TBM隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)狀和技術(shù)

古上申

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

0 引言

這些年來(lái)鉆爆法人機(jī)材成本的急速增加，未來(lái)我國(guó)會(huì)增加掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工方法。根據(jù)2016年的統(tǒng)計(jì)，不久我國(guó)掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的隧道大約超過(guò) 5000 km，掘進(jìn)機(jī)的需要購(gòu)買(mǎi)超過(guò) 180臺(tái)。社會(huì)發(fā)展后，高難度隧道得建設(shè)對(duì)地質(zhì)勘察有了很高的要求。但是山高洞深、地質(zhì)條件龐雜紊亂和地表勘察技術(shù)方法困難，施工時(shí)難以對(duì)工程地質(zhì)狀況有所有精準(zhǔn)的把握，另外不良地質(zhì)體有較很強(qiáng)的隱蔽性，難以對(duì)隧道沿線不良地質(zhì)狀況精準(zhǔn)說(shuō)明。通常災(zāi)害賦存源在隧道施工影響下可能引發(fā)突水突泥，塌方等地質(zhì)災(zāi)害，帶來(lái)沉重的人員和錢(qián)的損失。TBM 施工環(huán)境龐雜紊亂，看的環(huán)境被 TBM 的電子機(jī)械填滿(mǎn)，金屬系統(tǒng)產(chǎn)生龐雜紊亂的電磁場(chǎng)。

1 TBM 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀

TBM本身是一個(gè)龐然大物，電磁環(huán)境極為龐雜紊亂，誘發(fā)電磁場(chǎng)畸變，引起得強(qiáng)烈影響可能“吞沒(méi)”掌子面前方得物理響應(yīng)，致使在鉆爆法中可用的瞬變電磁技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)均無(wú)法用于 TBM 施工。與此同時(shí)，TBM占了掌子面后方得很大空間，掌子面后方的墻不具備設(shè)置超前探測(cè)測(cè)線，和陣列激發(fā)裝置與傳感器。致使超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的觀測(cè)空間極為狹小，難以對(duì)掌子面前方進(jìn)行觀測(cè)，傳統(tǒng)可用的地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)難以運(yùn)用到 TBM施工里面來(lái)。

總體的來(lái)說(shuō)，目前 TBM 施工中得超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)注重與 TBM 機(jī)械結(jié)合，并且形成自動(dòng)化系統(tǒng)，這代表了 TBM 施工環(huán)境探測(cè)技術(shù)得需要和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 TBM 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法

2.1 宏觀超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

依據(jù)：區(qū)域地質(zhì)資料（水文、工程、巖溶）調(diào)查為基礎(chǔ)，補(bǔ)充野外地質(zhì)勘測(cè)、物探、綜合分析。

作用：預(yù)報(bào)施工會(huì)遇到的不良地質(zhì)類(lèi)型、規(guī)模大小、大體位置，例如：溶洞，暗河，斷層，裂隙。宏觀預(yù)報(bào)其可能性，盡可能詳盡的繪制隧道洞身沿線的主要不良地質(zhì)分布圖。

內(nèi)容：①不良地質(zhì)分布圖。②風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，辨別高風(fēng)險(xiǎn)段，為第二階段做準(zhǔn)備。

2.2 長(zhǎng)距離（100-150米）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

TRT：測(cè)溶洞，暗河，斷層，裂隙，圍巖等級(jí)。

原理：地震波超前預(yù)報(bào)法，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異界面時(shí)，一部分信號(hào)反射回來(lái)被隧道邊墻及頂部的傳感器接收，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)向前傳播。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面和巖體內(nèi)不連續(xù)界面。

方法：靠近掌子面左右邊墻分別布置兩排震源點(diǎn)（每排3個(gè)，共12個(gè)），間距2M，距離第二排震源點(diǎn)10-20M開(kāi)始布置檢波器，共布置4排。第一排檢波器2個(gè)，第二排檢波器3個(gè)，分別位于左右拱底及拱頂，第3、4布置同1、2。最后通過(guò)軟件處理數(shù)據(jù)得出結(jié)果。

2.3 中距離（50-80米）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

多點(diǎn)陣列式瞬變電磁探測(cè)（該方法為傳統(tǒng)瞬變電磁探測(cè)的改進(jìn)）：測(cè)含水構(gòu)造。原理：基于巖土體與水體之間的電阻率差異，通過(guò)觀測(cè)低頻電磁波在水體中激發(fā)的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)來(lái)確定含水構(gòu)造。

方法：利用電磁脈沖激發(fā)，不接地回線向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)斷電后，測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化，通過(guò)觀測(cè)、處理、分析這一隨時(shí)間衰減的變化來(lái)了解介質(zhì)的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

改進(jìn)：

①發(fā)射（或接收）回線裝置材料用非金屬：降低了TBM施工中機(jī)械、電液系統(tǒng)的電磁干擾，使測(cè)量數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)。②發(fā)射（或接收）裝置回線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：與傳統(tǒng)的線框結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)的 3種方式具備輕便、快速拆組、方便運(yùn)輸節(jié)約預(yù)報(bào)時(shí)間1/3-1/2，節(jié)省勞動(dòng)力。③三維探測(cè)：傳統(tǒng)瞬變電磁只能得到二維切片圖像，采用多點(diǎn)陣列式探測(cè)方法能夠采集更多的數(shù)據(jù)，并在三維空間刻畫(huà)掌子面前方的含水形態(tài)。

優(yōu)點(diǎn)：精確測(cè)量出掌子面前方的水的形態(tài)，并匯出三維圖。缺點(diǎn)：只能測(cè)水。

2.4 近距離（30米）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

多同性源陣列激發(fā)極化法（探水）

原理：不同地質(zhì)介質(zhì)之間（圍巖與不良地質(zhì)體）的激電參數(shù)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量分析地質(zhì)體的激電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)探查。在電流激發(fā)作用下，因?yàn)殡娀瘜W(xué)作用引起地質(zhì)介質(zhì)電荷分離，從而產(chǎn)生隨時(shí)間變化的二次電場(chǎng)現(xiàn)象。當(dāng)供電電極 AB供入穩(wěn)定電流，測(cè)量電極MN之間電壓U隨時(shí)間而變化，一般隨著供電時(shí)間而增大并趨于穩(wěn)定的飽和值，當(dāng)斷開(kāi)供電電流，斷電瞬間電壓U急劇下降之后緩慢減小，一段時(shí)間之后衰減到零附近。

觀測(cè)方法：在掌子面后方移動(dòng)探測(cè)。多同性源供電原理，可以減小TBM施工中電極附近異常體的干擾。向掌子面后方移動(dòng)探測(cè)提高探測(cè)距離，不用在掌子面下面測(cè)量，提高人員安全，不隨掌子面開(kāi)挖連續(xù)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常體的三維成像，提高定位精確度。

優(yōu)勢(shì)：①多同性源供電原理，可以減小TBM施工中電極附近異常體的干擾。②向掌子面后方移動(dòng)探測(cè)提高探測(cè)距離，不用在掌子面下面測(cè)量，提高人員安全，③不隨掌子面開(kāi)挖連續(xù)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常體的三維成像，提高定位精確度。

3 結(jié)論與建議

鉆爆法在近些年有很大的進(jìn)步，但離定量化還有有一定差距。隧道掘進(jìn)機(jī)施工（TBM 施工）要求超前預(yù)報(bào)技術(shù)和設(shè)備須要滿(mǎn)足更高的要求，這是以后需攻關(guān)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題?；诖罅康恼{(diào)研和對(duì)理解，認(rèn)為今后隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的 4 個(gè)主要趨勢(shì)和方向包括：隧道施工定量化超前預(yù)報(bào)理論與技術(shù)的發(fā)展深化；TBM 施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)與裝備； 隨鉆或鉆孔精細(xì)超前探測(cè)理論與技術(shù)；實(shí)時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與施工災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)。

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