小断面输水隧洞TBM 施工超前地质预报探析

郭燕青，蒙 雷

1.湖北广播电视大学，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学基建与维修处，湖北 武汉 430070

1 基本情况

某隧洞穿越区地面高程 100～700m，属于丘陵-低山地貌类型，该隧洞沿线主要存在基岩裂隙水，整体水量较为贫乏，且存在局部不均衡，补充来源主要为地表降雨，附近河沟为其排泄基准面。通过探测发现地下水位高程为115.26～145.04m，隧洞处于地下水之下。其沿线的断层多为胶结较好的糜棱岩，其透水性较弱，断层沿线未见泉水出露。根据计算，某部位预测最大用水量为155.2m3/d［1］。施工时建议采用超前钻进行预报，须根据施工工法分别采用不同措施处理。

2 TST 方法原理

本次隧洞内超前地质预报探测方法采用北京同度物探公司研发的隧洞地质超前预报系统 TST（Tunnel Seismic Tomography），超前地质预报中获得的波速为未开挖岩石的原位弹性波速Vpr，在围压条件下波速值较高。各种岩土规范中作为围岩工程分类的波速是岩块卸荷后的波速Vpm。工程中早已发现两者之间有较大的差异，两者的关系用完整性系数表征：

完整性系数的取值：0.15 ≤K ≤0.75；

或可表示为：

这就是说，岩体工程分类中的波速值应该比超前探测得到的波速值低，大约在0.4～0.8 倍之间，取决于岩体的完整性。当地震波遇到存在波阻抗差异的岩石界面时，其中一部分地震波信号会反射回来，另一部分地震波信号会透射进入前方介质［2］。数据通过相关软件处理后，便可了解隧洞工作面前方不良地质体的性质和位置及规模。超前地质预报时每一次预报距离与隧洞直径有关，一般为100m，需连续预报时前后两次应重叠至少10m，以便保障探测面全覆盖［3］。

3 仪器设备

超前地质预报系统硬件包括振动震源和信号采集系统两部分。信号采集系统由检波器、连接线缆及数字信号记录器组成；本次预报的振动源采用的是TDIS 编码冲击震源［4］。

地震信号记录器有24 通道，24 位A/D 转换，其中最大采样频率156Khz，最大采样长度100K。检波器部分为内置的IC放大器压电晶体带阻尼，频带范围为0.5Hz～5000Hz。TDIS 编码冲击震源是一种新型震源。它的工作原理是通过编码控制震源的重复频率，通过相关处理将小能量信号累集成大能量信号，提高信噪比。冲击震源的优点是使用方便，不用打孔，不破坏洞壁。本次预报中，冲击震源使用的参数为：重复频率2～8 次/秒，冲击时间50s，冲击次数250 次/点，冲击能量为1.2 万J/点。

4 测线布置

本次预报区域为：249+066～248+966。根据设计资料显示，该区域属于工程地质第4段（247+500～253+450），长 5.950km，围岩等级划分为Ⅱ类，即围岩基本稳定。围岩为太古界桐柏山群新店组（Arx）混合片麻岩和太古界桐柏山群黄土寨组（Arh）黑云奥长混合片麻岩，呈新鲜状，地下水活动轻微，可能会有裂隙性渗水现象。隧洞走向为 100°，片麻理产状为45～76°∠22～80°，片理走向与洞线交角为35～66°。上覆岩体厚度为 70～646m，其中 桩号253+973部位钻孔声波成果揭示洞身段岩石完整性系数 0.64，岩体属于较完整性岩体，围岩整体稳定较好。

表1 隧洞地质构造分段表

本次TST 数据采集采用的方案为：①震源激发数总计8 个，布置在洞室两侧壁，其中每侧4 个；②检波器采用洞壁表面耦合方式；③检波器数总计8 个，布置在洞壁两侧，其中每侧4 个，间距为2.0m。除每侧第1 个震源孔距检波器2m 外，其余激发点间距均为8m，设计点位详见下图。由于隧洞施工环境，实际布设与设计略有偏差。

图1 TST 激发与接收方式

5 结论

该隧洞掌子面前方100m 内围岩的地质体偏移图像和围岩波速曲线如下。

利用上述成果图并结合地质资料分析得出以下预报结果：隧洞TST地质超前预报报告，掌子面249+066前方100m区间内，具体分段描述如下表:

根据TST 超前地质预报分析的成果，各地质单元的分析推断与施工建议如下［6］：

（1）249+066～249+049，长度17m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析，该段围岩岩性为片麻岩，围岩完整性较好，节理裂隙欠发育。

（2）249+049～249+039，长度10m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析［7］，该段围岩岩性为片麻岩，围岩完整性较差，岩体破碎，节理裂隙发育，可能存在软弱夹层建议按IIIa 级围岩的支护类型施工并及时进行超前支护［8］，施工时应严格执行超挖回填，二次衬砌应在初期支护变形趋于稳定时及时施作，尽早开挖和浇筑仰拱使隧道形成封闭环，改善隧道受力分布。

（3）249+039～249+026，长度13m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析，该段围岩岩性为片麻岩，围岩完整性较好，节理裂隙弱发育。

（4）249+026～249+013，长度13m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析，该段围岩岩性为片麻岩围岩，完整性较差，岩体破碎，节理裂隙发育。建议按IIIa 级围岩的支护类型施工并及时进行超前支护，施工时应严格执行超挖回填，二次衬砌应在初期支护变形趋于稳定时及时施作，尽早开挖和浇筑仰拱使隧道形成封闭环，改善隧道受力分布［9］。

图2 地质构造偏移图和波速V 分布曲线

（5）249+013～248+994，长度19m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析，该段围岩岩性为片麻岩，围岩完整性较好，节理裂隙弱发育。

（6）248+994～248+984，长度10m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析［10］，该段围岩岩性为片麻岩围岩，完整性较差，岩体破碎，节理裂隙发育。建议按IIIa 级围岩的支护类型施工并及时进行超前支护，施工时应严格执行超挖回填，二次衬砌应在初期支护变形趋于稳定时及时施作，尽早开挖和浇筑仰拱使隧道形成封闭环，改善隧道受力分布。

（7）248+984～248+966，长度18m，原设计为II 级围岩。通过地震波地质构造偏移图像以及速度曲线并结合地质资料的综合分析，该段围岩岩性为片麻岩，围岩完整性较好，节理裂隙弱发育。