超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在TBM引水隧洞工程中的應(yīng)用

舒曄

摘要：在隧洞施工的過程中常會(huì)碰到各種不良地質(zhì)段，如斷層破碎帶、軟巖、突泥涌水、坍塌體、巖溶空洞等，給隧洞施工帶來嚴(yán)重的不可預(yù)測(cè)的安全問題。本文根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)原理，結(jié)合新疆北部某引水隧洞TBM施工項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例，對(duì)其探測(cè)成果解析，供類似的隧洞工程地質(zhì)預(yù)報(bào)提供參考。

關(guān)鍵詞：TBM;引水隧洞;不良地質(zhì)段;超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

1、前言

近年來，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的不斷發(fā)展，各地區(qū)水工隧洞、鐵路隧道、公路隧道等項(xiàng)目全面建設(shè)，在其施工過程中不可避免地遭遇各種不良地質(zhì)段，若無法提前發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理，則會(huì)引起較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)設(shè)備損毀和人員傷亡。目前，隧洞施工項(xiàng)目常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有地面地質(zhì)調(diào)查法、斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法、地震波探測(cè)法、掌子面編錄預(yù)測(cè)法、不良地質(zhì)前兆預(yù)測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、紅外線超前探水等儀器探測(cè)方法。各種預(yù)報(bào)手段和方法都有其各自的適用范圍和特點(diǎn)，其中地震波探測(cè)是目前預(yù)報(bào)距離最長(zhǎng)、適用范圍最廣、預(yù)報(bào)效果最為準(zhǔn)確的超前預(yù)報(bào)手段和方法。

2、工程概況

新疆北部某引水隧洞采用一臺(tái)開敞式TBM進(jìn)行施工，該隧洞位于剝蝕構(gòu)造低山丘區(qū)，TBM施工段長(zhǎng)21.5km，開挖洞徑7.8m。隧洞分布埋深6～127m，平均埋深34m，為淺埋隧洞。沿線穿越18條淺埋沖溝和9條大規(guī)模斷層破碎帶，沖溝底寬約6～70m，斷層破碎帶寬度10～35m，帶內(nèi)以碎裂巖、糜棱巖為主，斷層走向與洞軸線夾角85°～87°，洞內(nèi)延伸15～18m，對(duì)洞身穩(wěn)定性影響較大，存在塌方卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

3、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及施工需要，該項(xiàng)目主要通過地震波法（TSP）、和電極法（TIP）等兩種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行探測(cè)工作。其中，地震波法（TSP）最為常用，主要針對(duì)斷層破碎帶、軟巖夾層以及節(jié)理裂隙帶探測(cè);電極法（TIP）則主要針對(duì)巖層涌水、富水帶等地質(zhì)探測(cè)。

地震波探測(cè)法的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩共町悾芏群筒ㄋ俚某朔e）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震號(hào)傳感器接收，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時(shí)，反射波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，反射波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，波阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易探測(cè)到。通過數(shù)值分析，可預(yù)測(cè)隧洞工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層等）、位置及規(guī)模。

地震的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，儀器的工作過程為：在震源點(diǎn)上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時(shí)，觸發(fā)器產(chǎn)生個(gè)觸發(fā)信號(hào)給基站，然后基站給無線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令，并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉鳈C(jī)，完成地震波數(shù)據(jù)采集。

電極激發(fā)極化探測(cè)方法是以圍巖和含水地質(zhì)構(gòu)造的電性差異為物理基礎(chǔ)，在掌子面上布置測(cè)量電極和供電電極，在邊墻上布置測(cè)量電極。探測(cè)時(shí)，供電電極供入直流電（A、B電極），測(cè)量電極（M、N電極）測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極間的電勢(shì)差，從而計(jì)算出視電阻率剖面。通過反演計(jì)算，得到探測(cè)區(qū)域圍巖電阻率剖面，對(duì)含水構(gòu)造表現(xiàn)為低阻，對(duì)完整圍巖表現(xiàn)為高阻，同時(shí)結(jié)合激發(fā)極化半衰時(shí)之差與反演低阻體體積估算水量，從而達(dá)到對(duì)探測(cè)區(qū)域地質(zhì)情況探測(cè)的目的。

4、超前探測(cè)成果與實(shí)際偏差

以該項(xiàng)目TBM施工段樁號(hào)103+412～103+312的不良地質(zhì)段超前預(yù)報(bào)探測(cè)為例，探測(cè)時(shí)，TBM掘進(jìn)掌子面里程為103+412，設(shè)計(jì)地質(zhì)剖面圖顯示，該段圍巖整體為Ⅲb～Ⅳ類圍巖，巖性為泥盆系二長(zhǎng)片麻巖，淺灰黑色，塊狀構(gòu)造;主要發(fā)育一條局部斷層，斷層f103-30，產(chǎn)狀為20°SE∠40°，充填泥質(zhì)，節(jié)理張開，起伏光滑，斷層及影響帶寬2～6m，拱頂與不利結(jié)構(gòu)面組合，易掉塊塌方。

為安全施工考慮，該段進(jìn)行了地震波法和電極法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)探測(cè)區(qū)域的地震波反射成像圖和地質(zhì)分析，推斷結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果如下表所示：

根據(jù)以上對(duì)比結(jié)果分析，可以判斷，超前探測(cè)的推斷成果與實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況基本相符，為后續(xù)采取針對(duì)性的處理措施提供了可靠的基礎(chǔ)。

5、提高超前預(yù)報(bào)精度的建議

（1）進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)前，應(yīng)先對(duì)該項(xiàng)目的工程地質(zhì)情況的進(jìn)行整體了解，特別是對(duì)地層巖性、產(chǎn)狀、完整性、節(jié)理構(gòu)造、地下水等特征信息進(jìn)行仔細(xì)梳理;

（2）勘察設(shè)計(jì)文件對(duì)于該項(xiàng)目地質(zhì)構(gòu)造和巖層情況應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)掌子面的實(shí)際情況相結(jié)合進(jìn)行判斷，對(duì)于多變地層應(yīng)進(jìn)行多次預(yù)測(cè)，并加強(qiáng)探測(cè)頻率;

（3）在采集地震波數(shù)據(jù)時(shí)，停止附近施工機(jī)械作業(yè)，盡可能切斷振動(dòng)干擾源;儀器的測(cè)線應(yīng)遠(yuǎn)離工作面的電纜線，防止電磁信號(hào)干擾;

（4）軟弱破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū)的超前預(yù)報(bào)，每次預(yù)報(bào)距離一般在100～120m，不宜超過150m;

（5）要充分考慮地質(zhì)情況的多變性和物探資料的多解性，在進(jìn)行探測(cè)成果圖解譯時(shí)要考慮到各種可能性，綜合分析后選擇最合理的結(jié)果。

（6）對(duì)已進(jìn)行超前探測(cè)預(yù)報(bào)的洞段，要及時(shí)地跟蹤和驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果，與實(shí)際開挖情況進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6、結(jié)語

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能夠較為快速、準(zhǔn)確地對(duì)判斷出隧洞掌子面前方的地質(zhì)情況，例如：軟弱巖層的分布、斷層破碎帶和裂隙發(fā)育、含水情況等，尤其是對(duì)巖性的變化有著較高的準(zhǔn)確率。

（2）工程技術(shù)人員可根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，提前做好不良地質(zhì)段應(yīng)對(duì)方案，采取相應(yīng)的處理措施進(jìn)行施工，有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保施工安全性。