盾構法預制拼裝隧道超前探水預報研究與實踐

胡新濤，徐樹軍，周 昆，劉成龍，姚琦發

[1.青島市地鐵四號線有限公司，山東 青島266000；2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南250101；3.中國礦業大學（北京），北京市100083；4.北京同度工程物探技術有限公司，北京市102209]

0 引 言

盾構法修建城市軌道交通隧道歷久彌新、源遠流長[1]。伴隨著我國交通、水利水電建設工程的興盛，具有“高效、高質量、高效益”優勢的盾構法必將大展身手[2-5]。盾構法是一種易進難退的全斷面施工技術，對地質條件變化十分敏感。在遇到含水構造作為災害源引發的突泥涌水時，若不能提前、及時處理則十分危險，易產生重大工程事故，造成難以估量的人身財產損失[6-9]。目前，在TBM 施工中開展超前預報的方法較多，如德國的應用聚焦頻域激發極化原理的BEAM（Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring）技術[10，11]與基于面波-橫波轉換波模型的ISP（Integrated Seismic Prediction）技術[12]，日本的利用掘進參數進行超前探測[13]等。在國內，則有學者研究用三維激發極化法[14]、HSP 聲波反射法[15]、TST法、CFC 法進行超前探測。綜上所述，敞開式TBM 施工隧道可應用的方法較多，但盾構隧道中適用的探測方法較少，在這少數的探測方法中，多數為探測地質構造的方法，探水的方法甚少，且不成熟。這原因在于：（1）盾構刀盤占據了掌子面，需要在掌子面上觀測的方法難以實現；（2）龐大的金屬機具產生的復雜的電磁環境背景致使常規電法探測效果不盡人意；（3）管片隔開了探測儀器與巖土，信號采集不便。目前盾構隧道超前預報技術研究有兩條路線：一種是與盾構機集成，做智能掘進機系統，這種適用于新建掘進機[16]；另一種是便攜式儀器設備，用于現有盾構施工隧道開展具有針對性的超前預報，降低施工風險。

現著重探討便攜式電磁波預報系統，用以在盾構管片隧道中進行探水預報。本文總結了盾構隧道中電磁波反射法設備的數據采集的關鍵技術，并通過理論分析、工程應用和反饋對其開展了相關研究工作。最終歸納出一套適用于盾構隧道的便攜式超前探水方法，供廣大從事超前預報工作的技術人員學習、參考，也希望對面臨類似地質問題的盾構隧道提供借鑒，以期推動盾構隧道超前地質預報技術的發展。

1 隧道超前地質預報原理及系統

在上世紀90 年代初的起步階段，超前預報方法主要以地質調查分析為主，但是很快就發現僅靠地質分析難以解決復雜地質條件與深埋隧道的地質預測問題，必須借助物探手段。地震方法和電磁方法先后加入到隧道超前預報的隊伍中來，發展出諸多具有不同特點的預報技術。哪些方法技術更適合隧道超前預報，如何操作才能取得科學可靠的結果，這些都需要從基本原理上進行界定。

1.1 隧道超前地質預報技術理論分析

物探方法從物性上可分為地震方法和電磁方法，從物理場的特點上進行分類，地球物理場從傳播特點上可分為三類，波動場，擴散場，諧和場。這三種場的探測能力有天壤之別，波動場最優，擴散場次之，諧和場最差。

波動場包括地震波場和電磁波場。波動場具有三個重要的特點，使它具有優異的探測能力。第一，波在傳播中遇到波阻抗變化界面會發生反射和散射，利用反射波和散射波可以發現目標；第二，均勻介質中波沿直線傳播，具有明顯的方向性，可以用來確定目標的方位；第三，波的傳播具有速度，可以根據傳播時間確定目標的距離。這三個特點使得反射波和散射法成為各種地質探測應用的首選。TSP、TST、TGP等地震波反射、散射法在隧道地質超前預報中是主要的方法。探空雷達、探地雷達（GPR）、CFC 等設備應用的是電磁波反射法，也是隧道超前預報工作的常用方法。

擴散場的傳播與空間梯度有關，具有體效應。局部異常對場的影響在傳播中被平滑和削弱，遠處場對目標異常不敏感。擴散場的傳播不是與時間成線性，而是與時間的平方根成正比。這些特點導致難以用來確定目標體的方位、距離、大小。常用的方法包括瞬變電磁（TEM）等。

諧和場是一種穩定場，局部異常對場的貢獻僅限于異常體附近，從遠處難以觀測到異常體的影響。外部探測只能通過改變觀測位置來推測異常體的強度、位置、大小，所獲得的結果是多解的，難以定量，不能運用到工程之中。諧和場包括重力場、磁力場和靜電場，這些方法在隧道超前預報中應盡量避免采用。

1.2 CFC 超前探水技術原理

CFC 是一種中頻電磁波反射法探水技術[16]。GPR使用高頻電磁波，探測距離30 m 左右；CFC 使用1MHz 為主頻的中頻電磁波，探測距離100 m 左右。含水巖體具有電磁波阻抗、波速、波長和趨膚深度降低，損耗比增大的特性（如表1 所列），在含水巖體與干燥巖體接觸帶電磁波發生反射和相干，接收反射波進行CFC 計算得到前方圍巖的含水率和含水量。

表1 干燥巖體與含水巖體的物理參數差異表

2 管片結構解析及探測方法的改進

盾構隧道由于掘進機機頭和管片結構，將設備與周圍的土體、巖土分割開來。那么原來在鉆爆隧道里面應用廣泛的超前預報設備無法直接應用。

2.1 盾構機機頭的限制

GPR、TEM 等方法采用空氣耦合天線或線圈，在掌子面進行觀測，發射的電磁波在隧道內通過空氣耦合，再進入到圍巖中。在盾構隧道中掌子面被刀盤和護盾阻擋、占據，導致這兩種設備不適用。

CFC 方法在隧道兩側壁進行陣列式觀測，不受盾構機機頭占位的影響。整個觀測系統中發射和接收電極的分布類似魚骨天線，可以改善觀測的方向性，增強掌子面前方反射回來的信號，壓制側向信號[16]。

圖1 為CFC 超前探水觀測系統示意圖。

圖1 CFC 超前探水觀測系統示意圖

2.2 管片的限制

在盾構隧道內開展CFC 超前探水工作，與以往在鉆爆、敞開式TBM 等隧道內數據采集方式不同[17]，需要根據管片的結構尺寸，重新設計陣列式觀測系統中發射點和接收點的間距；需要摒棄以往CFC 采用的錨桿電極，轉而采用金屬網電極。在管片背面布置50 cm×50 cm 金屬網作為電極，如圖2 所示，通過注漿孔用導線連接CFC 儀器。這種在襯砌與圍巖之間布置電極網的工作方式，有效地削弱、避免了隧道內盾構機的電磁干擾。

圖2 金屬網電極之圖示

CFC 數據采集流程如下：首先，根據管片襯砌設計相關資料，找到對應位置的管片襯砌（對應編號）。將金屬網掛到管片背面（與圍巖接觸一側），用導線連接電極網并通過注漿孔引出。然后，等盾構機施工，將管片安裝到對應位置（見圖3）。至所有帶電極網的管片襯砌都安裝完畢時，可進行CFC 數據采集。發射機連接左右兩側正負發射電極網，接收機依次連接每排接收電極，陣列式采集接收數據。

圖3 裝好金屬網電極的管片安裝之圖示

3 現場試驗應用

3.1 工程概況

青島地鐵四號線李家下莊站—嶗山科技城站區間起點位于遼陽路和同安路路口北約350 m 處，向北偏東沿張村河走向。區間起始段下穿張村河，其余段下穿民房至科苑緯一路孫劉橋附近。李嶗區間左線地勢起伏平坦，整體呈由西向東北緩傾，地貌類型主要為河流侵蝕堆積區，在里程ZDK17+846.05～ZDK17+853.3 段為剝蝕殘丘地貌。通過鉆探揭示，場區范圍內第四系厚度0.8～17.2 m，主要由第四系全新統人工填土層、陸相沖洪積粉質黏土、中粗砂及上更新統粉質黏土、碎石土。基巖主要為燕山晚期花崗巖、局部燕山晚期侵入細粒花崗巖、煌斑巖巖脈，局部受構造作用影響，巖體節理、裂隙發育。洞身范圍內主要地層為中、微風化花崗巖，局部發育花崗巖（砂土狀、塊狀碎裂巖）及節理密集帶，局部侵入細粒花崗巖、煌斑巖巖脈。根據地下水補給埋藏條件及水化學類型等特征，該工點地下水類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中第四系潛水向下補給基巖裂隙水。

3.2 綜合超前預報（ZDK17+458～ZDK17+558 段）

根據地表勘察和地質分析，該段穿越構造碎裂巖帶。受場區區域構造影響，該段碎裂巖和節理密集帶較發育，富水性、透水性中等。為保障施工安全，防止圍巖坍塌變形和沿裂隙面滲水嚴重，導致地面沉降過大等問題，隨即開展CFC 法探測破碎區域含水情況。

對接收到信號進行歸一化處理，基于所有記錄的相干譜，結合觀測系統，進行合成孔徑偏移成像[17，18]，反演成像結果如圖4 所示。圖中橫坐標為里程（單位：m），色標為反射系數，深色代表反射能量較強，圍巖含水量較大，淺色代表反射能量較弱，圍巖干燥。色標的劃定采用百分比相對值。CFC 計算出該段平均介電常數為8.429，反映該段區域圍巖整體含水，結合地質情況推測存在裂隙水。ZDK17+458～ZDK17+533 段CFC 成果圖顯示大部分區域以淺色條紋為主，電磁反射波弱，反映該段圍巖大部分區域弱含水。其中，ZDK17+495 處CFC 成果圖中出現橘黃色條紋，說明該處存在含水裂隙，且水量較大。而在ZDK17+533～ZDK17+558 段，CFC 成果圖中以淺色條紋為主，在90 m 附近存在黃色、綠色條紋，說明電磁反射波增強，反映該段圍巖整體含水，局部含水量稍大。綜合分析該處為含水破碎帶，圍巖破碎含水。

圖4 地震波法和CFC 法超前地質預報反演成像之圖示

4 應用效果

盾構機掘進至ZDK17+458～ZDK17+580 段，圍巖完整干燥，ZDK17+478 處刀盤前方圍巖如圖5 所示。盾構機掘進至ZDK17+490 處，刀盤前方大量涌水，如圖6 所示。掘進至ZDK17+533～ZDK17+558段，圍巖破碎含水，渣樣如圖7 所示，與預報結果較為一致。施工方及時采取排水措施，減輕出水災害造成的損失及對施工的干擾。

圖5 開挖揭露：掌子面圍巖完整干燥之圖示

圖6 開挖揭露：刀盤內開挖揭露涌水照片之實景

圖7 開挖揭露：出渣口流水照片之實景

5 結論與討論

目前盾構法預制拼裝隧道的超前探水預報技術研究不多，且實際工程應用較少。現針對盾構隧道的破碎富水帶不良地質情況進行系統研究，取得了一定的階段性成果。

（1）通過地球物理場理論分析可知，在隧道超前預報應用領域，電磁波反射方法具有優異探測能力，是后續研究應用的方向，應該大力推廣。

（2）對CFC 超前探水技術的現場采集方式進行改進，使其適應盾構隧道的管片結構。結合地震波方法進行綜合超前預報，能有效預報前方地質情況。對隧道前方圍巖含水的定性預報，與開挖揭露基本相符，但無法分段計算圍巖的介電常數，對含水量的精細化預報還需進一步研究。