綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在TBM法隧洞施工中的應(yīng)用技術(shù)研究

雷 龍，馬晉陽，雷 菲

（1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024；2.西安國(guó)開水環(huán)境有限公司，陜西 西安 710077）

大埋深水工隧洞TBM法施工常伴隨強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆，對(duì)TBM的安全、快速掘進(jìn)造成極大影響，同時(shí)對(duì)TBM設(shè)備及人員安全造成極大風(fēng)險(xiǎn)。所以為更好應(yīng)對(duì)巖爆，科學(xué)合理的地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前應(yīng)力釋放方式，可降低隧洞開挖及開挖后發(fā)生的巖爆等級(jí)與規(guī)模[1-2]。

目前我國(guó)在鉆爆法施工隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展迅速，大埋深水工隧洞地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已趨于成熟，蘇國(guó)韶等[3]分析巖爆過程的聲音信號(hào)特征，總結(jié)出內(nèi)在演化頻率。李術(shù)才等[4]提出全過程隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。馬天輝等[5]以錦屏二級(jí)水電站為例，提出了微震監(jiān)測(cè)的巖爆預(yù)測(cè)機(jī)制。本文結(jié)合前期工程地質(zhì)勘察，運(yùn)用TST地震波和CFC地磁波綜合物探技術(shù)，預(yù)測(cè)大埋深隧洞掌子面前方100 m地質(zhì)情況，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提出針對(duì)性的預(yù)防和處理措施，降低巖爆發(fā)生概率和施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

工程區(qū)位于秦嶺嶺脊北段。施工段落為K46+360～K43+360，長(zhǎng)度3000 m，洞內(nèi)坡降為1/2500。工區(qū)位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)，地形起伏。在大地構(gòu)造單元上屬秦嶺褶皺系。工程區(qū)域主要通過qF4 斷層，斷帶物質(zhì)為碎裂巖、糜棱巖及斷層角（泥）礫。工點(diǎn)處地表水較發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，受大氣降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化。

表1 TBM施工段圍巖工程地質(zhì)分段測(cè)評(píng)表

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

本文采用TST地震波法和CFC復(fù)頻電導(dǎo)超前探水法對(duì)地質(zhì)構(gòu)造以及圍巖含水性進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)隧洞開挖接近TST預(yù)報(bào)的不良地質(zhì)體和CFC預(yù)報(bào)的含水高危區(qū)域時(shí)，需采用地質(zhì)超前水平鉆確定不良地質(zhì)的分布空間位置和延伸，超前水平鉆探可探測(cè)未開挖地段隧洞圍巖的地質(zhì)情況和涌水情況。TST的預(yù)報(bào)距離與洞徑和信號(hào)質(zhì)量有關(guān)，本次探測(cè)預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為100m，需連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)，前后兩次應(yīng)重疊5 m～10 m。

3 TST 地震波探測(cè)

3.1 方法原理

隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng) TST（Tunnel Seismic Tomography），地震波由小規(guī)模爆破的震源產(chǎn)生，由地震檢波器接收。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面，一部分地震信號(hào)反射，一部分信號(hào)穿透前方介質(zhì)。反射信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收。通過地震波軟件處理，可了解隧洞工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)。每次預(yù)報(bào)距離與隧洞直徑有關(guān)，連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)重疊10 m。

3.2 測(cè)線布置

觀測(cè)方案主要包括：檢波器和震源激發(fā)布置在洞側(cè)壁內(nèi)，檢波器采用洞壁表面耦合方式。具體布置見圖1。

圖1 TST激發(fā)與接收方式

各檢波點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)的樁號(hào)坐標(biāo)見圖2。

圖2 TST樁坐標(biāo)數(shù)據(jù)

3.3 地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果

單炮作用后的波場(chǎng)分離典型記錄見圖3。

圖3 波場(chǎng)分離后的典型記錄

掌子面715 前方100 m內(nèi)圍巖的地質(zhì)體偏移圖像和圍巖力學(xué)參數(shù)分布曲線見圖4。橫坐標(biāo)為隧洞里程，縱坐標(biāo)為測(cè)試結(jié)果。

圖4 圍巖力學(xué)參數(shù)分布曲線（TST法）

4 CFC地磁波探測(cè)

4.1 方法原理

CFC是電磁波探水技術(shù)，屬于超前探水地質(zhì)預(yù)報(bào)法。巖體含水后復(fù)頻電導(dǎo)率增大，本征阻抗降低。電磁波遇到本征阻抗變化的界面就會(huì)發(fā)生反射，實(shí)現(xiàn)掌子面前方圍巖含水位置與含水量的預(yù)報(bào)。

4.2 技術(shù)參數(shù)

CFC的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 CFC技術(shù)參數(shù)

4.3 測(cè)線布置

CFC觀測(cè)系統(tǒng)的布置如下：①接收電極4組，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，間距6 m，埋深1.5 m；②激發(fā)電極1組，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，距最近接收電極6 m。激發(fā)與接收方式見圖5。

圖5 CFC激發(fā)與接收方式

4.4 計(jì)算成果

掌子面K45+715 前方100 m圍巖含水結(jié)構(gòu)的CFC偏移圖像結(jié)果見圖6。

圖6 CFC偏移圖像

圖像的水平坐標(biāo)為里程及距掌子面的距離，紅色、黃色條紋表示相干能量強(qiáng)，反射波強(qiáng)，含水量大的界面，綠色次之，藍(lán)色含水量少。根據(jù)能量最大化原理進(jìn)行圍巖電磁波速掃描，得到預(yù)報(bào)區(qū)段隧道圍巖電磁波速為0.134 m/ns，相對(duì)介電常數(shù)為5.012 左右，說明絕大部分圍巖處于干燥狀態(tài)。

5 預(yù)報(bào)成果分析

5.1 預(yù)報(bào)前方地質(zhì)條件

圖7 TST與CFC結(jié)合圖

利用上述成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料分析，秦嶺隧洞（越嶺段）TBM施工段嶺北工程接應(yīng)段掌子面K45+715 前方100 m內(nèi)地質(zhì)條件描述見表3。

表3 K45+715～K45+615地質(zhì)構(gòu)造和含水情況分段表

5.2 預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的分布及性質(zhì)

通過對(duì)地震波和電磁波成果的分析，預(yù)報(bào)本次不良地質(zhì)體的分布情況見表4。

表4 TBM施工段不良地質(zhì)體的分布及性質(zhì)

續(xù)表4

6 結(jié)論

TBM施工段K45+715前方100 m范圍的圍巖地質(zhì)預(yù)報(bào)為：（1）K45+715～K45+639，長(zhǎng)度76 m，設(shè)計(jì)為以Ⅱ級(jí)圍巖為主。推斷該段圍巖為Ⅲ級(jí)夾Ⅱ級(jí)（K45+684～K45+661之間為Ⅱ級(jí)）。受巖性接觸帶及褶皺發(fā)育影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性和穩(wěn)定性較差，圍巖含水總體上較少。（2）K45+639～K45+623，長(zhǎng)度16 m，設(shè)計(jì)為Ⅱ級(jí)圍巖。推測(cè)該段圍巖為Ⅱ級(jí)圍巖，巖性以閃長(zhǎng)巖為主。圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體呈整體狀結(jié)構(gòu)，完整性和穩(wěn)定性較好。圍巖含水較少，采用II級(jí)支護(hù)方式及時(shí)支護(hù)。（3）K45+623～K45+615，長(zhǎng)度8 m，設(shè)計(jì)為Ⅱ級(jí)圍巖。該段圍巖為Ⅲ級(jí)圍巖，巖體破碎，強(qiáng)度較低，整性和穩(wěn)定性較差，圍巖含水較少。按III級(jí)圍巖的支護(hù)類型施工。