超前地质预报在XE工程深埋长隧洞TBM施工中的综合应用

周应祥，王红帅，王凯生

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

在TBM的施工中不可避免的会出现构造引起的塌方、中等岩爆产生的塌方、软弱岩体大变形、突涌水等一些地质灾害，对TBM的安全掘进和工期造成一定的影响。为降低地质灾害发生的几率和危害程度，保证TBM施工洞段的施工安全，在施工中把超前地质预报工作放在首位。大多数学者对于TBM施工洞段的超前地质预报工作进行了关键技术研究及探讨。例如邓铭江等[1]为了避免特定地质环境掘进时出现大量地质信息感知盲区，提出TBM智能化掘进的关键技术把握；李玉波[3]就秦岭隧洞横穿秦岭底部时存在常规超前地质预报无法适用其施工段的地质预报工作的问题，引入引汉济渭工程中三维地震波法进行同类比运用；苏鹏[5]考虑到由于TBM机空间狭小，采用现有传统隧道超前探测方法的设备仪器布设空间不足，强行采用会导致预告失准，对此提出采用聚集电流频率域激发极化法，并进行配适的研究；康三月[11]对TBM掘进过程中不良地质洞段，采用地震波法结合激发极化法进行配适应用，并分析论证了该综合探测方案在相似工程中的适应性。

XE工程是以深埋长隧洞为主的输水工程，具有复杂的工程地质和水文地质条件，共采用5台直径7.8m的TBM施工。通过在施工中采用地质调查法、三维地震波法测构造、激发极化法测水、微震监测与预警岩爆、超前钻探法等超前地质预报方法，并对预报结果进行综合分析与应用，保证了TBM施工洞段的施工安全与工期安全，取得了很好的经济效益和社会效益。

XE工程线路总长148.246km，由5条输水隧洞和4座跨河建筑物组成。5条输水隧洞总长140.669km，其中1#隧洞最长，为72.891km。输水隧洞位于中山区及低山、丘陵区，沿线地形起伏，隧洞埋深一般60～550m，平均埋深约207m，最大埋深720m。隧洞沿线穿越多条河流、洪沟等，地下水补给条件复杂，穿越2条较大规模的活动断裂带，沿线还发育多条规模不等的次级断层，约20km的隧洞处于中-高地应力场区。隧洞穿越的地层岩性主要为华力西晚期变质花岗岩、斜长花岗斑岩夹闪长岩，泥盆系花岗片麻岩、黑云母斜长片麻岩；其次为奥陶系黑云母石英片岩、二云石英片岩，石炭系凝灰岩、凝灰质砂岩、片麻岩等。根据前勘分析统计，隧洞Ⅱ类围岩占40.72%，Ⅲ类围岩占43.26%，Ⅳ类围岩占11.92%，Ⅴ类围岩占4.1%。

本工程采用以TBM为主、人工钻爆法为辅的施工方案，TBM施工洞长占总洞长的77.6%，共采用5台直径7.8m的TBM，单台TBM控制的掘进长度为15.1～26.5km。TBM施工洞段的一次支护措施为：Ⅱ类围岩洞段采用随机锚杆、挂网、喷混凝土；Ⅲa类围岩洞段采用随机锚杆、挂网，系统喷混凝土；Ⅲb类—Ⅴ类围岩洞段采用系统锚杆、挂网、喷混凝土、拱架，视需要在顶拱120°范围设置钢筋排。

1 存在的主要工程地质问题

由于工程区所处的复杂地形和地质条件，在TBM的施工中不可避免的会出现一些地质灾害，如构造引起的塌方、中等岩爆产生的塌方、软弱岩体大变形、突涌水等，对TBM的安全掘进和工期造成一定的影响。

1.1 构造引起的塌方

对于隧洞轴线与主压构造线基本一致洞段，区域内小构造较发育，随着隧洞开挖揭露出规模不等的断层，易形成不同规模的塌方；对于隧洞岩体发育与洞轴线近平行的陡倾角结构面、洞顶部位缓倾角结构面、与洞轴线大角度相交陡倾角结构面等组合切割，易形成楔形不稳定体；对于隧洞的节理密集带及层间的软弱夹层，围岩破碎形成局部坍塌。

1.2 中等岩爆产生的塌方

隧洞深埋洞段最大水平地应力量值为12～21.6MPa，为中等-高地应力场，方向N35°～46°W，与隧洞轴线呈小角度相交。受最大水平主应力的影响，坚硬、完整、干燥的变质花岗岩产生轻微-中等岩爆，呈薄层片状、板状剥离和掉块；同时局部发育的节理裂隙在高地应力下产生构造型松弛破坏，沿裂隙面产生应力型坍塌。

1.3 软弱岩体大变形

黑云母石英片岩洞段，具薄层-中厚层状结构，局部岩质偏软，受水平地应力挤压的影响，左侧拱肩围岩多沿片理面剪切张裂并向洞内松弛卸荷，形成张裂变形破坏。如F17断层带，底板为碎裂岩、糜棱岩和断层泥，基础软弱，受水平地应力的影响，形成较大范围塑性区，发生底板鼓胀隆起变形。

1.4 突涌水

部分洞段为弱富水区-中等富水区，产生集中涌水现象，地下水致使围岩结构面强度软化，产生隧洞的塌方。

2 超前地质预报技术及综合应用

2.1 超前地质预报方案、原则及方法

针对XE工程复杂地形、地质条件下的TBM施工，为进一步查清隧洞开挖工作面前方的工程地质和水文地质条件，指导施工顺利进行，降低地质灾害发生的几率和危害程度，保证TBM施工洞段的施工安全与工期安全，在工程开工之初，由业主牵头，设计院组织水工、地质、施工3大专业主要设计人员，在充分评估本工程TBM施工洞段的围岩地质条件、不同围岩的设计处理措施和必要的施工组织条件的基础上，借鉴和总结国内其他类似工程的建设经验，在工程和设备行业的专家、教授指导下，编制了本工程的TBM施工超前地质预报综合应用实施方案。

本工程的超前地质预报的工作原则为：以地质调查法为基础，结合物探法与超前钻探法，进行综合应用。具体为：

(1)对地质简单和中等复杂的洞段，以洞内地质编录为主，根据对洞内地层岩性、地质构造、岩体节理裂隙的发育程度、地下水的分布情况的调查资料等，分析洞室围岩的稳定性，对隧洞掌子面前方的地质条件进行预报。

(2)对地质条件较复杂的洞段，在洞内地质编录的基础上，采用物探法，对隧洞掌子面前方的地质条件进行预报。

(3)对地质条件复杂的洞段，在洞内地质编录的基础上，除采用上述物探手段外，必要时结合超前钻探法进行预报。

对本工程，需采用物探法的洞段主要包括：区域性大断裂破碎带、较大的次级断层破碎带；Ⅳ-Ⅴ类围岩段；跨河和跨较大冲沟段；深埋隧洞段(埋深500～720m)；软岩变形段；突涌水段等。

本工程采用的物探法超前地质预报引进第三方的专业队伍，通过业内调研及竞标，由山东大学的三维地震波法测构造、激发极化法测水，东北大学的微震监测与预警岩爆。

2.2 地质调查法预报

地质调查法预报贯穿于隧洞施工的全过程，由设计院组织实施，每日或每段一报，与TBM掘进同步，具有连续性。预报长度可长可短，简单洞段超过100m，复杂洞段10～30m，短距离预报需满足1个作业班或1个工作日的进度。

地质调查法预报是在熟悉、核查和确认初设阶段的勘察成果和开工以来所补充的地勘资料的基础上，对比隧洞线路的地层、岩性在隧洞地表的出露及接触关系，结合断层、褶皱、节理密集带等地质构造在隧洞地表的出露位置、规模、性质及其产状变化情况，通过对已开挖隧洞出露面的地质编录，把隧洞所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状况、出水量等准确记录下来，并绘制成图表。再利用常规地质理论，利用地质作图和趋势分析等手段，通过地层层序对比，地层分界线及构造线地下和地表相关性分析，断层要素和隧洞几何参数的相关性分析，不良地质体的可能前兆性分析等。同时结合TBM掘进过程的贯入度、刀盘转速、扭矩、推力、护盾压力等一系列TBM的掘进控制参数和皮带机渣料形态及出渣量大小等分析，推测开挖工作面前方的地质情况，为TBM的掘进和支护提供依据。

截止目前，本工程采用地质调查法发出的超前地质预报的确认单数约5810份，预报准确率达96%以上。

2.3 三维地震波法超前预报

当通过地质调查法预报到掌子面前方存在软弱带、破碎带、断层等不良地质构造存在时，为了进一步确认和验证，通知山东大学超前预报小组，采用三维地震波法对掌子面前方100m范围内的地质构造进行超前预报。

三维地震波法超前预报是在已开挖揭露的洞壁布置高灵敏地震信号传感器，在震源点上锤击岩体产生地震波，采集前方反射传回的地震波数据，通过专用软件的分析处理，形成探测区域的地震波反射成像图，包括地震波波速、成像和俯视图，再通过地质分析，推断解释探测区域存在的地质体的性质(软弱带、破碎带、断层等)、位置及规模，提出相应的地质构造预测成果。

本工程采用三维地震波法共探测了391次，预报准确率达90%以上。

2.4 激发极化法超前预报

当通过地质调查法预报到掌子面前方存在渗水和突涌水可能时，为了进一步确认和验证，通知山东大学超前预报小组，采用激发极化法对掌子面前方30m范围内存在的水体进行超前预报。

激发极化法超前预报是通过在掌子面布置一定数量的电极，包括测量电极和供电电极，同时在边墙上布置多圈供电电极，通过供电电极供入直流电，得到两个测量电极间的电势差，从而计算出电阻率剖面。通过反演计算，得到探测区域围岩的水体分布情况，提出相应的开挖面前方岩体出水情况的预测成果。

本工程采用激发极化法共探测了602次，预报准确率达84%以上。

2.5 微震监测与预警

当掌子面前方已进入中-高地应力场洞段，存在发生轻微-中等岩爆的可能，通知东北大学超前预报小组，通过微震监测与预警技术对掌子面前方10m和后方25m范围内的岩爆类型进行超前预报。

微震监测与预警技术是通过在TBM护盾后方已的洞段埋设2个断面的传感器，通过信号采集仪采集来自掌子面前方10m和后方25m范围内所发生的岩爆破裂源所释放的数据，再通过数据分析，得到微破裂事件数和微震能量等微震特征参数，进而判断出岩爆的位置及其岩爆等级和发生概率，同时区分即时型岩爆和时滞型岩爆，并随着掘进动态更新。

声纳图像在映射过程中损失了高度信息,光学图像中采用多视图几何原理,利用不同映射角度的图像视差关系计算目标的深度信息以恢复三维特征。但由于光学摄像机与声纳设备映射原理的差异,所以一般的基于光学的三维重建方法不能直接运用到声纳图像的三维重建过程中。根据多视角声纳图像的映射特点,本节提出一种对高度弧分段、逐级搜寻目标的空间位置的多视角声纳图像三维特征重建方法,用于恢复图像的高度特征。

本工程采用微震监测技术累计监测洞段5633m，发布岩爆预测预警日报679份，整体预警准确率达90%以上。

2.6 超前地质钻探法预报

当掌子面前方出现富水软弱断层破碎带或出现重大物探异常区等地质条件特别复杂洞段，需停机采用超前地质钻探法进行预报。利用超前钻机在隧洞开挖工作面进行钻探获取地质信息。

采用冲击钻时，可按冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、空腔及地下水发育情况等；如果采用回转取芯钻，可按所取得的岩芯进行直接鉴定。在富水区采用超前地质钻探法时必须设置孔口管及控制阀等防止地下水突出的措施。

本工程采用超前地质钻探法2次，钻孔总进尺70m，均精准预报。

2.7 超前地质预报技术的综合应用

在XE工程TBM施工中，共采用了5种超前地质预报方法，其中地质调查法作为基础和先导，与TBM的掘进同步，采用一日一报或一段一报；当局部洞段前方存在地质构造和突涌水条件时，根据需要实施三维地震波法测构造、激发极化法测水，采用一事一报；当进入中-高地应力场洞段，存在发生轻微-中等岩爆的可能，实施微震监测与预警岩爆，采用一日一报；当出现特别复杂的地质条件洞段，必要时实施地质钻探法，采用一事一报。

为了统一协调和分析多种预报方法所得到的结论，现场由业主组织参建各方代表组成地质超前预报协调领导小组，制定了一系列有利于综合实施的地质超前预报的工作流程、工作职责、审批程序、协调机制，负责及时对预报结果进行综合分析和研判，提出相应的处理意见和应对措施，督促后续施工中严格执行，并进行现场跟踪验证和总结，提高地质预报精度，确保工程施工安全和工期安全。

地质调查法作为本工程超前地质预报工作的基础与核心，由设计院负责组织实施，为此专门组建了XE工程超前地质预报小组，制定了相应的工作制度和工作职责，隶属于现场设代处。由地质专业副处长任组长，成员由现场地质工程师、水工与施工专业设计代表组成，院主管院长、主管总工、地勘专业总工及时进行指导。全线5台TBM分成5个工作点，每个工作点派2名熟悉本段工程地质勘察成果的专业地质工程师。在工作中邀请施工单位和监理单位的地质工程师参与并监督日常的工作，除了按照地质调查法预报的要求展开工作外，同时负责与其他预报小组的现场对接，并进行初步的综合分析工作。通过XE工程超前地质预报小组审核后的超前地质预报成果以确认单的型式当日下发现场。

除了认真做好日报、月报和年报，每半年组织5个地质工作点的地质工程师进行一次正式的交流和学习，取长补短，不断总结和改进，切实为工程建设保驾护航。

截止目前，XE工程5台TBM已完成74.1km的掘进，通过对多种超前地质预报成果的综合分析与研判，提出相应的处理意见和应对措施，并进行现场跟踪验证和总结提高。经统计，确定的综合预报总数约1320次，准确率达96%以上。

3 结语

XE工程具有超长隧洞、深覆盖条件、穿越活动断裂带、地下水补给条件复杂、中等岩爆等特点，占隧洞长度81.4%的洞段采用TBM施工技术，针对XE工程复杂地质条件下的TBM施工，采用了以地质调查法预报为主，结合三维地震波法测构造、激发极化法测水、岩爆微震监测与预警、超前地质钻探法等多种超前地质预报技术，综合应用于工程实践中，取得了很好的效果，综合预报准确率达96%以上。为指导TBM安全施工起到了非常重要的作用，保证了TBM施工洞段的施工安全与工期安全，取得了很好的经济效益和社会效益。

由于受学识水平所限，总结还不够全面，愿与隧洞工程的各位同行们进行交流，也愿为类似工程的建设提供借鉴。