摘要：超前地质预报属于隧洞施工过程中尤为重要的环节，能够有效保障隧洞施工的安全性，并且预防灾害，实现隧洞施工过程的信息化。在隧洞施工超前地质预报方法不断探索及开发的过程中具有不同的适用范围及条件，所以就要在隧洞施工过程中进行相应的补充及验证，组合不同的超前预报方式，从而为隧洞施工提供精准的地质预报数据，避免在隧洞施工过程中出现人身和设备等一系列的安全事故。本文浅析TBM隧洞施工超前地质预报现状和技术。
关键词：TBM；不良地质；地质预报；控制措施
1 TBM施工隧洞超前地质预报的作用
TBM施工具有掘进速度快、综合效益高等优点，在铁道、水电、交通、矿山等领域隧洞施工中应用越来越广泛。但是TBM施工具有对地质依赖性高、不良地质通过能力差等局限性，这对隧洞施工造成极大影响，因围岩破碎、大变形、塌方等原因导致的卡机是TBM掘进面临的最大危险。因此，十分有必要提前探明TBM施工隧洞掌子面前方不良地质体分布情况，能够有效防止重大事故的发生，从而保证TBM施工的安全和效率。
2 TBM隧洞施工超前地质预报技术应用
新疆某引水隧洞工程总长约为283.393km，根据施工分段规划和施工方案，全线共采用11 台TBM及钻爆法施工。其中某标段包括18.20km的主洞（其中TBM开挖长15.592km和钻爆法开挖洞段2.568km)，工程主要分布于卡拉麦里断裂带，海拔高程800～1300m，隧洞沿线发育有低矮的小山丘，冲沟较发育。根据地面地质测绘资料和沿线钻孔资料分析，该段隧洞发育1条大断裂和8条次级断层，对TBM施工影响较大。在工程施工过程中组合应用了多种超前地质预报技术，并取得了较为显著的成果，，实现TBM施工效益的最大化。
2.1地质法
在隧洞施工过程中使用最为广泛的超前地质预报方式，配备专业地质工程师根据掌子面、隧洞及地表的地质调查，实现短期预报。简单来说，就是根据施工掌子面地质素描合理的统计推测掌子面前方岩体变形的趋势、特点、失稳、破碎带等情况，根据推测的结果制定合理施工措施，从而使隧洞能够顺利的完成施工。地质法内容主要为地质素描及调查。前者属于在隧洞开挖之后调查施工掌子面的地质情况，之后进行详细记录地质跟踪情况，并且绘制掌子面的剖面图，得到前方不良地质的情况；后者能够全面调查隧洞，复核地勘资料，实现掌子面剖面图的绘制，从而得到前方不良地质体的特点对水文地质情况进行全面的掌握，从而为隧洞的施工提供依据。
2.2 TBM施工地震成像系统
TBM施工地震成像系统(TBM Seismic Ahead Tomography，TSAT）利用隧洞前方围岩波阻抗差异，通过观测和分析人工激发的地震波在围岩中的传播规律，来推断掌子面前方地质情况。TSAT系统探测距离为80-100m，主要用于识别探测区域内的断层、溶洞、破碎带等与背景围岩具有明显波阻抗差异的不良地质体，探测结果可以显示不良地质体的空间位置及形态分布。
TSAT系统利用锤击产生振动来激发信号，锤击产生的地震波在围岩中以球面波的形式向四周传播，在传播过程中遇不良地质体(如断层、溶洞、破碎带等)被反射回来，检波器将这些信号进行采集并记录。采用TSAT数据处理软件对采集的地震记录进行处理即可获得不良地质体成像结果，供技术人员对隧洞掌子面前方地质情况进行判断。
图1 TSAT系统整体示意图
一些常用的隧洞地震波超前探测技术采用炸药作为震源，不适用于TBM施工条件，容易损坏TBM设备；同时一些常用的隧洞地震波超前探测技术采用深孔安装传感器，需要10余个钻孔，效率较低，也不适用于TBM施工条件。针对上述问题，实际施工中对TSAT系统做了创新性改进:①检波器采用双边墙二维阵列方式布置，对地质异常体定位的精度有较大提高。②采用人工锤击震源，现场操作方便快捷，而不是采用炸药震源，对隧洞壁无损伤，不会损坏TBM设备，适用于TBM施工隧洞。
TSAT硬件系统包括地震仪、上位机、检波器、触发传感器以及激震锤，系统整体示意图如图1所示。
针对隧洞复杂探测环境，利用偏移叠加能量最大化原理分别进行纵横波速度建模，并分别进行纵波和横波成像，综合利用纵波探测距离远、横波探测精度高的优势，进行纵横波联合成像，并将成像结果直观展示，方便技术人员进行分析解释。
2.3 TST超前预报观测系统
TST（Tunnel Seismic Tomography）是隧洞散射地震成像技术的简称，其观测系统采用空间布置，接收与激发系统布置在隧洞两侧围岩中。地震波由小规模爆破或电火花产生，并由地震检波器接收。TST可有效地判别和滤除侧面和上下地层的地震回波，仅保留掌子面前方回波，并能同时获得掌子面前方围岩的准确波速和地质体的位置图像。
当地震波传播中遇到岩石强度变化大(如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现)的波阻抗界面时，部分地震波的能量被散射回来。散射信号的传播时间与散射界面的距离成正比，因此在准确获得围岩波速的情况下，能作为地质体位置的直接测量方法。
TST系统硬件主要由地震信号采集器、地震信号记录器、检波器及连接线缆、电火花震源等几部分组成，详见下图。
TST室内资料整理及解释主要经过地震记录选取、地震数据预处理、观测系统几何位置编辑、地震波场方向滤波和分离、围岩波速分析、地质体偏移成像、综合地质解释等过程。
2.4 瞬变电磁法
瞬变电磁法也称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
瞬变电磁法重叠回线装置示意图沿隧洞洞轴线正上方布置感应线圈
主测线沿隧洞洞轴线正上方布置，两测点间距为20m，反演出电阻率-深度剖面图，分析出TBM施工隧洞段富水情况。
结语
超前地质预报对指导TBM隧洞工程施工的具有非常重要的现实意义，预报结果的精准性和施工的顺利开展具有密切的联系。所以，就要在结合现有的技术前提下进行全面的完善和改进，从而使超前地质预报能够为TBM隧洞工程施工提供更加安全、可靠的服务。
论文作者:马永涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/10
标签：隧洞论文; 地质论文; 围岩论文; 超前论文; 质体论文; 地震波论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第20期论文;