高黎贡山隧道TBM掘进卡机段TSP法物性参数响应特征分析

司景钊， 王唤龙， 曹贵才， 沈 维

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031； 3. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

高黎贡山隧道穿越横断山脉，工程地质条件极其复杂，具有“三高、四活跃”的特征。复杂的地质条件为TBM施工带来了前所未有的挑战，断层破碎带、蚀变岩及节理密集带、岩爆、软岩变形等不良地质易造成TBM卡机事故，严重影响工程安全和工程进度，并会造成严重的经济损失[1]。

隧道超前地质预报可以提前获取前方可能存在的断层、节理密集带等不良地质体信息，能够有效避免隧道掘进过程中灾害的发生。目前，超前地质预报也逐渐成为了隧道施工中不可或缺的一种手段[2-3]。基于地震反射原理的超前探测技术以其精度高、探测距离远的优点而备受工程界青睐[4-5]。在众多基于地震反射原理的超前预报方法中，TSP(tunnel seismic prediction)[6]是目前最为常用的一种方法。根据高黎贡山隧道的TBM施工要求，TSP超前预报覆盖了全部TBM掘进段(正洞+平导)，共计22.07 km。但由于地质条件的复杂性，TBM掘进过程中仍然发生了多次卡机事故。在以往的研究中，为了减少TBM卡机事故的发生，国内外学者分别从围岩大变形理论、卡机机制、卡机实时监测与预警等方面开展了相关研究[7-12]。例如： 温森等采用收敛-位移法和风险分析理论，提出了TBM卡机风险评估方法，并建立了不同工况下的卡机计算模型[9-10]； 刘泉声等从理论上对TBM卡机机制以及卡机孕育致灾机制进行了研究，并提出了一种基于护盾变形监测的TBM卡机实时预警方法[11-12]。以上研究为有效避免卡机事故的发生提供了解决方法。

在此基础上，本文以TBM穿越高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层为背景，提取TSP获取的围岩力学参数，通过分析TSP参数的相关性以及对比分析卡机段和正常掘进Ⅴ级围岩段的TSP参数，获取TSP参数与围岩的相关性及卡机段TSP参数的波动规律，利用TSP基础参数，创新设计出TSP超前地质预报解译手段，以期为更准确地探明不良地质提供新思路。

1 工程概况

高黎贡山隧道穿越横断山脉，强烈的构造运动使得该地区工程地质条件极其复杂，高地温、深大活动断裂带、高地应力和软岩大变形等主要工程地质问题突出。出口TBM施工段(正洞+平导)共计22.07 km，地层岩性主要为燕山期花岗岩，石英体积分数为35%～60%，岩体单轴饱和抗压强度为4.6～65.2 MPa，Ⅳ级和Ⅴ级围岩占比39.7%。区段内围岩差异风化明显，砂化、泥化、蚀变现象严重，具有完整性差、稳定性差及岩石强度低等特点，TBM掘进过程中突涌、断层破碎带、节理密集带频现，造成TBM频繁卡机，施工进度缓慢。

2 TSP法现场实践

高黎贡山隧道采用TSP303Plus设备进行长距离超前地质预报。TSP隧道超前地质预报是利用布置在隧道壁上的检波器来接收掌子面前方波阻抗分界面产生的反射信号，并通过偏移成像对隧道围岩不良地质体进行预报的一种方法，其工作原理如图1所示。通过TSP的数据处理方法可以获取掌子面前方围岩的P波、SH波和SV波的深度偏移剖面、围岩力学参数、岩石反射层位等，进而获得掌子面前方的不良地质体分布情况。

图1 TSP法工作原理图

由于敞开式TBM掘进机独特的空间结构，难以满足传统的TSP预报爆破孔1.5 m的间距。根据敞开式TBM掘进机空间的分布特点，在施作TSP超前地质预报时，对爆破孔的间距进行了调整。间距由传统的1.5 m缩短至1.2 m，距刀盘6 m处开始布孔，最后1个炮孔距接收器15 m左右。爆破孔与检波器孔平面布置示意如图2所示。同时，对爆破孔和接收器孔的高度进行了调整，高度由距隧底地面1.0 m调整为0.5 m。

图2 爆破孔与检波器孔平面布置示意图

参数采集过程中，与传统钻爆法不同的是： 1)TBM短暂停止掘进，以确保隧道中没有其他振动源； 2)TSP施作范围内是否有机车、材料等视线遮挡物； 3)起爆时要对爆破区域内的TBM进行防护，防止对管路造成损坏。

截至目前，对比TSP预测结果与开挖揭示结果可知： 正洞TSP探测与实际相符里程数占TSP总预报里程的83.5%，平导为72.2%。TBM掘进过程中所遇到的主要围岩不良地质情况TSP均有一定程度的反映，这也为开展卡机段TSP参数波动规律分析提供了依据。

3 卡机段TSP参数波动分析

通过对高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层中TBM卡机段地质情况的统计分析可知，TBM卡机段地质情况有如下特点： 1)所有卡机地段的围岩级别均为Ⅴ级，围岩完整性差，岩体破碎，节理发育； 2)卡机段地质关键参数(纵波速度、泊松比、静态弹性模量、波阻抗)均有不同程度的变化。

选取高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层15次卡机段前后一定范围内的围岩纵波速度、泊松比、静态弹性模量和波阻抗进行相关性研究。

3.1 纵波速度

提取TSP获得的围岩纵波速度(卡机位置前后10 m范围内的TSP纵波速度平均值)，绘制卡机段TSP纵波速度与正常掘进Ⅴ级围岩段的平均纵波速度的关系，结果如图3所示。其中，虚线为高黎贡山隧道TBM正常掘进Ⅴ级围岩段TSP平均纵波速度； 折线为15次卡机段提取的TSP纵波速度。经统计可知： 1)正常掘进Ⅴ级围岩段TSP纵波速度范围为3 800～4 500 m/s，平均纵波速度为4 000 m/s； 2)卡机段纵波速度平均值为3 597 m/s，纵波速度最小值为3 211 m/s，最大值为3 920 m/s。卡机段相对于正常掘进Ⅴ级围岩段，纵波速度最大下降19.7%，平均下降10.3%。

图3 卡机段TSP纵波速度与正常掘进Ⅴ级围岩段平均纵波速度对比

3.2 泊松比

提取TBM卡机段TSP获取的围岩泊松比(卡机位置前后10 m范围内的TSP围岩泊松比平均值)与正常掘进Ⅴ级围岩段平均值进行对比，结果如图4所示。其中，虚线为正常掘进Ⅴ级围岩段TSP获取的围岩泊松比平均值； 折线为卡机段TSP围岩泊松比。卡机段围岩泊松比变化范围为0.24～0.29，均值为0.27，相对于正常掘进Ⅴ级围岩段，卡机段泊松比最大增幅为20.8%，平均增幅12.5%。

3.3 静态弹性模量

弹性模量可以反映材料的刚度。弹性模量越小，说明材料越容易变形。卡机段TSP静态弹性模量与正常掘进Ⅴ级围岩段静态弹性模量平均值对比见图5。经分析可知，卡机段围岩静态弹性模量相对于正常掘进Ⅴ级围岩段平均静态弹性模量有不同程度的下降，最大降幅为40.4%，平均降幅为20.3%。卡机段围岩静态弹性模量的下降说明了卡机段围岩节理裂隙更发育、完整性更差。

图4 卡机段TSP泊松比与正常掘进Ⅴ级围岩段泊松比平均值对比

图5 卡机段TSP静态弹性模量与正常掘进Ⅴ级围岩段静态弹性模量平均值对比

3.4 波阻抗

波阻抗是体现岩石动力学特性的一个基本物理量，反映了应力波在岩石中穿透和反射的能力，其值的大小等于岩石的密度和纵波速度的乘积。围岩波阻抗下降，说明围岩破碎程度增大、完整性变差。卡机段TSP波阻抗与正常掘进Ⅴ级围岩段波阻抗平均值对比如图6所示。经分析可知，正常掘进Ⅴ级围岩段岩石波阻抗均值为980×10-4kg/(s·cm2)，卡机段岩石波阻抗均值为825×10-4kg/(s·cm2)，卡机段岩石波阻抗最大降幅为27.0%，平均降幅为15.8%。

通过以上分析可知，卡机段相关物性参数与正常掘进V级围岩段物性参数的变化率统计见表1。

结合高黎贡山隧道15次卡机情况可知，卡机段地质类型主要为构造破碎带、围岩蚀变带、围岩强全风化带、岩性接触带，表观特征均为“围岩破碎+富水”。TSP法是否能够准确预报不良地质体的完整程度，主要根据纵波速度、静态弹性模量和波阻抗来决定，而含水岩层主要根据泊松比的变化来确定。从15次卡机段TSP的物性参数结果来看： 1)当参数变化幅度均大于平均变化率时，卡机风险非常高； 2)当主要决策参数变化幅度小于平均变化率、次要参数变化幅度大于平均变化率时，卡机风险中等； 3)当主要决策参数变化幅度小于平均变化率，次要参数变化幅度小于平均变化率时，卡机风险小。

图6 卡机段TSP波阻抗与正常掘进Ⅴ级围岩段波阻抗平均值对比

表1 卡机段物性参数相对于正常掘进Ⅴ级围岩段物性参数的变化率统计

4 工程应用

层次分析法是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。

运用层次分析法对导致掘进卡机的因素进行分析，令目标层Z为卡机判别参数标准； 准则层中A1为纵波速度，A2为泊松比，A3为静态弹性模量，A4为波阻抗； 方案层中B1为纵波速度+泊松比，B2为泊松比+静态弹性模量，B3为泊松比+波阻抗。层次分析法结构模型如图7所示。

图7 层析分析法结构模型示意图

通过构建成对比较矩阵确定权重，即A1、A2、A3、A4对Z的权重分别为0.365 5, 0.153 4, 0.237 1, 0.244 0;B1、B2、B3对A1的权重分别为0.818 2, 0.090 9, 0.090 9;B1、B2、B3对A2的权重分别为0.052 6, 0.473 7, 0.473 7;B1、B2、B3对A3的权重分别为0.090 9, 0.818 2, 0.090 9;B1、B2、B3对A4的权重分别为0.090 9, 0.090 9, 0.818 2。

由此，B1对总目标的权值为： 0.818 2×0.365 5+0.052 6×0.153 4+0.090 9×0.237 1+0.090 9×0.244 0=0.351；B2对总目标的权值为： 0.090 9×0.365 5+0.473 7×0.153 4+0.818 2×0.237 1+0.090 9×0.244 0=0.322；B3对总目标的权值为： 0.090 9×0.365 5+0.473 7×0.153 4+0.090 9×0.237 1+0.818 2×0.244 0=0.327。

由此可知B1>B3>B2,即TBM卡机风险评估中纵波速度、泊松比为卡机的主要因素，静态弹性模量和波阻抗为次要因素。

图8 广林坡断层纵断面图

取D1K221+167～D1K220+950段连续搭接施作TSP超前地质预报。过程中共施作3次，统计TSP法各项物性参数较正常掘进Ⅴ级围岩段的变化程度，结果见表2。

表2 D1K221+167～D1K220+950段TSP法物性参数较正常掘进V级围岩段的变化程度

D1K221+167～D1K220+950段TSP纵波速度、泊松比未达到卡机预警参数平均波动率，判断TBM卡机风险中等，可以通过超前处理方式通过。其中，D1K221+092～+069段、D1K221+033～D1K220+950段静态弹性模量降幅大于平均波动率，而波阻抗增(降)幅小于平均波动率，判断此段围岩较完整、局部破碎，裂隙较发育； D1K221+069～+033段静态弹性模量和波阻抗降幅均大于平均波动率，判断此段围岩较破碎—破碎，裂隙发育，掘进缓慢。

现场开挖揭示： D1K221+069～+033段围岩破碎，糜棱化严重，随水溜坍，围岩面有擦痕，判断为广林坡断层核心段。现场采用TBM超前灌入化学浆液、护盾后方及时回填水泥浆及撑靴部位现浇混凝土缓慢通过。D1K220+984出现花岗岩与白云岩/石英砂岩接触带，出现涌水量为500 m3/h的地下水，顶部及右侧出现4 000 m3空腔，围岩较完整，裂隙较发育。开挖揭示情况和TBM卡机风险参数评估结果基本一致。

5 结论与建议

通过提取高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层TSP围岩力学参数，分析TSP参数的相关性，并对比卡机段和正常掘进Ⅴ级围岩段TSP参数的波动规律，得到以下结论：

1)对比正常掘进Ⅴ级围岩段，卡机段TSP获取的围岩纵波速度、静态弹性模量、波阻抗均有不同程度的下降，而泊松比则有增大的趋势。这4个TSP围岩力学参数的变化特征与围岩完整性直接相关，一定程度上可作为TBM掘进过程中卡机判别的依据。

2)通过层次分析法理论，对纵波速度、泊松比、静态弹性模量和波阻抗进行了定量分析，并结合高黎贡山隧道TBM卡机段地质特点，得出了卡机风险预警决策主要影响参数。

由于该项研究刚刚开展，同时考虑到隧道围岩地质的复杂性，卡机段TSP相关参数具有一定的离散性。为提高超前地质预报及卡机预警的准确性，应综合运用多物探及超前钻探的超前地质预报方法，建立基于综合超前预报体系的隧道TBM施工预警模型，提高预警准确率。

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