TBM引水隧洞超前地质预报方法研究与应用

TBM引水隧洞超前地质预报方法研究与应用

李久源

中国水利水电第十四工程局有限公司  云南昆明  650041

摘要：针对长距离TBM引水隧洞掘进缺乏可靠地质预报方法的工程问题，开展了TBM隧洞地质预报方法研究。通过对比TBM隧洞地质预报技术需求和多种预报方法技术特点，对适用于TBM的预报方法进行了初步分析。依托北疆某TBM引水隧洞工程开展TRT技术现场应用，将预报结果与实际揭露围岩进行对比，验证了TRT预报技术在TBM隧洞的适用性和准确性。

关键词：TBM；超前地质预报；TRT

1 引言

水资源分布不均衡是我国部分地区经济发展面临的主要难题，近年来我国开展了多项大型跨区域调水工程，兴建了大量的引水隧洞。埋深大、距离长、地质环境复杂是引水隧洞的主要工程特点，也是面临的主要技术挑战[1～2]。TBM（Tunnel Boring Machine）由于其掘进效率高、施工扰动小、安全环保等技术优势，在吉林引松工程、引黄入晋工程、引大济湟工程等引水隧洞工程中得到了日益广泛的应用[3～6]。

TBM安全高效掘进的关键核心是掘进参数与地层条件相匹配，复杂多变的地质环境是其面临的重大威胁。断层破碎带、富水地层、软弱围岩等不良地质往往导致TBM灾害事故的发生，轻者造成机器磨损、卡机，重者机毁人亡，造成严重伤亡和经济损失[7]。以引汉济渭工程秦岭隧道为例，TBM掘进时遭遇软弱地层，卡机时间长达半年之久，造成了严重的工期延误和经济损失[8]。

钻爆法隧洞超前地质预报技术已日益成熟，发展了地质雷达、陆地声呐、激发极化仪等多种技术装备，取得了良好的应用效果[9～11]。由于TBM隧洞工作空间狭小、电磁环境复杂等条件限制，多种地质预报方法测线难以布设，电磁类预报方法信号受到严重干扰[12]。针对TBM引水隧洞超前地质预报难题，本文依托北疆某引水隧洞工程开展现场测试研究，以期为TBM掘进参数科学决策提供支撑。

2 工程背景

2.1 工程概况

北疆某引水隧洞工程总长516.19公里，由三个工程段组成，其中第一段单洞长283.27公里，为世界在建输水隧洞长度之最，第三段某扬水站压力管道长13.08公里，扬程达186米，管线长度与扬程高度居国内第一。

依托工程标段长37.6公里，设置1座竖井和1个支洞，采用TBM法和钻爆法两种工法进行施工。该段以TBM法为主要施工方法，以竖井为界划分为TBM11-1和TBM11-2两个开挖段，开挖直径为7米的圆形轮廓，掘进总长达15.67公里。

2.2 地质条件

依托工程试验段位于地形起伏略大的低山丘陵区域，地层以石炭系凝灰砾岩为主，夹杂少量侵入石英斑岩，结构较致密，岩质属中硬，岩层产状274°SW∠67°，呈厚层状，石英含量5～10%。试验段范围内未发现大规模区域性断裂发育，据钻孔勘查结果显示，该段发育有数条宽度约1.6米的小断层，带内以糜棱岩、碎裂岩为主。该段隧洞埋深约240～460m，均处在新鲜基岩内，岩层整体略破碎，呈块体状，稳定性略差。

3 超前预报方法比选

3.1 TBM预报技术需求

相较钻爆法而言，TBM具有掘进速度快、安全性高、节省人力等诸多优势，但同时洞内施工环境更为复杂，多种超前地质预报技术适用性和准确性面临挑战和干扰。综合分析TBM洞内空间与环境特征，总结技术需求如下：

（1）预报准确度高。TBM掘进参数需与地层参数相匹配，否则易发生卡机等灾害事故，造成严重的经济损失。因此，TBM掘进对赋存围岩条件变化敏感度较高，预报结果准确可靠是首要需求。

（2）操作空间需求低。TBM装备体量庞大，占据了隧洞掘进面后方大半空间，能用于地质预报的操作空间极为狭小。同时，由于TBM刀盘后退距离有限，掘进面与刀盘之间难以为预报工作开展提供充裕空间环境。

（3）抗干扰能力强。TBM装备通体由金属材质加工而成，易对电磁场造成强烈干扰，并且装备内部电路密布，在隧洞内形成了复杂的电磁环境，会对预报装备信号采集精准性造成极大干扰。

（4）预报范围较长。掘进速度快是TBM工法的主要优势之一，同时也对单次地质预报范围提出了较高需求。短距离预报方法面临探测频率高，工作量较大且严重干扰施工进度的困境。

3.2 预报技术适用性分析

根据核心原理不同，钻爆法隧道常用超前地质预报方法可分为机械钻探、电法、电磁法、地震波法、红外线法等几类。目前超前水平钻探、地质雷达、TSP、TRT等技术在我国钻爆法隧洞建设中已经得到了广泛的应用，详见表1。

表1 常用地质预报技术适用性分析

研究对比发现，TRT技术由于其预报范围长、抗干扰能力强，以及操作空间需求较低等技术优势，在TBM隧洞建设中具有良好的应用前景。本文将采用TRT技术对依托工程开展超前地质预报，验证其适用性和准确性。

4 TBM隧洞地质预报方法

4.1 TRT预报原理

TRT（Tunnel Reflection Tomography）技术以围岩声学阻抗差异性识别为核心，实现对掌子面前方围岩结构的预报分析。声学阻抗定义为围岩密度与声波传播速度的乘积，在围岩结构完整性和岩体矿物组成变化处会发生突变。当地震波传播至声学阻抗突变界面（通常为破碎岩层接触面或地层界面）处，部分地震波穿透界面继续向前传播，部分地震波反射后由传感器进行采集，界面反射系数定义如下式：

当地震波由低声阻抗介质向高声阻抗介质传播时，其反射系数为正，反之为负，而岩体内部裂隙界面的存在会导致回波极性的反转变化。

TRT技术采用人工锤击震源在隧道边墙激发地震波，通过高敏度传感器对反射信号进行接收，运用地球物理理论对前方范围地质结构进行反演解译，得出预报范围内的地质结构三维图像和波速分布图。

4.2 预报方案设计

根据依托工程TBM隧洞掘进面后方工作空间和环境条件限制，对钻爆法震源点和传感器监测点进行设计。

震源点布设于TBM护盾后方阶梯处的左右边墙裸露岩壁，前后两圈间距2米，同侧震源点垂直间距应在够及范围内尽可能拉开距离。接收点根据空间条件和操作便捷性，合理布设于第二圈震源点向后10至20米范围内。由于TBM隧洞空间条件限制，将钻爆隧洞拱肩接收点布设于TBM顶部工作平台两侧岩壁，拱脚接收点布设于中层工作平台护栏两侧底部岩壁。TRT测点布设方案如图1所示。

图1 TRT测点布设方案

5 工程应用

5.1 预报结果分析

2019年8月12日，隧洞开挖至KS268+065里程，选取TBM装备停工检修时间段对掌子面前方100米范围内进行了超前地质预报，反演分析结果如图2和图3所示。

综合TRT三维反演图像、波速分布图和掌子面围岩结构调研结果，得出预报结论如下：

KS268+065～ KS268+055段落：反射图像

出现零星的正负反射，推断该段落围岩较破碎，局部易发生掉块、塌腔。

（2）KS268+055～KS268+030段落：反射图像出现明显的正负反射，推断该段落围岩完整性差，易发生掉块。

（3）KS268+030～ KS267+965段落：在反射图像上，出现明显的正负反射，推断该段落围岩较破碎，其中KS267+995段落极为破碎，易发生掉块、塌腔。

图2 TRT三维反演图像

图3 波速分布图

5.2 掘进揭露验证

根据开挖揭露结果显示，该段围岩以凝灰质砾岩为主，存在煤矸石化现象，围岩整体较破碎，掘进过程中多处发生塌腔、掉块。其中，KS267+990、KS267+975处出现塌腔，与预报结果基本一致，如图4所示。

a. KS267+990塌腔      b. KS267+975塌腔

图4 开挖揭露塌腔

6 结论

TRT超前地质预报方法对TBM引水隧洞工程具有良好的适用性，通过在北疆某引水隧洞的现场应用，得出如下结论：

（1）TRT预报技术采用地震波探查原理，可以实现TBM复杂电磁环境内长距离地质结构的预报分析，具有明显的技术优势。

（2）采用TRT技术对掘进面前方100米范围进行地质预报分析，预报结果与实际揭露地质条件基本一致，准确性较高。

（3）选取TBM停工检修时间段开展TRT预报工作，实现了TBM掘进和地质预报的无缝衔接，为TBM隧洞安全快速施工提供了技术保障，值得在今后类似工程中进行推广应用。

作者简介：李久源（1987.11），河南南阳人，工程师，主要从事水利水电建筑施工。

参考文献

[1]徐虎城.断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析[J].隧道建设(中英文),2018,38(S1):156-160.

[2]周建军,杨振兴.深埋长隧道TBM施工关键问题探讨[J].岩土力学,2014,35(S2):299-305.

[3]秦晋.大胆创新  赢得赞誉——吉林引松工程TBM穿越灰岩岩溶地区取得成功[J].吉林水利,2016(09):63.

[4]赵海雷,陈馈,周建军,张兵,阳斌,王振飞.引松供水4标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究[J].隧道建设,2017,37(03):354-362.

[5]郭惠民,霍宇光,李长青.引黄入晋工程“TBM”掘进引水隧洞塌方处理[J].东北水利水电,2006(08):16-18.

[6]马福印,罗伯特·利维纳尼,杜喜龙.引大济湟调水总干渠TBM机施工脱困及拆卸技术研究[J].中国农村水利水电,2017(10):120-124+130.

[7]刘泉声,黄兴,刘建平,潘玉丛.深部复合地层围岩与TBM的相互作用及安全控制[J].煤炭学报,2015,40(06):1213-1224.

[8]王新.引汉济渭输水隧洞TBM卡机处理方案研究[J].陕西水利,2017(03):155-158.

[9]荣黎.探地雷达超前地质预报案例分析[J].工程与建设,2019(04):616-618.

[10]钟世航,孙宏志,王荣,王泽峰.陆地声纳法在隧道施工地质预报方面的进展及应用[J].公路隧道,2016(03):26-34.

[11]聂利超.隧道施工含水构造激发极化定量超前地质预报理论及其应用[J].岩石力学与工程学报,2015,34(11):2374.

[12]刘斌,李术才,李建斌,王玉杰,张建清,聂利超,王雪亮.TBM掘进前方不良地质与岩体参数的综合获取方法[J].山东大学学报(工学版),2016,46(06):105-112.