洞中，HSP預報現場工作方法為[63]：在TBM刀盤內部安裝一個同步信號檢波器，用于同步接收TBM刀具切割巖石所激發的聲波信號，在TBM工作面后部的隧道洞壁圍巖內安裝反射波信號檢波器，用于接收由TBM工作面前方經巖體反射回傳的聲波信號；現場工作布置如圖5所示[59]。將上述同步信號檢波器和反射波信號檢波器所接收的信號傳輸給HSP預報主控機， HSP預報主控機對信號進行處理和綜合分析后可獲取到掌子面前方地質預報成果。

1.5 ISP預報法

ISP地質超前預報系統是由德國海瑞克集團聯合德國卡魯斯魯厄工業大學及德國地質研究中心等研究機構聯合研發的專用于TBM施工隧洞的機載式地震波類預報系統[19,20,64]。

1.5.1ISP預報法基本原理

地震波在復雜介質空間中傳播時，縱波和橫波的傳播能量較低，隨著傳播距離的加大，在波長記錄中很難識別；相對地，在傳統地震反射勘探中被認為是干擾波的Rayleigh面波卻憑借其衰減小、信噪比高、分辨率高等優異的特點[65]，可在隧洞超前預報中發揮顯著的作用，由于隧洞結構的復雜性，Rayleigh面波在沿洞壁呈逆時針橢圓形態先前傳播，傳播至拐點時，Rayleigh面波轉換為橫波繼續向掌子面前方傳播，橫波在破碎巖體中發生反射，向后傳播至隧洞掌子面或者巖壁時再次轉換為Rayleigh面波，該波形轉換過程示意圖如圖6所示[66]，這種R-S-S-R波形的轉換、識別、解譯為ISP預報奠定了理論基礎。

1.5.2ISP預報法現場工作方法

在隧洞洞壁兩側，利用風鉆鉆設深度約為1.5 m的鉆孔，并用強力風管清除孔內殘渣，在孔底注入適量樹脂錨固劑，借助電鉆安置檢波器套管，待錨固劑固結后，安置好檢波器，并用專用水準卡尺進行調平。通過電纜連接檢波器與數據記錄器。將ISP預報系統主機與TBM操作室的網關相連，獲取TBM各部件的硬件信息，確保各個硬件信息準確無誤后，通過ISP預報系統主機操作TBM沖擊錘激發地震波并采集波形數據。原始數據經過專業軟件分析、處理后，即可得到隧洞掌子面前方的節理裂隙密集帶、斷層破碎帶、軟弱巖層、破碎巖體不良地質體的展布信息。

2 5種地質超前預報技術綜合比較

本文所述5種地質超前預技術的主要優、缺點比較情況如表1所示。

表1 5種超前預報方法優、缺點對比

3 結論及建議

3.1 結論

(1) TGS360Proc、HSP、ISP預報法的基本理論基礎為地下介質的彈性波傳播方程，主要根據彈性波波速、泊松比、楊氏模量等信息分析預報掌子面前方的巖體破碎情況，以此達到超前預報的目的。

(2) BEAM預報法和三維激發極化法的基本理論基礎為電磁波傳播方程，主要根據電阻率、極化率等信息分析預報掌子面前方的巖體富水情況，以此達到超前預報的目的。

(3) TGS360Proc預報法通過靈活地布設震源和檢波器，在地震波探測的基礎上創新性地發展了“動態流體法”理論，借助該理論基礎，既可以探測常規的彈性波參數(如縱、橫波波速，楊氏模量，泊松比等)，還可以對地下富水情況進行預報，在TBM施工隧洞地質超前預報中具有推廣應用前景。

3.2 建 議

本文所示的5種可適應于TBM施工隧洞的超前預報技術有各自的特點，在具體的工程實踐中，應按照特定的預報目標，采用合適的預報技術，在經濟和時間充足的情況下，可采用多種技術進行綜合探測，優劣互補，以期取得最佳預報效果。本文所述的TGS360Proc、HSP、ISP預報法采用了地震波/聲波的基本理論基礎，在數據處理階段，采用三維空間中的全波形反演技術，預期可以獲得較準確的預報探測結果。