綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在TBM隧道動態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用

沈維 盧松

為解決施工中隧道地質(zhì)條件變化而導(dǎo)致隧道支護參數(shù)不匹配問題，保證TBM施工期各設(shè)計參數(shù)更為合理，以綜合地質(zhì)預(yù)報成果與揭露圍巖情況為基礎(chǔ)，實現(xiàn)TBM施工期的隧道動態(tài)設(shè)計，確保隧道施工及運營期結(jié)構(gòu)安全、可靠。依托高黎貢山隧道TBM施工的某不良地質(zhì)段，基于傳統(tǒng)的地質(zhì)分析信息、TSP法預(yù)報信息外，還引入了TBM搭載的地震波法和激發(fā)極化法等專用預(yù)報技術(shù)，配合地質(zhì)編錄和超前地質(zhì)鉆探，各方法相互補充、印證，使得隧道掌子面前方的地質(zhì)情況判析更準確。該綜合分析技術(shù)與設(shè)計的動態(tài)響應(yīng)在隧道TBM施工段的實施，有效地指導(dǎo)了隧道TBM施工方案及隧道支護設(shè)計參數(shù)的制定，取得了良好的應(yīng)用效果，為隧道施工動態(tài)設(shè)計提供了有力的保障。

綜合地質(zhì)預(yù)報； TBM； 隧道； 動態(tài)設(shè)計

U455.44 A

［定稿日期］2022-10-17

［基金項目］中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發(fā)計劃（系統(tǒng)重大項目，項目編號：P2018G048）；中國中鐵科技研發(fā)計劃（項目編號：2020-重點-18）；中鐵二院工程集團有限責任公司科技開發(fā)引導(dǎo)項目（項目編號：2022年-KDNQ224006）

［作者簡介］沈維（1981—），男，高級工程師，主要從事鐵路工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察工作。

隧道掘進機（TBM）作為一種高效、安全的隧道施工設(shè)備，近年來在隧道工程中得到愈來愈多的應(yīng)用，已成為長隧道首選的開挖方法。然而，TBM對破碎圍巖等不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，導(dǎo)致TBM掘進作業(yè)時間利用率降低，甚至還可能出現(xiàn)TBM損壞和卡機等情況。在地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，全面、準確地預(yù)報掌子面前方圍巖統(tǒng)計，對隧道的順利施工和調(diào)整支護設(shè)計至關(guān)重要，是快速、安全、優(yōu)質(zhì)地建成隧道的前提。近年來，我國學者在隧道超前地質(zhì)預(yù)報方面開展了大量的研究和試驗工作，也取得了豐碩的成果，從各種探測方法在現(xiàn)場的應(yīng)用情況來看，不同的方法所基于的探測原理也各不同，其內(nèi)容、精度、可靠性不僅受探測手段的影響，更與信息的提取、利用與分析有直接關(guān)系［1］。目前，隧道施工采用的超前地質(zhì)預(yù)報方法都有各自的局限性，探測結(jié)果存在多解性，且受隧道施工干擾影響，難以對隧道掌子面前方地質(zhì)情況作出準確、全面的判斷。因此，需采用多種探測手段和多源協(xié)同預(yù)報的理念， 充分利用各自的優(yōu)缺點，形成一體化的綜合預(yù)報體系能夠大大提高探測精度，可將地質(zhì)體的復(fù)雜性與施工對地質(zhì)體的作用及圍巖與支護的組合體時空特性有效結(jié)合起來，才能達到預(yù)報的目的。本文選取大瑞線高黎貢山隧道出口TBM某一掘進段采用TSP、激發(fā)極化法、地震波法、超前鉆探等多種超前地質(zhì)預(yù)報方法綜合分析，指導(dǎo)隧道現(xiàn)場施工及動態(tài)設(shè)計，為綜合地質(zhì)預(yù)報在TBM掘進隧道地質(zhì)條件預(yù)報積累經(jīng)驗。

1 隧道概況

1.1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山隧道位于云南高原西部邊緣高黎貢山脈南延段，屬高黎貢山古生界變質(zhì)巖緊密褶皺和花崗巖體高山區(qū)。工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，具有 “三高 ”（高地熱、高地應(yīng)力、高地震烈度 ）和 “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。高黎貢山隧道全長為34.538 km，最大埋深1 155 m。采用TBM與鉆爆法相結(jié)合的施工方法，進口端采用鉆爆法施工，施工長度為21.198 km；正洞和平導(dǎo)洞出口段分別采用直徑為9.03 m和6.36 m的敞開式TBM施工，施工長度分別為13.34 km、10.18 km。

1.2 地質(zhì)概況

隧道出口TBM掘進段洞身主要穿越燕山期花崗巖地層，局部泥盆系中統(tǒng)回賢組白云巖、灰?guī)r夾石英砂巖地層，受構(gòu)造影響較大，巖體破碎，經(jīng)歷多期巖漿活動，各期次形成的侵入體間發(fā)育蝕變帶，蝕變帶附近巖體破碎，遇水軟化，圍巖變化頻繁，破碎巖體穩(wěn)定性差，易掉塊或蹋落形成空腔。

2 TBM隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法介紹

結(jié)合地層巖性、水文地質(zhì)、隧道設(shè)計方案，確定隧道超前地質(zhì)預(yù)報方案。當推測、預(yù)報有異常段落或開挖遇異常地段時，則采取綜合預(yù)報和動態(tài)開挖支護調(diào)整。以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，結(jié)合超前鉆孔和多種物探手段進行綜合地質(zhì)預(yù)報，采用宏觀預(yù)報指導(dǎo)微觀預(yù)報，長距離預(yù)報指導(dǎo)中短距離預(yù)報。綜合超前地質(zhì)預(yù)報布置原則為全隧實施地質(zhì)調(diào)查法，正洞使用貫通平導(dǎo)進行預(yù)報預(yù)測；根據(jù)不同的地質(zhì)條件，采取不同的物探方法，將全隧物探法分為TBM搭載式三維地震波法、地震波法、HSP法和TSP進行不良地質(zhì)超前預(yù)報；根據(jù)不同的地質(zhì)條件，采取不同的超前鉆探方案［5-7］，如圖1所示。

2.1 地震波反射法（TSP）

通過人工鉆孔激發(fā)地震波，接收因圍巖波阻抗發(fā)生變化反射的地震波，預(yù)報隧道掌子面前方軟弱巖層、斷層、裂隙及富水等地質(zhì)體，探測長度120 m。從護盾盾尾向后邊墻布置24個炮孔，間距1.2 m。直徑42 mm（20～45 mm），孔深約1.5 m。沿軸徑向下傾斜5.1°～ 9.6°，離地面高約1.0 m。隧道左、右邊墻布置接收孔2個，直徑50 mm，孔深約2.0 m。沿軸徑向向上傾斜5°左右，離地面高約1.0 m（圖2）。

2.2 三維地震波法

搭載式地震波的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，具體方法見圖3。基本原理在于當?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩共町悾芏群筒ㄋ俚某朔e）界面時，一部分信號被反射回來，

一部分信號透射進入前方介質(zhì)。儀器的工作過程為：在震源點上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時，向地震波采集主機下達地震波采集指令，并將地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺厥覂?nèi)的地震探測主機，完成地震波數(shù)據(jù)采集。

2.3 激發(fā)極化法

以圍巖和含水地質(zhì)構(gòu)造的電性參數(shù)差異為物理基礎(chǔ)，根據(jù)施加電場作用下圍巖傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，探測區(qū)域電阻率分布情況。通過在掌子面布置一定數(shù)量的電極，如圖4所示。按一定的序列，自動供入直流電，測量電極的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。通過反演計算，得到探測區(qū)域圍巖電阻率剖面，對含水構(gòu)造表現(xiàn)為低電阻，對完整圍巖表現(xiàn)為高電阻，從而達到對探測區(qū)域地質(zhì)情況探測的目的。

2.4 綜合地質(zhì)預(yù)報方法應(yīng)用

針對勘察及施工地質(zhì)認識，一般段落采用地質(zhì)素描+地震波反射法（TSP）；施工揭示圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，地下水弱發(fā)育，存在塌方、掉塊風險時，采取地質(zhì)素描+地震波反射法（TSP）/三維地震波法+超前鉆孔；施工揭示圍巖節(jié)理密集發(fā)育，巖體極破碎，地下水較發(fā)育，存在涌水突泥風險時，采取地質(zhì)素描+地震波反射法（TSP）/三維地震波法+三維激發(fā)極化法+超前鉆孔。預(yù)報方法隨施工揭示圍巖及風險情況動態(tài)調(diào)整。

3 TBM隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法應(yīng)用實例

3.1 試驗段落綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法實施情況

以高黎貢山隧道正洞出口D1K224+344～D1K223+990段為例，根據(jù)綜合地質(zhì)預(yù)報方法應(yīng)用條件，隨施工揭示圍巖及風險情況，動態(tài)調(diào)整超前地質(zhì)預(yù)報方法。各分段施作超前地質(zhì)預(yù)報方法如圖5所示，在充分利用地震波反射法、三維地震波法、三維激發(fā)極化法及超前鉆孔探測預(yù)報方法成果基礎(chǔ)上，對超前預(yù)報資料進行綜合分析與評判，相互印證，并結(jié)合掌子面揭示的地質(zhì)條件、發(fā)展規(guī)律、趨勢及前兆進行預(yù)測、判斷，形成綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，指導(dǎo)選用合理的掘進參數(shù)、優(yōu)化調(diào)整開挖支護設(shè)計、工法及特殊處理措施，以保障工程順利實施、施工及結(jié)構(gòu)安全。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報分析結(jié)果及施工對比見表1。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報成果應(yīng)用

3.2.1 圍巖變更及掘進參數(shù)調(diào)整

根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報成果和開挖揭示情況，對圍巖級別和掘進參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整，將D1K224+344～D1K223+990段圍巖變更調(diào)整為：

D1K224+344～D1K224+120圍巖級別由Ⅳ級變更為Ⅴ級，長度224 m；D1K224+120～D1K224+103由Ⅲ級變更為Ⅴ級，相差了2個級別，長度17 m；D1K224+103～D1K223+990由Ⅲ級變?yōu)棰艏墸L度113 m。TBM相應(yīng)的掘進參數(shù)也作了相應(yīng)的調(diào)整，Ⅴ級圍巖的刀盤轉(zhuǎn)速為1.8～6.5 r/min，推力7 300～17 250 kN，扭矩374～2 300 kN·m，掘進速度14～66 mm/min；Ⅳ級圍巖的刀盤轉(zhuǎn)速為2.5～5.0 r/min，推力11 000～19 400 kN，扭矩1 900～4 700 kN·m穩(wěn)定，尤其是扭矩參數(shù)更加突出（圖6、圖7、表2）。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報分析及時調(diào)整圍巖分級，及時指導(dǎo)現(xiàn)場動態(tài)調(diào)整掘進參數(shù)，為TBM相對順利通過該段Ⅴ級破碎圍巖提供了技術(shù)支持。

3.2.2 支護措施調(diào)整

根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報成果和開挖揭示情況，及時調(diào)整圍巖級別，指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)整支護措施：

D1K224+344～D1K224+120段支護參數(shù)由ⅣB調(diào)整為ⅤA；D1K224+120～D1K224+103段支護參數(shù)由Ⅲ級A型復(fù)合襯砌調(diào)整為TBM法掘進段Ⅴ級A型復(fù)合襯砌。全環(huán)噴射C25混凝土，厚20 cm；軌上拱墻設(shè)8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；軌上拱部120°范圍設(shè)25 mm中空錨桿，其余部位設(shè)22 mm砂漿錨桿，環(huán)縱向間距1.0 m×1.0 m，長3.0 m/根；全環(huán)采用HW150型鋼拱架，間距0.9 m/榀；隧底鋪設(shè)C40鋼筋混凝土仰拱預(yù)制塊，拱墻二次襯砌采用現(xiàn)澆模筑混凝土，厚30 cm，采用C35鋼筋混凝土，在掉塊形成空腔處及時安裝鋼筋排，預(yù)設(shè)注漿管，噴混凝土封閉回填密實。

D1K224+103～D1K229+990段支護參數(shù)由Ⅲ級A型復(fù)合襯砌調(diào)整為Ⅳ級B型復(fù)合襯砌，采用TBM法掘進；全環(huán)噴射C25混凝土，厚15 cm；軌上拱墻設(shè)6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；拱墻設(shè)22 mm藥卷錨桿，環(huán)縱向間距1.0 m×1.0 m，長3.0 m/根；全環(huán)采用HW100型鋼拱架，間距1.8 m/榀；隧底鋪設(shè)C40鋼筋混凝土仰拱預(yù)制塊，拱墻二次襯砌采用現(xiàn)澆模筑混凝土，厚30 cm，采用C35混凝土，在巖體脫落處及時安裝鋼筋排，噴混凝土封閉回填密實。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報分析及時調(diào)整圍巖分級，指導(dǎo)現(xiàn)場動態(tài)調(diào)整支護措施，為該段施工安全提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

（1）以物探、鉆探、施工地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，宏觀把握正洞TBM施工段的不良地質(zhì)體的性質(zhì)及產(chǎn)狀，采用TSP、激發(fā)極化法和地震法多種物探方式相互驗證，重點異常段落采用超前地質(zhì)鉆孔進行驗證，可明顯提高不良地質(zhì)體的準確性、可靠性，指導(dǎo)調(diào)整掘進參數(shù)、支護措施，提前處理，為隧道施工動態(tài)設(shè)計提供了有力的保障。

（2）TBM掘進參數(shù)、掘進速度與圍巖級別息息相關(guān)，圍巖質(zhì)量越好，掘進參數(shù)變化范圍小，尤其扭矩對巖體的完整性最敏感。TBM通過破碎圍巖等不良地質(zhì)段時，應(yīng)適當減小TBM的刀盤轉(zhuǎn)速、掘進推力、撐靴壓力等掘進參數(shù)，減小對圍巖的擾動，從而減少或避免發(fā)生塌方。

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