鄧銘江， 許振浩， 劉 斌

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000； 2. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心, 山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

我國已是世界上隧道(洞)修建規(guī)模和難度最大的國家[1]。在交通工程領(lǐng)域，隨著我國鐵路、公路網(wǎng)不斷向崇山峻嶺、離岸深水區(qū)延伸，交通隧道總量和建設(shè)規(guī)模持續(xù)增加。截至2020年底，我國已投入運(yùn)營鐵路隧道有16 798座，總長19 630 km，其中，10 km以上的特長鐵路隧道總長2 811 km[2]； 我國公路隧道有21 316座，總長21 999.3 km，其中，3 km以上的特長公路隧道總長6 235.5 km[3]。根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》，到2030年我國將建成高速鐵路4.5萬km、高速公路11.8萬km。在水利水電領(lǐng)域，隨著重點(diǎn)水電工程和跨流域調(diào)水工程的建設(shè)規(guī)劃，將建設(shè)一批深埋長大引水隧洞[4]。例如： 滇中引水隧洞輸水干線總長664.24 km，受水區(qū)包括35個(gè)縣(市、區(qū))，總面積3.69萬km2；規(guī)劃的南水北調(diào)西線工程，隧洞全長720 km，最長洞段長度達(dá)73 km，最大埋深為1 600 m。

我國在建和擬建的絕大多數(shù)交通隧道和水工深長隧洞，其長徑比達(dá)到600～1 000甚至更高，在此條件下，國際上公認(rèn)采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM, tunnel boring machine)工法掘進(jìn)施工在工期、造價(jià)、技術(shù)等方面具有顯著優(yōu)勢[4-7]。但由于深長隧道(洞)線路長、埋深大，施工中容易遭遇斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶、軟弱地層、溶洞、暗河等不良地質(zhì)情況[8-11]，致使TBM施工中遭遇突水突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較高，易導(dǎo)致TBM卡機(jī)、損壞、報(bào)廢甚至人員傷亡等重大事故。

據(jù)121個(gè)TBM卡機(jī)案例統(tǒng)計(jì)分析，塌方和大變形是最為常見的TBM卡機(jī)致災(zāi)模式，分別占比44%和30%，突水突泥導(dǎo)致了16%的卡機(jī)事故[6]。此外，超特長TBM施工隧道(洞)常存在反坡施工、長距離斜井和豎井抽排水難題，一旦發(fā)生突水突泥災(zāi)害，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，有時(shí)還會(huì)造成TBM整機(jī)報(bào)廢。李術(shù)才等[10]基于200余例突水突泥災(zāi)害案例統(tǒng)計(jì)分析，提出了“3類11型”突水突泥致災(zāi)構(gòu)造形式和4種突水突泥孕災(zāi)模式，研究了致災(zāi)構(gòu)造賦存的地質(zhì)特征和判識方法，為突水突泥災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)制與災(zāi)害控制研究奠定了重要基礎(chǔ)，對TBM隧道(洞)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和突水突泥地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。國內(nèi)外典型的隧道(洞)TBM施工地質(zhì)災(zāi)害事故統(tǒng)計(jì)見表1，輕者導(dǎo)致TBM卡機(jī)或機(jī)械損毀，重者整機(jī)報(bào)廢，甚至棄用TBM方案、出現(xiàn)人員傷亡等嚴(yán)重后果[6,12-24]。

表1 國內(nèi)外典型的隧道(洞)TBM施工地質(zhì)災(zāi)害事故

綜合分析眾多TBM施工案例，TBM施工易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害和卡機(jī)、機(jī)械報(bào)廢甚至人員傷亡等重大事故的根本原因是： 1)由于山高洞長，在施工前期難以全部查明隧道(洞)沿線的不良地質(zhì)情況； 2)由于隧道(洞)TBM施工的特殊性和復(fù)雜性，在施工期間缺乏有效的不良地質(zhì)全覆蓋超前預(yù)報(bào)方法，復(fù)雜環(huán)境TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是世界性難題。

目前，許多超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在鉆爆法施工隧道(洞)中應(yīng)用較好，但面對超特長TBM施工隧道(洞)存在的空間狹小、環(huán)境復(fù)雜、掘進(jìn)快速等特點(diǎn)，一些超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法面臨諸多難題，如探測空間狹小、洞內(nèi)干擾大影響探測過程進(jìn)而影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，探測設(shè)備與TBM不能協(xié)同運(yùn)行等。因此，開展適用于超特長TBM施工引水隧洞不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法體系研究對隧洞安全建設(shè)具有重要意義。

超長洞線、超大埋深的特點(diǎn)對引水隧洞的超前探測提出了新的要求，需要實(shí)現(xiàn)對掌子面前方不良地質(zhì)和可能的地質(zhì)災(zāi)害形式的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，包括掌子面前方的不良地質(zhì)條件的位置、規(guī)模和性質(zhì)，并對含水體進(jìn)行定位和定量估算，以及開挖揭露是否會(huì)形成地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重程度等。為此，本文提出一種超特長隧洞不良地質(zhì)全覆蓋預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，以“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)為核心，開展“1 km”千米級洞段工程地質(zhì)評價(jià)與地質(zhì)災(zāi)害評估、“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)和“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)，并基于多元信息聯(lián)合反演分析，實(shí)現(xiàn)對掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

1 隧洞地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

1.1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展歷程與技術(shù)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外在隧洞地質(zhì)災(zāi)害的探測理論、方法、技術(shù)和工程應(yīng)用方面開展了大量研究，取得了重要進(jìn)展，逐步形成了以“四結(jié)合原則”為指導(dǎo)思想的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)理念——長距離探測與短距離探測相結(jié)合、洞內(nèi)探測與洞外調(diào)查相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合、地質(zhì)與物探相結(jié)合[25]，并發(fā)展和完善了隧洞外和隧洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

1.1.1 隧洞外超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧洞外超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要包括地質(zhì)分析法、航空物探法、地面物探法和地表鉆探法等。

1)地質(zhì)分析法通過隧址區(qū)地表工程地質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查與分析，推斷掌子面前方的地層產(chǎn)狀特征，斷裂構(gòu)造與節(jié)理發(fā)育規(guī)律，巖溶發(fā)育的部位、走向、形態(tài)等地質(zhì)情況[26]。

2)航空物探方法主要包括高分辨率航空磁測、航空電磁測量、航空放射性測量和航空重力測量等[27-30]。高分辨率航空磁測方法研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代末，可用于識別構(gòu)造細(xì)節(jié)，分辨細(xì)小的斷層和裂隙。國內(nèi)航空電磁測量技術(shù)研究始于1959年，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)填圖、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘察、環(huán)境監(jiān)測等。航空放射性測量始于20世紀(jì)50年代，在基礎(chǔ)地質(zhì)研究和礦產(chǎn)資源勘查中得到了廣泛的應(yīng)用。航空重力測量技術(shù)在20世紀(jì)90年代初期試驗(yàn)獲得成功，可以有效地進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯與構(gòu)造分層、反演界面深度、圈定凸起與凹陷以及巖漿巖體等。

3)地面物探法屬于宏觀預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)距離變化范圍較大，探測深度為20～1 000 m甚至更大，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造的探測，結(jié)果具有多解性，結(jié)合地表鉆探和地質(zhì)分析，可以初步了解隧址區(qū)地質(zhì)情況。地面物探法包括高頻大地電磁法、瞬變電磁法、高密度電法、地震波法和探地雷達(dá)法等[31-36]。

4)地表鉆探法包括反循環(huán)式鉆探技術(shù)、繩索取芯鉆探技術(shù)、液動(dòng)錘鉆探技術(shù)以及將反循環(huán)式與繩索取芯相結(jié)合的鉆探技術(shù)等[37-40]。

1.1.2 隧洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要包括洞內(nèi)地質(zhì)素描法、超前鉆探法、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、激發(fā)極化/電阻率法、紅外探水法等，如表2所示。

表2 隧洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及其TBM施工適用性

1)洞內(nèi)地質(zhì)素描法根據(jù)掌子面、邊墻等處揭露的圍巖巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點(diǎn)及出水狀態(tài)等信息，預(yù)報(bào)掌子面前方地質(zhì)情況[41]。

2)超前鉆探法通過鉆孔直接揭露隧洞掌子面前方地層巖性、巖體完整性、地下水情況等信息，預(yù)測是否可能發(fā)生突涌水、有害氣體突出等災(zāi)害[42-43]。

3)地震波法是利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法[44-53]。包括負(fù)視速度法、TSP(tunnel seismic prediction)、TRT (true reflection tomography)、水平聲波剖面法、TST (tunnel seismic tomography)、陸地聲納法以及專用于TBM施工隧洞的ISIS(integrated seismic imaging system)、SWT(seismic while tunneling)和HSP(horizontal sound probing)等[54-55]。根據(jù)地震波的激發(fā)源不同，地震波法可分為主動(dòng)源法和被動(dòng)源法。

4)地質(zhì)雷達(dá)法是利用電磁波來確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測技術(shù)，其探測效果主要取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的介電系數(shù)差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強(qiáng)弱等。對于斷層、裂隙帶、破碎巖體、巖性界面等有較高的識別能力，對富水區(qū)有較敏感響應(yīng)[56-57]。

5)瞬變電磁法是一種時(shí)間域電磁法，利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線向掌子面前方發(fā)射一次脈沖磁場，在斷電后，通過測量由掌子面前方地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)二次渦流隨時(shí)間的變化，來達(dá)到地質(zhì)勘察的目的[58-63]。

6)激發(fā)極化/電阻率法是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間(圍巖與不良地質(zhì)體)的激電或?qū)щ娦圆町悶槲镔|(zhì)基礎(chǔ)，通過研究測量地質(zhì)體的激電效應(yīng)或地電場實(shí)現(xiàn)地質(zhì)情況探查的一種電法分支方法，對掌子面前方的含水構(gòu)造響應(yīng)較敏感，可對含水構(gòu)造進(jìn)行定位，并估算水量[64]。

7)紅外探水法是一種輔助探水方法，由于所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，該能量的大小與物體的發(fā)射率成正比，但易受隧洞施工和燈具等發(fā)熱體的影響和干擾[65]。

1.1.3 TBM施工隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)狀

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展對傳統(tǒng)鉆爆法施工隧洞的安全控制和防災(zāi)減災(zāi)起到了重要作用，但TBM施工隧洞中實(shí)用有效的超前探測理論與方法是國內(nèi)外長期關(guān)注卻未能很好解決的難題。TBM施工隧洞的探測環(huán)境和電磁干擾極為復(fù)雜，對地球物理超前探測方法的觀測模式、抗干擾能力、前向感知能力和探測效率等提出了巨大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致在鉆爆法隧洞中較為有效的探測方法常無法適用于TBM環(huán)境。

國內(nèi)外針對TBM施工隧洞超前探測問題開展了大量的理論和應(yīng)用研究，但整體進(jìn)展不理想，可用方法仍不足以滿足工程建設(shè)快速發(fā)展的需求。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，目前國外僅有不足20%的TBM裝配了地球物理探測儀器，國內(nèi)的比例更小。

從全世界范圍來看，目前專用于TBM隧洞的超前探測技術(shù)僅有少數(shù)幾種： 1)德國GD公司研發(fā)的BEAM技術(shù)，屬于聚焦頻率域激發(fā)極化法，實(shí)際探測距離短(<20 m)，本質(zhì)上僅能定性判斷是否存在水體，無法定位，未得到廣泛認(rèn)可和推廣[66]； 2) 德國GFZ公司研發(fā)的ISIS地震超前探測技術(shù)，采用了三維觀測模式，具有可取之處，但如何降低和去除TBM施工中強(qiáng)烈的震動(dòng)噪聲問題未能得到很好的解決； 3)其他在研的專用技術(shù)，如以TBM刀具破巖震動(dòng)為震源的隨鉆地震超前探測技術(shù)SWT、TSWD、HSP聲波反射法等，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能分析和直接指導(dǎo)TBM施工智能決策，仍需深入研究。

總之，TBM施工環(huán)境中超前探測方法研究尚處于探索階段，與實(shí)際工程需求相差很遠(yuǎn)。由于地球物理探測方法的局限性，目前較多TBM配有快速超前鉆機(jī)用于探測地質(zhì)情況，但存在“一孔之見”的問題，容易遺漏重大災(zāi)害源，且經(jīng)濟(jì)成本較高，耗時(shí)較長，易干擾施工，多被用于高風(fēng)險(xiǎn)段落的探測，無法進(jìn)行常規(guī)性探測，無法滿足TBM快速施工超前探測的要求。

綜上所述，國內(nèi)外對TBM施工隧洞超前探測技術(shù)研究的進(jìn)展不理想，少數(shù)幾種專用探測技術(shù)都難以滿足工程需要，缺乏TBM施工環(huán)境超前探測技術(shù)的系統(tǒng)研究，未來的研究任務(wù)和形勢十分緊迫。同時(shí)，目前TBM施工環(huán)境中的超前探測技術(shù)都十分注重與TBM的一體化和自動(dòng)化，這代表了TBM施工探測技術(shù)的特殊需要和發(fā)展趨勢。

1.2 超特長隧洞地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題

TBM具有快速掘進(jìn)的優(yōu)勢，超特長引水隧洞采用TBM法施工是未來的發(fā)展趨勢。然而，由于超特長隧洞穿越地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性，以及采用TBM施工時(shí)洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可用空間狹小、電磁干擾復(fù)雜等原因，超特長隧洞的不良地質(zhì)探測和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)面臨更多的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題。

1.2.1 超特長隧洞快速施工需求與常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法TBM適用性差之間的矛盾和挑戰(zhàn)

超特長隧洞由于其洞線長、埋深大，穿越的地形地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，遭遇斷層、巖溶、破碎帶等不良地質(zhì)更加頻繁，發(fā)生突水、塌方、大變形等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)更高。常規(guī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在鉆爆法隧洞施工中適用性較強(qiáng)，但由于TBM施工隧洞探測空間狹小、電磁干擾環(huán)境復(fù)雜、單日掘進(jìn)里程長、對于不良地質(zhì)條件適應(yīng)性差等原因，目前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在超特長隧洞TBM施工中面臨的問題更為復(fù)雜，適用性更差，與TBM高效、快速施工需求之間的矛盾更大。因此，改進(jìn)和研發(fā)適用于TBM法施工超特長隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法體系是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

1.2.2 TBM探測空間狹小、電磁環(huán)境復(fù)雜與TBM穿越復(fù)雜地質(zhì)條件探測準(zhǔn)確性及精度不足的矛盾和挑戰(zhàn)

TBM內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，占用了掌子面后方的大量隧洞空間，對各種物探和鉆探等超前地質(zhì)探測工作的開展帶來了極大不便。探測空間不足影響探測過程，進(jìn)而會(huì)降低探測結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。此外，TBM內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，對探測結(jié)果干擾大。一方面，由于TBM內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾十分強(qiáng)烈，對物探方法尤其是電磁類方法造成了較大困難； 另一方面，突涌水時(shí)洞內(nèi)積水與TBM的耦合作用等不利因素對探測結(jié)果干擾較大。

存在突涌水時(shí)對不良地質(zhì)探測的需求更高，但洞內(nèi)積水等導(dǎo)致探測的準(zhǔn)確性和精度降低，甚至于無法開展探測。換而言之，越需要探測的地方干擾越大，探測準(zhǔn)確性和精度受影響越大，開展多方法聯(lián)合反演和多元數(shù)據(jù)融合分析的難度也越大，探測條件與探測需求的矛盾加劇。因此，研發(fā)抗干擾的TBM搭載式超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備和方法體系是要解決的關(guān)鍵問題之二。

1.2.3 TBM快速掘進(jìn)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法探測效率低、距離短的矛盾和挑戰(zhàn)

目前，大多數(shù)長距離地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)需要TBM停機(jī)才能開展，不利于提高TBM施工掘進(jìn)效率和及時(shí)防災(zāi)能力。山東大學(xué)利用TBM掘進(jìn)破巖產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)，借鑒“隨鉆地震”和“變噪為源”的思想，巧妙利用TBM破巖震動(dòng)，提出了以破巖震動(dòng)為震源的實(shí)時(shí)超前探測新方法[67-68]，在北疆供水二期工程開展了豐富的現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用研究。

然而，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能分析和直接指導(dǎo)TBM施工智能決策，將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析結(jié)果作為指導(dǎo)TBM智能掘進(jìn)的直接依據(jù)之一與機(jī)器參數(shù)有機(jī)融合，尚需開展深入的研究，以適應(yīng)TBM快速掘進(jìn)和智能決策的需求。對于短距離探水方法而言，也應(yīng)加強(qiáng)探測實(shí)時(shí)化，避免遺漏災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源。因此，突破長距離智能探測和長距離探水技術(shù)以及相應(yīng)的TBM搭載式成套探測技術(shù)是今后TBM集群施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要解決的關(guān)鍵問題之三。

1.2.4 超特長隧洞探測數(shù)據(jù)豐富與難于實(shí)現(xiàn)多元信息融合反演效果的矛盾和挑戰(zhàn)

在超特長隧洞建設(shè)過程中，不同建設(shè)階段由不同單位開展了不同方法的探測，涵蓋航空物探、地面物探、鉆探、洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等一系列方法和豐富的數(shù)據(jù)。然而，不同階段探測范圍不一致、探測側(cè)重點(diǎn)不一致、探測精度不一致，不同單位之間信息資料共享機(jī)制不完善，目前還只能實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，缺乏多元數(shù)據(jù)融合反演的數(shù)據(jù)融合分析機(jī)制和方法。其次，不同探測方法獲得的數(shù)據(jù)格式不兼容和不匹配，導(dǎo)致數(shù)據(jù)融合效果差，聯(lián)合反演難度高，不能滿足融合反演和智能決策的需求。同時(shí)，尚未建立探測結(jié)果與隧洞掘進(jìn)參數(shù)之間的定量表征關(guān)系，以及融合不同探測方法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的TBM智能決策方法體系。因此，實(shí)現(xiàn)超特長隧洞不良地質(zhì)探測數(shù)據(jù)的融合反演是亟需解決的關(guān)鍵問題之四。

2 超特長隧洞TBM施工不良地質(zhì)全覆蓋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立與實(shí)現(xiàn)

2.1 “115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

超特長隧洞建設(shè)過程中面臨TBM施工電磁干擾的特殊性及地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性和多樣性，傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法不能很好地滿足超特長隧洞的快速掘進(jìn)需求。為此，本文提出了一種超特長隧洞TBM施工不良地質(zhì)全覆蓋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，即“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)?！?15”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)以“1 km”千米級宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)和地質(zhì)災(zāi)害評估、“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)和“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)為主要內(nèi)容，以前攝性地質(zhì)預(yù)警為目的，探測結(jié)果覆蓋隧洞全洞段的不良地質(zhì)預(yù)報(bào)與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警?！?15”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 “115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)施流程圖

每個(gè)循環(huán)中“1 km”千米級宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)為“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)提供隧址區(qū)宏觀地質(zhì)信息，“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)為“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)提供掌子面前方長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)信息，“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)為隧洞施工提供掌子面前方精細(xì)化探測信息。隧洞施工即將通過短距離探測段后，進(jìn)入下一階段的隧洞長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和短距離精細(xì)化探查預(yù)報(bào)，直至隧洞施工通過本循環(huán)的宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)段落。上一循環(huán)完成后，進(jìn)入下一循環(huán)“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)階段，前一循環(huán)為下一循環(huán)提供修正的宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)信息和各種探測方法反饋修正數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地質(zhì)和物探信息，進(jìn)而開展隧洞全洞段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對掌子面前方的不良地質(zhì)和可能由其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害形式的全覆蓋預(yù)報(bào)。

該超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)緊緊圍繞超特長隧洞TBM施工特點(diǎn)，有機(jī)結(jié)合不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，最大限度發(fā)揮了不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)，分階段、重循環(huán)、動(dòng)態(tài)反饋，能夠顯著提高不良地質(zhì)探測和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的準(zhǔn)確性。

2.2 “1 km”千米級宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)

“1 km”千米級宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)采用航空物探和地面物探聯(lián)合探測技術(shù)開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造的探測，初步掌握隧洞沿線區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)特征，如地形地貌、地表流域、地質(zhì)構(gòu)造等，并結(jié)合勘察期地表鉆探和地質(zhì)分析結(jié)果，以1 km為單位劃分區(qū)域，初步查明掌子面前方千米范圍內(nèi)的地質(zhì)概況，尤其是大型不良地質(zhì)構(gòu)造類型、區(qū)域地下水分布規(guī)律和主要地質(zhì)災(zāi)害類型。

航空物探以無人機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過無人機(jī)搭載電磁探測設(shè)備等在地表開展隧址區(qū)航空探測。航空探測具有速度快、效率高、節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速、連續(xù)、反復(fù)地開展多元數(shù)據(jù)采集，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理，可方便用戶快速收集數(shù)據(jù)，開展分析，節(jié)省大量時(shí)間和人力，且能反復(fù)開展，并能夠在短期內(nèi)取得大面積的地質(zhì)探測資料。地面物探通過在隧洞地表開展地球物理探測，來調(diào)查隧址區(qū)地下巖性分界面、含水體分布規(guī)律，如大地電磁法。開展地面物探相比鉆探費(fèi)用低，施工方便。采用航空物探和地面物探聯(lián)合探測技術(shù)，可以在大范圍內(nèi)確定地質(zhì)構(gòu)造和含水特征，但分辨率較低，對一些異常值較小的異常體探測不準(zhǔn)，且定位難以做到十分準(zhǔn)確。因此，結(jié)合地面鉆探直觀揭露的地質(zhì)特征，開展多元地質(zhì)信息融合分析，與航空物探和地面物探聯(lián)合探測結(jié)果相互印證，可初步確定區(qū)域范圍內(nèi)不良地質(zhì)類型及其分布位置，并初步判斷可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害形式及規(guī)模。

在探測結(jié)果基礎(chǔ)上，開展隧洞掌子面前方千米范圍內(nèi)隧洞動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估，根據(jù)可能發(fā)生的主要地質(zhì)災(zāi)害類型、規(guī)模，劃分地質(zhì)災(zāi)害和施工風(fēng)險(xiǎn)等級，為長距離與短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選擇和開展提供指導(dǎo)，為施工方案的變更提供依據(jù)。

2.3 “100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)

“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)是在已建立的千米范圍洞段宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)與地質(zhì)災(zāi)害評估結(jié)果基礎(chǔ)上開展的，以地震波法(分為采用人工震源的主動(dòng)源地震波法和采用TBM破巖震源信號的被動(dòng)源地震波法)為核心，以超前水平鉆孔和地質(zhì)分析為輔助手段，探測100 m左右距離的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。通常在無明顯大規(guī)模不良地質(zhì)構(gòu)造和低風(fēng)險(xiǎn)等級地段采用地震波法結(jié)合地質(zhì)分析的方法開展探測，在存在或疑似存在大規(guī)模不良地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害等級較高的地段輔以超前鉆探技術(shù)。

長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要任務(wù)是基本查明掌子面前方100 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，判斷斷層、溶洞、導(dǎo)水通道等不良地質(zhì)構(gòu)造是否存在或其存在的位置及規(guī)模大小，為開展短距離含水結(jié)構(gòu)精細(xì)探查圈定里程范圍。通常以TSP法、TRT法和破巖震源法等為主要手段。目前，采用地震波類方法識別含水體還存在很大困難，且定位的準(zhǔn)確度較差，只能粗略估測和預(yù)報(bào)。因此，在探測結(jié)果顯示掌子面前方存在大規(guī)模不良地質(zhì)構(gòu)造或處于地下水發(fā)育洞段，還需進(jìn)一步開展鉆探并結(jié)合短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)開展精細(xì)化探測工作。

由于主動(dòng)源地震波法超前探測占用邊墻或掘進(jìn)面較大空間，若采用炸藥激發(fā)震源，容易損壞TBM，因此很難應(yīng)用到TBM環(huán)境，只有少數(shù)技術(shù)被用于開敞式TBM，但缺乏針對性設(shè)計(jì)，使用不方便，仍存在速度分析不準(zhǔn)確、探測可靠性差的問題；因此，針對TBM特殊環(huán)境，采用以破巖震動(dòng)為震源的實(shí)時(shí)超前探測新方法，實(shí)現(xiàn)隨TBM掘進(jìn)實(shí)時(shí)探測和動(dòng)態(tài)成像，如山東大學(xué)研制的TBM破巖震源地震實(shí)時(shí)超前探測系統(tǒng)[67-69](見圖2)，可有效改善傳統(tǒng)地震波法的超前探測效果。

圖2 TBM搭載地震超前探測系統(tǒng)[67-69]

2.4 “50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)

“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)是在百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上開展的，以電磁類方法探水、地震波法加密探測、超前鉆探法鎖定為主要手段，結(jié)合地質(zhì)分析，以準(zhǔn)確掌握掌子面前方50 m范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和地下水發(fā)育情況為目的的預(yù)報(bào)技術(shù)。

通過“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)可以準(zhǔn)確確定不良地質(zhì)體及含水體的性質(zhì)、位置和規(guī)模，準(zhǔn)確判斷掌子面前方可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類型，為超特長隧洞TBM施工及地質(zhì)災(zāi)害的防控與處治提供參考和依據(jù)。由于距離掌子面前方不良地質(zhì)體較近，其地球物理響應(yīng)特征明顯，因而探測精度較100 m長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)高。結(jié)合鉆探信息，如鉆探過程中的鉆進(jìn)速度、破壞能以及卡鉆、跳鉆、塌孔等異常鉆探現(xiàn)象，巖粉與沖洗液性質(zhì)、鉆孔涌水量等，可確定前方不良地質(zhì)情況。

針對TBM施工超特長隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)操作空間不足的問題和預(yù)報(bào)效率低的難題，北疆供水二期工程采用TBM搭載激發(fā)極化探測系統(tǒng)[70](見圖3)，充分利用TBM掘進(jìn)作業(yè)間歇，實(shí)現(xiàn)了激發(fā)極化探測不良地質(zhì)的自動(dòng)化、快速化和高精度。

圖3 TBM搭載激發(fā)極化探測系統(tǒng)[70]

2.5 多元信息聯(lián)合反演分析

針對超特長隧洞TBM施工復(fù)雜環(huán)境中探測具有多解性，其準(zhǔn)確性難以保證的難題，建立基于“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的多元信息聯(lián)合反演分析方法。該系統(tǒng)以航空物探和地面物探聯(lián)合探測結(jié)果、地表鉆孔結(jié)果為基礎(chǔ)，以破巖震源、TBM機(jī)載激發(fā)極化技術(shù)為核心，以地質(zhì)素描、調(diào)查和分析為前提，以超前鉆探、鉆孔雷達(dá)為補(bǔ)充，適當(dāng)整合其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，形成多元信息聯(lián)合反演綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系，建立不同地球物理方法模型空間參數(shù)的相互關(guān)系和聯(lián)合反演方法，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息、地震數(shù)據(jù)、激發(fā)極化數(shù)據(jù)等多元信息的聯(lián)合反演，通過并行計(jì)算、信息管理實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可視化與智能化。

3 工程應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 工程簡介

北疆供水二期工程由XE、KS、SS 3段組成，輸水總長 540.28 km。其中，XE、KS、SS隧洞總長516.19 km，設(shè)計(jì)采用18臺TBM分段掘進(jìn)，深埋、超特長、TBM集群施工是該隧洞工程建設(shè)的顯著特點(diǎn)。KS隧洞是目前世界在建最長輸水隧洞，單洞長283.27 km，TBM掘進(jìn)段占80%，單機(jī)施工區(qū)間最長23 km，隧洞建成后將實(shí)現(xiàn)單機(jī)連續(xù)掘進(jìn)和累計(jì)掘進(jìn)國內(nèi)記錄的“雙突破”。

依托工程褶皺構(gòu)造發(fā)育，隧洞穿越8條區(qū)域性斷裂，破碎帶地表寬度為100～200 m，最寬800 m。同時(shí)，還分布有次級斷層破碎帶129條。其中，XE隧洞穿過44條斷層破碎帶，累計(jì)長度0.93 km，占洞長的0.7%；KS隧洞穿過77條斷層破碎帶，累計(jì)長度2.5 km，占洞長的0.9%；SS隧洞穿過16條斷層破碎帶，累計(jì)長度0.48 km，占洞長的0.5%。整個(gè)輸水線路洞身段附近的斷層和裂隙不發(fā)育，裂隙以中陡傾角為主，裂隙面大多數(shù)被石英脈充填，以壓扭性結(jié)構(gòu)面為主。XE段和KS段隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，占比超過84%，圍巖條件總體較好，適合TBM機(jī)械化快速施工。SS段喀拉卡特隧洞的Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比68.9%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比31.1%，巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rb<30 MPa的段長占全洞長的29%，普遍為泥巖夾砂巖軟巖地層，施工中需特別關(guān)注坍塌和圍巖大變形問題。

隧洞巖體一般屬微—弱透水性，斷層破碎帶屬弱—中等透水性。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水，巖體較完整洞段的單位涌水量為8 m3/(h·km)；通過地表水庫、河流和軟巖地段時(shí)，單位涌水量為16 m3/(h·km)；通過區(qū)域性斷裂破碎帶地段時(shí)，單位涌水量為80 m3/(h·km)。

3.2 SS隧洞富水區(qū)域“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3.2.1 工程概況

北疆供水二期工程SS 隧洞Ⅲ標(biāo)段處于低山區(qū)內(nèi)，沿線基巖基本裸露，地面海拔775～1 005 m，地形起伏不大。相對高差一般為5～20 m，局部最大高差35 m，總地勢西高東低。本標(biāo)段隧洞近東西向(方位角89.2°)直線布置。隧洞埋深80～300 m，地勢較平坦，巖性主要為中—上石炭統(tǒng)灰黑、暗紅色安山巖和淺肉紅色巖屑玻屑凝灰?guī)r，局部夾凝灰質(zhì)砂巖和凝灰質(zhì)粉砂巖，斷層和節(jié)理裂隙不發(fā)育。

SS 隧洞Ⅲ標(biāo)TBM掘進(jìn)17個(gè)月停機(jī)堵水345 d，僅掘進(jìn)3.1 km，排水超過1 400萬m3。

3.2.2 “1 km”千米級宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)

地面物探采用瞬變電磁探測方法成功探明了SS47+000～SS50+500里程段隧洞附近富水區(qū)情況。測區(qū)內(nèi)的表層區(qū)域存在戈壁碎石，屬于高阻表層。經(jīng)過分析，淺層存在部分冰雪融水等形成的包氣帶水，含水率高則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性增強(qiáng)，會(huì)與高阻的背景產(chǎn)生較大差異，因而存在較好的電法探測前提。SS47+000～SS50+500段瞬變電磁探測結(jié)果如圖4所示。

ρ為電阻率，Ω·m。

解譯結(jié)果如下：

1)SS47+000～SS48+000段落。存在富水情況，因反演電阻率值相對較高，并夾雜高阻區(qū)域目標(biāo)，推測該區(qū)域的水量中等，但該區(qū)域范圍較大。

2)SS49+300～+800段落。存在富水情況，根據(jù)鉆孔水位數(shù)據(jù)判斷其應(yīng)該不會(huì)與淺層地下水連通。

SS47+000 ～ SS50+500設(shè)計(jì)3個(gè)地表鉆孔，鉆探結(jié)果如下：

1)SS48+000～SS49+000里程鉆孔ZK224，揭露小規(guī)模斷層中有滴滲水現(xiàn)象，且該段隧洞一般處于裂隙水以下150～210 m，估算該段隧洞總涌水量較低。

2)SS49+300～+800里程鉆孔ZK303-1和ZK303，均揭露較大規(guī)模的斷層，沿?cái)鄬悠扑閹Щ蛄严睹芗瘞в芯€狀流水。其中，ZK303揭露斷層f100-1 寬154 m，估算該點(diǎn)涌水量為300 m3/h，與瞬變電磁探測結(jié)果基本一致。

區(qū)域“1 km”洞段工程地質(zhì)評價(jià)采用地面物探開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與富水區(qū)情況的探測，并結(jié)合地表鉆探和地質(zhì)分析，初步了解掌子面前方千米范圍內(nèi)地質(zhì)概況，為長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供參考。

3.2.3 “100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用被動(dòng)源地震波法探測掌子面SS49+563前方地質(zhì)情況并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)，探測距離為SS49+563～+463。地震波三維成像圖和成像俯視圖見圖5。

(a) 三維圖

結(jié)合探測區(qū)域的地震波反射成像圖和地質(zhì)分析，推斷地質(zhì)情況及可能的災(zāi)害情況，解譯結(jié)果如下：

1)SS49+563～+543段落。在反射圖像上未出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落與掌子面圍巖類似，圍巖完整性較好。

2)SS49+543～+483段落。在反射圖像上出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖較破碎，易發(fā)生掉塊、塌腔。

3)SS49+483～+463段落。在反射圖像上局部出現(xiàn)較明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖局部可能發(fā)生掉塊、塌腔。

3.2.4 “50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)

采用GEI綜合電法儀探測掌子面SS49+504前方地質(zhì)情況并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)，探測距離為SS49+504～+474。激發(fā)極化法探測結(jié)果見圖6。

(a) 三維成像圖

綜合分析，解譯結(jié)果如下：

1)SS49+504～+489段落。三維電阻率圖像中,該段右側(cè)電阻率值局部較低，推斷該區(qū)域隧洞右側(cè)易發(fā)生股狀涌水現(xiàn)象。

2)SS49+489～+474段落。三維電阻率圖像中,該段右側(cè)電阻率值較前段有所升高，推斷該區(qū)域隧洞右側(cè)可能出現(xiàn)線狀流水現(xiàn)象。

3.2.5 開挖驗(yàn)證

采用GEI綜合電法儀探測掌子面前方里程區(qū)域SS49+504～+489隧洞右側(cè)易發(fā)生股狀涌水現(xiàn)象，開挖揭露SS49+500.6 右側(cè)承壓水突出涌水量1 450 m3/h，如圖7所示。

圖7 SS隧洞開挖涌水照片

3.3 KS隧洞破碎富水段“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)與“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)

3.3.1 工程概況

KS標(biāo)段在區(qū)域構(gòu)造上沒有區(qū)域性大斷裂帶穿過，發(fā)育與工程有關(guān)的次級斷裂共19條，產(chǎn)狀主要為50°～90°NW∠45°～70°、40°～55°SE∠65°或295°～330°SW∠50°～74°，斷層走向與洞軸線夾角為30°～70°，破碎帶寬10～37 m，帶內(nèi)以糜棱巖、碎裂巖及斷層角礫巖為主。另據(jù)鉆孔揭露，本標(biāo)段還有零星少量小型斷層，寬度一般為2～10 m，帶內(nèi)以糜棱巖及碎裂巖為主。

3.3.2 “100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用地震波法探測掌子面KS54+314前方地質(zhì)情況并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)，探測距離為KS54+314～+214。地震波三維成像圖和成像俯視圖見圖8。

(a) 三維圖

結(jié)合探測區(qū)域的地震波反射成像圖和地質(zhì)分析，推斷地質(zhì)情況及可能的災(zāi)害情況，解譯結(jié)果如下：

1)KS54+314～+299段落。在反射圖像上存在零星的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖較完整，局部較破碎，易發(fā)生掉塊。

2)KS54+299～+254段落。在反射圖像上無明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖較完整，局部裂隙發(fā)育。

3)KS54+254～+214 段落。在反射圖像上出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊和塌腔。

3.3.3 “50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)

采用GEI綜合電法儀探測掌子面KS54+314前方地質(zhì)情況并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)，探測距離為KS54+314～+284。激發(fā)極化法探測結(jié)果見圖9。

(a) 三維成像圖

綜合分析，解譯結(jié)果如下：

1)KS54+314～+304段落。三維電阻率圖像中左側(cè)電阻率值較低，半衰時(shí)之差成正值，推斷該區(qū)域易出現(xiàn)線狀流水，局部可能出現(xiàn)股狀涌水。

2)KS54+304～+284段落。三維電阻率圖像中電阻率值較前一段落稍有增高，半衰時(shí)之差不明顯，推斷該區(qū)域圍巖易出現(xiàn)滴水，局部可能出現(xiàn)線狀流水。

3.3.4 開挖驗(yàn)證

在探測結(jié)束后，掌子面開挖掘進(jìn)，開挖結(jié)果顯示，掌子面前方0～15 m圍巖較完整，揭露股狀涌水，15～55 m圍巖較完整，與預(yù)報(bào)結(jié)果一致； 55～100 m圍巖完整性差，與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。其中，掌子面在掘進(jìn)1 m后，開挖揭露巖性為白云巖夾灰?guī)r，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，拱頂?shù)螡B水，9點(diǎn)鐘方向股狀出水，涌水量約1 200 m3/h，如圖10所示。

(a)

4 結(jié)論與討論

本文圍繞超特長隧洞TBM施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警問題，指出了超特長隧洞地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，進(jìn)而創(chuàng)建了超特長隧洞TBM施工不良地質(zhì)全覆蓋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，即“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提出了該超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的體系、主要內(nèi)容和實(shí)施流程，并在超特長隧洞工程中開展了工程應(yīng)用和實(shí)踐。

1)提出了一種超特長隧洞不良地質(zhì)全覆蓋預(yù)報(bào)系統(tǒng)——“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括“1 km”千米級宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)、“100 m”百米級長距離地質(zhì)預(yù)報(bào)和“50 m”十米級短距離精細(xì)探查預(yù)報(bào)3個(gè)層次，并基于多元信息融合分析，實(shí)現(xiàn)對掌子面前方不良地質(zhì)和可能的地質(zhì)災(zāi)害形式的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

2)超特長隧洞不良地質(zhì)全覆蓋預(yù)報(bào)系統(tǒng)在北疆供水二期工程SS隧洞富水地質(zhì)段、KS隧洞破碎富水段等項(xiàng)目中成功應(yīng)用，成功預(yù)報(bào)了施工過程中斷層及其破碎帶的規(guī)模及位置，預(yù)測了涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害形式，為隧洞安全高效掘進(jìn)提供了保障。

3)“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)不僅在水利行業(yè)超特長隧洞TBM施工工程中，而且在其他公路、鐵路、水電等行業(yè)領(lǐng)域的隧道(洞)鉆爆法與TBM施工工程中均具有廣泛的應(yīng)用前景，可實(shí)現(xiàn)掌子面前方不良地質(zhì)和可能由其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害形式的全覆蓋預(yù)報(bào)。

4)超特長引水隧洞采用TBM法施工是未來的發(fā)展趨勢，但由于TBM施工隧洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)空間狹小、電磁干擾復(fù)雜、TBM快速掘進(jìn)需求高等原因，超特長隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，如超特長隧洞快速施工需求與常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法TBM適用性差之間的矛盾和挑戰(zhàn)，TBM探測空間狹小、電磁環(huán)境復(fù)雜與TBM穿越復(fù)雜地質(zhì)條件探測準(zhǔn)確性及精度不足的矛盾和挑戰(zhàn)，TBM快速掘進(jìn)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法探測效率低、距離短的矛盾和挑戰(zhàn)，超特長隧洞探測數(shù)據(jù)豐富與難于多元融合反演效果的矛盾和挑戰(zhàn)等。采用TBM刀盤破巖震源信號、搭載式預(yù)報(bào)裝備、抗干擾和去干擾理論與技術(shù)、多元信息融合反演預(yù)報(bào)、智能決策分析等是未來的發(fā)展方向。

5)“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在北疆供水項(xiàng)目TBM隧洞中開展了工程實(shí)踐，取得了良好的效果，但仍需開展進(jìn)一步的工程應(yīng)用，進(jìn)行不斷的補(bǔ)充和完善。針對超特長TBM隧道(洞)建設(shè)，建立基于“115”超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果的隧道(洞)地質(zhì)災(zāi)害分級評價(jià)方法，并根據(jù)評價(jià)等級確定不同的施工措施，進(jìn)而避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或降低地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)，是繼續(xù)研究的方向。