綜合地質預報技術在TBM隧道動態設計中的應用

沈維 盧松

為解決施工中隧道地質條件變化而導致隧道支護參數不匹配問題，保證TBM施工期各設計參數更為合理，以綜合地質預報成果與揭露圍巖情況為基礎，實現TBM施工期的隧道動態設計，確保隧道施工及運營期結構安全、可靠。依托高黎貢山隧道TBM施工的某不良地質段，基于傳統的地質分析信息、TSP法預報信息外，還引入了TBM搭載的地震波法和激發極化法等專用預報技術，配合地質編錄和超前地質鉆探，各方法相互補充、印證，使得隧道掌子面前方的地質情況判析更準確。該綜合分析技術與設計的動態響應在隧道TBM施工段的實施，有效地指導了隧道TBM施工方案及隧道支護設計參數的制定，取得了良好的應用效果，為隧道施工動態設計提供了有力的保障。

綜合地質預報； TBM； 隧道； 動態設計

U455.44 A

［定稿日期］2022-10-17

［基金項目］中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃（系統重大項目，項目編號：P2018G048）；中國中鐵科技研發計劃（項目編號：2020-重點-18）；中鐵二院工程集團有限責任公司科技開發引導項目（項目編號：2022年-KDNQ224006）

［作者簡介］沈維（1981—），男，高級工程師，主要從事鐵路工程地質與水文地質勘察工作。

隧道掘進機（TBM）作為一種高效、安全的隧道施工設備，近年來在隧道工程中得到愈來愈多的應用，已成為長隧道首選的開挖方法。然而，TBM對破碎圍巖等不良地質條件的適應性較差，導致TBM掘進作業時間利用率降低，甚至還可能出現TBM損壞和卡機等情況。在地質條件復雜區域，全面、準確地預報掌子面前方圍巖統計，對隧道的順利施工和調整支護設計至關重要，是快速、安全、優質地建成隧道的前提。近年來，我國學者在隧道超前地質預報方面開展了大量的研究和試驗工作，也取得了豐碩的成果，從各種探測方法在現場的應用情況來看，不同的方法所基于的探測原理也各不同，其內容、精度、可靠性不僅受探測手段的影響，更與信息的提取、利用與分析有直接關系［1］。目前，隧道施工采用的超前地質預報方法都有各自的局限性，探測結果存在多解性，且受隧道施工干擾影響，難以對隧道掌子面前方地質情況作出準確、全面的判斷。因此，需采用多種探測手段和多源協同預報的理念， 充分利用各自的優缺點，形成一體化的綜合預報體系能夠大大提高探測精度，可將地質體的復雜性與施工對地質體的作用及圍巖與支護的組合體時空特性有效結合起來，才能達到預報的目的。本文選取大瑞線高黎貢山隧道出口TBM某一掘進段采用TSP、激發極化法、地震波法、超前鉆探等多種超前地質預報方法綜合分析，指導隧道現場施工及動態設計，為綜合地質預報在TBM掘進隧道地質條件預報積累經驗。

1 隧道概況

1.1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山隧道位于云南高原西部邊緣高黎貢山脈南延段，屬高黎貢山古生界變質巖緊密褶皺和花崗巖體高山區。工程地質條件極其復雜，具有 “三高 ”（高地熱、高地應力、高地震烈度 ）和 “四活躍 ”（活躍的新構造運動、活躍的地熱水環境、活躍的外動力地質條件和活躍的岸坡淺表改造過程 ）的特征。高黎貢山隧道全長為34.538 km，最大埋深1 155 m。采用TBM與鉆爆法相結合的施工方法，進口端采用鉆爆法施工，施工長度為21.198 km；正洞和平導洞出口段分別采用直徑為9.03 m和6.36 m的敞開式TBM施工，施工長度分別為13.34 km、10.18 km。

1.2 地質概況

隧道出口TBM掘進段洞身主要穿越燕山期花崗巖地層，局部泥盆系中統回賢組白云巖、灰巖夾石英砂巖地層，受構造影響較大，巖體破碎，經歷多期巖漿活動，各期次形成的侵入體間發育蝕變帶，蝕變帶附近巖體破碎，遇水軟化，圍巖變化頻繁，破碎巖體穩定性差，易掉塊或蹋落形成空腔。

2 TBM隧道綜合超前地質預報方法介紹

結合地層巖性、水文地質、隧道設計方案，確定隧道超前地質預報方案。當推測、預報有異常段落或開挖遇異常地段時，則采取綜合預報和動態開挖支護調整。以地質調查法為基礎，結合超前鉆孔和多種物探手段進行綜合地質預報，采用宏觀預報指導微觀預報，長距離預報指導中短距離預報。綜合超前地質預報布置原則為全隧實施地質調查法，正洞使用貫通平導進行預報預測；根據不同的地質條件，采取不同的物探方法，將全隧物探法分為TBM搭載式三維地震波法、地震波法、HSP法和TSP進行不良地質超前預報；根據不同的地質條件，采取不同的超前鉆探方案［5-7］，如圖1所示。

2.1 地震波反射法（TSP）

通過人工鉆孔激發地震波，接收因圍巖波阻抗發生變化反射的地震波，預報隧道掌子面前方軟弱巖層、斷層、裂隙及富水等地質體，探測長度120 m。從護盾盾尾向后邊墻布置24個炮孔，間距1.2 m。直徑42 mm（20～45 mm），孔深約1.5 m。沿軸徑向下傾斜5.1°～ 9.6°，離地面高約1.0 m。隧道左、右邊墻布置接收孔2個，直徑50 mm，孔深約2.0 m。沿軸徑向向上傾斜5°左右，離地面高約1.0 m（圖2）。

2.2 三維地震波法

搭載式地震波的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，具體方法見圖3。基本原理在于當地震波遇到波阻抗差異（密度和波速的乘積）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。儀器的工作過程為：在震源點上錘擊，在錘擊巖體產生地震波的同時，向地震波采集主機下達地震波采集指令，并將地震波數據傳輸到主控室內的地震探測主機，完成地震波數據采集。

2.3 激發極化法

以圍巖和含水地質構造的電性參數差異為物理基礎，根據施加電場作用下圍巖傳導電流的分布規律，探測區域電阻率分布情況。通過在掌子面布置一定數量的電極，如圖4所示。按一定的序列，自動供入直流電，測量電極的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。通過反演計算，得到探測區域圍巖電阻率剖面，對含水構造表現為低電阻，對完整圍巖表現為高電阻，從而達到對探測區域地質情況探測的目的。

2.4 綜合地質預報方法應用

針對勘察及施工地質認識，一般段落采用地質素描+地震波反射法（TSP）；施工揭示圍巖節理發育，巖體破碎，地下水弱發育，存在塌方、掉塊風險時，采取地質素描+地震波反射法（TSP）/三維地震波法+超前鉆孔；施工揭示圍巖節理密集發育，巖體極破碎，地下水較發育，存在涌水突泥風險時，采取地質素描+地震波反射法（TSP）/三維地震波法+三維激發極化法+超前鉆孔。預報方法隨施工揭示圍巖及風險情況動態調整。

3 TBM隧道綜合超前地質預報方法應用實例

3.1 試驗段落綜合超前地質預報方法實施情況

以高黎貢山隧道正洞出口D1K224+344～D1K223+990段為例，根據綜合地質預報方法應用條件，隨施工揭示圍巖及風險情況，動態調整超前地質預報方法。各分段施作超前地質預報方法如圖5所示，在充分利用地震波反射法、三維地震波法、三維激發極化法及超前鉆孔探測預報方法成果基礎上，對超前預報資料進行綜合分析與評判，相互印證，并結合掌子面揭示的地質條件、發展規律、趨勢及前兆進行預測、判斷，形成綜合超前地質預報結果，指導選用合理的掘進參數、優化調整開挖支護設計、工法及特殊處理措施，以保障工程順利實施、施工及結構安全。

綜合超前地質預報分析結果及施工對比見表1。

3.2 超前地質預報成果應用

3.2.1 圍巖變更及掘進參數調整

根據綜合超前地質預報成果和開挖揭示情況，對圍巖級別和掘進參數進行相應調整，將D1K224+344～D1K223+990段圍巖變更調整為：

D1K224+344～D1K224+120圍巖級別由Ⅳ級變更為Ⅴ級，長度224 m；D1K224+120～D1K224+103由Ⅲ級變更為Ⅴ級，相差了2個級別，長度17 m；D1K224+103～D1K223+990由Ⅲ級變為Ⅳ級，長度113 m。TBM相應的掘進參數也作了相應的調整，Ⅴ級圍巖的刀盤轉速為1.8～6.5 r/min，推力7 300～17 250 kN，扭矩374～2 300 kN·m，掘進速度14～66 mm/min；Ⅳ級圍巖的刀盤轉速為2.5～5.0 r/min，推力11 000～19 400 kN，扭矩1 900～4 700 kN·m穩定，尤其是扭矩參數更加突出（圖6、圖7、表2）。

根據超前地質預報分析及時調整圍巖分級，及時指導現場動態調整掘進參數，為TBM相對順利通過該段Ⅴ級破碎圍巖提供了技術支持。

3.2.2 支護措施調整

根據綜合超前地質預報成果和開挖揭示情況，及時調整圍巖級別，指導現場調整支護措施：

D1K224+344～D1K224+120段支護參數由ⅣB調整為ⅤA；D1K224+120～D1K224+103段支護參數由Ⅲ級A型復合襯砌調整為TBM法掘進段Ⅴ級A型復合襯砌。全環噴射C25混凝土，厚20 cm；軌上拱墻設8 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；軌上拱部120°范圍設25 mm中空錨桿，其余部位設22 mm砂漿錨桿，環縱向間距1.0 m×1.0 m，長3.0 m/根；全環采用HW150型鋼拱架，間距0.9 m/榀；隧底鋪設C40鋼筋混凝土仰拱預制塊，拱墻二次襯砌采用現澆模筑混凝土，厚30 cm，采用C35鋼筋混凝土，在掉塊形成空腔處及時安裝鋼筋排，預設注漿管，噴混凝土封閉回填密實。

D1K224+103～D1K229+990段支護參數由Ⅲ級A型復合襯砌調整為Ⅳ級B型復合襯砌，采用TBM法掘進；全環噴射C25混凝土，厚15 cm；軌上拱墻設6 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；拱墻設22 mm藥卷錨桿，環縱向間距1.0 m×1.0 m，長3.0 m/根；全環采用HW100型鋼拱架，間距1.8 m/榀；隧底鋪設C40鋼筋混凝土仰拱預制塊，拱墻二次襯砌采用現澆模筑混凝土，厚30 cm，采用C35混凝土，在巖體脫落處及時安裝鋼筋排，噴混凝土封閉回填密實。

根據超前地質預報分析及時調整圍巖分級，指導現場動態調整支護措施，為該段施工安全提供了技術支持。

4 結束語

（1）以物探、鉆探、施工地質分析為基礎，宏觀把握正洞TBM施工段的不良地質體的性質及產狀，采用TSP、激發極化法和地震法多種物探方式相互驗證，重點異常段落采用超前地質鉆孔進行驗證，可明顯提高不良地質體的準確性、可靠性，指導調整掘進參數、支護措施，提前處理，為隧道施工動態設計提供了有力的保障。

（2）TBM掘進參數、掘進速度與圍巖級別息息相關，圍巖質量越好，掘進參數變化范圍小，尤其扭矩對巖體的完整性最敏感。TBM通過破碎圍巖等不良地質段時，應適當減小TBM的刀盤轉速、掘進推力、撐靴壓力等掘進參數，減小對圍巖的擾動，從而減少或避免發生塌方。

參考文獻

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