高黎貢山隧道TBM掘進卡機段TSP法物性參數響應特征分析

司景釗， 王喚龍， 曹貴才， 沈 維

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

高黎貢山隧道穿越橫斷山脈，工程地質條件極其復雜，具有“三高、四活躍”的特征。復雜的地質條件為TBM施工帶來了前所未有的挑戰，斷層破碎帶、蝕變巖及節理密集帶、巖爆、軟巖變形等不良地質易造成TBM卡機事故，嚴重影響工程安全和工程進度，并會造成嚴重的經濟損失[1]。

隧道超前地質預報可以提前獲取前方可能存在的斷層、節理密集帶等不良地質體信息，能夠有效避免隧道掘進過程中災害的發生。目前，超前地質預報也逐漸成為了隧道施工中不可或缺的一種手段[2-3]。基于地震反射原理的超前探測技術以其精度高、探測距離遠的優點而備受工程界青睞[4-5]。在眾多基于地震反射原理的超前預報方法中，TSP(tunnel seismic prediction)[6]是目前最為常用的一種方法。根據高黎貢山隧道的TBM施工要求，TSP超前預報覆蓋了全部TBM掘進段(正洞+平導)，共計22.07 km。但由于地質條件的復雜性，TBM掘進過程中仍然發生了多次卡機事故。在以往的研究中，為了減少TBM卡機事故的發生，國內外學者分別從圍巖大變形理論、卡機機制、卡機實時監測與預警等方面開展了相關研究[7-12]。例如： 溫森等采用收斂-位移法和風險分析理論，提出了TBM卡機風險評估方法，并建立了不同工況下的卡機計算模型[9-10]； 劉泉聲等從理論上對TBM卡機機制以及卡機孕育致災機制進行了研究，并提出了一種基于護盾變形監測的TBM卡機實時預警方法[11-12]。以上研究為有效避免卡機事故的發生提供了解決方法。

在此基礎上，本文以TBM穿越高黎貢山隧道燕山期花崗巖地層為背景，提取TSP獲取的圍巖力學參數，通過分析TSP參數的相關性以及對比分析卡機段和正常掘進Ⅴ級圍巖段的TSP參數，獲取TSP參數與圍巖的相關性及卡機段TSP參數的波動規律，利用TSP基礎參數，創新設計出TSP超前地質預報解譯手段，以期為更準確地探明不良地質提供新思路。

1 工程概況

高黎貢山隧道穿越橫斷山脈，強烈的構造運動使得該地區工程地質條件極其復雜，高地溫、深大活動斷裂帶、高地應力和軟巖大變形等主要工程地質問題突出。出口TBM施工段(正洞+平導)共計22.07 km，地層巖性主要為燕山期花崗巖，石英體積分數為35%～60%，巖體單軸飽和抗壓強度為4.6～65.2 MPa，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖占比39.7%。區段內圍巖差異風化明顯，砂化、泥化、蝕變現象嚴重，具有完整性差、穩定性差及巖石強度低等特點，TBM掘進過程中突涌、斷層破碎帶、節理密集帶頻現，造成TBM頻繁卡機，施工進度緩慢。

2 TSP法現場實踐

高黎貢山隧道采用TSP303Plus設備進行長距離超前地質預報。TSP隧道超前地質預報是利用布置在隧道壁上的檢波器來接收掌子面前方波阻抗分界面產生的反射信號，并通過偏移成像對隧道圍巖不良地質體進行預報的一種方法，其工作原理如圖1所示。通過TSP的數據處理方法可以獲取掌子面前方圍巖的P波、SH波和SV波的深度偏移剖面、圍巖力學參數、巖石反射層位等，進而獲得掌子面前方的不良地質體分布情況。

圖1 TSP法工作原理圖

由于敞開式TBM掘進機獨特的空間結構，難以滿足傳統的TSP預報爆破孔1.5 m的間距。根據敞開式TBM掘進機空間的分布特點，在施作TSP超前地質預報時，對爆破孔的間距進行了調整。間距由傳統的1.5 m縮短至1.2 m，距刀盤6 m處開始布孔，最后1個炮孔距接收器15 m左右。爆破孔與檢波器孔平面布置示意如圖2所示。同時，對爆破孔和接收器孔的高度進行了調整，高度由距隧底地面1.0 m調整為0.5 m。

圖2 爆破孔與檢波器孔平面布置示意圖

參數采集過程中，與傳統鉆爆法不同的是： 1)TBM短暫停止掘進，以確保隧道中沒有其他振動源； 2)TSP施作范圍內是否有機車、材料等視線遮擋物； 3)起爆時要對爆破區域內的TBM進行防護，防止對管路造成損壞。

截至目前，對比TSP預測結果與開挖揭示結果可知： 正洞TSP探測與實際相符里程數占TSP總預報里程的83.5%，平導為72.2%。TBM掘進過程中所遇到的主要圍巖不良地質情況TSP均有一定程度的反映，這也為開展卡機段TSP參數波動規律分析提供了依據。

3 卡機段TSP參數波動分析

通過對高黎貢山隧道燕山期花崗巖地層中TBM卡機段地質情況的統計分析可知，TBM卡機段地質情況有如下特點： 1)所有卡機地段的圍巖級別均為Ⅴ級，圍巖完整性差，巖體破碎，節理發育； 2)卡機段地質關鍵參數(縱波速度、泊松比、靜態彈性模量、波阻抗)均有不同程度的變化。

選取高黎貢山隧道燕山期花崗巖地層15次卡機段前后一定范圍內的圍巖縱波速度、泊松比、靜態彈性模量和波阻抗進行相關性研究。

3.1 縱波速度

提取TSP獲得的圍巖縱波速度(卡機位置前后10 m范圍內的TSP縱波速度平均值)，繪制卡機段TSP縱波速度與正常掘進Ⅴ級圍巖段的平均縱波速度的關系，結果如圖3所示。其中，虛線為高黎貢山隧道TBM正常掘進Ⅴ級圍巖段TSP平均縱波速度； 折線為15次卡機段提取的TSP縱波速度。經統計可知： 1)正常掘進Ⅴ級圍巖段TSP縱波速度范圍為3 800～4 500 m/s，平均縱波速度為4 000 m/s； 2)卡機段縱波速度平均值為3 597 m/s，縱波速度最小值為3 211 m/s，最大值為3 920 m/s。卡機段相對于正常掘進Ⅴ級圍巖段，縱波速度最大下降19.7%，平均下降10.3%。

圖3 卡機段TSP縱波速度與正常掘進Ⅴ級圍巖段平均縱波速度對比

3.2 泊松比

提取TBM卡機段TSP獲取的圍巖泊松比(卡機位置前后10 m范圍內的TSP圍巖泊松比平均值)與正常掘進Ⅴ級圍巖段平均值進行對比，結果如圖4所示。其中，虛線為正常掘進Ⅴ級圍巖段TSP獲取的圍巖泊松比平均值； 折線為卡機段TSP圍巖泊松比。卡機段圍巖泊松比變化范圍為0.24～0.29，均值為0.27，相對于正常掘進Ⅴ級圍巖段，卡機段泊松比最大增幅為20.8%，平均增幅12.5%。

3.3 靜態彈性模量

彈性模量可以反映材料的剛度。彈性模量越小，說明材料越容易變形。卡機段TSP靜態彈性模量與正常掘進Ⅴ級圍巖段靜態彈性模量平均值對比見圖5。經分析可知，卡機段圍巖靜態彈性模量相對于正常掘進Ⅴ級圍巖段平均靜態彈性模量有不同程度的下降，最大降幅為40.4%，平均降幅為20.3%。卡機段圍巖靜態彈性模量的下降說明了卡機段圍巖節理裂隙更發育、完整性更差。

圖4 卡機段TSP泊松比與正常掘進Ⅴ級圍巖段泊松比平均值對比

圖5 卡機段TSP靜態彈性模量與正常掘進Ⅴ級圍巖段靜態彈性模量平均值對比

3.4 波阻抗

波阻抗是體現巖石動力學特性的一個基本物理量，反映了應力波在巖石中穿透和反射的能力，其值的大小等于巖石的密度和縱波速度的乘積。圍巖波阻抗下降，說明圍巖破碎程度增大、完整性變差。卡機段TSP波阻抗與正常掘進Ⅴ級圍巖段波阻抗平均值對比如圖6所示。經分析可知，正常掘進Ⅴ級圍巖段巖石波阻抗均值為980×10-4kg/(s·cm2)，卡機段巖石波阻抗均值為825×10-4kg/(s·cm2)，卡機段巖石波阻抗最大降幅為27.0%，平均降幅為15.8%。

通過以上分析可知，卡機段相關物性參數與正常掘進V級圍巖段物性參數的變化率統計見表1。

結合高黎貢山隧道15次卡機情況可知，卡機段地質類型主要為構造破碎帶、圍巖蝕變帶、圍巖強全風化帶、巖性接觸帶，表觀特征均為“圍巖破碎+富水”。TSP法是否能夠準確預報不良地質體的完整程度，主要根據縱波速度、靜態彈性模量和波阻抗來決定，而含水巖層主要根據泊松比的變化來確定。從15次卡機段TSP的物性參數結果來看： 1)當參數變化幅度均大于平均變化率時，卡機風險非常高； 2)當主要決策參數變化幅度小于平均變化率、次要參數變化幅度大于平均變化率時，卡機風險中等； 3)當主要決策參數變化幅度小于平均變化率，次要參數變化幅度小于平均變化率時，卡機風險小。

圖6 卡機段TSP波阻抗與正常掘進Ⅴ級圍巖段波阻抗平均值對比

表1 卡機段物性參數相對于正常掘進Ⅴ級圍巖段物性參數的變化率統計

4 工程應用

層次分析法是指將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。

運用層次分析法對導致掘進卡機的因素進行分析，令目標層Z為卡機判別參數標準； 準則層中A1為縱波速度，A2為泊松比，A3為靜態彈性模量，A4為波阻抗； 方案層中B1為縱波速度+泊松比，B2為泊松比+靜態彈性模量，B3為泊松比+波阻抗。層次分析法結構模型如圖7所示。

圖7 層析分析法結構模型示意圖

通過構建成對比較矩陣確定權重，即A1、A2、A3、A4對Z的權重分別為0.365 5, 0.153 4, 0.237 1, 0.244 0;B1、B2、B3對A1的權重分別為0.818 2, 0.090 9, 0.090 9;B1、B2、B3對A2的權重分別為0.052 6, 0.473 7, 0.473 7;B1、B2、B3對A3的權重分別為0.090 9, 0.818 2, 0.090 9;B1、B2、B3對A4的權重分別為0.090 9, 0.090 9, 0.818 2。

由此，B1對總目標的權值為： 0.818 2×0.365 5+0.052 6×0.153 4+0.090 9×0.237 1+0.090 9×0.244 0=0.351；B2對總目標的權值為： 0.090 9×0.365 5+0.473 7×0.153 4+0.818 2×0.237 1+0.090 9×0.244 0=0.322；B3對總目標的權值為： 0.090 9×0.365 5+0.473 7×0.153 4+0.090 9×0.237 1+0.818 2×0.244 0=0.327。

由此可知B1>B3>B2,即TBM卡機風險評估中縱波速度、泊松比為卡機的主要因素，靜態彈性模量和波阻抗為次要因素。

圖8 廣林坡斷層縱斷面圖

取D1K221+167～D1K220+950段連續搭接施作TSP超前地質預報。過程中共施作3次，統計TSP法各項物性參數較正常掘進Ⅴ級圍巖段的變化程度，結果見表2。

表2 D1K221+167～D1K220+950段TSP法物性參數較正常掘進V級圍巖段的變化程度

D1K221+167～D1K220+950段TSP縱波速度、泊松比未達到卡機預警參數平均波動率，判斷TBM卡機風險中等，可以通過超前處理方式通過。其中，D1K221+092～+069段、D1K221+033～D1K220+950段靜態彈性模量降幅大于平均波動率，而波阻抗增(降)幅小于平均波動率，判斷此段圍巖較完整、局部破碎，裂隙較發育； D1K221+069～+033段靜態彈性模量和波阻抗降幅均大于平均波動率，判斷此段圍巖較破碎—破碎，裂隙發育，掘進緩慢。

現場開挖揭示： D1K221+069～+033段圍巖破碎，糜棱化嚴重，隨水溜坍，圍巖面有擦痕，判斷為廣林坡斷層核心段。現場采用TBM超前灌入化學漿液、護盾后方及時回填水泥漿及撐靴部位現澆混凝土緩慢通過。D1K220+984出現花崗巖與白云巖/石英砂巖接觸帶，出現涌水量為500 m3/h的地下水，頂部及右側出現4 000 m3空腔，圍巖較完整，裂隙較發育。開挖揭示情況和TBM卡機風險參數評估結果基本一致。

5 結論與建議

通過提取高黎貢山隧道燕山期花崗巖地層TSP圍巖力學參數，分析TSP參數的相關性，并對比卡機段和正常掘進Ⅴ級圍巖段TSP參數的波動規律，得到以下結論：

1)對比正常掘進Ⅴ級圍巖段，卡機段TSP獲取的圍巖縱波速度、靜態彈性模量、波阻抗均有不同程度的下降，而泊松比則有增大的趨勢。這4個TSP圍巖力學參數的變化特征與圍巖完整性直接相關，一定程度上可作為TBM掘進過程中卡機判別的依據。

2)通過層次分析法理論，對縱波速度、泊松比、靜態彈性模量和波阻抗進行了定量分析，并結合高黎貢山隧道TBM卡機段地質特點，得出了卡機風險預警決策主要影響參數。

由于該項研究剛剛開展，同時考慮到隧道圍巖地質的復雜性，卡機段TSP相關參數具有一定的離散性。為提高超前地質預報及卡機預警的準確性，應綜合運用多物探及超前鉆探的超前地質預報方法，建立基于綜合超前預報體系的隧道TBM施工預警模型，提高預警準確率。

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