基于TBM隧道中TRT超前地質預報技術的應用研究

唐洪武，劉兆勇

(四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來，隨著工程地球物理技術的不斷發展，超前地質預報技術在隧道開挖過程中得到了廣泛應用，通過隧道地質超前預報，及時預報掌子面前方的不良地質體及其性質、位置、規模、產狀與成災可能性，預防涌水、突泥、坍塌等災害性事故的發生，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供依據。目前用于超前預報的物探方法主要有：中長距離預報(TSP法、TVSP法、HSP法、TRT法等)；短距離預報(地質雷達法、紅外測溫法、超前勘探法、聚焦電流法等)。我國綜合運用以上探測方法，在隧道地質超期預報中已經獲得了很多成功的應用實例，為施工和設計單位提供了科學的參考依據。客觀地說，以上這些方法在鉆爆法開挖的隧道中雖然應用效果較好，但在TBM隧道中并沒有取得預期效果。由于TBM掘進機具有自動化程度高、節省人力、施工速度快、一次成洞的明顯優勢，近些年來逐漸被一些大型隧道工程所采用，但由于TBM管片之間的銜接安裝使巖體無法裸露，而且TBM掘進機本身結構復雜，因此在TBM隧道中有效地進行超前地質預報逐漸成為隧道領域和地球物理學界的重點和難點。

本文結合TBM掘進機的結構特點，對TRT超前地質預報系統在震源激發、檢波器安裝等方式上進行改進創新，同時在數據處理過程中引入相對坐標系統，通過開挖驗證，TRT超前地質預報技術在TBM隧道中取得了良好預報效果。

1 TRT預報原理

隧道地震波反射體追蹤技術簡稱TRT(Tunnel Reflectiontomography)技術，該技術是由美國NSA工程公司開發的隧洞地質超前預報方法。該方法采用空間多點激發和接收的觀測方式，充分獲取隧洞掌子面及附近空間地震波場信息，利用速度掃描和偏移成像技術，通過三維成像來預報掌子面正前方及隧道中心線上下和左右各50 m立體空間范圍內的巖體情況，確定掌子面前方地質異常體的性質、位置及規模，以此對掌子面前方的地質情況進行長距離預報。

TRT技術的基本原理是當人工激發的地震波遇到聲學阻抗差異(密度×波速)界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質，反射回來的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收。聲學阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面，反射體的尺寸越大聲學阻抗差異越大，回波就越明顯，越容易被探測到。通過對反射波信息進行處理和分析，可解譯出隧道掌子面前方的圍巖情況，主要包括斷層、破碎帶、軟弱帶，巖溶、富水區等不良地質體的位置和規模。

2 鉆爆法隧道TRT預報系統

在常規的鉆爆法開挖中，巖體裸露、洞內視野較好，震源點的激發、檢波器的安裝以及坐標的采集就相對簡單。

2.1 震源點激發

TRT系統采用錘擊震源進行激發，把觸發開關綁扎在錘頭上，通過觸發線與主機相連接，采用回路觸發方式，觸發與采集同步進行。采集信號時，用錘頭直接錘擊巖體表面即可進行激發。

2.2 檢波器安裝

在傳統的鉆爆法施工隧道中，只需要通過8 mm左右的電鉆打6 cm深的孔，在固定塊上抹上膨脹性快干水泥，把固定塊固定在隧道邊墻和洞頂表面，傳感器通過螺絲安裝在固定塊上，從而實現傳感器和巖體的緊密耦合，該方法簡便易于操作。

2.3 大地坐標系統

在資料處理的過程中需要建立隧道勘測布置圖，因此需要震源點和檢波器接收點等點位的三維坐標信息，一般情況下，采用全站儀直接測量出所需點的大地坐標即可。在鉆爆法開挖施工的隧道中，由于洞內設備較少，對以上點位的影響較小，可以直接進行測量。

3 TBM隧道TRT預報系統設計

由于TBM隧道與鉆爆法隧道開挖方式不同，TBM管片之間的銜接安裝無法使巖體裸露出來，而且TBM掘進機本身結構復雜，安裝管片所構成的封閉結構使得巖體被隔離，震源點和檢波器的安裝難度較大；同時由于TBM機設備復雜，震源點和接收點的位置容易被各種設備阻擋，難以用全站儀測量出各個點位的大地坐標，這給建立隧道勘測布置圖增加了困難。本文結合TBM掘進機的結構特點，通過對TRT超前地質預報系統在震源激發、檢波器安裝等方式上進行改進創新，同時在數據處理過程中引入相對坐標系統代替大地坐標系統，在TBM隧道中取得了良好預報效果。

3.1 激發裝置的改進

在鉆爆法施工隧道中，只需要人工錘擊表面的巖體進行激發，方便快捷。但在TBM掘進機中，僅在刀盤附近的伸縮縫和空壓錘處能夠看到巖體(見圖1～2)，伸縮縫一般情況下處在關閉狀態，關閉狀態下縫隙狹小，僅有10 cm寬，并且附近設備較多，難以直接錘擊激發。TBM空壓錘處有約20 cm×20 cm的空間能夠直接看到巖體，由于附近有空壓錘的阻擋，也難以直接錘擊激發。

通過現場多次試驗，用空壓鉆在管片定位孔上鉆孔，然后加工實心鐵棒，把實心鐵棒放到定位孔中與巖體緊貼，通過錘擊實心鐵棒進行激發，效果良好。

圖1 TBM伸縮縫處巖體 圖2 TBM空壓錘處巖體

3.2 接收裝置的改進

TBM掘進環境下管片的安裝對于實現傳感器和巖體的耦合帶來了諸多不便，無法像鉆爆法隧道一樣把傳感器通過螺絲安裝在巖體的固定塊上進行耦合。為了解決該問題，研究小組通過多次試驗，發現玻璃纖維是一種特殊的無機非金屬材料，以玻璃纖維錨桿為傳輸媒介，在信號傳遞的過程中不會對信號產生干擾，對接收方式能有效地改進，效果良好，具體改進如圖3～4所示。

3.3 相對坐標系統

如前文所述，在鉆爆法施工隧洞中，一般可通過全站儀測出震源點和檢波器接收點等點位的大地坐標，建立隧道勘測布置圖。而在TBM掘進環境下，由于洞內設備較多，震源點和接收點的位置容易被各種設備阻擋，難以用全站儀測出以上點位的坐標，這增加了建立隧道勘測布置圖的困難。研究小組經過不斷地努力和嘗試，最終通過建立以下點位的相對坐標關系，即建立相對坐標系統解決了上述問題。

隧道勘測布置圖是根據12個震源點(S1～S12)、10個檢波器(A2～A11)以及掌子面頂拱中心點和A9-A10-A11組成圓弧的最高點。從中心點位置沿著掌子面為X軸正方向，面對掌子面原點右側為Y軸正方向，原點以上為Z軸正方向，反之則為負方向。因此，在確定震源點和檢波器等點位的相對坐標時，只需要用皮尺測量出各點位的相對坐標，不需要用全站儀測出以上點位的大地坐標。

圖3 玻璃纖維錨桿 圖4 邊墻上安裝檢波器

經過后續處理，在以上兩種坐標系統模式下，采用相同的波速和濾波等處理參數，得到的三維反射成像圖也完全一致。可見，對于相同的空間波場，兩種坐標系統下的三維結構圖對異常結構的反映一致。

因此，采用震源點和檢波器等點位的相對位置關系建立起來的相對坐標系統，完全可以代替采用全站儀測量出各個點位的大地坐標所建立的大地坐標系統。相對坐標系統的引入解決了在TBM隧道中難以用全站儀測量各點位大地坐標的問題，為在TBM隧道中順利開展TRT法地質超前預報工作奠定了基礎。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

某隧道采用雙護盾TBM掘進機施工，隧洞長約5 km。根據已經揭露的地質資料，該洞段巖體以片麻巖和混合片麻巖為主，巖石堅硬，構造整體不發育，主要以小規模斷層、擠壓破碎帶和節理裂隙為主，局部發育斷層破碎帶。隧道埋深較深，深埋洞段較長，在局部深埋洞段可能會產生由高地應力引起的巖爆、圍巖卸荷松弛、片幫等現象。圍巖以Ⅲ類為主，約占80%，Ⅳ～Ⅴ類圍巖約占20%，具備良好的成洞條件，大部分洞段巖體較完整，較適宜TBM掘進，但在斷層、韌性剪切帶發育和長大裂隙不利組合等圍巖破碎洞段洞室穩定性問題較為突出；同時在TBM掘進過程中也會造成撐靴無法受力、卡機等隱患，對掘進有一定的影響。該區域常年降水充沛，地下水較豐富，但主要集中在進出口淺埋洞段和過溝段，深埋洞段僅在構造破碎帶附近存在涌突水現象。

根據前期EH4物探剖面揭示，隧道樁號約K10+070 m～K10+150 m段出現反射異常。經解譯，該異常可能為斷層帶，也可能為裂隙密集帶或集中分布的多條小規模斷層破碎帶所致(見圖5)。

圖5 EH4物探剖面疑似斷層示意

TBM設備造價昂貴，掘進過程中不能后退，為了防止卡機或者被埋等工程事故發生，需查明掌子面前方是否存在EH4所反映的地質異常，需要對掌子面進行地質超前預報。TBM掘進機本身結構復雜，巖體被管片覆蓋，如何進行有效地超前地質預報工作一直是該領域的難點。研究小組通過改進激發裝置和接收裝置，引入相對坐標系統，成功在雙護盾TBM掘進機中進行了TRT地質超前預報。

4.2 預報成果分析

本次預報采用TRT地震波三維成像技術，預報段為K10+076 m～K10+176 m。通過對TRT預報資料分析處理，得到成果如圖6～7所示。

根據TRT法預報成果，可得出如下推論：

(1)K10+076 m～K10+090 m段地震波反射明顯，分布較為分散，地震波速呈降低趨勢，推斷該段巖體完整性差，層面裂隙或小開度結構面發育，地下水活動弱。

(2)K10+090 m～K10+130 m段地震波反射不明顯，推測該段巖體完整性較差，與當前掌子面類似。

(3)K10+130 m～K10+140 m段地震波反射強烈，正負反射分布密集，以黃色正反射為主，局部夾雜藍色負反射，地震波速呈現整體升高趨勢，推測該段圍巖斷層發育，受斷層影響地震波反射出現局部消失和錯段現象，地下水活動弱。

(4)K10+140 m～K10+176 m段地震波反射明顯，多以零星反射為主，分布較為分散，地震波速相比上段有增高趨勢，推測該段圍巖與上段相比有變好趨勢，但局部裂隙或小開度結構面發育，地下水活動弱。

從以上成果中可以看到，本次TRT地質超前預報在K10+130 m～K10+140 m段發現明顯異常，根據異常的空間分布，初步判定為斷層，與EH4資料中所反映的物探異常相吻合。

(a)俯視示意

(b)側視示意

(c)立體示意

圖7 地震波速度

4.3 開挖對比

對于本次預報后的地質掘進情況，研究小組人員進行了現場跟蹤。

在掘進至K10+076 m時，掌子面在掘進過程中經常出現掉塊、塌落現象，出渣以塊狀為主，掘進參數異常。在K10+076 m～K10+246 m段，地質條件差，掘進過程中先后出現數次伸縮盾、尾盾甚至全盾卡機事故。

受TBM施工機械設備特點和掘進速度影響，觀察空間有限且無法連續收集地質信息，僅能從刀盤間隙、側窗、伸縮盾縫隙進行巖壁觀察，同時收集巖渣特征、地下水特征和掘進參數。

渣體觀察時，K10+100 m處以前渣體以塊狀為主，約占70%～80%；K10+100 m以后渣體以粉狀為主，少見塊狀，未見片狀。

根據現場開挖掘進情況以及收集揭露的地質資料來看，地質超前預報效果理想，與開挖揭露的地質情況吻合度高，EH4剖面中的異常段在本次預報中也得到了印證。

5 結 語

隨著我國水電、公路、鐵路等項目的建設，TBM掘進機因其特有的優勢在隧道施工中得到越來越普遍的應用，但受TBM掘進機本身的結構所限，傳統的地球物理探測手段并沒有得到較好的推廣，如何在TBM隧道內有效地開展超前地質預報成為隧道領域與工程地球物理學界的重點和難點。

本文通過結合TBM掘進機的結構特點，對TRT超前地質預報系統在震源激發、檢波器安裝等方式上進行改進創新，同時在數據處理過程中引入相對坐標系統代替大地坐標系統，在TBM隧道施工中取得良好預報效果，對在TBM隧道內有效開展超前地質預報進行了有益的嘗試，但有些地方還需要優化和提升。

(1)在TBM掘進機中，優化激發裝置采用敲擊實心鐵棒的方式。雖然敲擊實心鐵棒能夠有效激發，但過于笨重，且不方便操作，優化時可以考慮：①對TBM掘進機的刀盤結構進行改進，利用掘進時刀盤擾動進行激發；②把觸發開關綁扎在空壓錘上，利用空壓錘錘擊巖體進行激發；③特制超磁致伸縮激發器，在伸縮縫處激發。

(2)采用不同的工程地球物理探測方法，將中長距離的宏觀地質超前預報與短距離的細節預報有效結合起來，進行綜合探測。對中長距離的宏觀預報所反應的異常采用短距離細節預報進行復核，提高預報精度，提前采取防護措施，優化施工方案，指導隧道開挖。