超前地质预报技术在TBM隧洞施工中的应用

李建民，杨 伟，周海峰，佘小光

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 ,长春 130000）

针对吉林引松供水隧洞TBM施工段超前地质预报方案，利用钻探和现代物探等手段，探测隧洞的岩土体开挖面前方的地质情况，力图在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存地质信息，依据敞开式TBM掘进施工中掌子面超前地质预报的破碎段围岩的确定、岩体构造的准确率、地下水活动状态等围岩类别判定及岩性变化的边界条件，依据地质超前预报成果，研究制定针对性较强的技术保证措施和应急处置措施，规避施工及运营过程中发生坍塌、涌水、岩爆、大变形等地质灾害，有效指导后序工程主体的安全、顺利实施，保证隧洞施工安全。

1 工程概况

吉林中部城市引松供水工程总干线施工四标段位于吉林市永吉县境内岔路河至饮马河之间，线路桩号48+900 m～71+855 m，总长度22955 m。工程主要内容包括长22955 m引水隧洞、3号通风竖井（桩号56+147 m处）、饮马河调压井（桩号71+752 m处）、7号、8号施工支洞和小河沿施工竖井及其他临时工程。

其中TBM掘进段共计20198 m。线路总体走向由北东向南西，地貌为低山丘陵和相间沟谷。沿线地形起伏，植被较发育，高程范围264.0～484.0 m，洞室最大埋深260 m。沟谷累计长度约3229 m，设计坡度1/4300。

该段涉及地层岩性主要有三叠系上统小蜂蜜顶子组凝灰岩，三叠系上统大酱缸组砂砾岩，石炭系中下统磨盘山组灰岩，石炭系下统余家屯组凝灰岩，石炭系下统鹿圈屯组凝灰质砂岩，泥盆系中下统碱草甸-常家街组灰岩、砂岩，侵入岩为燕山期花岗岩、钠长斑岩、石英闪长岩，华力西晚期闪长岩，地质构造复杂。该标段中主要有三段岩溶区破碎带，隧洞通过溶洞发育地区及构造破碎带段，需加强地质超前预报，预防突水、突泥灾害发生。

2 超前地质预报应用技术

2.1 超前地质预报目的

开挖前对地质情况的了解，对于隧洞建设有着十分重要的作用。通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。

2.2 超前地质预报内容

隧洞施工超前地质预报的内容一般包括：

1）不良地质预报及灾害地质预报：预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议。

2）水文地质预报：预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响。

3）断层及其破碎带的预报：预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策。

4）围岩类别及其稳定性预报：预报掌子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等。

5）预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化。

2.3 超前地质预报方法

目前吉林引松供水工程四标超前地质预报主要通过开挖面地质素描、超前钻孔及TSP203物探系统相结合的方式，综合考虑来判定前方岩体的结构状态及围岩情况。文中主要介绍TSP203超前预报系统的工作原理及方法研究。

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。TSPwin软件处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P-S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。通过速度分析，可以将反射信号的传播时间转换为距离（深度）。处理结果，可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离，来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。

TSP203超前地质预报系统的洞内数据采集主要由接收器、数据记录设备以及起爆设备三大部分组成。接收器主要用来接收地震波信号。数据记录设备是将接收器接收到的信号放大、模数转换并进行测量过程控制、信号数据记录。起爆设备主要是用来引爆电雷管和炸药的。

洞内数据采集包括打接收器孔、爆破孔、埋置接收器管、连接接收信号仪器、放炮接收信号等过程。

TSP203超前地质预报洞内布置接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上。一般情况下，它是由一个接收器孔和24个爆破孔组成，接收器距掌子面约55 m，最后一个爆破孔距掌子面约0.5 m。爆破孔间距1.5 m，孔深1.5 m，孔径19～45 mm，孔口距隧底约1.0 m，向掌子面方向倾斜约10°，向下倾斜10～20°；接收器与第一个爆破孔间距20 m，接收器孔深2.4 m，孔径32～45 mm，孔口距隧底1.0 m，向洞口方向斜约10°，向下斜 10～20°。

为使接收器能与周围岩体很好地耦合以保证采集信号的质量，采集信号前至少12个小时时应将一个保护接收器的接收器套管插入孔内，并用含两种特殊成分的不收缩水泥砂浆使其与周围岩体很好地粘结在一起。每爆破孔装药量10～40 g，根据围岩软硬完整破碎程度与距接收器位置的远近而不同。若地质情况特别复杂，有时需要在隧道另一边墙上也布置一个接收器和24个爆破孔，左右边墙所测资料对比分析，得出较为准确的判断结果。

2.4 超前地质预报数据采集及成果分析

将洞内采集的地震数据传输到室内计算机上，应用TSP202数据处理软件进行地震波分析处理。其主要由三个程序块组成，即：数据库部分：其作用是负责输入、编辑和管理与数据采集有关的参数，将原始数据从小型数据记录计算机传输到室内微机上来；震动数据处理部分：其作用是将反射波信号从含有直达波信号的原始数据中提炼出来并对其进行放大、滤波等一系列处理，以供下一步分析处理之用；确定反射界面部分：分析软件的最终结果是给出反射界面与隧道的相对位置，与隧道轴线的交角和距掘进面的距离。计算机分析处理分三个步骤进行，波形处理、预报计算、预报输出。

3 结语

在该工程中通过实施超前预报应首先收集和熟悉已有资料，提出预报探测的计划和重点；然后配合施工进程，开展地表补充调查和洞内地质素描，以施工地质调查资料为依据，接着选择一种对施工干扰少、探测时间短的有望达到预报目标的物探技术，即TSP超前地质预报系统。最后组成地质、物探及相关工程专业人员的分析组，对地质和物探资料进行系统处理和综合分析，提出预报意见。由于隧洞工程超前预报工作目前尚有许多不成熟之处，因此需在实践过程中不断总结和提高。本工程中地质素描、超前钻孔及TSP203等超前地质预报手段的结合应用，有效的完成了该工程超前地质预报的效果，及时准确的指导工程施工。

［2］白雪飞.大相岭隧道超前地质预报研究［J］.西南交通大学，2009.46-57.

［3］中铁隧道集团.吉林引松供水四标施工组织设计［Z］.引松供水工程项目部，2013.