綜合地質(zhì)超前預報在TBM法隧洞施工中的應用技術研究

雷 龍，馬晉陽，雷 菲

（1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024；2.西安國開水環(huán)境有限公司，陜西 西安 710077）

大埋深水工隧洞TBM法施工常伴隨強烈或極強巖爆，對TBM的安全、快速掘進造成極大影響，同時對TBM設備及人員安全造成極大風險。所以為更好應對巖爆，科學合理的地質(zhì)預報和超前應力釋放方式，可降低隧洞開挖及開挖后發(fā)生的巖爆等級與規(guī)模[1-2]。

目前我國在鉆爆法施工隧道超前預報技術發(fā)展迅速，大埋深水工隧洞地質(zhì)預報技術已趨于成熟，蘇國韶等[3]分析巖爆過程的聲音信號特征，總結(jié)出內(nèi)在演化頻率。李術才等[4]提出全過程隧道綜合超前地質(zhì)預報體系，預測其發(fā)展趨勢。馬天輝等[5]以錦屏二級水電站為例，提出了微震監(jiān)測的巖爆預測機制。本文結(jié)合前期工程地質(zhì)勘察，運用TST地震波和CFC地磁波綜合物探技術，預測大埋深隧洞掌子面前方100 m地質(zhì)情況，根據(jù)超前地質(zhì)預報提出針對性的預防和處理措施，降低巖爆發(fā)生概率和施工風險。

1 工程概況

工程區(qū)位于秦嶺嶺脊北段。施工段落為K46+360～K43+360，長度3000 m，洞內(nèi)坡降為1/2500。工區(qū)位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)，地形起伏。在大地構(gòu)造單元上屬秦嶺褶皺系。工程區(qū)域主要通過qF4 斷層，斷帶物質(zhì)為碎裂巖、糜棱巖及斷層角（泥）礫。工點處地表水較發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，受大氣降水呈現(xiàn)季節(jié)性變化。

表1 TBM施工段圍巖工程地質(zhì)分段測評表

2 超前地質(zhì)預報方法

本文采用TST地震波法和CFC復頻電導超前探水法對地質(zhì)構(gòu)造以及圍巖含水性進行探測。當隧洞開挖接近TST預報的不良地質(zhì)體和CFC預報的含水高危區(qū)域時，需采用地質(zhì)超前水平鉆確定不良地質(zhì)的分布空間位置和延伸，超前水平鉆探可探測未開挖地段隧洞圍巖的地質(zhì)情況和涌水情況。TST的預報距離與洞徑和信號質(zhì)量有關，本次探測預報長度為100m，需連續(xù)預報時，前后兩次應重疊5 m～10 m。

3 TST 地震波探測

3.1 方法原理

隧洞地質(zhì)超前預報系統(tǒng) TST（Tunnel Seismic Tomography），地震波由小規(guī)模爆破的震源產(chǎn)生，由地震檢波器接收。當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面，一部分地震信號反射，一部分信號穿透前方介質(zhì)。反射信號被高靈敏度的地震檢波器接收。通過地震波軟件處理，可了解隧洞工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)。每次預報距離與隧洞直徑有關，連續(xù)預報時重疊10 m。

3.2 測線布置

觀測方案主要包括：檢波器和震源激發(fā)布置在洞側(cè)壁內(nèi)，檢波器采用洞壁表面耦合方式。具體布置見圖1。

圖1 TST激發(fā)與接收方式

各檢波點和激發(fā)點的樁號坐標見圖2。

圖2 TST樁坐標數(shù)據(jù)

3.3 地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果

單炮作用后的波場分離典型記錄見圖3。

圖3 波場分離后的典型記錄

掌子面715 前方100 m內(nèi)圍巖的地質(zhì)體偏移圖像和圍巖力學參數(shù)分布曲線見圖4。橫坐標為隧洞里程，縱坐標為測試結(jié)果。

圖4 圍巖力學參數(shù)分布曲線（TST法）

4 CFC地磁波探測

4.1 方法原理

CFC是電磁波探水技術，屬于超前探水地質(zhì)預報法。巖體含水后復頻電導率增大，本征阻抗降低。電磁波遇到本征阻抗變化的界面就會發(fā)生反射，實現(xiàn)掌子面前方圍巖含水位置與含水量的預報。

4.2 技術參數(shù)

CFC的技術參數(shù)見表2。

表2 CFC技術參數(shù)

4.3 測線布置

CFC觀測系統(tǒng)的布置如下：①接收電極4組，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，間距6 m，埋深1.5 m；②激發(fā)電極1組，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，距最近接收電極6 m。激發(fā)與接收方式見圖5。

圖5 CFC激發(fā)與接收方式

4.4 計算成果

掌子面K45+715 前方100 m圍巖含水結(jié)構(gòu)的CFC偏移圖像結(jié)果見圖6。

圖6 CFC偏移圖像

圖像的水平坐標為里程及距掌子面的距離，紅色、黃色條紋表示相干能量強，反射波強，含水量大的界面，綠色次之，藍色含水量少。根據(jù)能量最大化原理進行圍巖電磁波速掃描，得到預報區(qū)段隧道圍巖電磁波速為0.134 m/ns，相對介電常數(shù)為5.012 左右，說明絕大部分圍巖處于干燥狀態(tài)。

5 預報成果分析

5.1 預報前方地質(zhì)條件

圖7 TST與CFC結(jié)合圖

利用上述成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料分析，秦嶺隧洞（越嶺段）TBM施工段嶺北工程接應段掌子面K45+715 前方100 m內(nèi)地質(zhì)條件描述見表3。

表3 K45+715～K45+615地質(zhì)構(gòu)造和含水情況分段表

5.2 預報不良地質(zhì)體的分布及性質(zhì)

通過對地震波和電磁波成果的分析，預報本次不良地質(zhì)體的分布情況見表4。

表4 TBM施工段不良地質(zhì)體的分布及性質(zhì)

續(xù)表4

6 結(jié)論

TBM施工段K45+715前方100 m范圍的圍巖地質(zhì)預報為：（1）K45+715～K45+639，長度76 m，設計為以Ⅱ級圍巖為主。推斷該段圍巖為Ⅲ級夾Ⅱ級（K45+684～K45+661之間為Ⅱ級）。受巖性接觸帶及褶皺發(fā)育影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性和穩(wěn)定性較差，圍巖含水總體上較少。（2）K45+639～K45+623，長度16 m，設計為Ⅱ級圍巖。推測該段圍巖為Ⅱ級圍巖，巖性以閃長巖為主。圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體呈整體狀結(jié)構(gòu)，完整性和穩(wěn)定性較好。圍巖含水較少，采用II級支護方式及時支護。（3）K45+623～K45+615，長度8 m，設計為Ⅱ級圍巖。該段圍巖為Ⅲ級圍巖，巖體破碎，強度較低，整性和穩(wěn)定性較差，圍巖含水較少。按III級圍巖的支護類型施工。