基于物探技術(shù)的TBM施工隧洞地質(zhì)超前預(yù)報方法

巨廣宏,張明財

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

中國是一個多山國家，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，各種造山帶、斷裂帶發(fā)育，地下水豐富。隨經(jīng)濟建設(shè)持續(xù)發(fā)展、對資源合理開發(fā)需求日益增長，我國將在交通、礦產(chǎn)、水電、引調(diào)水等工程領(lǐng)域修建數(shù)百條隧洞，且深、長、大洞徑、地質(zhì)條件復(fù)雜成為現(xiàn)代隧洞的主要特點。在隧洞前期勘測設(shè)計階段，受方法技術(shù)和投入成本限制，僅能掌握隧洞軸線附近有限的地質(zhì)信息。后期隧洞開挖過程中，斷層破碎帶、軟弱結(jié)構(gòu)面、節(jié)理密集帶、喀斯特、高地應(yīng)力等地質(zhì)問題常會導(dǎo)致冒頂、涌水、突泥 (砂)、塌方等工程安全事故[1-3]。地質(zhì)超前預(yù)報可及時獲取掌子面前方比較詳細(xì)的地質(zhì)信息，有效避免工程事故的發(fā)生[4-5]。

隧洞施工技術(shù)前后經(jīng)歷了人工挖掘、鉆爆法開挖、TBM開挖等技術(shù)革新[6]。鉆爆法是山嶺隧道工程常用的掘進方式，該方法對圍巖擾動破壞性較大，施工安全風(fēng)險較高，且該方法需要鉆眼—安放炸藥—控爆—清渣，程序繁雜，施工效率較低。相比而言，TBM施工技術(shù)廣泛融合了遙控遙測、信息電子等高新技術(shù)，充分利用機械壓力對巖石進行破碎、切削，掘進、出渣、襯砌、灌漿等工序一次完成，具有通風(fēng)要求低，安全性好，襯砌支護工程量少，施工進度快等優(yōu)點[3,7-8]。

TBM雖擁有諸多優(yōu)點，但由于該設(shè)備一般比較龐大，在適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件方面不如鉆爆法靈活，尤其在沒有預(yù)警的情況下遭遇軟弱破碎圍巖、巖溶、暗河、斷層等不良地質(zhì)條件，會導(dǎo)致掘進速度減緩，處理不當(dāng)會造成卡機被困、拖延工期[9-11], 超前預(yù)報技術(shù)可對TBM開挖掌子面前方的圍巖地質(zhì)情況進行預(yù)測，降低TBM掘進的施工風(fēng)險。因此，超前預(yù)報技術(shù)成為當(dāng)前隧道建設(shè)的重點研究課題[12-14]。當(dāng)前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員已經(jīng)研發(fā)了多種隧洞地質(zhì)超前預(yù)報的物探方法，主要包括：地質(zhì)雷達(dá)法[15]、TGS360PRO(俄羅斯)[16-18]、ISP預(yù)報(德國)[19-20]、TGP預(yù)報(國產(chǎn))[21-23]、TRT預(yù)報(美國)[24-25]、TSP預(yù)報法(瑞士)[26]、TST預(yù)報(國產(chǎn))[27]、HSP水平聲波剖面法(國產(chǎn))[28]、BEAM預(yù)報法(德國)[29-30]、陸地聲吶法(國產(chǎn))[31]、三維激發(fā)極化法(山東大學(xué))[32]、復(fù)頻電導(dǎo)率法(CFC)[33]、瞬變電磁法等[34-35]，這些方法在鉆爆法施工隧洞中得到了充分的應(yīng)用與發(fā)展，取得了良好效果。然而，在TBM施工隧洞中開展地質(zhì)超前預(yù)報，須符合一定的應(yīng)用條件。首先，龐大的TBM往往占據(jù)了本來就狹小的隧洞空間，刀盤和掌子面“零距離”，部分預(yù)報方法無法實施或者實施困難，如：TRT預(yù)報法[36-38]、陸地聲吶法[2]、瞬變電磁法[39]等；其次，TBM屬于金屬構(gòu)件，如果采用地質(zhì)雷達(dá)法[15]、瞬變電磁法[40]、復(fù)頻電導(dǎo)率法(CFC)[33]，勢必會造成嚴(yán)重的電磁干擾，導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果不準(zhǔn)確；再次，TBM正常的掘進效率較高，如地質(zhì)雷達(dá)法、三維激發(fā)極化法等短距離預(yù)報法的預(yù)報距離落后于TBM單次掘進的距離，較難滿足TBM高速掘進施工的工程要求；同時，諸如TSP[41-42]、TGP[22]、TST[43]等預(yù)報法需要在洞壁造孔，逐炮進行爆破激發(fā)地震波，作業(yè)周期較長，嚴(yán)重影響TBM的工作效率。為了克服TBM施工隧道超前預(yù)報中的多解性難題，不少學(xué)者采用了綜合物探技術(shù)，將短距離的細(xì)節(jié)預(yù)報與中、長距離的宏觀預(yù)報有效結(jié)合起來，進行多尺度分析和綜合探測。采用短距離細(xì)節(jié)預(yù)報成果對中、長距離的宏觀預(yù)報成果進行復(fù)核、驗證，提高預(yù)報精度[14,44-48]。本文從TGS360Proc超前預(yù)報法、BEAM超前預(yù)報法、三維激發(fā)極化超前預(yù)報法、HSP超前預(yù)報法、ISP超前預(yù)報法等5種方法的基本原理出發(fā)，探討了每種方法的現(xiàn)場工作技術(shù)方法，在此基礎(chǔ)上，對每種方法的工作適應(yīng)性和優(yōu)缺點進行了分析比較，冀對TBM開挖技術(shù)提供技術(shù)參考，降低TBM卡機或被埋的事故風(fēng)險。

1 TBM施工隧洞中的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)

苛刻的作業(yè)條件和技術(shù)因素，為TBM施工隧洞中開展地質(zhì)超前預(yù)報工作設(shè)立了技術(shù)“門檻”。從某些角度考慮，目前TGS360PRO預(yù)報法、BEAM預(yù)報法、三維激發(fā)極化法、HSP預(yù)報法、ISP預(yù)報法可以適應(yīng)TBM施工隧洞中的地質(zhì)超前預(yù)報。

1.1 TGS360Pro預(yù)報法

TGS360Pro是俄羅斯Ural State Mining大學(xué)與俄羅斯GEOTECH公司合作研發(fā)的新一代地震波類地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)，相比于其他的地震類超前預(yù)報方法，該系統(tǒng)的顯著特點在于可以超前預(yù)報掌子面前方的富水情況，其核心機理歸結(jié)為2個美國專利：“預(yù)報地下流體的動態(tài)參數(shù)的方法”[49]和“確定地下流體存在性的方法”[50]。

1.1.1TGS360Pro預(yù)報法基本原理

TGS360Pro預(yù)報法的基本理論基礎(chǔ)來源于早在1965年Maurice A.Biot建立的固-液多孔隙雙相介質(zhì)中地震波傳播理論。假設(shè)巖體為非均勻應(yīng)力狀態(tài)下的離散介質(zhì)，由于一般情況下，地震波信號的瞬時頻率、幅度與巖體結(jié)構(gòu)面法向相互對應(yīng)，據(jù)此可區(qū)分塊狀巖體的密實、破碎程度[49-50]。

地下巖層間的相對應(yīng)力存在差異，巖體破碎處的應(yīng)力會降低，且地下水通常從高應(yīng)力區(qū)域流向低應(yīng)力區(qū)域，進而形成裂隙水，在封閉區(qū)域內(nèi)則聚集填充，形成溶洞。預(yù)應(yīng)力條件下法向入射的地震波，其反射系數(shù)可以表示為：

式中：Z*和Z分別是預(yù)應(yīng)力和無應(yīng)力半空間地層中的波阻抗，g/cm3·m/s;ω表示圓頻率，rad/s。

這里，P表示當(dāng)前巖體應(yīng)力與靜水壓力的比例系數(shù)；μ*是預(yù)應(yīng)力半空間中的剪切模量，GPa。根據(jù)彈性波動方程和廣義Hook定律，經(jīng)過一系列公式推導(dǎo)可得：在離散介質(zhì)中，應(yīng)力變化幾乎不受彈性模量的影響，即Z≈Z*，因此方程(1)可簡化為：

假設(shè)沿著反射邊界上彈性模量不發(fā)生變化，只有壓力P變化，則反射邊界上的點L和點M處的反射系數(shù)之比可表示為：

將式(2)代入方程(4)進行推導(dǎo)，則反射界面上兩點處的壓力變化dP可化簡為：

在高模量介質(zhì)中，a取2；在低模量介質(zhì)中，a取1。

1.1.2TGS360Pro預(yù)報法現(xiàn)場工作方法

TGS360Pro超前預(yù)報系統(tǒng)目前有2種工作布置方法。在鉆爆法施工的隧道，將檢波器安置于掌子面，如圖1(a)所示，在TBM施工隧道中，由于掌子面前方被刀頭占據(jù)，不能按照圖1(a)的布設(shè)方式進行施測，只能將檢波器安置于TBM尾端的兩邊洞壁進行施測，如圖1(b)所示。

現(xiàn)場操作時，通常將三分量檢波器安置于洞壁或掌子面上預(yù)設(shè)的鉆孔內(nèi)，且與巖體緊密接觸，采用鐵錘敲擊激發(fā)地震波。整套外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作可在1小時內(nèi)完成[51-52]。

圖1 TGS360Pro 超前預(yù)報工作裝置布設(shè)方案

1.2 BEAM預(yù)報法

BEAM(Bore—TunnelingElectricalAheadMonitoring)是由德國Qumon公司研發(fā)的新一代電法類地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)[29-30,53-54]，該方法也稱為聚焦地電交流激發(fā)極化法，其核心機理是： 利用同性電極相互排斥的原理，通過外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個保護電流，同時在其內(nèi)部發(fā)射一個測量探測電流，以便電流聚焦進入要探測的巖體中，如圖2所示。測取與巖體中孔隙有關(guān)的電能儲存能力的參數(shù)PFE(Percentagefrequencyeffect)的變化，以此來預(yù)報掌子面前方巖體的完整性和含水性，該方法極大地改善了電法探測的靈敏度和穩(wěn)定性。

圖2 BEAM地質(zhì)超前預(yù)報電流傳播示意

1.2.1BEAM預(yù)報法基本原理

BEAM預(yù)報系統(tǒng)采用多頻方式向隧洞圍巖中供電，設(shè)供電電流頻率分別為f1和f2，則計算電阻率分別為：

其中Rf1、Uf1、If1分別為供電頻率為f1時的電阻率、電壓和電流，Rf2、Uf2、If2分別為供電頻率為f2時的電阻率、電壓和電流。頻率效應(yīng)百分比PFE可按下式計算：

掌子面前方巖體中含水或者裂隙發(fā)育時，BEAM預(yù)報法所測得的電阻率會顯示明顯的變化，更進一步地，頻率效應(yīng)百分比度量了兩種頻率下計算電阻率的相對變化(極化信息)，可綜合分析掌子面前方巖體的相對破碎程度。

1.2.2BEAM預(yù)報法現(xiàn)場工作方法

在鉆爆法施工的隧洞中，BEAM超前預(yù)報法體現(xiàn)不出優(yōu)勢所在，現(xiàn)場工作程序比較繁雜。需要將環(huán)型供電電極A1(不少于9根)等間距布設(shè)在掌子面外緣已打好的孔內(nèi)(孔內(nèi)注水以降低接地電阻)；沿隧道掌子面內(nèi)壁按環(huán)型狀等間距布設(shè)測量電極A0(一般為6根)；離掌子面300～600m遠(yuǎn)處布置一根無窮遠(yuǎn)B極，與A1、A0極形成回路。在采用TBM掘進施工的隧洞中，直接將供電電極A1安置于TBM的刀頭位置，將測量電極安裝于外側(cè)護盾上，由BEAM主機按一定的程序發(fā)射不同頻率的互斥的供電電流進行控制測量，進而獲取到掌子面前方一定范圍內(nèi)極化率和電阻率數(shù)值空間分布數(shù)據(jù)。

1.3 三維激發(fā)極化預(yù)報法

近年來，山東大學(xué)李術(shù)才教授科研團隊研發(fā)了GEI-TBM三維激發(fā)極化地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進的多同性源陣列激發(fā)極化方法對掌子面前方地質(zhì)條件進行超前探測，其新穎的電極觀測模式具有前向聚焦與后向屏蔽的優(yōu)勢，不僅增大了探測距離，而且可有效地壓制旁側(cè)干擾。通過逐步的技術(shù)提升[55-58]，在我國隧道超前預(yù)報領(lǐng)域取得了良好的實際應(yīng)用效果。

1.3.1三維激發(fā)極化預(yù)報法基本原理

地下介質(zhì)中普遍存在激發(fā)極化效應(yīng)，因外電流激發(fā)而引起介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電荷分離，由于電化學(xué)作用引起附加電場變化，其原理示意圖如圖3所示。

三維激發(fā)極化超前預(yù)報法通常采用極化率、電阻率和半衰時3個參數(shù)描述激發(fā)極化效應(yīng)。極化率可反映巖、礦石激發(fā)極化效應(yīng)的相對強度，其值可由二次場電壓 與總電場值的比值表示，計算如公式(10)所示。

式中：η為極化率，ΔU1和ΔU2分別為一次和二次電壓場。電阻率是表示巖、礦石導(dǎo)電性好壞的典型參數(shù)，其值可由一次場電壓ΔU1計算，計算公式如公式(11)所示。

式中：ρ為電阻率；R為電阻；L為所測試的巖體的長度；S為測試巖體的橫截面積；ΔU1為一次場電壓；I為電流。

圖3 激發(fā)極化法基本原理示意

掌子面前方巖體中含水或者裂隙發(fā)育時，激發(fā)極化法所測得的電阻率會顯示明顯的變化，頻率效應(yīng)百分比度量了2種頻率下計算電阻率的相對變化(極化信息)，可綜合分析掌子面前方巖體的相對破碎程度及含水情況。

1.3.2三維激發(fā)極化預(yù)報現(xiàn)場工作方法

首先在掌子面后方洞壁圍巖上距離掌子面2、4、10、20、30m處布設(shè)環(huán)狀供電電極系，每一處的環(huán)狀供電電極由位于圍巖左上、右上、左下、右下位置處的4個供電電極A組成；其次在掌子面上布設(shè)陣列式測量電極系，測量電極系由線距2m的3條測線構(gòu)成，每條測線上的測量電極M的電極距為1.5m；最后將測量電極N與供電電極B布設(shè)于掌子面后方較遠(yuǎn)處(相當(dāng)于無窮遠(yuǎn))。測量時，按照距離掌子面距離由近及遠(yuǎn)，環(huán)狀供電電極依次對4個供電電極同時供入相同電流，陣列式測量電極M依次采集電場和電流數(shù)據(jù)，循環(huán)往復(fù)，直到最后一組環(huán)狀供電電極完成供電，測量電極完成數(shù)據(jù)采集。其觀測系統(tǒng)示意如圖4所示。

1.4 HSP預(yù)報法

HSP系統(tǒng)為中鐵西南科學(xué)研究院自主研發(fā)，創(chuàng)造性地提出了利用掘進機刀盤刀具切割巖石產(chǎn)生的振動信號作為激發(fā)震源的不良地質(zhì)體預(yù)報方法[59-61]。

圖4 TBM機載激發(fā)極化法超前預(yù)報觀測三維示意

1.4.1HSP預(yù)報法基本原理

HSP預(yù)報的理論基礎(chǔ)是彈性波的惠更斯-菲涅爾原理和費馬原理，在TBM施工隧洞，TBM掘進時滾刀破巖所產(chǎn)生的連續(xù)隨機主要依賴于掘進參、滾刀的狀態(tài)及巖性，該信號屬于典型的連續(xù)隨機信號，HSP預(yù)報將該隨機信號“變廢為寶”，采用多源地震[62]和地震干涉技術(shù)，通過波場之間的互相關(guān)重構(gòu)來自地質(zhì)構(gòu)造的反射信息 , 從而對節(jié)理裂隙帶 、 斷層破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)體的構(gòu)造特征進行探測，相比于傳統(tǒng)的地震波法探測原理，多源地震探測的波動方程震源項中附加了多震源混合矩陣算子

1.4.2HSP預(yù)報法現(xiàn)場工作方法

在TBM施工隧洞中，HSP預(yù)報現(xiàn)場工作方法為[63]：在TBM刀盤內(nèi)部安裝一個同步信號檢波器，用于同步接收TBM刀具切割巖石所激發(fā)的聲波信號，在TBM工作面后部的隧道洞壁圍巖內(nèi)安裝反射波信號檢波器，用于接收由TBM工作面前方經(jīng)巖體反射回傳的聲波信號；現(xiàn)場工作布置如圖5所示[59]。將上述同步信號檢波器和反射波信號檢波器所接收的信號傳輸給HSP預(yù)報主控機， HSP預(yù)報主控機對信號進行處理和綜合分析后可獲取到掌子面前方地質(zhì)預(yù)報成果。

1.5 ISP預(yù)報法

ISP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)是由德國海瑞克集團聯(lián)合德國卡魯斯魯厄工業(yè)大學(xué)及德國地質(zhì)研究中心等研究機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的專用于TBM施工隧洞的機載式地震波類預(yù)報系統(tǒng)[19,20,64]。

1.5.1ISP預(yù)報法基本原理

地震波在復(fù)雜介質(zhì)空間中傳播時，縱波和橫波的傳播能量較低，隨著傳播距離的加大，在波長記錄中很難識別；相對地，在傳統(tǒng)地震反射勘探中被認(rèn)為是干擾波的Rayleigh面波卻憑借其衰減小、信噪比高、分辨率高等優(yōu)異的特點[65]，可在隧洞超前預(yù)報中發(fā)揮顯著的作用，由于隧洞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，Rayleigh面波在沿洞壁呈逆時針橢圓形態(tài)先前傳播，傳播至拐點時，Rayleigh面波轉(zhuǎn)換為橫波繼續(xù)向掌子面前方傳播，橫波在破碎巖體中發(fā)生反射，向后傳播至隧洞掌子面或者巖壁時再次轉(zhuǎn)換為Rayleigh面波，該波形轉(zhuǎn)換過程示意圖如圖6所示[66]，這種R-S-S-R波形的轉(zhuǎn)換、識別、解譯為ISP預(yù)報奠定了理論基礎(chǔ)。

1.5.2ISP預(yù)報法現(xiàn)場工作方法

在隧洞洞壁兩側(cè)，利用風(fēng)鉆鉆設(shè)深度約為1.5 m的鉆孔，并用強力風(fēng)管清除孔內(nèi)殘渣，在孔底注入適量樹脂錨固劑，借助電鉆安置檢波器套管，待錨固劑固結(jié)后，安置好檢波器，并用專用水準(zhǔn)卡尺進行調(diào)平。通過電纜連接檢波器與數(shù)據(jù)記錄器。將ISP預(yù)報系統(tǒng)主機與TBM操作室的網(wǎng)關(guān)相連，獲取TBM各部件的硬件信息，確保各個硬件信息準(zhǔn)確無誤后，通過ISP預(yù)報系統(tǒng)主機操作TBM沖擊錘激發(fā)地震波并采集波形數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件分析、處理后，即可得到隧洞掌子面前方的節(jié)理裂隙密集帶、斷層破碎帶、軟弱巖層、破碎巖體不良地質(zhì)體的展布信息。

2 5種地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)綜合比較

本文所述5種地質(zhì)超前預(yù)技術(shù)的主要優(yōu)、缺點比較情況如表1所示。

表1 5種超前預(yù)報方法優(yōu)、缺點對比

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

(1) TGS360Proc、HSP、ISP預(yù)報法的基本理論基礎(chǔ)為地下介質(zhì)的彈性波傳播方程，主要根據(jù)彈性波波速、泊松比、楊氏模量等信息分析預(yù)報掌子面前方的巖體破碎情況，以此達(dá)到超前預(yù)報的目的。

(2) BEAM預(yù)報法和三維激發(fā)極化法的基本理論基礎(chǔ)為電磁波傳播方程，主要根據(jù)電阻率、極化率等信息分析預(yù)報掌子面前方的巖體富水情況，以此達(dá)到超前預(yù)報的目的。

(3) TGS360Proc預(yù)報法通過靈活地布設(shè)震源和檢波器，在地震波探測的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地發(fā)展了“動態(tài)流體法”理論，借助該理論基礎(chǔ)，既可以探測常規(guī)的彈性波參數(shù)(如縱、橫波波速，楊氏模量，泊松比等)，還可以對地下富水情況進行預(yù)報，在TBM施工隧洞地質(zhì)超前預(yù)報中具有推廣應(yīng)用前景。

3.2 建 議

本文所示的5種可適應(yīng)于TBM施工隧洞的超前預(yù)報技術(shù)有各自的特點，在具體的工程實踐中，應(yīng)按照特定的預(yù)報目標(biāo)，采用合適的預(yù)報技術(shù)，在經(jīng)濟和時間充足的情況下，可采用多種技術(shù)進行綜合探測，優(yōu)劣互補，以期取得最佳預(yù)報效果。本文所述的TGS360Proc、HSP、ISP預(yù)報法采用了地震波/聲波的基本理論基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)處理階段，采用三維空間中的全波形反演技術(shù)，預(yù)期可以獲得較準(zhǔn)確的預(yù)報探測結(jié)果。