唐洪武，劉兆勇

(四川中水成勘院工程物探檢測(cè)有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來(lái)，隨著工程地球物理技術(shù)的不斷發(fā)展，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用，通過(guò)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)預(yù)報(bào)掌子面前方的不良地質(zhì)體及其性質(zhì)、位置、規(guī)模、產(chǎn)狀與成災(zāi)可能性，預(yù)防涌水、突泥、坍塌等災(zāi)害性事故的發(fā)生，為正確選擇開(kāi)挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)。目前用于超前預(yù)報(bào)的物探方法主要有：中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)(TSP法、TVSP法、HSP法、TRT法等)；短距離預(yù)報(bào)(地質(zhì)雷達(dá)法、紅外測(cè)溫法、超前勘探法、聚焦電流法等)。我國(guó)綜合運(yùn)用以上探測(cè)方法，在隧道地質(zhì)超期預(yù)報(bào)中已經(jīng)獲得了很多成功的應(yīng)用實(shí)例，為施工和設(shè)計(jì)單位提供了科學(xué)的參考依據(jù)。客觀地說(shuō)，以上這些方法在鉆爆法開(kāi)挖的隧道中雖然應(yīng)用效果較好，但在TBM隧道中并沒(méi)有取得預(yù)期效果。由于TBM掘進(jìn)機(jī)具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞的明顯優(yōu)勢(shì)，近些年來(lái)逐漸被一些大型隧道工程所采用，但由于TBM管片之間的銜接安裝使巖體無(wú)法裸露，而且TBM掘進(jìn)機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在TBM隧道中有效地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)逐漸成為隧道領(lǐng)域和地球物理學(xué)界的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文結(jié)合TBM掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在震源激發(fā)、檢波器安裝等方式上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中引入相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在TBM隧道中取得了良好預(yù)報(bào)效果。

1 TRT預(yù)報(bào)原理

隧道地震波反射體追蹤技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)TRT(Tunnel Reflectiontomography)技術(shù)，該技術(shù)是由美國(guó)NSA工程公司開(kāi)發(fā)的隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法。該方法采用空間多點(diǎn)激發(fā)和接收的觀測(cè)方式，充分獲取隧洞掌子面及附近空間地震波場(chǎng)信息，利用速度掃描和偏移成像技術(shù)，通過(guò)三維成像來(lái)預(yù)報(bào)掌子面正前方及隧道中心線(xiàn)上下和左右各50 m立體空間范圍內(nèi)的巖體情況，確定掌子面前方地質(zhì)異常體的性質(zhì)、位置及規(guī)模，以此對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。

TRT技術(shù)的基本原理是當(dāng)人工激發(fā)的地震波遇到聲學(xué)阻抗差異(密度×波速)界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射回來(lái)的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面，反射體的尺寸越大聲學(xué)阻抗差異越大，回波就越明顯，越容易被探測(cè)到。通過(guò)對(duì)反射波信息進(jìn)行處理和分析，可解譯出隧道掌子面前方的圍巖情況，主要包括斷層、破碎帶、軟弱帶，巖溶、富水區(qū)等不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。

2 鉆爆法隧道TRT預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在常規(guī)的鉆爆法開(kāi)挖中，巖體裸露、洞內(nèi)視野較好，震源點(diǎn)的激發(fā)、檢波器的安裝以及坐標(biāo)的采集就相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.1 震源點(diǎn)激發(fā)

TRT系統(tǒng)采用錘擊震源進(jìn)行激發(fā)，把觸發(fā)開(kāi)關(guān)綁扎在錘頭上，通過(guò)觸發(fā)線(xiàn)與主機(jī)相連接，采用回路觸發(fā)方式，觸發(fā)與采集同步進(jìn)行。采集信號(hào)時(shí)，用錘頭直接錘擊巖體表面即可進(jìn)行激發(fā)。

2.2 檢波器安裝

在傳統(tǒng)的鉆爆法施工隧道中，只需要通過(guò)8 mm左右的電鉆打6 cm深的孔，在固定塊上抹上膨脹性快干水泥，把固定塊固定在隧道邊墻和洞頂表面，傳感器通過(guò)螺絲安裝在固定塊上，從而實(shí)現(xiàn)傳感器和巖體的緊密耦合，該方法簡(jiǎn)便易于操作。

2.3 大地坐標(biāo)系統(tǒng)

在資料處理的過(guò)程中需要建立隧道勘測(cè)布置圖，因此需要震源點(diǎn)和檢波器接收點(diǎn)等點(diǎn)位的三維坐標(biāo)信息，一般情況下，采用全站儀直接測(cè)量出所需點(diǎn)的大地坐標(biāo)即可。在鉆爆法開(kāi)挖施工的隧道中，由于洞內(nèi)設(shè)備較少，對(duì)以上點(diǎn)位的影響較小，可以直接進(jìn)行測(cè)量。

3 TBM隧道TRT預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于TBM隧道與鉆爆法隧道開(kāi)挖方式不同，TBM管片之間的銜接安裝無(wú)法使巖體裸露出來(lái)，而且TBM掘進(jìn)機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝管片所構(gòu)成的封閉結(jié)構(gòu)使得巖體被隔離，震源點(diǎn)和檢波器的安裝難度較大；同時(shí)由于TBM機(jī)設(shè)備復(fù)雜，震源點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置容易被各種設(shè)備阻擋，難以用全站儀測(cè)量出各個(gè)點(diǎn)位的大地坐標(biāo)，這給建立隧道勘測(cè)布置圖增加了困難。本文結(jié)合TBM掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在震源激發(fā)、檢波器安裝等方式上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中引入相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)代替大地坐標(biāo)系統(tǒng)，在TBM隧道中取得了良好預(yù)報(bào)效果。

3.1 激發(fā)裝置的改進(jìn)

在鉆爆法施工隧道中，只需要人工錘擊表面的巖體進(jìn)行激發(fā)，方便快捷。但在TBM掘進(jìn)機(jī)中，僅在刀盤(pán)附近的伸縮縫和空壓錘處能夠看到巖體(見(jiàn)圖1～2)，伸縮縫一般情況下處在關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉狀態(tài)下縫隙狹小，僅有10 cm寬，并且附近設(shè)備較多，難以直接錘擊激發(fā)。TBM空壓錘處有約20 cm×20 cm的空間能夠直接看到巖體，由于附近有空壓錘的阻擋，也難以直接錘擊激發(fā)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，用空壓鉆在管片定位孔上鉆孔，然后加工實(shí)心鐵棒，把實(shí)心鐵棒放到定位孔中與巖體緊貼，通過(guò)錘擊實(shí)心鐵棒進(jìn)行激發(fā)，效果良好。

圖1 TBM伸縮縫處巖體 圖2 TBM空壓錘處巖體

3.2 接收裝置的改進(jìn)

TBM掘進(jìn)環(huán)境下管片的安裝對(duì)于實(shí)現(xiàn)傳感器和巖體的耦合帶來(lái)了諸多不便，無(wú)法像鉆爆法隧道一樣把傳感器通過(guò)螺絲安裝在巖體的固定塊上進(jìn)行耦合。為了解決該問(wèn)題，研究小組通過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維是一種特殊的無(wú)機(jī)非金屬材料，以玻璃纖維錨桿為傳輸媒介，在信號(hào)傳遞的過(guò)程中不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，對(duì)接收方式能有效地改進(jìn)，效果良好，具體改進(jìn)如圖3～4所示。

3.3 相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)

如前文所述，在鉆爆法施工隧洞中，一般可通過(guò)全站儀測(cè)出震源點(diǎn)和檢波器接收點(diǎn)等點(diǎn)位的大地坐標(biāo)，建立隧道勘測(cè)布置圖。而在TBM掘進(jìn)環(huán)境下，由于洞內(nèi)設(shè)備較多，震源點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置容易被各種設(shè)備阻擋，難以用全站儀測(cè)出以上點(diǎn)位的坐標(biāo)，這增加了建立隧道勘測(cè)布置圖的困難。研究小組經(jīng)過(guò)不斷地努力和嘗試，最終通過(guò)建立以下點(diǎn)位的相對(duì)坐標(biāo)關(guān)系，即建立相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題。

隧道勘測(cè)布置圖是根據(jù)12個(gè)震源點(diǎn)(S1～S12)、10個(gè)檢波器(A2～A11)以及掌子面頂拱中心點(diǎn)和A9-A10-A11組成圓弧的最高點(diǎn)。從中心點(diǎn)位置沿著掌子面為X軸正方向，面對(duì)掌子面原點(diǎn)右側(cè)為Y軸正方向，原點(diǎn)以上為Z軸正方向，反之則為負(fù)方向。因此，在確定震源點(diǎn)和檢波器等點(diǎn)位的相對(duì)坐標(biāo)時(shí)，只需要用皮尺測(cè)量出各點(diǎn)位的相對(duì)坐標(biāo)，不需要用全站儀測(cè)出以上點(diǎn)位的大地坐標(biāo)。

圖3 玻璃纖維錨桿 圖4 邊墻上安裝檢波器

經(jīng)過(guò)后續(xù)處理，在以上兩種坐標(biāo)系統(tǒng)模式下，采用相同的波速和濾波等處理參數(shù)，得到的三維反射成像圖也完全一致?？梢?jiàn)，對(duì)于相同的空間波場(chǎng)，兩種坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維結(jié)構(gòu)圖對(duì)異常結(jié)構(gòu)的反映一致。

因此，采用震源點(diǎn)和檢波器等點(diǎn)位的相對(duì)位置關(guān)系建立起來(lái)的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，完全可以代替采用全站儀測(cè)量出各個(gè)點(diǎn)位的大地坐標(biāo)所建立的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的引入解決了在TBM隧道中難以用全站儀測(cè)量各點(diǎn)位大地坐標(biāo)的問(wèn)題，為在TBM隧道中順利開(kāi)展TRT法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作奠定了基礎(chǔ)。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

某隧道采用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)施工，隧洞長(zhǎng)約5 km。根據(jù)已經(jīng)揭露的地質(zhì)資料，該洞段巖體以片麻巖和混合片麻巖為主，巖石堅(jiān)硬，構(gòu)造整體不發(fā)育，主要以小規(guī)模斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙為主，局部發(fā)育斷層破碎帶。隧道埋深較深，深埋洞段較長(zhǎng)，在局部深埋洞段可能會(huì)產(chǎn)生由高地應(yīng)力引起的巖爆、圍巖卸荷松弛、片幫等現(xiàn)象。圍巖以Ⅲ類(lèi)為主，約占80%，Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖約占20%，具備良好的成洞條件，大部分洞段巖體較完整，較適宜TBM掘進(jìn)，但在斷層、韌性剪切帶發(fā)育和長(zhǎng)大裂隙不利組合等圍巖破碎洞段洞室穩(wěn)定性問(wèn)題較為突出；同時(shí)在TBM掘進(jìn)過(guò)程中也會(huì)造成撐靴無(wú)法受力、卡機(jī)等隱患，對(duì)掘進(jìn)有一定的影響。該區(qū)域常年降水充沛，地下水較豐富，但主要集中在進(jìn)出口淺埋洞段和過(guò)溝段，深埋洞段僅在構(gòu)造破碎帶附近存在涌突水現(xiàn)象。

根據(jù)前期EH4物探剖面揭示，隧道樁號(hào)約K10+070 m～K10+150 m段出現(xiàn)反射異常。經(jīng)解譯，該異?？赡転閿鄬訋?，也可能為裂隙密集帶或集中分布的多條小規(guī)模斷層破碎帶所致(見(jiàn)圖5)。

圖5 EH4物探剖面疑似斷層示意

TBM設(shè)備造價(jià)昂貴，掘進(jìn)過(guò)程中不能后退，為了防止卡機(jī)或者被埋等工程事故發(fā)生，需查明掌子面前方是否存在EH4所反映的地質(zhì)異常，需要對(duì)掌子面進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。TBM掘進(jìn)機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖體被管片覆蓋，如何進(jìn)行有效地超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作一直是該領(lǐng)域的難點(diǎn)。研究小組通過(guò)改進(jìn)激發(fā)裝置和接收裝置，引入相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，成功在雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)中進(jìn)行了TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

4.2 預(yù)報(bào)成果分析

本次預(yù)報(bào)采用TRT地震波三維成像技術(shù)，預(yù)報(bào)段為K10+076 m～K10+176 m。通過(guò)對(duì)TRT預(yù)報(bào)資料分析處理，得到成果如圖6～7所示。

根據(jù)TRT法預(yù)報(bào)成果，可得出如下推論：

(1)K10+076 m～K10+090 m段地震波反射明顯，分布較為分散，地震波速呈降低趨勢(shì)，推斷該段巖體完整性差，層面裂隙或小開(kāi)度結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地下水活動(dòng)弱。

(2)K10+090 m～K10+130 m段地震波反射不明顯，推測(cè)該段巖體完整性較差，與當(dāng)前掌子面類(lèi)似。

(3)K10+130 m～K10+140 m段地震波反射強(qiáng)烈，正負(fù)反射分布密集，以黃色正反射為主，局部夾雜藍(lán)色負(fù)反射，地震波速呈現(xiàn)整體升高趨勢(shì)，推測(cè)該段圍巖斷層發(fā)育，受斷層影響地震波反射出現(xiàn)局部消失和錯(cuò)段現(xiàn)象，地下水活動(dòng)弱。

(4)K10+140 m～K10+176 m段地震波反射明顯，多以零星反射為主，分布較為分散，地震波速相比上段有增高趨勢(shì)，推測(cè)該段圍巖與上段相比有變好趨勢(shì)，但局部裂隙或小開(kāi)度結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地下水活動(dòng)弱。

從以上成果中可以看到，本次TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在K10+130 m～K10+140 m段發(fā)現(xiàn)明顯異常，根據(jù)異常的空間分布，初步判定為斷層，與EH4資料中所反映的物探異常相吻合。

(a)俯視示意

(b)側(cè)視示意

(c)立體示意

圖7 地震波速度

4.3 開(kāi)挖對(duì)比

對(duì)于本次預(yù)報(bào)后的地質(zhì)掘進(jìn)情況，研究小組人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤。

在掘進(jìn)至K10+076 m時(shí)，掌子面在掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)掉塊、塌落現(xiàn)象，出渣以塊狀為主，掘進(jìn)參數(shù)異常。在K10+076 m～K10+246 m段，地質(zhì)條件差，掘進(jìn)過(guò)程中先后出現(xiàn)數(shù)次伸縮盾、尾盾甚至全盾卡機(jī)事故。

受TBM施工機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)和掘進(jìn)速度影響，觀察空間有限且無(wú)法連續(xù)收集地質(zhì)信息，僅能從刀盤(pán)間隙、側(cè)窗、伸縮盾縫隙進(jìn)行巖壁觀察，同時(shí)收集巖渣特征、地下水特征和掘進(jìn)參數(shù)。

渣體觀察時(shí)，K10+100 m處以前渣體以塊狀為主，約占70%～80%；K10+100 m以后渣體以粉狀為主，少見(jiàn)塊狀，未見(jiàn)片狀。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖掘進(jìn)情況以及收集揭露的地質(zhì)資料來(lái)看，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)效果理想，與開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況吻合度高，EH4剖面中的異常段在本次預(yù)報(bào)中也得到了印證。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)水電、公路、鐵路等項(xiàng)目的建設(shè)，TBM掘進(jìn)機(jī)因其特有的優(yōu)勢(shì)在隧道施工中得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用，但受TBM掘進(jìn)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)所限，傳統(tǒng)的地球物理探測(cè)手段并沒(méi)有得到較好的推廣，如何在TBM隧道內(nèi)有效地開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成為隧道領(lǐng)域與工程地球物理學(xué)界的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文通過(guò)結(jié)合TBM掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在震源激發(fā)、檢波器安裝等方式上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中引入相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)代替大地坐標(biāo)系統(tǒng)，在TBM隧道施工中取得良好預(yù)報(bào)效果，對(duì)在TBM隧道內(nèi)有效開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了有益的嘗試，但有些地方還需要優(yōu)化和提升。

(1)在TBM掘進(jìn)機(jī)中，優(yōu)化激發(fā)裝置采用敲擊實(shí)心鐵棒的方式。雖然敲擊實(shí)心鐵棒能夠有效激發(fā)，但過(guò)于笨重，且不方便操作，優(yōu)化時(shí)可以考慮：①對(duì)TBM掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)擾動(dòng)進(jìn)行激發(fā)；②把觸發(fā)開(kāi)關(guān)綁扎在空壓錘上，利用空壓錘錘擊巖體進(jìn)行激發(fā)；③特制超磁致伸縮激發(fā)器，在伸縮縫處激發(fā)。

(2)采用不同的工程地球物理探測(cè)方法，將中長(zhǎng)距離的宏觀地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與短距離的細(xì)節(jié)預(yù)報(bào)有效結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行綜合探測(cè)。對(duì)中長(zhǎng)距離的宏觀預(yù)報(bào)所反應(yīng)的異常采用短距離細(xì)節(jié)預(yù)報(bào)進(jìn)行復(fù)核，提高預(yù)報(bào)精度，提前采取防護(hù)措施，優(yōu)化施工方案，指導(dǎo)隧道開(kāi)挖。