1 引言

TBM 掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高，能夠大大加快隧洞工程的施工進(jìn)度， 近年來在長引水隧洞施工中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。 大部分隧洞尤其是大埋深、長距離隧洞途徑的山體圍巖地質(zhì)狀況往往十分復(fù)雜。地質(zhì)問題導(dǎo)致的TBM 卡機(jī)情況時(shí)有發(fā)生，一旦出現(xiàn)卡機(jī)，脫困所需的時(shí)間往往需要數(shù)周到數(shù)月之久，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，同時(shí)前方圍巖狀況不明也存在較大的安全隱患。 掌子面前方不良地質(zhì)條件是事故發(fā)生的主要原因[2]，因此， 對于圍巖狀況的超前地質(zhì)預(yù)判和提前應(yīng)對處理十分必要。 TST 超前預(yù)報(bào)技術(shù)是目前較為成熟的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法之一，在隧道施工中被廣泛使用。

2 工程概述及地質(zhì)情況簡述

圣加旺水電站位于圣加旺河干流， 距離秘魯首都利馬直線距離約740 km，該電站壩高約8 m，額定水頭630.71 m，安裝2 臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量209.3 MW。 電站引水隧洞長14 773 m， 后半段Y6+000~Y14+773 m 段采用一臺(tái)敞開式TBM 掘進(jìn)施工，總長8 773 m，其開挖直徑5.8 m。

前期地質(zhì)勘探結(jié)果表明TBM 施工段主要為板巖、片巖巖體，為弱-微透水巖體。 其中片巖約占64%，板巖約占36%。 板巖抗壓強(qiáng)度60~90 MPa，片巖抗壓強(qiáng)度75~110 MPa，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部有Ⅳ、Ⅴ類圍巖。

按地貌、構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育情況、洞室圍巖特性、水文地質(zhì)特征等特征，將引水隧洞TBM 圍巖分為2 個(gè)工程地質(zhì)段，見表1。

表1 圣加旺水電站引水隧洞TBM施工段圍巖工程地質(zhì)評價(jià)

3 TST超前預(yù)報(bào)基本原理

TST（Tunnel Seismic Tomography），是隧道散射地震成像技術(shù)的簡稱，該技術(shù)可對前方未開挖段圍巖情況進(jìn)行預(yù)測，地震波激發(fā)與接收系統(tǒng)布置在已開挖洞段隧道兩側(cè)的圍巖中[3]。本次探測采用TDIS 沖擊式震源激發(fā)地震波，并由配套的檢波器接收。 其工作的主要原理為：當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谖撮_挖的圍巖內(nèi)傳播過程中遇到破碎段、 斷層面時(shí)， 一部分地震波將被反射回來， 反射回的信號(hào)可被按照一定規(guī)律預(yù)先布設(shè)的高敏度檢波器矩陣接收。 信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過專用軟件分析處理，可呈現(xiàn)出不同的圖像， 通過解析圖像可推斷出掌子面前方圍巖變化段所處的位置、性質(zhì)和規(guī)模等信息。

4 觀測系統(tǒng)及參數(shù)選擇

4.1 TST硬件組成系統(tǒng)

所采用的TST 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的硬件主要由主機(jī)、TDIS 沖擊式震源及檢波器、配套電源及線纜等幾部分組成。

其中內(nèi)置的地震信號(hào)采集器采用26 通道，最大采樣頻率156 kHz，最大采樣時(shí)長100 ks。 壓電晶體帶阻尼檢波器，可提供0.5~5 000 Hz 頻帶。

4.2 測線布置及參數(shù)選擇

本次TDIS 沖擊震源使用的參數(shù)為：重復(fù)頻率5~25 次/s，沖擊時(shí)間100 s，沖擊次數(shù)1 500 次/ 點(diǎn)。 TST 采樣參數(shù)：采樣率40 kHz，采樣時(shí)長105 s，解碼后保留300 ms，26 道采集。

采集數(shù)據(jù)的觀測方案如下：（1） 在兩側(cè)巖壁內(nèi)對稱布置4 組共8 個(gè)檢波器，相鄰組距2m；（2）按照每側(cè)壁3 個(gè)對稱布置6 個(gè)震源激發(fā)點(diǎn)，其中最靠近掌子面處震源激發(fā)點(diǎn)距檢波器2 m，其余各組激發(fā)點(diǎn)之間的距離設(shè)定為8 m。 根據(jù)使用儀器性能，可預(yù)報(bào)掌子面前方約100 m 范圍內(nèi)圍巖。

5 數(shù)據(jù)處理及成果分析

圖1 為隧道掌子面K14+765~K14+665 范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造地震波偏移圖像與波速曲線。 表2 為圖像解讀及預(yù)報(bào)成果分析。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像與波速曲線

表2 圖像解讀及預(yù)報(bào)成果分析

構(gòu)造偏移圖像中反射條紋密集的地方， 表示該段圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化、節(jié)理裂隙發(fā)育；反射條紋少的地方，表示該段巖石較為均勻致密。 TST 超前預(yù)報(bào)軟件速度掃描得到的圍巖波速， 是巖體埋深狀態(tài)下的速度， 它反映未開挖時(shí)巖體力學(xué)性狀，如果有斷裂存在，波速應(yīng)降低。 在圍巖較完整的洞段，波速較高。

6 地質(zhì)預(yù)報(bào)與現(xiàn)場典型圍巖狀況對比

現(xiàn)場實(shí)際情況表明，Y14+765~Y14+755 存在圍巖破碎及空腔，針對地質(zhì)預(yù)報(bào)情況對于該段提前進(jìn)行超前加固處理，并在TBM 推進(jìn)過程中保持低轉(zhuǎn)速緩慢推進(jìn)，并在盾尾及時(shí)進(jìn)行鋼拱架加固處理，對圍巖空腔部分及時(shí)進(jìn)行回填，有效保證了TBM 成功推進(jìn)。

圖2 Y14+725～Y14+705 典型圍巖狀況

7 結(jié)論

TST 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠較好地反映隧洞前方一定范