盾構(gòu)法預(yù)制拼裝隧道超前探水預(yù)報(bào)研究與實(shí)踐

胡新濤，徐樹軍，周 昆，劉成龍，姚琦發(fā)

[1.青島市地鐵四號(hào)線有限公司，山東 青島266000；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250101；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市100083；4.北京同度工程物探技術(shù)有限公司，北京市102209]

0 引 言

盾構(gòu)法修建城市軌道交通隧道歷久彌新、源遠(yuǎn)流長(zhǎng)[1]。伴隨著我國(guó)交通、水利水電建設(shè)工程的興盛，具有“高效、高質(zhì)量、高效益”優(yōu)勢(shì)的盾構(gòu)法必將大展身手[2-5]。盾構(gòu)法是一種易進(jìn)難退的全斷面施工技術(shù)，對(duì)地質(zhì)條件變化十分敏感。在遇到含水構(gòu)造作為災(zāi)害源引發(fā)的突泥涌水時(shí)，若不能提前、及時(shí)處理則十分危險(xiǎn)，易產(chǎn)生重大工程事故，造成難以估量的人身財(cái)產(chǎn)損失[6-9]。目前，在TBM 施工中開展超前預(yù)報(bào)的方法較多，如德國(guó)的應(yīng)用聚焦頻域激發(fā)極化原理的BEAM（Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring）技術(shù)[10，11]與基于面波-橫波轉(zhuǎn)換波模型的ISP（Integrated Seismic Prediction）技術(shù)[12]，日本的利用掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行超前探測(cè)[13]等。在國(guó)內(nèi)，則有學(xué)者研究用三維激發(fā)極化法[14]、HSP 聲波反射法[15]、TST法、CFC 法進(jìn)行超前探測(cè)。綜上所述，敞開式TBM 施工隧道可應(yīng)用的方法較多，但盾構(gòu)隧道中適用的探測(cè)方法較少，在這少數(shù)的探測(cè)方法中，多數(shù)為探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造的方法，探水的方法甚少，且不成熟。這原因在于：（1）盾構(gòu)刀盤占據(jù)了掌子面，需要在掌子面上觀測(cè)的方法難以實(shí)現(xiàn)；（2）龐大的金屬機(jī)具產(chǎn)生的復(fù)雜的電磁環(huán)境背景致使常規(guī)電法探測(cè)效果不盡人意；（3）管片隔開了探測(cè)儀器與巖土，信號(hào)采集不便。目前盾構(gòu)隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)研究有兩條路線：一種是與盾構(gòu)機(jī)集成，做智能掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)，這種適用于新建掘進(jìn)機(jī)[16]；另一種是便攜式儀器設(shè)備，用于現(xiàn)有盾構(gòu)施工隧道開展具有針對(duì)性的超前預(yù)報(bào)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)著重探討便攜式電磁波預(yù)報(bào)系統(tǒng)，用以在盾構(gòu)管片隧道中進(jìn)行探水預(yù)報(bào)。本文總結(jié)了盾構(gòu)隧道中電磁波反射法設(shè)備的數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)，并通過理論分析、工程應(yīng)用和反饋對(duì)其開展了相關(guān)研究工作。最終歸納出一套適用于盾構(gòu)隧道的便攜式超前探水方法，供廣大從事超前預(yù)報(bào)工作的技術(shù)人員學(xué)習(xí)、參考，也希望對(duì)面臨類似地質(zhì)問題的盾構(gòu)隧道提供借鑒，以期推動(dòng)盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理及系統(tǒng)

在上世紀(jì)90 年代初的起步階段，超前預(yù)報(bào)方法主要以地質(zhì)調(diào)查分析為主，但是很快就發(fā)現(xiàn)僅靠地質(zhì)分析難以解決復(fù)雜地質(zhì)條件與深埋隧道的地質(zhì)預(yù)測(cè)問題，必須借助物探手段。地震方法和電磁方法先后加入到隧道超前預(yù)報(bào)的隊(duì)伍中來，發(fā)展出諸多具有不同特點(diǎn)的預(yù)報(bào)技術(shù)。哪些方法技術(shù)更適合隧道超前預(yù)報(bào)，如何操作才能取得科學(xué)可靠的結(jié)果，這些都需要從基本原理上進(jìn)行界定。

1.1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)理論分析

物探方法從物性上可分為地震方法和電磁方法，從物理場(chǎng)的特點(diǎn)上進(jìn)行分類，地球物理場(chǎng)從傳播特點(diǎn)上可分為三類，波動(dòng)場(chǎng)，擴(kuò)散場(chǎng)，諧和場(chǎng)。這三種場(chǎng)的探測(cè)能力有天壤之別，波動(dòng)場(chǎng)最優(yōu)，擴(kuò)散場(chǎng)次之，諧和場(chǎng)最差。

波動(dòng)場(chǎng)包括地震波場(chǎng)和電磁波場(chǎng)。波動(dòng)場(chǎng)具有三個(gè)重要的特點(diǎn)，使它具有優(yōu)異的探測(cè)能力。第一，波在傳播中遇到波阻抗變化界面會(huì)發(fā)生反射和散射，利用反射波和散射波可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；第二，均勻介質(zhì)中波沿直線傳播，具有明顯的方向性，可以用來確定目標(biāo)的方位；第三，波的傳播具有速度，可以根據(jù)傳播時(shí)間確定目標(biāo)的距離。這三個(gè)特點(diǎn)使得反射波和散射法成為各種地質(zhì)探測(cè)應(yīng)用的首選。TSP、TST、TGP等地震波反射、散射法在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中是主要的方法。探空雷達(dá)、探地雷達(dá)（GPR）、CFC 等設(shè)備應(yīng)用的是電磁波反射法，也是隧道超前預(yù)報(bào)工作的常用方法。

擴(kuò)散場(chǎng)的傳播與空間梯度有關(guān)，具有體效應(yīng)。局部異常對(duì)場(chǎng)的影響在傳播中被平滑和削弱，遠(yuǎn)處場(chǎng)對(duì)目標(biāo)異常不敏感。擴(kuò)散場(chǎng)的傳播不是與時(shí)間成線性，而是與時(shí)間的平方根成正比。這些特點(diǎn)導(dǎo)致難以用來確定目標(biāo)體的方位、距離、大小。常用的方法包括瞬變電磁（TEM）等。

諧和場(chǎng)是一種穩(wěn)定場(chǎng)，局部異常對(duì)場(chǎng)的貢獻(xiàn)僅限于異常體附近，從遠(yuǎn)處難以觀測(cè)到異常體的影響。外部探測(cè)只能通過改變觀測(cè)位置來推測(cè)異常體的強(qiáng)度、位置、大小，所獲得的結(jié)果是多解的，難以定量，不能運(yùn)用到工程之中。諧和場(chǎng)包括重力場(chǎng)、磁力場(chǎng)和靜電場(chǎng)，這些方法在隧道超前預(yù)報(bào)中應(yīng)盡量避免采用。

1.2 CFC 超前探水技術(shù)原理

CFC 是一種中頻電磁波反射法探水技術(shù)[16]。GPR使用高頻電磁波，探測(cè)距離30 m 左右；CFC 使用1MHz 為主頻的中頻電磁波，探測(cè)距離100 m 左右。含水巖體具有電磁波阻抗、波速、波長(zhǎng)和趨膚深度降低，損耗比增大的特性（如表1 所列），在含水巖體與干燥巖體接觸帶電磁波發(fā)生反射和相干，接收反射波進(jìn)行CFC 計(jì)算得到前方圍巖的含水率和含水量。

表1 干燥巖體與含水巖體的物理參數(shù)差異表

2 管片結(jié)構(gòu)解析及探測(cè)方法的改進(jìn)

盾構(gòu)隧道由于掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭和管片結(jié)構(gòu)，將設(shè)備與周圍的土體、巖土分割開來。那么原來在鉆爆隧道里面應(yīng)用廣泛的超前預(yù)報(bào)設(shè)備無(wú)法直接應(yīng)用。

2.1 盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭的限制

GPR、TEM 等方法采用空氣耦合天線或線圈，在掌子面進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)射的電磁波在隧道內(nèi)通過空氣耦合，再進(jìn)入到圍巖中。在盾構(gòu)隧道中掌子面被刀盤和護(hù)盾阻擋、占據(jù)，導(dǎo)致這兩種設(shè)備不適用。

CFC 方法在隧道兩側(cè)壁進(jìn)行陣列式觀測(cè)，不受盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭占位的影響。整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)中發(fā)射和接收電極的分布類似魚骨天線，可以改善觀測(cè)的方向性，增強(qiáng)掌子面前方反射回來的信號(hào)，壓制側(cè)向信號(hào)[16]。

圖1 為CFC 超前探水觀測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖1 CFC 超前探水觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 管片的限制

在盾構(gòu)隧道內(nèi)開展CFC 超前探水工作，與以往在鉆爆、敞開式TBM 等隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集方式不同[17]，需要根據(jù)管片的結(jié)構(gòu)尺寸，重新設(shè)計(jì)陣列式觀測(cè)系統(tǒng)中發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的間距；需要摒棄以往CFC 采用的錨桿電極，轉(zhuǎn)而采用金屬網(wǎng)電極。在管片背面布置50 cm×50 cm 金屬網(wǎng)作為電極，如圖2 所示，通過注漿孔用導(dǎo)線連接CFC 儀器。這種在襯砌與圍巖之間布置電極網(wǎng)的工作方式，有效地削弱、避免了隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的電磁干擾。

圖2 金屬網(wǎng)電極之圖示

CFC 數(shù)據(jù)采集流程如下：首先，根據(jù)管片襯砌設(shè)計(jì)相關(guān)資料，找到對(duì)應(yīng)位置的管片襯砌（對(duì)應(yīng)編號(hào)）。將金屬網(wǎng)掛到管片背面（與圍巖接觸一側(cè)），用導(dǎo)線連接電極網(wǎng)并通過注漿孔引出。然后，等盾構(gòu)機(jī)施工，將管片安裝到對(duì)應(yīng)位置（見圖3）。至所有帶電極網(wǎng)的管片襯砌都安裝完畢時(shí)，可進(jìn)行CFC 數(shù)據(jù)采集。發(fā)射機(jī)連接左右兩側(cè)正負(fù)發(fā)射電極網(wǎng)，接收機(jī)依次連接每排接收電極，陣列式采集接收數(shù)據(jù)。

圖3 裝好金屬網(wǎng)電極的管片安裝之圖示

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 工程概況

青島地鐵四號(hào)線李家下莊站—嶗山科技城站區(qū)間起點(diǎn)位于遼陽(yáng)路和同安路路口北約350 m 處，向北偏東沿張村河走向。區(qū)間起始段下穿張村河，其余段下穿民房至科苑緯一路孫劉橋附近。李嶗區(qū)間左線地勢(shì)起伏平坦，整體呈由西向東北緩傾，地貌類型主要為河流侵蝕堆積區(qū)，在里程ZDK17+846.05～ZDK17+853.3 段為剝蝕殘丘地貌。通過鉆探揭示，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)第四系厚度0.8～17.2 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層、陸相沖洪積粉質(zhì)黏土、中粗砂及上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、碎石土。基巖主要為燕山晚期花崗巖、局部燕山晚期侵入細(xì)粒花崗巖、煌斑巖巖脈，局部受構(gòu)造作用影響，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育。洞身范圍內(nèi)主要地層為中、微風(fēng)化花崗巖，局部發(fā)育花崗巖（砂土狀、塊狀碎裂巖）及節(jié)理密集帶，局部侵入細(xì)?；◢弾r、煌斑巖巖脈。根據(jù)地下水補(bǔ)給埋藏條件及水化學(xué)類型等特征，該工點(diǎn)地下水類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中第四系潛水向下補(bǔ)給基巖裂隙水。

3.2 綜合超前預(yù)報(bào)（ZDK17+458～ZDK17+558 段）

根據(jù)地表勘察和地質(zhì)分析，該段穿越構(gòu)造碎裂巖帶。受場(chǎng)區(qū)區(qū)域構(gòu)造影響，該段碎裂巖和節(jié)理密集帶較發(fā)育，富水性、透水性中等。為保障施工安全，防止圍巖坍塌變形和沿裂隙面滲水嚴(yán)重，導(dǎo)致地面沉降過大等問題，隨即開展CFC 法探測(cè)破碎區(qū)域含水情況。

對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，基于所有記錄的相干譜，結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行合成孔徑偏移成像[17，18]，反演成像結(jié)果如圖4 所示。圖中橫坐標(biāo)為里程（單位：m），色標(biāo)為反射系數(shù)，深色代表反射能量較強(qiáng)，圍巖含水量較大，淺色代表反射能量較弱，圍巖干燥。色標(biāo)的劃定采用百分比相對(duì)值。CFC 計(jì)算出該段平均介電常數(shù)為8.429，反映該段區(qū)域圍巖整體含水，結(jié)合地質(zhì)情況推測(cè)存在裂隙水。ZDK17+458～ZDK17+533 段CFC 成果圖顯示大部分區(qū)域以淺色條紋為主，電磁反射波弱，反映該段圍巖大部分區(qū)域弱含水。其中，ZDK17+495 處CFC 成果圖中出現(xiàn)橘黃色條紋，說明該處存在含水裂隙，且水量較大。而在ZDK17+533～ZDK17+558 段，CFC 成果圖中以淺色條紋為主，在90 m 附近存在黃色、綠色條紋，說明電磁反射波增強(qiáng)，反映該段圍巖整體含水，局部含水量稍大。綜合分析該處為含水破碎帶，圍巖破碎含水。

圖4 地震波法和CFC 法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)反演成像之圖示

4 應(yīng)用效果

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至ZDK17+458～ZDK17+580 段，圍巖完整干燥，ZDK17+478 處刀盤前方圍巖如圖5 所示。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至ZDK17+490 處，刀盤前方大量涌水，如圖6 所示。掘進(jìn)至ZDK17+533～ZDK17+558段，圍巖破碎含水，渣樣如圖7 所示，與預(yù)報(bào)結(jié)果較為一致。施工方及時(shí)采取排水措施，減輕出水災(zāi)害造成的損失及對(duì)施工的干擾。

圖5 開挖揭露：掌子面圍巖完整干燥之圖示

圖6 開挖揭露：刀盤內(nèi)開挖揭露涌水照片之實(shí)景

圖7 開挖揭露：出渣口流水照片之實(shí)景

5 結(jié)論與討論

目前盾構(gòu)法預(yù)制拼裝隧道的超前探水預(yù)報(bào)技術(shù)研究不多，且實(shí)際工程應(yīng)用較少。現(xiàn)針對(duì)盾構(gòu)隧道的破碎富水帶不良地質(zhì)情況進(jìn)行系統(tǒng)研究，取得了一定的階段性成果。

（1）通過地球物理場(chǎng)理論分析可知，在隧道超前預(yù)報(bào)應(yīng)用領(lǐng)域，電磁波反射方法具有優(yōu)異探測(cè)能力，是后續(xù)研究應(yīng)用的方向，應(yīng)該大力推廣。

（2）對(duì)CFC 超前探水技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)采集方式進(jìn)行改進(jìn)，使其適應(yīng)盾構(gòu)隧道的管片結(jié)構(gòu)。結(jié)合地震波方法進(jìn)行綜合超前預(yù)報(bào)，能有效預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況。對(duì)隧道前方圍巖含水的定性預(yù)報(bào)，與開挖揭露基本相符，但無(wú)法分段計(jì)算圍巖的介電常數(shù)，對(duì)含水量的精細(xì)化預(yù)報(bào)還需進(jìn)一步研究。