TST超前地质预报在秘鲁圣加旺水电站TBM施工中的应用

1 引言

TBM 掘进速度快、自动化程度高，能够大大加快隧洞工程的施工进度， 近年来在长引水隧洞施工中的应用越来越广泛[1]。 大部分隧洞尤其是大埋深、长距离隧洞途径的山体围岩地质状况往往十分复杂。地质问题导致的TBM 卡机情况时有发生，一旦出现卡机，脱困所需的时间往往需要数周到数月之久，严重影响施工进度，同时前方围岩状况不明也存在较大的安全隐患。 掌子面前方不良地质条件是事故发生的主要原因[2]，因此， 对于围岩状况的超前地质预判和提前应对处理十分必要。 TST 超前预报技术是目前较为成熟的超前地质预报方法之一，在隧道施工中被广泛使用。

2 工程概述及地质情况简述

圣加旺水电站位于圣加旺河干流， 距离秘鲁首都利马直线距离约740 km，该电站坝高约8 m，额定水头630.71 m，安装2 台冲击式水轮发电机，总装机容量209.3 MW。 电站引水隧洞长14 773 m， 后半段Y6+000~Y14+773 m 段采用一台敞开式TBM 掘进施工，总长8 773 m，其开挖直径5.8 m。

前期地质勘探结果表明TBM 施工段主要为板岩、片岩岩体，为弱-微透水岩体。 其中片岩约占64%，板岩约占36%。 板岩抗压强度60~90 MPa，片岩抗压强度75~110 MPa，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，局部有Ⅳ、Ⅴ类围岩。

按地貌、构造、节理发育情况、洞室围岩特性、水文地质特征等特征，将引水隧洞TBM 围岩分为2 个工程地质段，见表1。

表1 圣加旺水电站引水隧洞TBM施工段围岩工程地质评价

3 TST超前预报基本原理

TST（Tunnel Seismic Tomography），是隧道散射地震成像技术的简称，该技术可对前方未开挖段围岩情况进行预测，地震波激发与接收系统布置在已开挖洞段隧道两侧的围岩中[3]。本次探测采用TDIS 冲击式震源激发地震波，并由配套的检波器接收。 其工作的主要原理为：当地震波在未开挖的围岩内传播过程中遇到破碎段、 断层面时， 一部分地震波将被反射回来， 反射回的信号可被按照一定规律预先布设的高敏度检波器矩阵接收。 信号数据经过专用软件分析处理，可呈现出不同的图像， 通过解析图像可推断出掌子面前方围岩变化段所处的位置、性质和规模等信息。

4 观测系统及参数选择

4.1 TST硬件组成系统

所采用的TST 超前地质预报系统的硬件主要由主机、TDIS 冲击式震源及检波器、配套电源及线缆等几部分组成。

其中内置的地震信号采集器采用26 通道，最大采样频率156 kHz，最大采样时长100 ks。 压电晶体带阻尼检波器，可提供0.5~5 000 Hz 频带。

4.2 测线布置及参数选择

本次TDIS 冲击震源使用的参数为：重复频率5~25 次/s，冲击时间100 s，冲击次数1 500 次/ 点。 TST 采样参数：采样率40 kHz，采样时长105 s，解码后保留300 ms，26 道采集。

采集数据的观测方案如下：（1） 在两侧岩壁内对称布置4 组共8 个检波器，相邻组距2m；（2）按照每侧壁3 个对称布置6 个震源激发点，其中最靠近掌子面处震源激发点距检波器2 m，其余各组激发点之间的距离设定为8 m。 根据使用仪器性能，可预报掌子面前方约100 m 范围内围岩。

5 数据处理及成果分析

图1 为隧道掌子面K14+765~K14+665 范围内地质构造地震波偏移图像与波速曲线。 表2 为图像解读及预报成果分析。

图1 地质构造偏移图像与波速曲线

表2 图像解读及预报成果分析

构造偏移图像中反射条纹密集的地方， 表示该段围岩结构出现变化、节理裂隙发育；反射条纹少的地方，表示该段岩石较为均匀致密。 TST 超前预报软件速度扫描得到的围岩波速， 是岩体埋深状态下的速度， 它反映未开挖时岩体力学性状，如果有断裂存在，波速应降低。 在围岩较完整的洞段，波速较高。

6 地质预报与现场典型围岩状况对比

现场实际情况表明，Y14+765~Y14+755 存在围岩破碎及空腔，针对地质预报情况对于该段提前进行超前加固处理，并在TBM 推进过程中保持低转速缓慢推进，并在盾尾及时进行钢拱架加固处理，对围岩空腔部分及时进行回填，有效保证了TBM 成功推进。

图2 Y14+725～Y14+705 典型围岩状况

7 结论

TST 超前地质预报系统能够较好地反映隧洞前方一定范