超前地質預報技術在TBM引水隧洞工程中的應用

舒曄

摘要：在隧洞施工的過程中常會碰到各種不良地質段，如斷層破碎帶、軟巖、突泥涌水、坍塌體、巖溶空洞等，給隧洞施工帶來嚴重的不可預測的安全問題。本文根據超前地質預報探測原理，結合新疆北部某引水隧洞TBM施工項目應用實例，對其探測成果解析，供類似的隧洞工程地質預報提供參考。

關鍵詞：TBM;引水隧洞;不良地質段;超前地質預報

1、前言

近年來，隨著我國基礎設施項目的不斷發展，各地區水工隧洞、鐵路隧道、公路隧道等項目全面建設，在其施工過程中不可避免地遭遇各種不良地質段，若無法提前發現及時處理，則會引起較大的施工風險，嚴重時甚至會出現設備損毀和人員傷亡。目前，隧洞施工項目常用的超前地質預報方法主要有地面地質調查法、斷層參數預測法、地震波探測法、掌子面編錄預測法、不良地質前兆預測法、地質雷達探測法、紅外線超前探水等儀器探測方法。各種預報手段和方法都有其各自的適用范圍和特點，其中地震波探測是目前預報距離最長、適用范圍最廣、預報效果最為準確的超前預報手段和方法。

2、工程概況

新疆北部某引水隧洞采用一臺開敞式TBM進行施工，該隧洞位于剝蝕構造低山丘區，TBM施工段長21.5km，開挖洞徑7.8m。隧洞分布埋深6～127m，平均埋深34m，為淺埋隧洞。沿線穿越18條淺埋沖溝和9條大規模斷層破碎帶，沖溝底寬約6～70m，斷層破碎帶寬度10～35m，帶內以碎裂巖、糜棱巖為主，斷層走向與洞軸線夾角85°～87°，洞內延伸15～18m，對洞身穩定性影響較大，存在塌方卡機風險。

3、超前地質預報原理

根據現場地質情況及施工需要，該項目主要通過地震波法（TSP）、和電極法（TIP）等兩種超前地質預報方法進行探測工作。其中，地震波法（TSP）最為常用，主要針對斷層破碎帶、軟巖夾層以及節理裂隙帶探測;電極法（TIP）則主要針對巖層涌水、富水帶等地質探測。

地震波探測法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。反射的地震信號被高靈敏地震號傳感器接收，當地震波從軟巖傳播到硬的圍巖時，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。通過數值分析，可預測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。

地震的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，儀器的工作過程為：在震源點上錘擊，在錘擊巖體產生地震波的同時，觸發器產生個觸發信號給基站，然后基站給無線遠程模塊下達采集地震波指令，并把遠程模塊傳回的地震波數據傳輸到采集主機，完成地震波數據采集。

電極激發極化探測方法是以圍巖和含水地質構造的電性差異為物理基礎，在掌子面上布置測量電極和供電電極，在邊墻上布置測量電極。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。

4、超前探測成果與實際偏差

以該項目TBM施工段樁號103+412～103+312的不良地質段超前預報探測為例，探測時，TBM掘進掌子面里程為103+412，設計地質剖面圖顯示，該段圍巖整體為Ⅲb～Ⅳ類圍巖，巖性為泥盆系二長片麻巖，淺灰黑色，塊狀構造;主要發育一條局部斷層，斷層f103-30，產狀為20°SE∠40°，充填泥質，節理張開，起伏光滑，斷層及影響帶寬2～6m，拱頂與不利結構面組合，易掉塊塌方。

為安全施工考慮，該段進行了地震波法和電極法超前地質預報，根據探測區域的地震波反射成像圖和地質分析，推斷結果與實際開挖結果如下表所示：

根據以上對比結果分析，可以判斷，超前探測的推斷成果與實際開挖揭露的地質情況基本相符，為后續采取針對性的處理措施提供了可靠的基礎。

5、提高超前預報精度的建議

（1）進行超前地質預報前，應先對該項目的工程地質情況的進行整體了解，特別是對地層巖性、產狀、完整性、節理構造、地下水等特征信息進行仔細梳理;

（2）勘察設計文件對于該項目地質構造和巖層情況應與現場掌子面的實際情況相結合進行判斷，對于多變地層應進行多次預測，并加強探測頻率;

（3）在采集地震波數據時，停止附近施工機械作業，盡可能切斷振動干擾源;儀器的測線應遠離工作面的電纜線，防止電磁信號干擾;

（4）軟弱破碎地層或巖溶發育區的超前預報，每次預報距離一般在100～120m，不宜超過150m;

（5）要充分考慮地質情況的多變性和物探資料的多解性，在進行探測成果圖解譯時要考慮到各種可能性，綜合分析后選擇最合理的結果。

（6）對已進行超前探測預報的洞段，要及時地跟蹤和驗證預報結果，與實際開挖情況進行對比分析，總結經驗，不斷提高數據處理和預報結果的準確性。

6、結語

（1）超前地質預報技術能夠較為快速、準確地對判斷出隧洞掌子面前方的地質情況，例如：軟弱巖層的分布、斷層破碎帶和裂隙發育、含水情況等，尤其是對巖性的變化有著較高的準確率。

（2）工程技術人員可根據超前地質預報成果，提前做好不良地質段應對方案，采取相應的處理措施進行施工，有效預防地質災害的發生，確保施工安全性。