大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM搭載綜合超前預報技術(shù)實踐

曾云川， 劉建兵， 聶利超

(1. 云桂鐵路云南有限公司， 云南 昆明 650011； 2. 山東大學， 山東 濟南 250100)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和交通強國戰(zhàn)略的實施，我國的交通基礎(chǔ)建設(shè)迎來了新的發(fā)展階段，隧道及地下工程領(lǐng)域發(fā)展到了一個黃金機遇期。目前，我國已建成27 000 km鐵路、公路隧道，未來10年將新建隧道上萬km。我國已成為世界上隧道(洞)修建數(shù)量最多、規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國家[1-3]。隨著隧道數(shù)量的不斷增加，隧道建設(shè)向長距離、大埋深的方向發(fā)展，TBM以其較快的掘進速度、相對安全的施工優(yōu)勢，在隧道修建中發(fā)揮著不可替代的作用。但是，TBM在進行隧道開挖過程中，面臨的困難和挑戰(zhàn)日益突出，隧道內(nèi)部地層巖性等變化層出不窮，TBM無法準確預知前方的不良地質(zhì)信息而容易發(fā)生隧道坍塌、突水突泥等地質(zhì)災害[4]，造成不必要的經(jīng)濟損失，甚至發(fā)生TBM卡機事故，嚴重影響施工進度和人身安全。所以，對于TBM施工隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的探測和預報已刻不容緩[5]。

國內(nèi)外研究者對于隧道的超前探測做出了大量的研究，研發(fā)了許多超前探測方法，例如超前鉆探、地震波法、地質(zhì)雷達法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法等[6]。瞬變電磁法和地質(zhì)雷達法等電磁類方法因受到TBM強烈電磁以及金屬體的干擾難以應用于TBM隧道中。地震波法首先被應用于TBM隧道，例如： Petronio等[7]提出了隧道隨鉆地震超前探測技術(shù)(TSWD)，用于TBM隧道的超前探測； 德國GFZ公司研制的ISIS技術(shù)，利用氣錘產(chǎn)生脈沖信號，可以實現(xiàn)主動源超前探測[8]； 李術(shù)才等[9]提出了搭載于TBM的破巖震源和主動源地震波法，并已在工程實踐中得到驗證； 中鐵西南科學研究院研發(fā)的HSP聲波發(fā)射技術(shù),利用刀盤切割激發(fā)信號作為震源，實現(xiàn)了TBM掘進掌子面前方不良地質(zhì)的超前預報[10]。除了地震波法，電法也被應用于隧道的超前預報，例如： 德國GD公司研發(fā)的BEAM系統(tǒng),通過連續(xù)獲取探測區(qū)域內(nèi)圍巖視電阻率與頻率效應百分比，對掌子面前方地下水以及圍巖完整性做出判斷[11]； 李術(shù)才等[12]提出TBM搭載的激發(fā)極化的方案，可以用于掌子面前方含水體的定位與水量估算。然而，單一的超前地質(zhì)預報方法僅對一種物性敏感，難以全面描述異常體地質(zhì)的屬性。因此，綜合超前預報已成為目前研究的趨勢之一。

曲海鋒等[13]以地面地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達、TSP 3種超前地質(zhì)預報技術(shù)為手段，基于系統(tǒng)論的觀點提出和建立綜合地質(zhì)預報方法和思想體系，并結(jié)合廣仁嶺公路隧道，驗證了該方法的可行性和有效性。Wang等[14]通過TRT、紅外探水、探地雷達超前地質(zhì)預報方法和隧道設(shè)計資料對大獨山隧道進行了斷層破碎帶、巖溶裂隙區(qū)以及富水區(qū)的探測，說明全面、超前的地質(zhì)預報是高風險隧道安全施工的保證。Li等[15]利用激發(fā)極化法和地震波法對吉林引松輸水工程進行了超前地質(zhì)勘察，準確探明了掌子面前方的斷層破碎帶和含水構(gòu)造等不良地質(zhì)的情況，避免了突水突泥和塌方等災害的發(fā)生，保證了TBM安全、高效地掘進。Reinhold等[16]借助于地質(zhì)素描、地震波法等方法對Brenner Base隧道進行建模預測，說明了不同勘探方法的優(yōu)缺點，并根據(jù)它們之間的互補性，形成了綜合預測模型。選擇隧道綜合超前預報方法可以使隧道探測更加準確，能夠最大限度地避免地質(zhì)災害的發(fā)生，保證隧道安全施工與人民生命財產(chǎn)安全。

以上研究主要針對超前地質(zhì)預報方法和理論，對于TBM隧道綜合預報指導動態(tài)施工管理的方法卻鮮有報道。本文以高黎貢山隧道為例，通過地震波法和激發(fā)極化法對掌子面前方進行綜合超前地質(zhì)預報，探明前方不良地質(zhì)體以及含水體的情況，以期為施工單位進行動態(tài)施工管理提供指導，保證TBM隧道施工安全，并為以后TBM隧道施工模式的選擇提供一定參考。

1 工程概況與不良地質(zhì)分析

1.1 工程概況

高黎貢山隧道全長34.5 km，為大瑞鐵路的控制性工程。該隧道位于云南省西部(見圖1)，隧道最大埋深達1 155 m，埋深超過500 m的隧道段落長26.8 km。隧道入口21 km處采用鉆爆法施工，出口13.5 km處采用TBM施工[17]。

圖1 高黎貢山隧道位置圖

1.2 不良地質(zhì)分析

高黎貢山隧道地質(zhì)縱斷面圖如圖2所示。高黎貢山隧道所屬的區(qū)域大部分位于滇西南地震帶，小部分處于鮮水河-滇東地震帶。區(qū)域內(nèi)地震活動強度大、頻度高，并穿越鎮(zhèn)安斷層、勐冒斷層等活動斷裂。同時，高黎貢山隧道工區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞縫合帶附近，穿越其兩兩相互碰撞匯聚的金沙江縫合帶、瀾滄江縫合帶、保山地塊與騰沖地塊碰撞匯聚之怒江縫合帶，工程地質(zhì)條件極為復雜，具有“三高”(高地熱、高地應力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過程)的特征，施工難度極高，工程建設(shè)風險突出。

高黎貢山隧道圍巖巖性以花崗巖(D1K+209～+225段落)為主。由于當?shù)氐膬?nèi)動力地質(zhì)作用活躍，花崗巖巖體的裂隙程度較高，加上云南多雨的潮濕氣候，花崗巖與雨水經(jīng)年累月地發(fā)生物理化學反應，強度逐漸下降，特別是在風力的帶動作用下，破碎的花崗巖堆積在深切河谷以及斷層地區(qū)，形成較厚的破碎巖體風化層。隨著時間的推移，形成的巖層產(chǎn)狀變化較大，巖體完整性較差，巖體極為破碎稀松，在隧道開挖過程中，容易發(fā)生掉塊、塌腔、突水突泥等地質(zhì)災害，嚴重影響隧道施工安全。

圖2 高黎貢山隧道地質(zhì)縱斷面圖[18]

2 TBM隧道綜合超前預報與施工管理

通過TBM隧道綜合超前預報(地質(zhì)分析、地震波法、激發(fā)極化法)獲得掌子面前方的不良地質(zhì)情況，以為隧道的施工管理提供參考，及時調(diào)整施工設(shè)計； 同時采取合理有效的方法進行現(xiàn)場施工，避免隧道內(nèi)發(fā)生突水突泥等地質(zhì)災害。施工的同時，加強現(xiàn)場監(jiān)控量測，避免隧道內(nèi)二次災害的發(fā)生。TBM綜合超前預報及施工管理流程如圖3所示。

圖3 TBM綜合超前預報與施工管理流程

2.1 TBM隧道綜合超前預報

為了對掌子面前方的地質(zhì)情況進行準確地預報，采用綜合超前預報的方法進行探測。綜合超前預報方法包括： 地質(zhì)分析、地震波法以及激發(fā)極化法。通過地質(zhì)分析對隧道掌子面前方地質(zhì)情況進行預估，判斷可能發(fā)生的地質(zhì)災害； 通過地震波法獲取掌子面前方異常地質(zhì)情況，如斷層破碎帶等不良地質(zhì)體； 采用激發(fā)極化法對前方含水體進行水量定位和估算。同時，在地質(zhì)解譯的過程中，將前期地質(zhì)分析的結(jié)果和地震波法的信息加入激發(fā)極化的解譯和反演中，采用模型參數(shù)約束反演，解決反演結(jié)果的非唯一性問題，提高探測精度。

2.1.1 地質(zhì)分析

在隧道修建前，在隧道軸線地表附近，通過踏勘以及地面鉆孔的方法，推測地下地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育情況等工程地質(zhì)條件，粗略估計當?shù)貒鷰r的等級、地下水含量等地質(zhì)情況，分析修建隧道過程中可能發(fā)生的地質(zhì)災害。在隧道修建過程中，根據(jù)已開挖段落的節(jié)理、層理等構(gòu)造以及地下水發(fā)育情況，估計掌子面前方的地質(zhì)情況，為隧道超前預報提供基本地質(zhì)信息與部分圍巖物理性質(zhì)信息。

2.1.2 地震波法

高黎貢山隧道正洞利用搭載于TBM的破巖震源進行地震波超前探測[9]。TBM破巖震源地震波超前探測利用TBM掘進過程中刀具破巖產(chǎn)生的強烈震動作為震源，進行TBM施工前方不良地質(zhì)的實時超前預報。該方法在刀盤后方搭載先導傳感器獲取破巖震動信號，并借助于在TBM隧道邊墻上搭載的接收傳感器，實現(xiàn)對破巖震動引起的反射波的采集，通過將先導傳感器信號與接收傳感器信號進行聯(lián)合處理，實現(xiàn)掌子面前方地質(zhì)情況的實時預測。破巖震源地震波實時超前探測的基本原理： 當?shù)毒咂茙r產(chǎn)生的地震波遇到波阻抗(密度與波速的乘積)差異界面時，一部分信號透射進入前方介質(zhì)，一部分信號被反射回來被高靈敏的地震信號傳感器接收，如圖4所示。波阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面，因此，通過對接收到的地震信號進行分析處理(在數(shù)據(jù)處理成像過程中，采用Ashida等[19]提出的等走時平面算法)，可以探明隧道工作面前方不良地質(zhì)(如軟弱帶、破碎帶、斷層等)的性質(zhì)、位置及規(guī)模[20]。

圖4 地震波法原理圖

2.1.3 激發(fā)極化法

高黎貢山隧道采用搭載于TBM的激發(fā)極化超前探測系統(tǒng)進行不良地質(zhì)含水體探測[10]。將供電電極系集成到TBM的護盾上，并沿環(huán)向布置； 測量電極系集成在刀盤上，刀盤上通過開孔的方式搭載測量電極系，TBM施工時測量電極系收縮到刀盤的刀艙中。采用多芯電纜與供電電極系和測量電極系連接，同時設(shè)計單芯電纜連接電極B與N，探測儀器安裝在TBM主控室，電纜連接到主控室的儀器。測量時，通過液壓系統(tǒng)推出電極伸縮到掌子面，實現(xiàn)激發(fā)極化超前探測。

采用的隧道激發(fā)極化多同性源陣列觀測技術(shù)原理如圖5所示。在掌子面后方隧道洞壁布置4個供電電極，組成供電電極系(電極A)；供電B電極與N電極位于隧道后方無窮遠處。探測時，4個供電電極系A(chǔ)供入相同電流，陣列測量電極M的電勢。測量結(jié)束后，沿隧道軸線向后移動供電電極系A(chǔ)，繼續(xù)測量電極M的電勢，直至電極A移動到預定的探測位置時測量結(jié)束[21]。此方法可以實現(xiàn)掌子面前方30 m距離的含水體的探測。

圖5 激發(fā)極化多同性源陣列觀測技術(shù)原理圖

在進行激發(fā)極化反演時施加模型參數(shù)約束。將前期踏勘、地質(zhì)鉆探中獲得的介質(zhì)電阻率信息以及采用地震波法獲得的異常體界面信息映射到激發(fā)極化反演得到參考模型，并在激發(fā)極化反演中施加參考模型約束，引導反演向信息確定的方向進行，對于反演解的多解性起到壓制作用[22]。

2.2 施工管理

隧道工程在修建過程中，由于其距離長、埋深大等因素，不同于其他路面建設(shè)工程，具有特殊性[23]。隧道施工周期長、投資大，需要的建設(shè)材料種類多樣，機械投入大； 且隧道工程大多位于山嶺地帶，圍巖、地下水等地質(zhì)情況復雜，不確定性因素繁多，在建設(shè)過程中極易發(fā)生突水突泥、掉塊坍塌等多種施工災害，嚴重威脅施工人員以及施工機械的安全。為了保證隧道安全、高效施工，合理正確的施工管理是必不可少的。

在隧道建設(shè)過程中，應首先借助搭載于TBM的地震波探測系統(tǒng)以及激發(fā)極化探測系統(tǒng)對掌子面前方進行超前探測，探明掌子面前方的不良地質(zhì)。根據(jù)解譯結(jié)果，施工方應與超前地質(zhì)預報團隊開展聯(lián)合會商，結(jié)合超前地質(zhì)預報成果分析掌子面前方的地質(zhì)情況，并在此基礎(chǔ)上制定針對性的處置方案，從而保證施工人員與機械的安全，避免出現(xiàn)TBM卡機等事故。

通過采用“先超前預報，后施工管理，再掘進施工”的施工策略，可以在基本已知前方地質(zhì)條件的情況下制定掘進策略，從而有效避免過去僅憑經(jīng)驗施工帶來的局限性，并在很大程度上提高TBM施工的安全性。

3 工程實踐

高黎貢山隧道主洞彩云號TBM搭載的超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在完成調(diào)試和測試后，至今已施作90余次，累計里程近7 km，全部探明施工過程中的重大不良地質(zhì)災害源，例如D1K226+014處塌腔涌水、D1K224+348和D1K224+310處強風化破碎帶、D1K224+220處破碎富水區(qū)、D1K223+342～+313段落強風化破碎區(qū)、D1K221+902處風化破碎區(qū)、D1K220+848和D1K220+510處裂隙股狀水等。探測結(jié)果與開挖結(jié)果對比驗證如表1所示。實踐表明，采用搭載的綜合超前地質(zhì)預報系統(tǒng)可使2種方法相互補充、聯(lián)合解譯、綜合分析，更加準確地預報掌子面前方的含水體與圍巖完整性的變化，預報準確率大大提高，且搭載式儀器操作簡便快捷，可以滿足TBM快速施工的需要。

表1 探測結(jié)果及開挖結(jié)果對比驗證

3.1 地質(zhì)分析

研究區(qū)域地質(zhì)情況如圖6所示。探測樁號D1K221+365附近地表大面積出露燕山期侵入花崗巖，受構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，侵入巖活動頻繁，易形成風化槽，隧道圍巖穩(wěn)定性差。除花崗巖之外，還大面積出露震旦—寒武系公養(yǎng)河群變質(zhì)巖帶，巖性為灰綠色變質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)長石石英雜砂巖、變質(zhì)粉砂質(zhì)板巖夾細粉晶白云巖。此外，小面積出露志留系頁巖、砂質(zhì)白云巖、砂巖、粉砂巖。

已開挖段落D1K221+400～+370圍巖破碎，裂隙較發(fā)育，局部塌腔。在護盾后方左側(cè)洞壁密集掉塊及護盾后方右側(cè)塌腔(見圖6(b))，底部股狀出水，圍巖線狀流水； 在D1K221+370右側(cè)底部鉆孔股狀涌水(見圖6(c))，涌水量約10 m3/h。對于探測段落D1K221+365～+265，由之前踏勘和開挖段落可以確定其位于花崗巖出露區(qū)，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，侵入巖活動頻繁，尤其鄰近地層接觸帶(D1K221+300附近為花崗巖與志留系變質(zhì)細砂巖)，涌水量會有所增加； 若處理不及時或處理不當，易出現(xiàn)大規(guī)模坍塌，甚至冒頂，導致地表水直接進入隧道，形成涌水涌泥。

(a) 區(qū)域地表水文地質(zhì)圖

(b) 圍巖塌腔(D1K221+400～+370)

(c) 股狀涌水(D1K221+370)

3.2 地震波探測分析

在掌子面D1K221+365處進行地震勘探，確定掌子面前方斷層等不良地質(zhì)體的情況。其勘探范圍在z方向為100 m，在x、y方向為20 m(在直角坐標系中，x方向為垂直于隧道底面的向上方向，y方向為掌子面寬度方向，z方向為開挖方向)，同時采用2.1.2節(jié)提到的等走時平面算法進行地震的偏移成像，結(jié)果如圖7所示。圍巖的巖石特性通過偏移成像的圖來反映，選取絕對振幅較大的點進行顯示。

通過勘測區(qū)域的地震波反射成像圖和地質(zhì)分析，推斷解譯如下。

1)D1K221+365～+345段落： 在反射圖像上，未出現(xiàn)明顯正負反射，推斷該段落圍巖破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔。

2)D1K221+345～+305段落： 在反射圖像上，出現(xiàn)正負反射，推斷該段落圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中，D1K221+325附近圍巖破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔。

3)D1K221+305～+265段落： 在反射圖像上，出現(xiàn)明顯正負反射，推斷該段落圍巖破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔，其中，D1K221+300～+275段落接近地層接觸帶，圍巖裂隙發(fā)育，開挖易形成塌腔。

圖7 TBM破巖震源地震成像

3.3 激發(fā)極化法探測分析

為了確定D1K221+365前方含水體的情況，進行了隧道三維激發(fā)極化超前探測，同時借助于模型參數(shù)約束反演，得到激發(fā)極化反演圖像，如圖8所示。其中，X方向表示豎直方向，Y方向表示掌子面寬度方向，Z方向表示開挖方向，坐標原點為掌子面中心位置； 紅色代表高阻區(qū)域，藍色代表低阻區(qū)域。

圖8 激發(fā)極化三維成像圖

綜合水文地質(zhì)分析和激發(fā)極化探測結(jié)果，可得到：

1)D1K221+365～+345段落，三維激發(fā)極化圖像激發(fā)極化較低，推斷開挖時掌子面前方會出現(xiàn)線狀流水，裂隙發(fā)育處股狀出水；

2)D1K221+345～+335段落，激發(fā)極化圖像激發(fā)極化較前一段有所增加，推斷該段落會出現(xiàn)滴水，局部裂隙發(fā)育處會出現(xiàn)線狀流水。

4 施工處置措施及驗證

4.1 施工處置措施

由第3節(jié)可知，隧道開挖過程中發(fā)生了掉塊、塌腔等不良地質(zhì)，為了防止不良地質(zhì)進一步發(fā)展、保證施工人員以及機械的安全，采取了合理的施工管理措施進行處理。

對于已開挖的隧道掉塊坍塌部分進行立拱處理，防止掉塊以及坍塌等二次災害的發(fā)生。立拱完成后進行混凝土注漿加固，對前方掉塊區(qū)域(D1K221+342～+337)實施泵送混凝土回填，同時為保證回填飽滿密實，在該拱頂位置徑向打設(shè)注漿管，注漿管布置如圖9(a)所示； 注漿管的長度、規(guī)格應滿足設(shè)計要求，其結(jié)構(gòu)如圖9(b)所示。

(a) 注漿管布置示意圖

(b) 注漿管結(jié)構(gòu)圖

注漿管埋設(shè)后，使用應急噴射C25初期支護混凝土對注漿加固段全環(huán)應急噴射混凝土封閉，防止注漿過程中出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。噴漿過程中需注意對設(shè)備進行覆蓋，避免回彈料堆積在設(shè)備上，造成設(shè)備損害，噴射混凝土過程中及時鏟除鼓包。

根據(jù)TBM綜合超前探測結(jié)果進行合理地施工設(shè)計，決定先開挖后進行治理，現(xiàn)場施工采取有效的措施，保證隧道建設(shè)順利進行，保證TBM安全、高效地施工。

4.2 現(xiàn)場驗證

探測結(jié)束后，TBM在隧道內(nèi)繼續(xù)向前掘進，掘進過程中發(fā)現(xiàn)圍巖破碎，且在D1K221+324處發(fā)生圍巖掉塊塌腔，如圖10(a)所示； 同時，該段落大部分地區(qū)出現(xiàn)滴水和滲水，其中，D1K221+355處發(fā)生線狀流水(如圖10(b)所示)，與超前探測結(jié)果一致?，F(xiàn)場驗證結(jié)果表明，采用本文提出的方法所取得的預報成果與開挖結(jié)果基本一致，符合工程應用要求。

(a) 圍巖掉塊塌腔

(b) 線狀流水

5 結(jié)論與展望

本文通過對高黎貢山隧道D1K221+365處進行地震波法和激發(fā)極化法綜合超前地質(zhì)預報分析，并進行施工動態(tài)管理，得出以下結(jié)論：

1)借助地震波法和激發(fā)極化法對隧道掌子面前方進行探測，可以發(fā)揮每種方法的優(yōu)勢并進行互補，可以較好地反映掌子面前方的不良地質(zhì)情況，對斷層破碎帶以及含水體進行超前預報，指導TBM安全、高效地施工。

2)合理的TBM施工動態(tài)管理至關(guān)重要，在隧道修建過程中，根據(jù)掌子面前方的地質(zhì)情況及時進行相應的動態(tài)施工措施，可有效避免坍塌、突水突泥等災害的發(fā)生。

通過采用本文提出的搭載于TBM的超前地質(zhì)預報指導動態(tài)施工管理的方法，可以有效提高TBM施工安全，避免發(fā)生不良地質(zhì)災害。但目前僅研究了適用于敞開式TBM的搭載與動態(tài)施工管理辦法，未來將對更多TBM機型開展研究，以期為TBM安全、高效地施工提供參考。

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