超前地質預報在XE工程深埋長隧洞TBM施工中的綜合應用

周應祥，王紅帥，王凱生

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

在TBM的施工中不可避免的會出現構造引起的塌方、中等巖爆產生的塌方、軟弱巖體大變形、突涌水等一些地質災害，對TBM的安全掘進和工期造成一定的影響。為降低地質災害發生的幾率和危害程度，保證TBM施工洞段的施工安全，在施工中把超前地質預報工作放在首位。大多數學者對于TBM施工洞段的超前地質預報工作進行了關鍵技術研究及探討。例如鄧銘江等[1]為了避免特定地質環境掘進時出現大量地質信息感知盲區，提出TBM智能化掘進的關鍵技術把握；李玉波[3]就秦嶺隧洞橫穿秦嶺底部時存在常規超前地質預報無法適用其施工段的地質預報工作的問題，引入引漢濟渭工程中三維地震波法進行同類比運用；蘇鵬[5]考慮到由于TBM機空間狹小，采用現有傳統隧道超前探測方法的設備儀器布設空間不足，強行采用會導致預告失準，對此提出采用聚集電流頻率域激發極化法，并進行配適的研究；康三月[11]對TBM掘進過程中不良地質洞段，采用地震波法結合激發極化法進行配適應用，并分析論證了該綜合探測方案在相似工程中的適應性。

XE工程是以深埋長隧洞為主的輸水工程，具有復雜的工程地質和水文地質條件，共采用5臺直徑7.8m的TBM施工。通過在施工中采用地質調查法、三維地震波法測構造、激發極化法測水、微震監測與預警巖爆、超前鉆探法等超前地質預報方法，并對預報結果進行綜合分析與應用，保證了TBM施工洞段的施工安全與工期安全，取得了很好的經濟效益和社會效益。

XE工程線路總長148.246km，由5條輸水隧洞和4座跨河建筑物組成。5條輸水隧洞總長140.669km，其中1#隧洞最長，為72.891km。輸水隧洞位于中山區及低山、丘陵區，沿線地形起伏，隧洞埋深一般60～550m，平均埋深約207m，最大埋深720m。隧洞沿線穿越多條河流、洪溝等，地下水補給條件復雜，穿越2條較大規模的活動斷裂帶，沿線還發育多條規模不等的次級斷層，約20km的隧洞處于中-高地應力場區。隧洞穿越的地層巖性主要為華力西晚期變質花崗巖、斜長花崗斑巖夾閃長巖，泥盆系花崗片麻巖、黑云母斜長片麻巖；其次為奧陶系黑云母石英片巖、二云石英片巖，石炭系凝灰巖、凝灰質砂巖、片麻巖等。根據前勘分析統計，隧洞Ⅱ類圍巖占40.72%，Ⅲ類圍巖占43.26%，Ⅳ類圍巖占11.92%，Ⅴ類圍巖占4.1%。

本工程采用以TBM為主、人工鉆爆法為輔的施工方案，TBM施工洞長占總洞長的77.6%，共采用5臺直徑7.8m的TBM，單臺TBM控制的掘進長度為15.1～26.5km。TBM施工洞段的一次支護措施為：Ⅱ類圍巖洞段采用隨機錨桿、掛網、噴混凝土；Ⅲa類圍巖洞段采用隨機錨桿、掛網，系統噴混凝土；Ⅲb類—Ⅴ類圍巖洞段采用系統錨桿、掛網、噴混凝土、拱架，視需要在頂拱120°范圍設置鋼筋排。

1 存在的主要工程地質問題

由于工程區所處的復雜地形和地質條件，在TBM的施工中不可避免的會出現一些地質災害，如構造引起的塌方、中等巖爆產生的塌方、軟弱巖體大變形、突涌水等，對TBM的安全掘進和工期造成一定的影響。

1.1 構造引起的塌方

對于隧洞軸線與主壓構造線基本一致洞段，區域內小構造較發育，隨著隧洞開挖揭露出規模不等的斷層，易形成不同規模的塌方；對于隧洞巖體發育與洞軸線近平行的陡傾角結構面、洞頂部位緩傾角結構面、與洞軸線大角度相交陡傾角結構面等組合切割，易形成楔形不穩定體；對于隧洞的節理密集帶及層間的軟弱夾層，圍巖破碎形成局部坍塌。

1.2 中等巖爆產生的塌方

隧洞深埋洞段最大水平地應力量值為12～21.6MPa，為中等-高地應力場，方向N35°～46°W，與隧洞軸線呈小角度相交。受最大水平主應力的影響，堅硬、完整、干燥的變質花崗巖產生輕微-中等巖爆，呈薄層片狀、板狀剝離和掉塊；同時局部發育的節理裂隙在高地應力下產生構造型松弛破壞，沿裂隙面產生應力型坍塌。

1.3 軟弱巖體大變形

黑云母石英片巖洞段，具薄層-中厚層狀結構，局部巖質偏軟，受水平地應力擠壓的影響，左側拱肩圍巖多沿片理面剪切張裂并向洞內松弛卸荷，形成張裂變形破壞。如F17斷層帶，底板為碎裂巖、糜棱巖和斷層泥，基礎軟弱，受水平地應力的影響，形成較大范圍塑性區，發生底板鼓脹隆起變形。

1.4 突涌水

部分洞段為弱富水區-中等富水區，產生集中涌水現象，地下水致使圍巖結構面強度軟化，產生隧洞的塌方。

2 超前地質預報技術及綜合應用

2.1 超前地質預報方案、原則及方法

針對XE工程復雜地形、地質條件下的TBM施工，為進一步查清隧洞開挖工作面前方的工程地質和水文地質條件，指導施工順利進行，降低地質災害發生的幾率和危害程度，保證TBM施工洞段的施工安全與工期安全，在工程開工之初，由業主牽頭，設計院組織水工、地質、施工3大專業主要設計人員，在充分評估本工程TBM施工洞段的圍巖地質條件、不同圍巖的設計處理措施和必要的施工組織條件的基礎上，借鑒和總結國內其他類似工程的建設經驗，在工程和設備行業的專家、教授指導下，編制了本工程的TBM施工超前地質預報綜合應用實施方案。

本工程的超前地質預報的工作原則為：以地質調查法為基礎，結合物探法與超前鉆探法，進行綜合應用。具體為：

(1)對地質簡單和中等復雜的洞段，以洞內地質編錄為主，根據對洞內地層巖性、地質構造、巖體節理裂隙的發育程度、地下水的分布情況的調查資料等，分析洞室圍巖的穩定性，對隧洞掌子面前方的地質條件進行預報。

(2)對地質條件較復雜的洞段，在洞內地質編錄的基礎上，采用物探法，對隧洞掌子面前方的地質條件進行預報。

(3)對地質條件復雜的洞段，在洞內地質編錄的基礎上，除采用上述物探手段外，必要時結合超前鉆探法進行預報。

對本工程，需采用物探法的洞段主要包括：區域性大斷裂破碎帶、較大的次級斷層破碎帶；Ⅳ-Ⅴ類圍巖段；跨河和跨較大沖溝段；深埋隧洞段(埋深500～720m)；軟巖變形段；突涌水段等。

本工程采用的物探法超前地質預報引進第三方的專業隊伍，通過業內調研及競標，由山東大學的三維地震波法測構造、激發極化法測水，東北大學的微震監測與預警巖爆。

2.2 地質調查法預報

地質調查法預報貫穿于隧洞施工的全過程，由設計院組織實施，每日或每段一報，與TBM掘進同步，具有連續性。預報長度可長可短，簡單洞段超過100m，復雜洞段10～30m，短距離預報需滿足1個作業班或1個工作日的進度。

地質調查法預報是在熟悉、核查和確認初設階段的勘察成果和開工以來所補充的地勘資料的基礎上，對比隧洞線路的地層、巖性在隧洞地表的出露及接觸關系，結合斷層、褶皺、節理密集帶等地質構造在隧洞地表的出露位置、規模、性質及其產狀變化情況，通過對已開挖隧洞出露面的地質編錄，把隧洞所揭露的地層巖性、地質構造、結構面產狀、地下水出露點位置及出水狀況、出水量等準確記錄下來，并繪制成圖表。再利用常規地質理論，利用地質作圖和趨勢分析等手段，通過地層層序對比，地層分界線及構造線地下和地表相關性分析，斷層要素和隧洞幾何參數的相關性分析，不良地質體的可能前兆性分析等。同時結合TBM掘進過程的貫入度、刀盤轉速、扭矩、推力、護盾壓力等一系列TBM的掘進控制參數和皮帶機渣料形態及出渣量大小等分析，推測開挖工作面前方的地質情況，為TBM的掘進和支護提供依據。

截止目前，本工程采用地質調查法發出的超前地質預報的確認單數約5810份，預報準確率達96%以上。

2.3 三維地震波法超前預報

當通過地質調查法預報到掌子面前方存在軟弱帶、破碎帶、斷層等不良地質構造存在時，為了進一步確認和驗證，通知山東大學超前預報小組，采用三維地震波法對掌子面前方100m范圍內的地質構造進行超前預報。

三維地震波法超前預報是在已開挖揭露的洞壁布置高靈敏地震信號傳感器，在震源點上錘擊巖體產生地震波，采集前方反射傳回的地震波數據，通過專用軟件的分析處理，形成探測區域的地震波反射成像圖，包括地震波波速、成像和俯視圖，再通過地質分析，推斷解釋探測區域存在的地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層等)、位置及規模，提出相應的地質構造預測成果。

本工程采用三維地震波法共探測了391次，預報準確率達90%以上。

2.4 激發極化法超前預報

當通過地質調查法預報到掌子面前方存在滲水和突涌水可能時，為了進一步確認和驗證，通知山東大學超前預報小組，采用激發極化法對掌子面前方30m范圍內存在的水體進行超前預報。

激發極化法超前預報是通過在掌子面布置一定數量的電極，包括測量電極和供電電極，同時在邊墻上布置多圈供電電極，通過供電電極供入直流電，得到兩個測量電極間的電勢差，從而計算出電阻率剖面。通過反演計算，得到探測區域圍巖的水體分布情況，提出相應的開挖面前方巖體出水情況的預測成果。

本工程采用激發極化法共探測了602次，預報準確率達84%以上。

2.5 微震監測與預警

當掌子面前方已進入中-高地應力場洞段，存在發生輕微-中等巖爆的可能，通知東北大學超前預報小組，通過微震監測與預警技術對掌子面前方10m和后方25m范圍內的巖爆類型進行超前預報。

微震監測與預警技術是通過在TBM護盾后方已的洞段埋設2個斷面的傳感器，通過信號采集儀采集來自掌子面前方10m和后方25m范圍內所發生的巖爆破裂源所釋放的數據，再通過數據分析，得到微破裂事件數和微震能量等微震特征參數，進而判斷出巖爆的位置及其巖爆等級和發生概率，同時區分即時型巖爆和時滯型巖爆，并隨著掘進動態更新。

聲納圖像在映射過程中損失了高度信息,光學圖像中采用多視圖幾何原理,利用不同映射角度的圖像視差關系計算目標的深度信息以恢復三維特征。但由于光學攝像機與聲納設備映射原理的差異,所以一般的基于光學的三維重建方法不能直接運用到聲納圖像的三維重建過程中。根據多視角聲納圖像的映射特點,本節提出一種對高度弧分段、逐級搜尋目標的空間位置的多視角聲納圖像三維特征重建方法,用于恢復圖像的高度特征。

本工程采用微震監測技術累計監測洞段5633m，發布巖爆預測預警日報679份，整體預警準確率達90%以上。

2.6 超前地質鉆探法預報

當掌子面前方出現富水軟弱斷層破碎帶或出現重大物探異常區等地質條件特別復雜洞段，需停機采用超前地質鉆探法進行預報。利用超前鉆機在隧洞開挖工作面進行鉆探獲取地質信息。

采用沖擊鉆時，可按沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況、沖洗液的顏色及流量變化等探明巖性、巖石強度、巖體完整程度、空腔及地下水發育情況等；如果采用回轉取芯鉆，可按所取得的巖芯進行直接鑒定。在富水區采用超前地質鉆探法時必須設置孔口管及控制閥等防止地下水突出的措施。

本工程采用超前地質鉆探法2次，鉆孔總進尺70m，均精準預報。

2.7 超前地質預報技術的綜合應用

在XE工程TBM施工中，共采用了5種超前地質預報方法，其中地質調查法作為基礎和先導，與TBM的掘進同步，采用一日一報或一段一報；當局部洞段前方存在地質構造和突涌水條件時，根據需要實施三維地震波法測構造、激發極化法測水，采用一事一報；當進入中-高地應力場洞段，存在發生輕微-中等巖爆的可能，實施微震監測與預警巖爆，采用一日一報；當出現特別復雜的地質條件洞段，必要時實施地質鉆探法，采用一事一報。

為了統一協調和分析多種預報方法所得到的結論，現場由業主組織參建各方代表組成地質超前預報協調領導小組，制定了一系列有利于綜合實施的地質超前預報的工作流程、工作職責、審批程序、協調機制，負責及時對預報結果進行綜合分析和研判，提出相應的處理意見和應對措施，督促后續施工中嚴格執行，并進行現場跟蹤驗證和總結，提高地質預報精度，確保工程施工安全和工期安全。

地質調查法作為本工程超前地質預報工作的基礎與核心，由設計院負責組織實施，為此專門組建了XE工程超前地質預報小組，制定了相應的工作制度和工作職責，隸屬于現場設代處。由地質專業副處長任組長，成員由現場地質工程師、水工與施工專業設計代表組成，院主管院長、主管總工、地勘專業總工及時進行指導。全線5臺TBM分成5個工作點，每個工作點派2名熟悉本段工程地質勘察成果的專業地質工程師。在工作中邀請施工單位和監理單位的地質工程師參與并監督日常的工作，除了按照地質調查法預報的要求展開工作外，同時負責與其他預報小組的現場對接，并進行初步的綜合分析工作。通過XE工程超前地質預報小組審核后的超前地質預報成果以確認單的型式當日下發現場。

除了認真做好日報、月報和年報，每半年組織5個地質工作點的地質工程師進行一次正式的交流和學習，取長補短，不斷總結和改進，切實為工程建設保駕護航。

截止目前，XE工程5臺TBM已完成74.1km的掘進，通過對多種超前地質預報成果的綜合分析與研判，提出相應的處理意見和應對措施，并進行現場跟蹤驗證和總結提高。經統計，確定的綜合預報總數約1320次，準確率達96%以上。

3 結語

XE工程具有超長隧洞、深覆蓋條件、穿越活動斷裂帶、地下水補給條件復雜、中等巖爆等特點，占隧洞長度81.4%的洞段采用TBM施工技術，針對XE工程復雜地質條件下的TBM施工，采用了以地質調查法預報為主，結合三維地震波法測構造、激發極化法測水、巖爆微震監測與預警、超前地質鉆探法等多種超前地質預報技術，綜合應用于工程實踐中，取得了很好的效果，綜合預報準確率達96%以上。為指導TBM安全施工起到了非常重要的作用，保證了TBM施工洞段的施工安全與工期安全，取得了很好的經濟效益和社會效益。

由于受學識水平所限，總結還不夠全面，愿與隧洞工程的各位同行們進行交流，也愿為類似工程的建設提供借鑒。