复杂地质富水条件下TBM施工隧洞综合超前预报体系实践

　　在水利水电领域，随着重点水电工程和跨流域输水工程的建设规划，将建设一批长径比达600-1000及以上的深埋长大引水隧洞。在此条件下，国际公认采用全断面隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）掘进施工具有高效、高性价比、环保等优势。随着我国掘进设备设计制造水平的进步，以吉林引松工程为代表的自主品牌TBM在赢得了建设单位、施工企业信赖的同时，也在国内、海外项目推广开来。但基于TBM较差的地质适应性，施工进度受地质条件制约，波动较大。综合分析众多TBM卡机事故案例，究其原因，主要是：1.受资金、技术、环境等诸多原因影响，导致有不良地质体被前期勘察“漏掉”，没被查明；2.由于TBM施工隧洞环境的复杂性，在该类隧洞中按照钻爆施工隧洞超前地质预报方法开展存在较大的难度，且预报效果也会受到众多干扰源的影响，难以为TBM的安全掘进提供技术指导。

　　目前，我国TBM施工隧洞基本上都是TBM施工与钻爆施工相结合的，这是隧洞施工现状，也是工法调研后的必然，这样可以兼顾二者长处，是高效、高性价比、低风险地修建隧洞工程的选择。但能兼顾钻爆隧道与TBM隧道的综合超前预报体系且鲜有研究。本文同度物探以秘鲁圣佳旺（San Gabán）III水电站引水隧洞为例，通过对TBM施工特性的研究，改良TST地震波法和CFC复频电导法的现场采集方式，建立起复杂地质富水隧洞综合超前预报体系，以期为相似隧洞工程提供参考。

　　圣加旺水电站距离秘鲁首都利马直线距离约740km，电站为圣加旺河干流开发方案的最下游一级，位于秘鲁东南部普诺（Puno）大区Carabaya省San Gabán区San Gabán河右岸（见图1）。工程区属高山峡谷地貌，山势雄伟，地势陡峻，植被茂密。区内沟脊相间，受沟谷深切，地形完整性差。圣佳旺河两侧支沟多以大角度与其交汇，支沟常年有水，水流急速，冲沟沿线多有跌坎。圣佳旺III水电站引水隧洞长14773.45m，Y0+000~Y6+000段采用钻爆法施工，后半段Y6+000～Y14+773.45m采用一台敞开式TBM掘进施工，其开挖直径5.8m。

　　圣佳旺III水电站引水隧洞地质纵断面图如图2所示。隧洞岩性主要为中微透水的花岗闪长岩、片岩和板岩，隧洞埋深240m以上，穿越多个向斜背斜等较复杂的地质构造。虽然在某些洞段地表未发现大型断层，但岩体中会发育许多未延伸至地表或被覆盖层所覆盖的不良地质构造。因而实际开挖中可能会遇到断层、软弱夹层、节理裂隙密集带等影响施工安全的不良地质，同时洞身位于地下水位以下，地表存在多个大型的常年流水的冲沟，可以推断隧洞地下水分布情况会极其复杂。当不良地质与富水洞段叠加时，施工中会发生突泥突水等重大事故，对施工安全等带来严重影响。

　　针对圣加旺III水电站引水隧洞的工程地质特点，施工期开展超前预报工作具有十分重要的意义。可以提前了解掌子面前方围岩的地质条件，特别是了解断层、软弱夹层、裂隙密集带、含水地层、富水带等不良地质情况，确定其地性质、种类、位置和规模，提前做好施工准备和施工计划，防患于未然，保障施工的安全。

图1 圣佳旺III水电站引水隧洞位置图

图2 引水隧洞TBM施工段剖面图

　　首先应在前期地勘资料基础上，结合现场地质情况和开挖揭露情况，不断分析和研判TBM洞段的地质构造分布规律。其次，在每次的综合超前预报实施中，通过及时跟踪对比总结规律，并在后续预报的解译中不断的加以修正，逐步探索和建立起在该工程地质背景下的典型地质体与超前预报成果的对应体系。同时，应充分认识到任何单一的物探技术手段都有其自身的局限性。TST超前地质预报技术利用隧道围岩的波阻抗差异，对弹性模量等力学参数的变化敏感，可以用于地质体的划分[27]；而CFC超前探水技术属电磁波法，其对岩体介质的电阻率、介电常数等电磁学参数的变化较敏感，可以用于探水[28]。在这两种物探方法上，充分结合地质素描、超前钻探等地质手段，建立起成熟的综合超前预报体系，从而更有力的保障TBM与钻爆施工安全。TBM掘进工序流程图如图3所示，综合超前预报体系流程如图4所示。

　　2.1.1 原理

　　借助在钻爆隧洞中成熟的TST超前地质预报技术，开展TBM施工隧洞超前地质预报工作，对不良地质体进行预报。地震波法预报技术基本上都是利用震源激发弹性波（地震波、声波），当弹性波遇到不均匀介质表面时，由于弹性波阻抗的差异，在界面处发生透射和反射，对接收到的弹性波信号进行数据处理，提取出前方反射信息，反演前方围岩的力学性质[29]。由于空间观测系统和反演算法的不同，区分出多种地震波法超前预报技术。而制约常规地震波法技术进入TBM施工隧道的关键点之一就在于震源。目前，可在TBM隧道中应用的超前预报技术，其利用的震源分为两种，一种是被动震源，如刀盘破岩时产生的振动信号；另一种是主动震源，多为机械震源。被动震源由于能量弱，探测距离近，这了地震波法的长距离预测优势。近年来，由于可控震源技术的进步，小型可控震源，促进了地震波法在TBM隧道中的应用。本次TST预报采用了S可控冲击震源，冲击震源作用于隧洞边墙，激发的纵波传播的优势方向为径向，而横波传播的优势方向为轴向，所以应采用横波做超前地质预报[30]。通过对圣佳旺水电站引水隧洞开展连续多次全里程TST超前地质预报，总结出当地板岩围岩与横波波速关系[31]：完整致密的板岩横波波速在2800~3000m/s;裂隙发育的板岩横波波速在2300~2500m/s（板岩波速与板岩石英含量、埋深等多种因素有关）。

　　2.1.2 现场布置

　　仪器采用TST隧道超前预报系统，主要由地震信号采集器、检波器及震源等几部分组成。采集参数如下：采样率40Khz, 26道采集，采样时长100s，解码后保留数据长度300ms。S可控冲击震源使用的参数为：重复频率5-25次/秒，冲击时间100s，冲击次数1500次/点，冲击能量为6万焦耳/点。现场设置接收孔8个，布置在L1区主梁下方，贴紧盾尾，在隧洞两侧对称布置。接收孔间距2m，孔深1.8m，接收孔保持在同一水平面，检波器用黄泥耦合。激发孔12个，也布置在L1区，但是分别布置在主梁上下两个水平面上，每个平面间距8m布置6个。可控冲击震源直接在裸岩表面激振。三维TST现场布置如图5所示，TST超前地质预报工作流程如图6所示。

图5 TBM施工隧洞中三维地震观测方案

图6 TST超前地质预报工作流程

　　2.2 CFC复频电导法

　　2.2.1 原理

　　CFC是一种中频电磁波反射法探水技术,探测时首先向前方围岩发射电磁波，当电磁波入射到非均匀含水围岩中时，由于两个界面的电磁波阻抗存在差异而发生反射，反射波随含水量差异程度的增大而增强[26,28,32]。由于当接收点位于四分之一波长时，入射波与反射波会发生干涉，对多组不同接收位置的电磁波数据进行频谱相干分析。通过对电磁波速进行偏移图像能量化扫描，求取电磁波速，和偏移图像。再通过公式（1），得到该段围岩的相对介电常数，以相对介电常数来判断该段围岩整体含水量的大小，用偏移图像来反映围岩含水特性，以此来预报富水带的位置和围岩的含水差异程度。

　　式中：C为电磁波在真空中的传播速度，

　　V为电磁波在围岩中的传播速度，

　　εr为围岩的相对介电常数。

　　2.2.2 现场布置

　　无论弹性波场还是电磁波场，隧道超前预报中方向性是关键问题，如何确保对掌子面前方区域的探测，是任何一种物探方法都必须解决的。CFC对此问题通过观测方式和数据处理结合解决。首先在观测方式上，采用阵列式的收发，形成类似 “八木天线” 的强指向性观测系统，如图7所示，其中AB为发射电极，MN为接收电极。同时在数据处理上，对原始数据首先进行白化和滤除，然后再进行后续的处理，提高掌子面前方的电磁波场数据信噪比，从而确保了方向性。CFC采用偶极子天线发射与阵列接收，电极长度1.5-2.0m，埋设于两侧围岩中，可有效地避免隧洞内金属机具等电磁干扰。电极间距5-10m，5对电极阵列接收。CFC超前探水工作流程，如图8所示。

图7 CFC观测方案

图8 CFC超前探水工作流程

　　综合超前预报系统，不仅在TBM施工段隧洞进行预报，也对钻爆段提供了技术支持。在完成调试和测试后，已累积施作20余次，全部探明施工中遇到的重大不良地质，且仍在保障施工中。其中，已探明施工过程中典型不良地质体如表1。

表1 典型不良地质体探测结果与开挖结果对比验证

　　TBM掘进至Y14+762时，开展地震波法超前预报探测。对三维采集得到的地震数据进行三维成像处理（如图6），得到的三维地震偏移图像如图9所示，波速结构如图10所示。三维地震偏移图像以隧洞中心点为零点，向幅宽、高度两方向各扩展20m，向前（里程）100m进行成像。结合地质资料的综合分析推断，该段围岩岩性以板岩为主，存在物探异常区2处。综合考虑，该段划分为7个地质单元：

　　1.Y14+762~Y14+759段（0-3m），三维偏移图像中，正负反射条纹基本的分布呈现从刀盘中心向四周扩散的形态，推断该段推测由于开挖扰动、出渣等，导致围岩结构被破坏。

　　2.Y14+759~Y14+743段（3-19m），三维偏移图像中反射界面较少，且波速较高。推断该处围岩完整性和稳定较好，节理裂隙弱发育。

　　3. Y14+743~Y14+723段（19-39m），三维偏移图像中上部反射界面增多，但较杂乱不典型，说明围岩中小型结构面发育。波速较前段下降，说明岩石强度较前段降低。推断该处围岩节理裂隙较发育，完整性和稳定稍差。

　　4. Y14+723~Y14+716段（39-46m），三维偏移图像中上部反射界面较多，且呈现出正负反射条带多次重复出现的典型组合，说明围岩中大型构造发育。波速较前段骤降，处于低波速水平，说明岩石较软。推测该处存在物探异常，围岩破碎，完整性和稳定较差。

　　5. Y14+716~Y14+706段（46-56m），三维偏移图像中上部反射界面增多，但较杂乱不典型，说明围岩中小型结构面发育。波速较前段升高，说明岩石强度较前段升高。推断该处围岩节理裂隙较发育，完整性和稳定稍差。

　　6. Y14+706~Y14+692段（56-70m），三维偏移图像中反射界面较少，且波速较高。推断该处围岩完整性和稳定较好，节理裂隙弱发育。

　　7. Y14+692~Y14+662段（70-100m），三维偏移图像中上部反射界面较多，且呈现出正负反射条带多次重复出现的典型组合，说明围岩中大型构造发育。波速较前段骤降，处于低波速水平，说明岩石较软。推测该处存在物探异常，围岩破碎，完整性和稳定较差。

图9 TST三维偏移图像

图10横波波速曲线

　　为了确定前方含水体分布情况，同步开展了CFC超前探水。对采集得到的多组电极数据进行频率相干分析（如图6），计算得出Y14+762~Y14+662段平均相对介电常数10.08，得到的相干能量图如图11所示。图中由暖色调向冷色调渐变，表示相干能量由强到弱，反映围岩相对含水量由多到少。相干能量越强，反射波越强，含水性越高，含水量越大。图中可见：在Y14+722~Y14+717段，相干能量极强（呈红色），说明在该处围岩含水量极大，推测会出现股状涌水，这与TST结果相对应。在Y14+711~Y14+708段，相干能量较强（呈黄色），说明该段围岩含水较多，结合TST结果，推测这段节理裂隙发育，存在基岩裂隙水，开挖后，裂隙水流出，会出现滴水~线状流水。在Y14+692~Y14+660段，相干能量较强（呈黄色），说明在该处围岩含水量较多，结合TST结果，推测存在基岩裂隙水，开挖后，裂隙水流出，会出现滴水~线状流水。其中，在Y14+680处，相干能量极强，可能会出现股状涌水。

图11 CFC合成孔径偏移图像

　　通过综合超前预报，已知存在物探异常，且在TBM掘进Y14+725时，围岩破碎，推力下降，渣样夹泥，且有水从刀盘前方渗出。为防止不良地质干扰施工，对施工安全造成影响，采取超前预注浆处理[33]，如图12所示。分别在通过刀盘和护盾后方进行钻孔注浆，采用高强化学材料（聚氨酯）将刀盘前方和上方松散体固结成一层具有一定强度和自稳能力的密封隔层，然后再进行掘进。

图12 超前注浆示意4.2 现场揭露验证

　　化学注浆加固后，继续向前掘进。掘进过程中，发现在里程Y14+722处，断层揭露，围岩破碎，呈碎石夹土状，地下水发育，左右洞壁有股状出水点，拱架下沉20cm，如图13所示。在里程Y14+690~Y14+666段，呈淋水状流水，且在Y14+680有掉块蹋腔，如图14所示。现场验证结果表明：采用综合超前预报技术，能良好处理不良地质体，避免其对掘进施工的干扰，预报结果与揭露结果基本一致。

　　1、TBM施工对不良地质条件的适应性较差，但受限于技术水平、工期、资金的影响，存在前期地勘成果有偏差，无法完全查明地质条件，因此超前预报是保障施工的重要工作。通过超前预报，可发现刀盘前方不良地质体的结构、构造、位置、规模，从而开展超前预注浆等针对性措施，保证TBM正常施工。

　　2.综合超前预报体系采用的TST地震波法和CFC法，具有优势互补。利用地震波法，可对断层、岩性过渡带等构造进行预报；利用CFC法，可对地下水的动态分布进行探测。二者结合，可凸显出含水破碎带这一重大地质灾害，形成了断裂破碎带含水体超前预报技术成果。

　　3.综合超前预报体系在圣佳旺III引水隧洞进行了成功应用，其不仅保障了TBM施工段的施工安全，也对钻爆段的地质风险进行了预警。这对TBM施工与钻爆施工共存的引水隧洞项目，具有一定的借鉴与指导意义。