超前地质预报技术在TBM引水隧洞工程中的应用

舒晔

摘要：在隧洞施工的过程中常会碰到各种不良地质段，如断层破碎带、软岩、突泥涌水、坍塌体、岩溶空洞等，给隧洞施工带来严重的不可预测的安全问题。本文根据超前地质预报探测原理，结合新疆北部某引水隧洞TBM施工项目应用实例，对其探测成果解析，供类似的隧洞工程地质预报提供参考。

关键词：TBM;引水隧洞;不良地質段;超前地质预报

1、前言

近年来，随着我国基础设施项目的不断发展，各地区水工隧洞、铁路隧道、公路隧道等项目全面建设，在其施工过程中不可避免地遭遇各种不良地质段，若无法提前发现及时处理，则会引起较大的施工风险，严重时甚至会出现设备损毁和人员伤亡。目前，隧洞施工项目常用的超前地质预报方法主要有地面地质调查法、断层参数预测法、地震波探测法、掌子面编录预测法、不良地质前兆预测法、地质雷达探测法、红外线超前探水等仪器探测方法。各种预报手段和方法都有其各自的适用范围和特点，其中地震波探测是目前预报距离最长、适用范围最广、预报效果最为准确的超前预报手段和方法。

2、工程概况

新疆北部某引水隧洞采用一台开敞式TBM进行施工，该隧洞位于剥蚀构造低山丘区，TBM施工段长21.5km，开挖洞径7.8m。隧洞分布埋深6～127m，平均埋深34m，为浅埋隧洞。沿线穿越18条浅埋冲沟和9条大规模断层破碎带，冲沟底宽约6～70m，断层破碎带宽度10～35m，带内以碎裂岩、糜棱岩为主，断层走向与洞轴线夹角85°～87°，洞内延伸15～18m，对洞身稳定性影响较大，存在塌方卡机风险。

3、超前地质预报原理

根据现场地质情况及施工需要，该项目主要通过地震波法（TSP）、和电极法（TIP）等两种超前地质预报方法进行探测工作。其中，地震波法（TSP）最为常用，主要针对断层破碎带、软岩夹层以及节理裂隙带探测;电极法（TIP）则主要针对岩层涌水、富水带等地质探测。

地震波探测法的基本原理在于当地震波遇到波阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏地震号传感器接收，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，反射波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，反射波的极性会反转。反射体的尺寸越大，波阻抗差别越大，反射波就越明显，越容易探测到。通过数值分析，可预测隧洞工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层等）、位置及规模。

地震的震源和检波器采用分布式的立体布置方式，仪器的工作过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到采集主机，完成地震波数据采集。

电极激发极化探测方法是以围岩和含水地质构造的电性差异为物理基础，在掌子面上布置测量电极和供电电极，在边墙上布置测量电极。探测时，供电电极供入直流电（A、B电极），测量电极（M、N电极）测量两个电极间的电势差，从而计算出视电阻率剖面。通过反演计算，得到探测区域围岩电阻率剖面，对含水构造表现为低阻，对完整围岩表现为高阻，同时结合激发极化半衰时之差与反演低阻体体积估算水量，从而达到对探测区域地质情况探测的目的。

4、超前探测成果与实际偏差

以该项目TBM施工段桩号103+412～103+312的不良地质段超前预报探测为例，探测时，TBM掘进掌子面里程为103+412，设计地质剖面图显示，该段围岩整体为Ⅲb～Ⅳ类围岩，岩性为泥盆系二长片麻岩，浅灰黑色，块状构造;主要发育一条局部断层，断层f103-30，产状为20°SE∠40°，充填泥质，节理张开，起伏光滑，断层及影响带宽2～6m，拱顶与不利结构面组合，易掉块塌方。

为安全施工考虑，该段进行了地震波法和电极法超前地质预报，根据探测区域的地震波反射成像图和地质分析，推断结果与实际开挖结果如下表所示：

根据以上对比结果分析，可以判断，超前探测的推断成果与实际开挖揭露的地质情况基本相符，为后续采取针对性的处理措施提供了可靠的基础。

5、提高超前预报精度的建议

（1）进行超前地质预报前，应先对该项目的工程地质情况的进行整体了解，特别是对地层岩性、产状、完整性、节理构造、地下水等特征信息进行仔细梳理;

（2）勘察设计文件对于该项目地质构造和岩层情况应与现场掌子面的实际情况相结合进行判断，对于多变地层应进行多次预测，并加强探测频率;

（3）在采集地震波数据时，停止附近施工机械作业，尽可能切断振动干扰源;仪器的测线应远离工作面的电缆线，防止电磁信号干扰;

（4）软弱破碎地层或岩溶发育区的超前预报，每次预报距离一般在100～120m，不宜超过150m;

（5）要充分考虑地质情况的多变性和物探资料的多解性，在进行探测成果图解译时要考虑到各种可能性，综合分析后选择最合理的结果。

（6）对已进行超前探测预报的洞段，要及时地跟踪和验证预报结果，与实际开挖情况进行对比分析，总结经验，不断提高数据处理和预报结果的准确性。

6、结语

（1）超前地质预报技术能够较为快速、准确地对判断出隧洞掌子面前方的地质情况，例如：软弱岩层的分布、断层破碎带和裂隙发育、含水情况等，尤其是对岩性的变化有着较高的准确率。

（2）工程技术人员可根据超前地质预报成果，提前做好不良地质段应对方案，采取相应的处理措施进行施工，有效预防地质灾害的发生，确保施工安全性。