超特長隧洞TBM施工“115”超前地質預報系統創建與實踐
——以北疆供水二期工程為例

鄧銘江， 許振浩， 劉 斌

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局， 新疆 烏魯木齊 830000； 2. 山東大學巖土與結構工程研究中心, 山東 濟南 250061)

0 引言

我國已是世界上隧道(洞)修建規模和難度最大的國家[1]。在交通工程領域，隨著我國鐵路、公路網不斷向崇山峻嶺、離岸深水區延伸，交通隧道總量和建設規模持續增加。截至2020年底，我國已投入運營鐵路隧道有16 798座，總長19 630 km，其中，10 km以上的特長鐵路隧道總長2 811 km[2]； 我國公路隧道有21 316座，總長21 999.3 km，其中，3 km以上的特長公路隧道總長6 235.5 km[3]。根據國家發改委發布的《中長期鐵路網規劃》和《國家公路網規劃》，到2030年我國將建成高速鐵路4.5萬km、高速公路11.8萬km。在水利水電領域，隨著重點水電工程和跨流域調水工程的建設規劃，將建設一批深埋長大引水隧洞[4]。例如： 滇中引水隧洞輸水干線總長664.24 km，受水區包括35個縣(市、區)，總面積3.69萬km2；規劃的南水北調西線工程，隧洞全長720 km，最長洞段長度達73 km，最大埋深為1 600 m。

我國在建和擬建的絕大多數交通隧道和水工深長隧洞，其長徑比達到600～1 000甚至更高，在此條件下，國際上公認采用全斷面隧道掘進機(TBM, tunnel boring machine)工法掘進施工在工期、造價、技術等方面具有顯著優勢[4-7]。但由于深長隧道(洞)線路長、埋深大，施工中容易遭遇斷層破碎帶、裂隙發育帶、軟弱地層、溶洞、暗河等不良地質情況[8-11]，致使TBM施工中遭遇突水突泥、塌方等地質災害的風險較高，易導致TBM卡機、損壞、報廢甚至人員傷亡等重大事故。

據121個TBM卡機案例統計分析，塌方和大變形是最為常見的TBM卡機致災模式，分別占比44%和30%，突水突泥導致了16%的卡機事故[6]。此外，超特長TBM施工隧道(洞)常存在反坡施工、長距離斜井和豎井抽排水難題，一旦發生突水突泥災害，將會產生巨大的經濟損失和人員傷亡，有時還會造成TBM整機報廢。李術才等[10]基于200余例突水突泥災害案例統計分析，提出了“3類11型”突水突泥致災構造形式和4種突水突泥孕災模式，研究了致災構造賦存的地質特征和判識方法，為突水突泥災害的致災機制與災害控制研究奠定了重要基礎，對TBM隧道(洞)超前地質預報和突水突泥地質災害預測預警具有重要的借鑒和指導意義。國內外典型的隧道(洞)TBM施工地質災害事故統計見表1，輕者導致TBM卡機或機械損毀，重者整機報廢，甚至棄用TBM方案、出現人員傷亡等嚴重后果[6,12-24]。

表1 國內外典型的隧道(洞)TBM施工地質災害事故

綜合分析眾多TBM施工案例，TBM施工易發生地質災害和卡機、機械報廢甚至人員傷亡等重大事故的根本原因是： 1)由于山高洞長，在施工前期難以全部查明隧道(洞)沿線的不良地質情況； 2)由于隧道(洞)TBM施工的特殊性和復雜性，在施工期間缺乏有效的不良地質全覆蓋超前預報方法，復雜環境TBM施工超前地質預報是世界性難題。

目前，許多超前地質預報方法在鉆爆法施工隧道(洞)中應用較好，但面對超特長TBM施工隧道(洞)存在的空間狹小、環境復雜、掘進快速等特點，一些超前地質預報方法面臨諸多難題，如探測空間狹小、洞內干擾大影響探測過程進而影響探測結果的準確性，探測設備與TBM不能協同運行等。因此，開展適用于超特長TBM施工引水隧洞不良地質超前預報方法體系研究對隧洞安全建設具有重要意義。

超長洞線、超大埋深的特點對引水隧洞的超前探測提出了新的要求，需要實現對掌子面前方不良地質和可能的地質災害形式的準確預報，包括掌子面前方的不良地質條件的位置、規模和性質，并對含水體進行定位和定量估算，以及開挖揭露是否會形成地質災害、地質災害的嚴重程度等。為此，本文提出一種超特長隧洞不良地質全覆蓋預報預警技術，以“115”超前地質預報系統為核心，開展“1 km”千米級洞段工程地質評價與地質災害評估、“100 m”百米級長距離地質預報和“50 m”十米級短距離精細探查預報，并基于多元信息聯合反演分析，實現對掌子面前方地質災害的準確預報。

1 隧洞地質災害預報預警技術現狀和挑戰

1.1 地質災害預報預警技術的發展歷程與技術現狀

自20世紀70年代以來，國內外在隧洞地質災害的探測理論、方法、技術和工程應用方面開展了大量研究，取得了重要進展，逐步形成了以“四結合原則”為指導思想的超前地質預報理念——長距離探測與短距離探測相結合、洞內探測與洞外調查相結合、物探與鉆探相結合、地質與物探相結合[25]，并發展和完善了隧洞外和隧洞內超前地質預報方法。

1.1.1 隧洞外超前地質預報方法

隧洞外超前地質預報方法主要包括地質分析法、航空物探法、地面物探法和地表鉆探法等。

1)地質分析法通過隧址區地表工程地質和水文地質調查與分析，推斷掌子面前方的地層產狀特征，斷裂構造與節理發育規律，巖溶發育的部位、走向、形態等地質情況[26]。

2)航空物探方法主要包括高分辨率航空磁測、航空電磁測量、航空放射性測量和航空重力測量等[27-30]。高分辨率航空磁測方法研究和應用始于20世紀80年代末，可用于識別構造細節，分辨細小的斷層和裂隙。國內航空電磁測量技術研究始于1959年，被廣泛應用于地質填圖、水文地質和工程地質勘察、環境監測等。航空放射性測量始于20世紀50年代，在基礎地質研究和礦產資源勘查中得到了廣泛的應用。航空重力測量技術在20世紀90年代初期試驗獲得成功，可以有效地進行地質構造解譯與構造分層、反演界面深度、圈定凸起與凹陷以及巖漿巖體等。

3)地面物探法屬于宏觀預報方法，預報距離變化范圍較大，探測深度為20～1 000 m甚至更大，可實現區域地形地貌與地質構造的探測，結果具有多解性，結合地表鉆探和地質分析，可以初步了解隧址區地質情況。地面物探法包括高頻大地電磁法、瞬變電磁法、高密度電法、地震波法和探地雷達法等[31-36]。

4)地表鉆探法包括反循環式鉆探技術、繩索取芯鉆探技術、液動錘鉆探技術以及將反循環式與繩索取芯相結合的鉆探技術等[37-40]。

1.1.2 隧洞內超前地質預報方法

隧洞內超前地質預報方法主要包括洞內地質素描法、超前鉆探法、地震波法、地質雷達法、瞬變電磁法、激發極化/電阻率法、紅外探水法等，如表2所示。

表2 隧洞內超前地質預報方法及其TBM施工適用性

1)洞內地質素描法根據掌子面、邊墻等處揭露的圍巖巖性、結構面產狀、地下水出露點及出水狀態等信息，預報掌子面前方地質情況[41]。

2)超前鉆探法通過鉆孔直接揭露隧洞掌子面前方地層巖性、巖體完整性、地下水情況等信息，預測是否可能發生突涌水、有害氣體突出等災害[42-43]。

3)地震波法是利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態的地球物理勘探方法[44-53]。包括負視速度法、TSP(tunnel seismic prediction)、TRT (true reflection tomography)、水平聲波剖面法、TST (tunnel seismic tomography)、陸地聲納法以及專用于TBM施工隧洞的ISIS(integrated seismic imaging system)、SWT(seismic while tunneling)和HSP(horizontal sound probing)等[54-55]。根據地震波的激發源不同，地震波法可分為主動源法和被動源法。

4)地質雷達法是利用電磁波來確定地下介質的一種地球物理探測技術，其探測效果主要取決于地下目標體與周圍介質的介電系數差異、電磁波的衰減程度、目標體的埋深以及外部干擾的強弱等。對于斷層、裂隙帶、破碎巖體、巖性界面等有較高的識別能力，對富水區有較敏感響應[56-57]。

5)瞬變電磁法是一種時間域電磁法，利用階躍波形電磁脈沖激發，利用不接地回線向掌子面前方發射一次脈沖磁場，在斷電后，通過測量由掌子面前方地質體產生的感應二次渦流隨時間的變化，來達到地質勘察的目的[58-63]。

6)激發極化/電阻率法是以不同地質介質之間(圍巖與不良地質體)的激電或導電性差異為物質基礎，通過研究測量地質體的激電效應或地電場實現地質情況探查的一種電法分支方法，對掌子面前方的含水構造響應較敏感，可對含水構造進行定位，并估算水量[64]。

7)紅外探水法是一種輔助探水方法，由于所有物體都發射出不可見的紅外線能量，該能量的大小與物體的發射率成正比，但易受隧洞施工和燈具等發熱體的影響和干擾[65]。

1.1.3 TBM施工隧洞超前地質預報現狀

地質災害預報預警技術的發展對傳統鉆爆法施工隧洞的安全控制和防災減災起到了重要作用，但TBM施工隧洞中實用有效的超前探測理論與方法是國內外長期關注卻未能很好解決的難題。TBM施工隧洞的探測環境和電磁干擾極為復雜，對地球物理超前探測方法的觀測模式、抗干擾能力、前向感知能力和探測效率等提出了巨大挑戰，導致在鉆爆法隧洞中較為有效的探測方法常無法適用于TBM環境。

國內外針對TBM施工隧洞超前探測問題開展了大量的理論和應用研究，但整體進展不理想，可用方法仍不足以滿足工程建設快速發展的需求。從實際應用情況來看，目前國外僅有不足20%的TBM裝配了地球物理探測儀器，國內的比例更小。

從全世界范圍來看，目前專用于TBM隧洞的超前探測技術僅有少數幾種： 1)德國GD公司研發的BEAM技術，屬于聚焦頻率域激發極化法，實際探測距離短(<20 m)，本質上僅能定性判斷是否存在水體，無法定位，未得到廣泛認可和推廣[66]； 2) 德國GFZ公司研發的ISIS地震超前探測技術，采用了三維觀測模式，具有可取之處，但如何降低和去除TBM施工中強烈的震動噪聲問題未能得到很好的解決； 3)其他在研的專用技術，如以TBM刀具破巖震動為震源的隨鉆地震超前探測技術SWT、TSWD、HSP聲波反射法等，如何實現數據的智能分析和直接指導TBM施工智能決策，仍需深入研究。

總之，TBM施工環境中超前探測方法研究尚處于探索階段，與實際工程需求相差很遠。由于地球物理探測方法的局限性，目前較多TBM配有快速超前鉆機用于探測地質情況，但存在“一孔之見”的問題，容易遺漏重大災害源，且經濟成本較高，耗時較長，易干擾施工，多被用于高風險段落的探測，無法進行常規性探測，無法滿足TBM快速施工超前探測的要求。

綜上所述，國內外對TBM施工隧洞超前探測技術研究的進展不理想，少數幾種專用探測技術都難以滿足工程需要，缺乏TBM施工環境超前探測技術的系統研究，未來的研究任務和形勢十分緊迫。同時，目前TBM施工環境中的超前探測技術都十分注重與TBM的一體化和自動化，這代表了TBM施工探測技術的特殊需要和發展趨勢。

1.2 超特長隧洞地質災害預報面臨的挑戰和關鍵問題

TBM具有快速掘進的優勢，超特長引水隧洞采用TBM法施工是未來的發展趨勢。然而，由于超特長隧洞穿越地質條件的復雜性和多樣性，以及采用TBM施工時洞內超前地質預報可用空間狹小、電磁干擾復雜等原因，超特長隧洞的不良地質探測和地質災害預報面臨更多的挑戰和關鍵問題。

1.2.1 超特長隧洞快速施工需求與常規超前地質預報方法TBM適用性差之間的矛盾和挑戰

超特長隧洞由于其洞線長、埋深大，穿越的地形地質構造條件復雜，遭遇斷層、巖溶、破碎帶等不良地質更加頻繁，發生突水、塌方、大變形等地質災害風險更高。常規的超前地質預報方法在鉆爆法隧洞施工中適用性較強，但由于TBM施工隧洞探測空間狹小、電磁干擾環境復雜、單日掘進里程長、對于不良地質條件適應性差等原因，目前的超前地質預報方法在超特長隧洞TBM施工中面臨的問題更為復雜，適用性更差，與TBM高效、快速施工需求之間的矛盾更大。因此，改進和研發適用于TBM法施工超特長隧洞的超前地質預報方法體系是亟待解決的關鍵問題之一。

1.2.2 TBM探測空間狹小、電磁環境復雜與TBM穿越復雜地質條件探測準確性及精度不足的矛盾和挑戰

TBM內部結構復雜，體積大，占用了掌子面后方的大量隧洞空間，對各種物探和鉆探等超前地質探測工作的開展帶來了極大不便。探測空間不足影響探測過程，進而會降低探測結果的準確性和精度。此外，TBM內部環境復雜，對探測結果干擾大。一方面，由于TBM內部環境復雜，電磁干擾十分強烈，對物探方法尤其是電磁類方法造成了較大困難； 另一方面，突涌水時洞內積水與TBM的耦合作用等不利因素對探測結果干擾較大。

存在突涌水時對不良地質探測的需求更高，但洞內積水等導致探測的準確性和精度降低，甚至于無法開展探測。換而言之，越需要探測的地方干擾越大，探測準確性和精度受影響越大，開展多方法聯合反演和多元數據融合分析的難度也越大，探測條件與探測需求的矛盾加劇。因此，研發抗干擾的TBM搭載式超前地質預報設備和方法體系是要解決的關鍵問題之二。

1.2.3 TBM快速掘進與超前地質預報方法探測效率低、距離短的矛盾和挑戰

目前，大多數長距離地震波法超前地質預報需要TBM停機才能開展，不利于提高TBM施工掘進效率和及時防災能力。山東大學利用TBM掘進破巖產生的強烈震動，借鑒“隨鉆地震”和“變噪為源”的思想，巧妙利用TBM破巖震動，提出了以破巖震動為震源的實時超前探測新方法[67-68]，在北疆供水二期工程開展了豐富的現場試驗與應用研究。

然而，如何實現數據的智能分析和直接指導TBM施工智能決策，將超前地質預報數據分析結果作為指導TBM智能掘進的直接依據之一與機器參數有機融合，尚需開展深入的研究，以適應TBM快速掘進和智能決策的需求。對于短距離探水方法而言，也應加強探測實時化，避免遺漏災害風險源。因此，突破長距離智能探測和長距離探水技術以及相應的TBM搭載式成套探測技術是今后TBM集群施工超前地質預報要解決的關鍵問題之三。

1.2.4 超特長隧洞探測數據豐富與難于實現多元信息融合反演效果的矛盾和挑戰

在超特長隧洞建設過程中，不同建設階段由不同單位開展了不同方法的探測，涵蓋航空物探、地面物探、鉆探、洞內超前地質預報等一系列方法和豐富的數據。然而，不同階段探測范圍不一致、探測側重點不一致、探測精度不一致，不同單位之間信息資料共享機制不完善，目前還只能實現多源數據聯合反演，缺乏多元數據融合反演的數據融合分析機制和方法。其次，不同探測方法獲得的數據格式不兼容和不匹配，導致數據融合效果差，聯合反演難度高，不能滿足融合反演和智能決策的需求。同時，尚未建立探測結果與隧洞掘進參數之間的定量表征關系，以及融合不同探測方法的超前地質預報數據的TBM智能決策方法體系。因此，實現超特長隧洞不良地質探測數據的融合反演是亟需解決的關鍵問題之四。

2 超特長隧洞TBM施工不良地質全覆蓋預報系統的建立與實現

2.1 “115”超前地質預報系統

超特長隧洞建設過程中面臨TBM施工電磁干擾的特殊性及地質災害的復雜性和多樣性，傳統的超前地質預報方法不能很好地滿足超特長隧洞的快速掘進需求。為此，本文提出了一種超特長隧洞TBM施工不良地質全覆蓋預報系統，即“115”超前地質預報系統。“115”超前地質預報系統以“1 km”千米級宏觀地質預報和地質災害評估、“100 m”百米級長距離地質預報和“50 m”十米級短距離精細探查預報為主要內容，以前攝性地質預警為目的，探測結果覆蓋隧洞全洞段的不良地質預報與地質災害預警。“115”超前地質預報系統實施流程如圖1所示。

圖1 “115”超前地質預報系統實施流程圖

每個循環中“1 km”千米級宏觀地質預報為“100 m”百米級長距離地質預報提供隧址區宏觀地質信息，“100 m”百米級長距離地質預報為“50 m”十米級短距離精細探查預報提供掌子面前方長距離地質預報信息，“50 m”十米級短距離精細探查預報為隧洞施工提供掌子面前方精細化探測信息。隧洞施工即將通過短距離探測段后，進入下一階段的隧洞長距離超前地質預報和短距離精細化探查預報，直至隧洞施工通過本循環的宏觀地質預報段落。上一循環完成后，進入下一循環“115”超前地質預報階段，前一循環為下一循環提供修正的宏觀地質預報信息和各種探測方法反饋修正數據等基礎地質和物探信息，進而開展隧洞全洞段超前地質預報，實現對掌子面前方的不良地質和可能由其引發的地質災害形式的全覆蓋預報。

該超前地質預報系統緊緊圍繞超特長隧洞TBM施工特點，有機結合不同超前地質預報方法，最大限度發揮了不同超前地質預報的優點，分階段、重循環、動態反饋，能夠顯著提高不良地質探測和地質災害預測的準確性。

2.2 “1 km”千米級宏觀地質預報

“1 km”千米級宏觀地質預報采用航空物探和地面物探聯合探測技術開展超前地質預報，實現區域地形地貌與地質構造的探測，初步掌握隧洞沿線區域范圍內地質特征，如地形地貌、地表流域、地質構造等，并結合勘察期地表鉆探和地質分析結果，以1 km為單位劃分區域，初步查明掌子面前方千米范圍內的地質概況，尤其是大型不良地質構造類型、區域地下水分布規律和主要地質災害類型。

航空物探以無人機技術為基礎，通過無人機搭載電磁探測設備等在地表開展隧址區航空探測。航空探測具有速度快、效率高、節省勞動力等優點，能夠快速、連續、反復地開展多元數據采集，結合計算機圖像處理，可方便用戶快速收集數據，開展分析，節省大量時間和人力，且能反復開展，并能夠在短期內取得大面積的地質探測資料。地面物探通過在隧洞地表開展地球物理探測，來調查隧址區地下巖性分界面、含水體分布規律，如大地電磁法。開展地面物探相比鉆探費用低，施工方便。采用航空物探和地面物探聯合探測技術，可以在大范圍內確定地質構造和含水特征，但分辨率較低，對一些異常值較小的異常體探測不準，且定位難以做到十分準確。因此，結合地面鉆探直觀揭露的地質特征，開展多元地質信息融合分析，與航空物探和地面物探聯合探測結果相互印證，可初步確定區域范圍內不良地質類型及其分布位置，并初步判斷可能出現的地質災害形式及規模。

在探測結果基礎上，開展隧洞掌子面前方千米范圍內隧洞動態地質災害風險評估，根據可能發生的主要地質災害類型、規模，劃分地質災害和施工風險等級，為長距離與短距離超前地質預報方法選擇和開展提供指導，為施工方案的變更提供依據。

2.3 “100 m”百米級長距離地質預報

“100 m”百米級長距離地質預報是在已建立的千米范圍洞段宏觀地質預報與地質災害評估結果基礎上開展的，以地震波法(分為采用人工震源的主動源地震波法和采用TBM破巖震源信號的被動源地震波法)為核心，以超前水平鉆孔和地質分析為輔助手段，探測100 m左右距離的超前地質預報技術。通常在無明顯大規模不良地質構造和低風險等級地段采用地震波法結合地質分析的方法開展探測，在存在或疑似存在大規模不良地質構造和地質災害等級較高的地段輔以超前鉆探技術。

長距離超前地質預報主要任務是基本查明掌子面前方100 m范圍內的地質情況，判斷斷層、溶洞、導水通道等不良地質構造是否存在或其存在的位置及規模大小，為開展短距離含水結構精細探查圈定里程范圍。通常以TSP法、TRT法和破巖震源法等為主要手段。目前，采用地震波類方法識別含水體還存在很大困難，且定位的準確度較差，只能粗略估測和預報。因此，在探測結果顯示掌子面前方存在大規模不良地質構造或處于地下水發育洞段，還需進一步開展鉆探并結合短距離超前地質預報開展精細化探測工作。

由于主動源地震波法超前探測占用邊墻或掘進面較大空間，若采用炸藥激發震源，容易損壞TBM，因此很難應用到TBM環境，只有少數技術被用于開敞式TBM，但缺乏針對性設計，使用不方便，仍存在速度分析不準確、探測可靠性差的問題；因此，針對TBM特殊環境，采用以破巖震動為震源的實時超前探測新方法，實現隨TBM掘進實時探測和動態成像，如山東大學研制的TBM破巖震源地震實時超前探測系統[67-69](見圖2)，可有效改善傳統地震波法的超前探測效果。

圖2 TBM搭載地震超前探測系統[67-69]

2.4 “50 m”十米級短距離精細探查預報

“50 m”十米級短距離精細探查預報是在百米級長距離地質預報基礎上開展的，以電磁類方法探水、地震波法加密探測、超前鉆探法鎖定為主要手段，結合地質分析，以準確掌握掌子面前方50 m范圍內的地質構造和地下水發育情況為目的的預報技術。

通過“50 m”十米級短距離精細探查預報可以準確確定不良地質體及含水體的性質、位置和規模，準確判斷掌子面前方可能出現的地質災害類型，為超特長隧洞TBM施工及地質災害的防控與處治提供參考和依據。由于距離掌子面前方不良地質體較近，其地球物理響應特征明顯，因而探測精度較100 m長距離地質預報高。結合鉆探信息，如鉆探過程中的鉆進速度、破壞能以及卡鉆、跳鉆、塌孔等異常鉆探現象，巖粉與沖洗液性質、鉆孔涌水量等，可確定前方不良地質情況。

針對TBM施工超特長隧洞超前地質預報操作空間不足的問題和預報效率低的難題，北疆供水二期工程采用TBM搭載激發極化探測系統[70](見圖3)，充分利用TBM掘進作業間歇，實現了激發極化探測不良地質的自動化、快速化和高精度。

圖3 TBM搭載激發極化探測系統[70]

2.5 多元信息聯合反演分析

針對超特長隧洞TBM施工復雜環境中探測具有多解性，其準確性難以保證的難題，建立基于“115”超前地質預報系統的多元信息聯合反演分析方法。該系統以航空物探和地面物探聯合探測結果、地表鉆孔結果為基礎，以破巖震源、TBM機載激發極化技術為核心，以地質素描、調查和分析為前提，以超前鉆探、鉆孔雷達為補充，適當整合其他超前地質預報方法，形成多元信息聯合反演綜合超前地質預報技術體系，建立不同地球物理方法模型空間參數的相互關系和聯合反演方法，實現地質信息、地震數據、激發極化數據等多元信息的聯合反演，通過并行計算、信息管理實現超前地質預報可視化與智能化。

3 工程應用與實踐

3.1 工程簡介

北疆供水二期工程由XE、KS、SS 3段組成，輸水總長 540.28 km。其中，XE、KS、SS隧洞總長516.19 km，設計采用18臺TBM分段掘進，深埋、超特長、TBM集群施工是該隧洞工程建設的顯著特點。KS隧洞是目前世界在建最長輸水隧洞，單洞長283.27 km，TBM掘進段占80%，單機施工區間最長23 km，隧洞建成后將實現單機連續掘進和累計掘進國內記錄的“雙突破”。

依托工程褶皺構造發育，隧洞穿越8條區域性斷裂，破碎帶地表寬度為100～200 m，最寬800 m。同時，還分布有次級斷層破碎帶129條。其中，XE隧洞穿過44條斷層破碎帶，累計長度0.93 km，占洞長的0.7%；KS隧洞穿過77條斷層破碎帶，累計長度2.5 km，占洞長的0.9%；SS隧洞穿過16條斷層破碎帶，累計長度0.48 km，占洞長的0.5%。整個輸水線路洞身段附近的斷層和裂隙不發育，裂隙以中陡傾角為主，裂隙面大多數被石英脈充填，以壓扭性結構面為主。XE段和KS段隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，占比超過84%，圍巖條件總體較好，適合TBM機械化快速施工。SS段喀拉卡特隧洞的Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比68.9%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比31.1%，巖石飽和抗壓強度Rb<30 MPa的段長占全洞長的29%，普遍為泥巖夾砂巖軟巖地層，施工中需特別關注坍塌和圍巖大變形問題。

隧洞巖體一般屬微—弱透水性，斷層破碎帶屬弱—中等透水性。區內地下水類型主要為基巖裂隙水，巖體較完整洞段的單位涌水量為8 m3/(h·km)；通過地表水庫、河流和軟巖地段時，單位涌水量為16 m3/(h·km)；通過區域性斷裂破碎帶地段時，單位涌水量為80 m3/(h·km)。

3.2 SS隧洞富水區域“115”超前地質預報

3.2.1 工程概況

北疆供水二期工程SS 隧洞Ⅲ標段處于低山區內，沿線基巖基本裸露，地面海拔775～1 005 m，地形起伏不大。相對高差一般為5～20 m，局部最大高差35 m，總地勢西高東低。本標段隧洞近東西向(方位角89.2°)直線布置。隧洞埋深80～300 m，地勢較平坦，巖性主要為中—上石炭統灰黑、暗紅色安山巖和淺肉紅色巖屑玻屑凝灰巖，局部夾凝灰質砂巖和凝灰質粉砂巖，斷層和節理裂隙不發育。

SS 隧洞Ⅲ標TBM掘進17個月停機堵水345 d，僅掘進3.1 km，排水超過1 400萬m3。

3.2.2 “1 km”千米級宏觀地質預報

地面物探采用瞬變電磁探測方法成功探明了SS47+000～SS50+500里程段隧洞附近富水區情況。測區內的表層區域存在戈壁碎石，屬于高阻表層。經過分析，淺層存在部分冰雪融水等形成的包氣帶水，含水率高則會導致導電性增強，會與高阻的背景產生較大差異，因而存在較好的電法探測前提。SS47+000～SS50+500段瞬變電磁探測結果如圖4所示。

ρ為電阻率，Ω·m。

解譯結果如下：

1)SS47+000～SS48+000段落。存在富水情況，因反演電阻率值相對較高，并夾雜高阻區域目標，推測該區域的水量中等，但該區域范圍較大。

2)SS49+300～+800段落。存在富水情況，根據鉆孔水位數據判斷其應該不會與淺層地下水連通。

SS47+000 ～ SS50+500設計3個地表鉆孔，鉆探結果如下：

1)SS48+000～SS49+000里程鉆孔ZK224，揭露小規模斷層中有滴滲水現象，且該段隧洞一般處于裂隙水以下150～210 m，估算該段隧洞總涌水量較低。

2)SS49+300～+800里程鉆孔ZK303-1和ZK303，均揭露較大規模的斷層，沿斷層破碎帶或裂隙密集帶有線狀流水。其中，ZK303揭露斷層f100-1 寬154 m，估算該點涌水量為300 m3/h，與瞬變電磁探測結果基本一致。

區域“1 km”洞段工程地質評價采用地面物探開展超前地質預報，實現區域地質構造與富水區情況的探測，并結合地表鉆探和地質分析，初步了解掌子面前方千米范圍內地質概況，為長距離超前地質預報提供參考。

3.2.3 “100 m”百米級長距離地質預報

采用被動源地震波法探測掌子面SS49+563前方地質情況并進行地質災害預報，探測距離為SS49+563～+463。地震波三維成像圖和成像俯視圖見圖5。

(a) 三維圖

結合探測區域的地震波反射成像圖和地質分析，推斷地質情況及可能的災害情況，解譯結果如下：

1)SS49+563～+543段落。在反射圖像上未出現明顯的正負反射，推斷該段落與掌子面圍巖類似，圍巖完整性較好。

2)SS49+543～+483段落。在反射圖像上出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較破碎，易發生掉塊、塌腔。

3)SS49+483～+463段落。在反射圖像上局部出現較明顯的正負反射，推斷該段落圍巖局部可能發生掉塊、塌腔。

3.2.4 “50 m”十米級短距離精細探查預報

采用GEI綜合電法儀探測掌子面SS49+504前方地質情況并進行地質災害預報，探測距離為SS49+504～+474。激發極化法探測結果見圖6。

(a) 三維成像圖

綜合分析，解譯結果如下：

1)SS49+504～+489段落。三維電阻率圖像中,該段右側電阻率值局部較低，推斷該區域隧洞右側易發生股狀涌水現象。

2)SS49+489～+474段落。三維電阻率圖像中,該段右側電阻率值較前段有所升高，推斷該區域隧洞右側可能出現線狀流水現象。

3.2.5 開挖驗證

采用GEI綜合電法儀探測掌子面前方里程區域SS49+504～+489隧洞右側易發生股狀涌水現象，開挖揭露SS49+500.6 右側承壓水突出涌水量1 450 m3/h，如圖7所示。

圖7 SS隧洞開挖涌水照片

3.3 KS隧洞破碎富水段“100 m”百米級長距離地質預報與“50 m”十米級短距離精細探查預報

3.3.1 工程概況

KS標段在區域構造上沒有區域性大斷裂帶穿過，發育與工程有關的次級斷裂共19條，產狀主要為50°～90°NW∠45°～70°、40°～55°SE∠65°或295°～330°SW∠50°～74°，斷層走向與洞軸線夾角為30°～70°，破碎帶寬10～37 m，帶內以糜棱巖、碎裂巖及斷層角礫巖為主。另據鉆孔揭露，本標段還有零星少量小型斷層，寬度一般為2～10 m，帶內以糜棱巖及碎裂巖為主。

3.3.2 “100 m”百米級長距離地質預報

采用地震波法探測掌子面KS54+314前方地質情況并進行地質災害預報，探測距離為KS54+314～+214。地震波三維成像圖和成像俯視圖見圖8。

(a) 三維圖

結合探測區域的地震波反射成像圖和地質分析，推斷地質情況及可能的災害情況，解譯結果如下：

1)KS54+314～+299段落。在反射圖像上存在零星的正負反射，推斷該段落圍巖較完整，局部較破碎，易發生掉塊。

2)KS54+299～+254段落。在反射圖像上無明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較完整，局部裂隙發育。

3)KS54+254～+214 段落。在反射圖像上出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較破碎，節理裂隙發育，易發生掉塊和塌腔。

3.3.3 “50 m”十米級短距離精細探查預報

采用GEI綜合電法儀探測掌子面KS54+314前方地質情況并進行地質災害預報，探測距離為KS54+314～+284。激發極化法探測結果見圖9。

(a) 三維成像圖

綜合分析，解譯結果如下：

1)KS54+314～+304段落。三維電阻率圖像中左側電阻率值較低，半衰時之差成正值，推斷該區域易出現線狀流水，局部可能出現股狀涌水。

2)KS54+304～+284段落。三維電阻率圖像中電阻率值較前一段落稍有增高，半衰時之差不明顯，推斷該區域圍巖易出現滴水，局部可能出現線狀流水。

3.3.4 開挖驗證

在探測結束后，掌子面開挖掘進，開挖結果顯示，掌子面前方0～15 m圍巖較完整，揭露股狀涌水，15～55 m圍巖較完整，與預報結果一致； 55～100 m圍巖完整性差，與預報結果基本一致。其中，掌子面在掘進1 m后，開挖揭露巖性為白云巖夾灰巖，巖體較破碎，節理裂隙發育，地下水發育，拱頂滴滲水，9點鐘方向股狀出水，涌水量約1 200 m3/h，如圖10所示。

(a)

4 結論與討論

本文圍繞超特長隧洞TBM施工地質災害預報預警問題，指出了超特長隧洞地質災害預報預警技術現狀和挑戰，進而創建了超特長隧洞TBM施工不良地質全覆蓋預報系統，即“115”超前地質預報系統，提出了該超前地質預報系統的體系、主要內容和實施流程，并在超特長隧洞工程中開展了工程應用和實踐。

1)提出了一種超特長隧洞不良地質全覆蓋預報系統——“115”超前地質預報系統，該預報系統包括“1 km”千米級宏觀地質預報、“100 m”百米級長距離地質預報和“50 m”十米級短距離精細探查預報3個層次，并基于多元信息融合分析，實現對掌子面前方不良地質和可能的地質災害形式的準確預報。

2)超特長隧洞不良地質全覆蓋預報系統在北疆供水二期工程SS隧洞富水地質段、KS隧洞破碎富水段等項目中成功應用，成功預報了施工過程中斷層及其破碎帶的規模及位置，預測了涌水、塌方等地質災害形式，為隧洞安全高效掘進提供了保障。

3)“115”超前地質預報系統不僅在水利行業超特長隧洞TBM施工工程中，而且在其他公路、鐵路、水電等行業領域的隧道(洞)鉆爆法與TBM施工工程中均具有廣泛的應用前景，可實現掌子面前方不良地質和可能由其引發的地質災害形式的全覆蓋預報。

4)超特長引水隧洞采用TBM法施工是未來的發展趨勢，但由于TBM施工隧洞內超前地質預報空間狹小、電磁干擾復雜、TBM快速掘進需求高等原因，超特長隧洞TBM施工超前地質預報面臨眾多技術挑戰，如超特長隧洞快速施工需求與常規超前地質預報方法TBM適用性差之間的矛盾和挑戰，TBM探測空間狹小、電磁環境復雜與TBM穿越復雜地質條件探測準確性及精度不足的矛盾和挑戰，TBM快速掘進與超前地質預報方法探測效率低、距離短的矛盾和挑戰，超特長隧洞探測數據豐富與難于多元融合反演效果的矛盾和挑戰等。采用TBM刀盤破巖震源信號、搭載式預報裝備、抗干擾和去干擾理論與技術、多元信息融合反演預報、智能決策分析等是未來的發展方向。

5)“115”超前地質預報系統在北疆供水項目TBM隧洞中開展了工程實踐，取得了良好的效果，但仍需開展進一步的工程應用，進行不斷的補充和完善。針對超特長TBM隧道(洞)建設，建立基于“115”超前地質預報系統預報結果的隧道(洞)地質災害分級評價方法，并根據評價等級確定不同的施工措施，進而避免地質災害的發生或降低地質災害的危險，是繼續研究的方向。