盾构法预制拼装隧道超前地质预报研究与实践

周昆

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211800）

0 引言

盾构法修建城市轨道交通隧道历久弥新、源远流长［1］。伴随着我国交通、水利水电建设工程的兴盛，具有“高效、高质量、高效益”优势的盾构法必将大展身手［2-5］。盾构法是一种易进难退的全断面施工技术，在遇到不良地质时，如若不能提前、及时处理，盾构机十分脆弱，易产生卡机、姿态失控等重大工程事故，造成难以估量的人身财产损失［6-9］。目前，在TBM施工中开展超前地质预报的方法较多，如德国应用聚焦频域激发极化原理BEAM技术［10-11］和基于面波-横波转换波模型的ISP技术［12］；日本利用掘进参数进行的超前探测［13］等。我国部分学者用三维激发极化法［14］、HSP声波反射法［15］和CFC［16］进行超前探测。

在既有文献中，全断面掘进机开挖隧道超前预报的研究多集中于敞开式TBM施工隧道，而盾构施工隧道的超前地质预报技术较少，主要原因有：（1）盾构刀盘占据了掌子面，使常用的探地雷达扫描掌子面的工作方式难以实现，且集成于刀盘的探地雷达对刀片强度可能产生影响；（2）庞大的金属机具产生复杂的电磁环境背景，致使常规电法探测效果不佳；（3）机械化施工方法导致其振动很大，再结合其管片衬砌结构，对地震波方法的观测系统设计是重大考验。

目前，盾构隧道超前预报技术研究主要路线有：（1）与盾构机集成，做智能掘进机系统，适用于新建掘进机［17］；（2）便携式仪器设备，适用于已开挖隧道，有助于现有盾构施工隧道开展具有针对性的超前预报，降低施工风险。以便携式仪器设备研究路线为例，总结在盾构隧道中数据采集的关键技术，并通过理论分析、工程应用等研究方法对其开展相关研究，以期推动盾构隧道超前地质预报技术的发展。

1 隧道超前地质预报体系

在90年代初的起步阶段，超前预报方法以地质调查分析为主，但很快发现仅靠地质分析难以解决复杂地质条件与深埋隧道的地质预测问题，必须借助物探手段。地震方法和电磁方法先后加入隧道超前预报队伍，发展出诸多具有不同特点的预报技术。为选择更适合隧道超前预报的技术和操作方法，以取得科学可靠的结果，需要从基本原理上进行界定。

1.1 隧道超前地质预报技术理论分析

物探方法从物性上可分为地震方法和电磁方法，2种方法各具特点、性能互补，很难评价其优劣。若根据物理场特点进行分类，可更容易、更客观地对其性能作出评价。基于传播特点，地球物理场可分为波动场、扩散场、谐和场。在超前预报领域，其探测能力排名为：波动场＞扩散场＞谐和场［18］。

1.1.1 波动场

波动场包括地震波场和电磁波场。波动场优异的探测能力基于其3个重要特点：（1）波在传播中遇到波阻抗变化界面会发生反射，利用反射波可发现目标；（2）波在均匀介质中沿直线传播，具有明显的方向性，可用来确定目标方位；（3）波的传播具有速度，可根据传播时间确定目标的距离。以上特点使反射波法成为各种探测应用的首选。地震波反射法在地球资源与工程勘探中得到广泛应用；电磁波反射法在隧道超前预报中成为首选，探空雷达、探地雷达都是电磁波反射法的应用实例。

1.1.2 扩散场

扩散场的传播与空间梯度有关，具有体效应。局部异常对场的影响在传播中被平滑和削弱，远处场对目标异常不敏感；扩散场的传播不与时间成线性，而与时间的平方根成正比。以上特点导致扩散场难以确定目标体的方位、距离、大小。

1.1.3 谐和场

谐和场是一种稳定场，局部异常对场的贡献仅限于异常体附近，从远处难以观测到异常体影响。外部探测只能通过改变观测位置来推测异常体的强度、位置、大小，所获得的结果是多解的，难以定量，不能运用到工程中。谐和场包括重力场、磁力场、静电场，这些方法在隧道超前预报中应尽量避免采用。

1.2 隧道散射地震成像技术原理

隧道散射地震成像技术（Tunnel Seismic Tomogra⁃phy，TST）是弹性波（地震波）超前地质预报方法之一，地震波法超前预报技术观测模型见图1。在隧道围岩内人工激发地震波（在盾构法隧道中只能考虑电火花震源、可控震源等非炸药震源），地震波以球面波形式向四周传播。当地震波遇到阻抗差异界面（如地层岩性变化界面、地质构造发育带、不良地质体）时，一部分透射过去，一部分在界面处发生反射、散射与折射等变化。当物探异常体尺度远大于地震波波长时，地震波会遵循反射理论，在界面处发生反射，且地震回波以反射角等于入射角的方向传播；当尺度小于地震波波长时，地震波会遵循散射理论，在界面处发生散射，但散射波不具有单一方向性，而以散射点为中心向四周传播［19］，物探异常体尺度越大，地震回波能量越强。逆散射求解方程如下：

图1 地震波法超前预报技术观测模型

式中：位置r处的散射强度a（r）的反演是对掌子面前方所有散射波的求和；μs为散射波记录幅值；r0、rs分别为震源和检波器的位置；v为待求局部平均波速；g0、gs分别为入射波与散射波的空间衰减因子。

在盾构隧道中，可采用可控冲击震源激发地震波并进行数据采集［20］。可控冲击震源采用扫描冲击地震技术，是一种轻便震源（见图2）。开展地震波在软弱地层中的衰减研究试验，以地震波随传播距离的衰减关系来探讨TST法在盾构隧道中可探测的距离。在对应地质条件下，布置直线排列，得地震波幅值-传播距离衰减曲线（见图3）。图中横坐标为传播距离，纵坐标为归一化后的幅值（将同一曲线中最大幅值设为1，其他幅值等比显示）。地震仪为24位，故其能记录的地震波最大幅值=最小幅值×224，将其设为极限幅值比。由图可知，地震波在灰岩中传播衰减程度较软弱地层小；在软弱地层中，地震波传播至100~180 m时，幅值衰减接近极限阈值。综上所述并考虑地质构造影响，在硬岩地质条件下，预报距离为100~200 m；在软弱地层中，预报距离为50~80 m。

图2 可控冲击震源

图3 地震波幅值-传播距离衰减曲线

2 管片结构解析及探测方法改进

2.1 管片隧道的二维观测系统

由于管片衬砌的存在，在盾构隧道中开展地震波法超前预报与在钻爆及敞开式TBM施工隧道中均不一致。在盾构隧道独特的管片结构中，利用管片的灌浆孔作为孔位，同时要根据管片的结构尺寸，重新设计孔位间距（见图4、图5）。检波器应通过打通的注浆孔埋入岩体，并采用消音材料（黄泥等）封堵孔口，避免在管片衬砌上传播的管波、导波、面波等干扰波影响。检波器安装方式对比试验见图6。数据采集过程如下：（1）按照设计的孔位，用电镐打穿对应的注浆孔，安装孔应穿过管片和豆砾石层，深入岩体，孔深大于1 m；（2）在前6排接受孔安装检波器，用耦合剂把检波器固定到岩体中；（3）利用可控冲击震源，在后3排激发孔依次激发地震波进行采集。检波器采用安装工具与检波器分开的形式，不宜带套管，因为套管会将管片振动信号传递给检波器，产生干扰。

图4 根据孔位调整后的观测系统

图5 安装孔示意图

图6 检波器安装方式对比试验

在盾构隧道中采集得到未增益的原始试验数据见图7。如图所示，第1道为分体式检波器采集的信号；第2道为未封堵安装孔，记录里存在声波信号；第3道为带套管的一体式检波器采集的信号，其中存在明显的干扰波。可控冲击震源激振应选在隧道停工或停机时机，避免管片安装、运渣机车等机械振动产生的干扰波［21］。

图7 检波器地震记录

2.2 管片隧道的三维观测系统

由于开挖断面较大，针对大盾构掘进工作模式，对地震波法观测系统进行重新设计。设计采取三维阵列式观测模式，具体布置如下：（1）检波接收孔8个，每侧4个，间距1环管片（2 m），布置在距隧道底板高度7 m平面上；（2）TDIS震源点12个，每侧6个，分作上下2排，分别布置在高度3 m和高度7 m的位置。每排第1个震源点P1与检波器S1的轴向距离为2 m，震源孔P2与检波器S8的轴向距离为2 m，其他震源孔之间距离为8 m；（3）检波器孔和震源孔均采用穿透管片与围岩表面接触的方式。地震波法超前预报三维观测系统示意见图8。

图8 地震波法超前预报三维观测系统示意图

3 工程实践

3.1 软硬岩互层不良地质超前地质预报（以昆明轨道交通5号线工程为例）

3.1.1 工程概况

世博园站—世博车辆段（出入段线）位于昆明盆地残坡积和冲洪积相结合区。该区域地形较平坦，起伏不大，总体上北、东北部较高，南、中部盆地及西南部较低。根据钻孔揭露，本次勘察深度范围内自上而下可分为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系全新残坡积层（Q4el+dl）、第四系中更新统冲洪积层（Q2al+pl）、寒武系中统陡坡寺组（∈2d）、寒武系下统龙王庙组（∈1l）5个地层单元。场地地处冲洪积平原区与剥蚀残丘，地形起伏较大，按区域水文地质条件、含水层空间分布及透水性分析，场地地下水为松散层中上层滞水、孔隙潜水及承压水等；含水层状态为层状、脉状；以大气降水渗入补给和水库侧向补给为主，局部接受周围居民和上游城市生活用水排放下渗补给，场地含水层主要为中下部的全~中风化砂岩、砂质白云岩层，其他黏性土层为微透水层。

3.1.2 TST超前预报（ZDK1+233—ZDK1+333段）

本次预报时左线管片安装至第986环（掌子面里程：ZDK1+233），地质分析显示：该段围岩为砂质白云岩，分为黄褐色全风化砂质白云岩与浅灰色中风化砂质白云岩2种，前者为Ⅲ级硬土，后者为Ⅴ级次坚石。该段超前预报采用地震波法，以探测软硬岩分布为主，这种软硬岩交替互层的地质条件，对刀盘磨损破坏极大，需及时调整掘进参数。

地震波法超前预报反演成像结果见图9。如图所示，偏移图像中的红蓝条带代表围岩中的反射界面，红色代表岩体由软变硬的正反射界面，蓝色代表岩石由硬变软的负反射界面；速度扫描得到的围岩波速，是岩体埋深状态下的速度v，可反映未开挖时岩体力学性状［22］。图中横坐标为隧道里程，纵坐标为围岩波速值。波速高表示岩体完整致密、弹性模量高；波速低表示岩体松散破碎，弹性模量低。通过对地震波法超前预报成果的分析（见表1）并结合地质情况，掌子面ZDK1+233前方100 m内地质构造中未发现断层等不良地质体，围岩接近风化层，全风化软岩与中风化硬岩互层，部分地段存在软弱夹层。根据围岩构造及结构完整性，将前方100 m范围的围岩划分为4个地质单元。

图9 地震波法超前预报反演成像结果

表1 地震波法超前预报成果

3.2 大断面盾构隧道岩溶不良地质超前预报（以南京和燕路过江通道盾构段为例）

3.2.1 工程概况

南京和燕路过江通道盾构段起讫里程为ZK4+711.961—ZK1+726左线，管片内径13.3 m、外径14.5 m，盾构开挖直径15.07 m。当前掘进至ZK2+241.38。地勘资料显示，ZK2+055—ZK2+480段洞身岩体主要为中风化角砾状灰岩，ZK2+080—ZK2+150、ZK2+440—ZK2+480段洞身岩体为角砾灰岩，岩体总体上较完整，围岩分级为Ⅲ级；在岩体破碎带和局部岩溶发育段，围岩分级为Ⅳ—Ⅴ级。本区段断层发育，岩性接触关系复杂，断层走向大致与隧道线位大角度相交。灰岩，角砾状灰岩岩溶中等发育，岩溶水具有承压性。

3.2.2三维地震波法超前预报（ZK2+161—ZK2+241段）

根据地表勘查和地质分析，ZK2+161—ZK2+241段受断层影响，且局部岩溶发育，地质情况复杂（见图10）。

图10 隧道纵断图

为保障盾构施工安全，提前探测出断层破碎、溶腔等不良地质体，并针对其进行加固处理，随即开展地震波法超前地质预报［23］。盾构机掘进至ZK2+161时，开展地震波法超前预报探测。对三维采集得到的地震数据进行时间矫正、波场分离、FK滤波［24］、多点增益后，进行偏移叠加及三维成像处理，得到三维地震成像结果（见图11）。结合地质资料的综合分析推断，该段围岩岩性以角砾灰岩为主，存在岩溶弱发育区1处。综合考虑，该段划分为3个地质单元：

图11 三维地震成像结果

（1）ZK2+241—ZK2+223。三维偏移图像中，正负反射条纹基本分布呈现从拱顶向仰拱方向的斜向下方向展布的形态，推断该段围岩节理裂隙稍发育，完整性和稳定较好。

（2）ZK2+223—ZK2+196。三维偏移图像中，上部反射界面较多，且呈现出正负反射条带多次重复出现的典型组合，但不强烈。说明围岩中存在软弱构造。但偏移图像中下部反射界面虽多，但较杂乱不典型，说明围岩中小型结构面发育。推断该处围岩节理裂隙较发育，完整性和稳定稍差，岩溶发育，多呈溶蚀裂隙形态，多存在于掘进面上部。

（3）ZK2+196—ZK2+161。三维偏移图中，红蓝条纹较少，且集中于仰拱下方和拱顶上方，开挖轮廓以外。推断该段围岩强度较高，岩性以角砾灰岩为主。该段围岩节理裂隙弱发育，完整性和稳定较好。

4 应用效果

4.1 大断面盾构隧道岩溶不良地质超前预报

盾构机掘进至ZDK1+250时，刀盘左侧揭示围岩为中风化砂质白云岩，局部存在全风化砂质白云岩夹层，裂隙充泥（见图12（a））；ZDK1+263—ZDK1+283围岩为全风化砂质白云岩，出渣渣样呈泥夹石（见图12（b）），其风化残留孤石较多，掌子面不稳定；盾构机掘进至ZDK1+283时，进入中风化砂质白云岩（见图12（c））。开挖揭露结果与TST探测结果基本吻合。

图12 开挖揭露

4.2 大断面盾构隧道岩溶不良地质超前预报

盾构掘进过程中的出渣情况见图13。ZK2+223—ZK2+196渣样，砾石夹土，在三维偏移图像中（见图11）中表现为正负反射条纹较多，围岩较破碎。ZK2+196—ZK2+161渣样，角砾灰岩，在三维偏移图像中（见图11）中表现为正负反射条纹较少，围岩较完整。超前预报的结果与后期盾构掘进过程中的出渣情况基本吻合。

图13 开挖出渣情况验证

5 结论与讨论

目前，盾构法预制拼装隧道的超前预报技术研究不多，且实际工程应用较少。本文针对不同隧道的多种常见不良地质情况进行系统研究，取得了一定的阶段性成果。

（1）通过地球物理场理论分析可知，在隧道超前预报应用领域，地震波与电磁波反射方法具有优异探测能力，是后续研究应用的方向，应该大力推广。

（2）针对盾构法预制拼装隧道施工常遇到的软硬围岩互层不良地质问题，在昆明轨道交通5号线项目开展超前预报试验。试验结果表明：地震波方法在盾构隧道采集会遇到的干扰波问题，可通过采用分体式检波器、封堵接受孔和短暂停工减少机械振动来避免。再搭配可控震源进行采集，探测距离达100 m，可开展长距离连续预报工作。

（3）针对盾构隧道大断面问题和施工常遇到的岩溶不良地质问题，在南京和燕路过江通道盾构段开展超前预报试验。试验结果表明：通过针对性改进观测系统，可开展大断面三维地震波法超前预报。经过反演处理后的三维图像能初步解释前方岩溶发育程度，与实际开挖地层地质信息基本吻合。

（4）研究的盾构为土压平衡型，针对泥水平衡型盾构结合电磁探水技术进行综合预报，可进一步研究探讨。