综合地质预报技术在TBM隧道动态设计中的应用

沈维 卢松

为解决施工中隧道地质条件变化而导致隧道支护参数不匹配问题，保证TBM施工期各设计参数更为合理，以综合地质预报成果与揭露围岩情况为基础，实现TBM施工期的隧道动态设计，确保隧道施工及运营期结构安全、可靠。依托高黎贡山隧道TBM施工的某不良地质段，基于传统的地质分析信息、TSP法预报信息外，还引入了TBM搭载的地震波法和激发极化法等专用预报技术，配合地质编录和超前地质钻探，各方法相互补充、印证，使得隧道掌子面前方的地质情况判析更准确。该综合分析技术与设计的动态响应在隧道TBM施工段的实施，有效地指导了隧道TBM施工方案及隧道支护设计参数的制定，取得了良好的应用效果，为隧道施工动态设计提供了有力的保障。

综合地质预报； TBM； 隧道； 动态设计

U455.44 A

［定稿日期］2022-10-17

［基金项目］中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（系统重大项目，项目编号：P2018G048）；中国中铁科技研发计划（项目编号：2020-重点-18）；中铁二院工程集团有限责任公司科技开发引导项目（项目编号：2022年-KDNQ224006）

［作者简介］沈维（1981—），男，高级工程师，主要从事铁路工程地质与水文地质勘察工作。

隧道掘进机（TBM）作为一种高效、安全的隧道施工设备，近年来在隧道工程中得到愈来愈多的应用，已成为长隧道首选的开挖方法。然而，TBM对破碎围岩等不良地质条件的适应性较差，导致TBM掘进作业时间利用率降低，甚至还可能出现TBM损坏和卡机等情况。在地质条件复杂区域，全面、准确地预报掌子面前方围岩统计，对隧道的顺利施工和调整支护设计至关重要，是快速、安全、优质地建成隧道的前提。近年来，我国学者在隧道超前地质预报方面开展了大量的研究和试验工作，也取得了丰硕的成果，从各种探测方法在现场的应用情况来看，不同的方法所基于的探测原理也各不同，其内容、精度、可靠性不仅受探测手段的影响，更与信息的提取、利用与分析有直接关系［1］。目前，隧道施工采用的超前地质预报方法都有各自的局限性，探测结果存在多解性，且受隧道施工干扰影响，难以对隧道掌子面前方地质情况作出准确、全面的判断。因此，需采用多种探测手段和多源协同预报的理念， 充分利用各自的优缺点，形成一体化的综合预报体系能够大大提高探测精度，可将地质体的复杂性与施工对地质体的作用及围岩与支护的组合体时空特性有效结合起来，才能达到预报的目的。本文选取大瑞线高黎贡山隧道出口TBM某一掘进段采用TSP、激发极化法、地震波法、超前钻探等多种超前地质预报方法综合分析，指导隧道现场施工及动态设计，为综合地质预报在TBM掘进隧道地质条件预报积累经验。

1 隧道概况

1.1 工程概况

大瑞铁路高黎贡山隧道位于云南高原西部边缘高黎贡山脉南延段，属高黎贡山古生界变质岩紧密褶皱和花岗岩体高山区。工程地质条件极其复杂，具有 “三高 ”（高地热、高地应力、高地震烈度 ）和 “四活跃 ”（活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程 ）的特征。高黎贡山隧道全长为34.538 km，最大埋深1 155 m。采用TBM与钻爆法相结合的施工方法，进口端采用钻爆法施工，施工长度为21.198 km；正洞和平导洞出口段分别采用直径为9.03 m和6.36 m的敞开式TBM施工，施工长度分别为13.34 km、10.18 km。

1.2 地质概况

隧道出口TBM掘进段洞身主要穿越燕山期花岗岩地层，局部泥盆系中统回贤组白云岩、灰岩夹石英砂岩地层，受构造影响较大，岩体破碎，经历多期岩浆活动，各期次形成的侵入体间发育蚀变带，蚀变带附近岩体破碎，遇水软化，围岩变化频繁，破碎岩体稳定性差，易掉块或蹋落形成空腔。

2 TBM隧道综合超前地质预报方法介绍

结合地层岩性、水文地质、隧道设计方案，确定隧道超前地质预报方案。当推测、预报有异常段落或开挖遇异常地段时，则采取综合预报和动态开挖支护调整。以地质调查法为基础，结合超前钻孔和多种物探手段进行综合地质预报，采用宏观预报指导微观预报，长距离预报指导中短距离预报。综合超前地质预报布置原则为全隧实施地质调查法，正洞使用贯通平导进行预报预测；根据不同的地质条件，采取不同的物探方法，将全隧物探法分为TBM搭载式三维地震波法、地震波法、HSP法和TSP进行不良地质超前预报；根据不同的地质条件，采取不同的超前钻探方案［5-7］，如图1所示。

2.1 地震波反射法（TSP）

通过人工钻孔激发地震波，接收因围岩波阻抗发生变化反射的地震波，预报隧道掌子面前方软弱岩层、断层、裂隙及富水等地质体，探测长度120 m。从护盾盾尾向后边墙布置24个炮孔，间距1.2 m。直径42 mm（20～45 mm），孔深约1.5 m。沿轴径向下倾斜5.1°～ 9.6°，离地面高约1.0 m。隧道左、右边墙布置接收孔2个，直径50 mm，孔深约2.0 m。沿轴径向向上倾斜5°左右，离地面高约1.0 m（图2）。

2.2 三维地震波法

搭载式地震波的震源和检波器采用分布式的立体布置方式，具体方法见图3。基本原理在于当地震波遇到波阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，

一部分信号透射进入前方介质。仪器的工作过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，向地震波采集主机下达地震波采集指令，并将地震波数据传输到主控室内的地震探测主机，完成地震波数据采集。

2.3 激发极化法

以围岩和含水地質构造的电性参数差异为物理基础，根据施加电场作用下围岩传导电流的分布规律，探测区域电阻率分布情况。通过在掌子面布置一定数量的电极，如图4所示。按一定的序列，自动供入直流电，测量电极的电势差，从而计算出视电阻率剖面。通过反演计算，得到探测区域围岩电阻率剖面，对含水构造表现为低电阻，对完整围岩表现为高电阻，从而达到对探测区域地质情况探测的目的。

2.4 综合地质预报方法应用

针对勘察及施工地质认识，一般段落采用地质素描+地震波反射法（TSP）；施工揭示围岩节理发育，岩体破碎，地下水弱发育，存在塌方、掉块风险时，采取地质素描+地震波反射法（TSP）/三维地震波法+超前钻孔；施工揭示围岩节理密集发育，岩体极破碎，地下水较发育，存在涌水突泥风险时，采取地质素描+地震波反射法（TSP）/三维地震波法+三维激发极化法+超前钻孔。预报方法随施工揭示围岩及风险情况动态调整。

3 TBM隧道综合超前地质预报方法应用实例

3.1 试验段落综合超前地质预报方法实施情况

以高黎贡山隧道正洞出口D1K224+344～D1K223+990段为例，根据综合地质预报方法应用条件，随施工揭示围岩及风险情况，动态调整超前地质预报方法。各分段施作超前地质预报方法如图5所示，在充分利用地震波反射法、三维地震波法、三维激发极化法及超前钻孔探测预报方法成果基础上，对超前预报资料进行综合分析与评判，相互印证，并结合掌子面揭示的地质条件、发展规律、趋势及前兆进行预测、判断，形成综合超前地质预报结果，指导选用合理的掘进参数、优化调整开挖支护设计、工法及特殊处理措施，以保障工程顺利实施、施工及结构安全。

综合超前地质预报分析结果及施工对比见表1。

3.2 超前地质预报成果应用

3.2.1 围岩变更及掘进参数调整

根据综合超前地质预报成果和开挖揭示情况，对围岩级别和掘进参数进行相应调整，将D1K224+344～D1K223+990段围岩变更调整为：

D1K224+344～D1K224+120围岩级别由Ⅳ级变更为Ⅴ级，长度224 m；D1K224+120～D1K224+103由Ⅲ级变更为Ⅴ级，相差了2个级别，长度17 m；D1K224+103～D1K223+990由Ⅲ级变为Ⅳ级，长度113 m。TBM相应的掘进参数也作了相应的调整，Ⅴ级围岩的刀盘转速为1.8～6.5 r/min，推力7 300～17 250 kN，扭矩374～2 300 kN·m，掘进速度14～66 mm/min；Ⅳ级围岩的刀盘转速为2.5～5.0 r/min，推力11 000～19 400 kN，扭矩1 900～4 700 kN·m稳定，尤其是扭矩参数更加突出（图6、图7、表2）。

根据超前地质预报分析及时调整围岩分级，及时指导现场动态调整掘进参数，为TBM相对顺利通过该段Ⅴ级破碎围岩提供了技术支持。

3.2.2 支护措施调整

根据综合超前地质预报成果和开挖揭示情况，及时调整围岩级别，指导现场调整支护措施：

D1K224+344～D1K224+120段支护参数由ⅣB调整为ⅤA；D1K224+120～D1K224+103段支护参数由Ⅲ级A型复合衬砌调整为TBM法掘进段Ⅴ级A型复合衬砌。全环喷射C25混凝土，厚20 cm；轨上拱墙设8 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；轨上拱部120°范围设25 mm中空锚杆，其余部位设22 mm砂浆锚杆，环纵向间距1.0 m×1.0 m，长3.0 m/根；全环采用HW150型钢拱架，间距0.9 m/榀；隧底铺设C40钢筋混凝土仰拱预制块，拱墙二次衬砌采用现浇模筑混凝土，厚30 cm，采用C35钢筋混凝土，在掉块形成空腔处及时安装钢筋排，预设注浆管，喷混凝土封闭回填密实。

D1K224+103～D1K229+990段支護参数由Ⅲ级A型复合衬砌调整为Ⅳ级B型复合衬砌，采用TBM法掘进；全环喷射C25混凝土，厚15 cm；轨上拱墙设6 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；拱墙设22 mm药卷锚杆，环纵向间距1.0 m×1.0 m，长3.0 m/根；全环采用HW100型钢拱架，间距1.8 m/榀；隧底铺设C40钢筋混凝土仰拱预制块，拱墙二次衬砌采用现浇模筑混凝土，厚30 cm，采用C35混凝土，在岩体脱落处及时安装钢筋排，喷混凝土封闭回填密实。

根据超前地质预报分析及时调整围岩分级，指导现场动态调整支护措施，为该段施工安全提供了技术支持。

4 结束语

（1）以物探、钻探、施工地质分析为基础，宏观把握正洞TBM施工段的不良地质体的性质及产状，采用TSP、激发极化法和地震法多种物探方式相互验证，重点异常段落采用超前地质钻孔进行验证，可明显提高不良地质体的准确性、可靠性，指导调整掘进参数、支护措施，提前处理，为隧道施工动态设计提供了有力的保障。

（2）TBM掘进参数、掘进速度与围岩级别息息相关，围岩质量越好，掘进参数变化范围小，尤其扭矩对岩体的完整性最敏感。TBM通过破碎围岩等不良地质段时，应适当减小TBM的刀盘转速、掘进推力、撑靴压力等掘进参数，减小对围岩的扰动，从而减少或避免发生塌方。

参考文献

［1］ 干昆蓉，蒋肃.对隧道施工地质超前预报工作的反思与探讨［J］.铁道工程学报，2007（9）：9-13.

［2］ 谢成涛，赵海雷.高黎贡山铁路隧道彩云号TBM的创新性设计与应用［J］.隧道建设（中英文），2019， 39（7）：1201-1208.

［3］ 洪开荣，冯欢欢.高黎贡山隧道TBM法施工重难点及关键技术分析［J］.现代隧道技术，2018，55（4）：1-8.

［4］ 卓越，高广义.大瑞铁路高黎贡山隧道施工挑战与对策［J］.隧道建设（中英文），2019，39（5）：810-819.

［5］ 周轮，李术才，许振浩，等.隧道综合超前地质预报技术及其工程应用［J］.山东大学学报（工学版），2017，47（2）：55-62.

［6］ 李永志，田洪义.综合超前地质预报技术在高黎贡山隧道中的应用［J］.铁道建筑，2018，58（3）：46-49.

［7］ 李术才，刘斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（6）：1090-1113.