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98 敞开式 TBM 超前地质预报探测 宫占明，楚锦山，李世民，朱更龙 （中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041） 摘 要目前岩石隧洞开挖施工多采用人工钻爆法、硬岩掘进机 TBM 等。在敞开式 TBM 施工中，初期支护只能从围岩顶护盾揭露 出来的地质，才能采取常规的锚喷支护，为减少遭遇不可预期不良地质对施工干扰的影响，对隧洞开挖掌子面前方围岩实施超前探测， 拟采用 TSP、TRT、地质雷达综合超前探测手段。 关键词 TSP、TRT；地质雷达；超前地质探测；深埋；特长隧道 中图分类号U456.3 文献标识码B 文章编号1006-3951201702-0098-03 DOI10.3969/j.issn.1006-3951.2017.02.034 收稿日期2016-11-30 作者简介宫占明（1976）,男，黑龙江依安人，工程师，主要从事水电工程施工项目管理工作。 * 云南水力发电 YUNNAN WATER POWER 第 33 卷 第 2 期 0 引言 在深埋长隧道的施工中，全断面岩石掘进机 与传统钻爆法相比敞开式 TBM 在掘进速度和作业 环境方面有无可比拟的优势，可以预见越来越多 铁路隧道、公路隧道及水工隧道工程将采用全断 面岩石掘进机施工。敞开式 TBM 在长隧道工程的 不良地质超前预报技术在加快施工速度节约时间 成本的同时也可减少不合理支护降低施工投资 [1]。 隧道施工地质灾害对施工人员机具造成的安全威 胁一直是隧道及地下工程急需解决难题。 1 工程概况 本项目为隧道工程，主洞长 41087.354m， 采用两台敞开式硬岩掘进机（TBM1 和 TBM2） 分四个掘进段施工，TBM1 掘进施工 17.34km， TBM2 掘进施工 20.34km。隧洞纵坡 i0.28‰， 开挖洞径为 8.5m，开挖成洞断面为圆形。TBM 向上游小桩号里程掘进，根据设计提供工程地质 资料，TBM2 将通过长度为 200m 的 YGF-441 断 层带 [3]。 YGF-441 断层分布于 6 号支洞 TBM2-1 掘 进段里程 41060 ～ 40860，宽度为 200m，埋 深 700m 以上，断层产状为 NE25∠ 80，物探 解译中心破碎带宽 50m 左右，钻孔揭露垂直宽度 56 ～ 95m，受其影响次一级小型构造发育垂直宽 度 316 ～ 590m。 根据设计院前期地质资料，YGF-441 断层 呈 压 性，YFK-57 孔 深 710m、YFK-21 孔 深 730m，物探其中心部位呈半泥化状，碳化明显， 夹杂岩石碎块，块径一般在 1 ～ 6cm，局部亦可 见构造片岩，沿构造中心部位两侧依次分布断层 碎块岩、断层角砾及断层碎裂岩，断层碎块岩及 断层角砾岩均为泥质胶结；两侧无规律分布多个 节理密集带或小型构造，对 TBM 安全高效掘进影 响范围较大 [5]。 2 超前探测手段选择 本工程为大型隧道 TBM 施工，如遇严重地质 灾害如塌方涌水庞大机械设备在狭小空间进退两 难。TBM 设备价格昂贵，必须做好超前预报减少 施工难度和风险 [1]。 目前不良地质超前探测手段较多，机械钻探 通过超前钻杆取出芯样作出判断，但是费时费力 探测距离短，暂不考虑。电法、磁法、地震法、 重力法、放射性法大多存在各自应用条件、多解 性及探测精度；因此合理选择探测手段是很有必 要的 [2]。 针对以上情况，为提前探明隧洞掌子面前方 围岩地质情况，用于二维探测进行适当的探测装 置和处理软件改进，使其适合三维隧道场地条件 和施工环境的隧道超前探测。根据前人实践和经 验，能在隧道内探测预报效果较好的有弹性波 反射法、电磁波反射法、红外探测法、高分辨直 流电法。电法参数多、场源多、受地形及外部磁 场干扰大暂不考虑 [3]。采用多种预报手段联合，弥 补多解性缺点相互之间优势互补，长距离采用技 99 术相对成熟 TSP（瑞士）、TRT（美国）相结合， 外加短距离地质雷达法。将会提高预报准确率与 精度 [2]。 3 超前探测方法原理简述 3.1 TSP 法简述 TSP 技术原理利用人工激发地震波，应用反 射理论 [4]。以微震爆破来引发的地震波遇不良地质 体被反射回来，TSP 测量系统用三分量传感器将这 些信号进行采集并记录，通过反射时间与地震波传 播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线 的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来。 3.2 TRT 法简述 TRT 技术原理当地震波遇到声学阻抗差异 （密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反 射回来，一部分信号透射进入前方介质。采用反 射物质阻抗探测地质体异常。 3.3 地质雷达法简述 地质雷达技术原理地质雷达是一种电 磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波 107 ～ 109Hz 的不同响应来确定地下介质的分布 特征。目标体与周围介质之间的电性差异是地质 雷达探测的基本条件。 地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化， 对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别 能力。但是地质雷达目前探测的距离较短，大约 在 20 ～ 30m 之间。 4 探测方案及探测成果分析 总体方案如下在施工到的里程处 41040， 立即施作 TSP 法和 TRT 法超前探测，进行较长 距离探测。对于 TSP 法和 TRT 法探测结果中， 都存在软弱围岩的段落，实施地质雷达法超前探 测，对于两者探测结果不相符合的段落，同样实 施地质雷达法超前探测。其中，所有探测手段施 作时的里程，都在上一次预报里程范围内，即每 次探测的预报里程需要有重合，以充分保证隧道 施工安全，见表 1。 4.1 探测施工准备 1）TSP 法。TSP 法探测需在所选定的隧道侧 壁上，布置 22 ～ 24 个爆破探测孔，见图 1，爆破 探测孔大致位于同一平面且垂直于隧道壁向下倾 斜 10左右，孔深 1.5m，孔直径 40 ～ 42mm， 间距 1.5m，距离隧道底部 0.5m，从掌子面与隧 道壁的交点处开始布置 1 号孔 , 依次后推 , 直到 第 24 号孔，用直径 40mm 钻制。 在隧道与爆破探测孔同侧壁，同高（距离隧 道底部 0.5m）的延长线上，距离最外一个爆破探 测孔（第 24 号孔）15m ～ 20m 处，布置接收器钻 孔，接收器钻孔垂直于隧道壁向下倾斜 10，孔 深 2m，直径 50mm，用直径 50mm 钻头钻制。 TSP 探测实施需适量乳化炸药插入电雷管后 注满水，用锚固剂填塞炮眼。炸药应选用乳化防 水炸药。雷管必须选用瞬发电雷管。每次测试需 炸药 3000g ～ 4000g，雷管 24 发。 2）TRT 法。TRT 震源和检波器采用分布式 的立体布置方式，具体方法见图 2。 3）地质雷达法。每次地质雷达探测在掌子面 共布置三条测线，见图 3，其中上部测线长度为 5m，中部测线长度为 8m，下部测线长度 5m，地 质雷达天线频率为 80Mhz。 4.2 测流程 1）TSP 法。TSP 法超前探测流程①将锚 固剂调成糊状灌入接受器孔中，锚固接受器套管， 确保接受器套管与围岩密贴牢固；②将 TSP 超前 预报探测系统按照操作规程进行连接调试，保证 表 1 探测方法与里程表 探测部位桩号探测手段 41040-40940实施 TSP、TRT，重点区域实施地质雷达 40960-40880实施 TSP、TRT，重点区域实施地质雷达 40900-40820实施 TSP、TRT，重点区域实施地质雷达 图 1 TSP 法探测钻孔布设示意图 图 2 TRT 探测系统布置图 宫占明，楚锦山，李世民，朱更龙 敞开式TBM超前地质预报探测 100 整套设备运行工作状况良好；③隧道内暂停施工， 减少噪音对 TSP 超前预报探测系统的影响；④爆 破手将适当药量的炸药及一枚电雷管装入 1 号爆 破测试孔，并注水封闭爆破孔，撤离到安全区内； ⑤测试人员引爆炸药，采集现场测试数据；⑥在 2 号爆破测试孔，重复④、⑤两步骤，直到达 24 个孔结束。如果遇到哑炮、弱炮，则该测试孔重 新测试；⑦测试完毕后，整理设备，撤离现场， 恢复隧道内施工。 2）TRT 法探测。在震源点上锤击，在锤击 岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信 号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地 震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输 到笔记本电脑，完成地震波数据采集。 3）地质雷达法探测。地质雷达采用 80Mhz 或 100Mhz 天线进行探测，将地质雷达天线贴近 掌子面围岩并移动地质雷达天线，采集数据。 4.3 预报结果与实际开挖情况对比分析 1）围岩超前预报结果 TSP、TRT、地质雷达 （LD）与实际开挖 SJK 揭露对比情况见表 2。 2） 超前预报结果分析。通过超前地质探测 预报与实际揭露围岩情况对比，不同方法综合预 报结果与实际情况还是比较相符。对隧洞安全掘 进施工提供重要指导依据。 对两种结果进行比较来看 TRT 准确度相对 较高一点，对断层塌腔和渗水能预报准确。因为 TSP 的观测采用垂直剖面法，检波器与炮点同侧。 采用深度偏移成像方法，分析结果对参数的依赖 性较大，会有几个不同结果，不能准确确定围岩 波速、断层位置，缺乏三维波场分析功能，不能 消除侧向回波、进行纵横波分离是不科学的 [5]。 TRT 采用概率偏移成像法，反射层析成像三维图。 形象直观较为准确。地质雷达对破碎及地下水预 报也较为准确。 5 结语 通过多种预报手段联合解译平台 [5]，对比解 译分析，大大提高预报准确率与精度，建立综合 超前预报技术体系，减少单一预报手段局限性， 更利于做好敞开式 TBM 超前地质预报施工准备。 参考文献 [1] 张镜剑 . 长隧洞中掘进机的应用 [J]. 华北水利水电学报 ,20013. [2] 曾昭璜 . 隧道地震反射法超前预报 [J]. 地球物理学报 ,1994,372 218-230. [3] 中国隧道及地下工程修建技术 [M]. 人民交通出版社 ,2009259- 262. [4] 刘志刚 , 刘秀峰 .TSP 隧道地震勘探 在隧道隧洞超前预报中的应 用与发展 [J]. 岩石力学与工程学报 ,2003,2281399-1402. [5] 赵永贵 . 国内外隧道超前预报技术评析与推介 [J]. 地球物理学进 展 , 2007,2241344-1352. 图 3 地质雷达测线布置图 表 2 预报结果对比表 探测 手段 里程桩号 围岩 类别 围岩情况 TSP K41030 ～ k41005Ⅳ岩体较破碎，局部掉块 K41005 ～ k40969Ⅴ岩体极破碎，掉块严重 K41969 ～ k40950Ⅳ岩体较破碎，局部掉块 TRT K41030 ～ K41010Ⅳ岩体较破碎，局部掉块 K41010 ～ K40985Ⅳ岩体破碎，掉块严重，局部渗水 K40985 ～ K40950Ⅴ岩体极破碎，局部塌方，局部渗水 LD K41005 ～ k40985Ⅴ岩体破碎，局部掉块严重，局部渗水 K40985 ～ K40955Ⅴ岩体极破碎，断层局部塌腔，线流 SJK K41030 ～ K40990Ⅳ岩体破碎，局部掉块严重，滴水 K40990 ～ K40950Ⅴ岩体极破碎，断层局部塌腔，线流 海蓄电站引水上斜井直线段固结灌浆完成 2 月 19 日，海蓄电站引水上斜井直线段固结灌浆全部施 工完成。 引水上斜井直线段总长为 192.461m，固结灌浆孔排距 为 2.5m，共 77 环，每环 16 孔，梅花型布置， 56，孔深为 7m，采用水电十四局自行设计加工的灌浆台车及运输小车作 为施工平台及运输设备。2016 年 11 月 23 日完成上斜井灌浆 台车、运输小车安装，11 月 29 日完成灌浆台车、运输小车及 提升系统验收，12 月 1 日开始灌浆施工。 因工期紧，任务繁重，项目部春节期间不间断施工，于 2 月 19 日完成施工，平均每天完成 1 环，并完成压水检查试验。 （摘自云南水力发电工程学会简报2017 年 2 月总第 217 期） 云南水力发电2017 年第 2 期