TST超前地質預報在秘魯圣加旺水電站TBM施工中的應用

1 引言

TBM 掘進速度快、自動化程度高，能夠大大加快隧洞工程的施工進度， 近年來在長引水隧洞施工中的應用越來越廣泛[1]。 大部分隧洞尤其是大埋深、長距離隧洞途徑的山體圍巖地質狀況往往十分復雜。地質問題導致的TBM 卡機情況時有發生，一旦出現卡機，脫困所需的時間往往需要數周到數月之久，嚴重影響施工進度，同時前方圍巖狀況不明也存在較大的安全隱患。 掌子面前方不良地質條件是事故發生的主要原因[2]，因此， 對于圍巖狀況的超前地質預判和提前應對處理十分必要。 TST 超前預報技術是目前較為成熟的超前地質預報方法之一，在隧道施工中被廣泛使用。

2 工程概述及地質情況簡述

圣加旺水電站位于圣加旺河干流， 距離秘魯首都利馬直線距離約740 km，該電站壩高約8 m，額定水頭630.71 m，安裝2 臺沖擊式水輪發電機，總裝機容量209.3 MW。 電站引水隧洞長14 773 m， 后半段Y6+000~Y14+773 m 段采用一臺敞開式TBM 掘進施工，總長8 773 m，其開挖直徑5.8 m。

前期地質勘探結果表明TBM 施工段主要為板巖、片巖巖體，為弱-微透水巖體。 其中片巖約占64%，板巖約占36%。 板巖抗壓強度60~90 MPa，片巖抗壓強度75~110 MPa，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部有Ⅳ、Ⅴ類圍巖。

按地貌、構造、節理發育情況、洞室圍巖特性、水文地質特征等特征，將引水隧洞TBM 圍巖分為2 個工程地質段，見表1。

表1 圣加旺水電站引水隧洞TBM施工段圍巖工程地質評價

3 TST超前預報基本原理

TST（Tunnel Seismic Tomography），是隧道散射地震成像技術的簡稱，該技術可對前方未開挖段圍巖情況進行預測，地震波激發與接收系統布置在已開挖洞段隧道兩側的圍巖中[3]。本次探測采用TDIS 沖擊式震源激發地震波，并由配套的檢波器接收。 其工作的主要原理為：當地震波在未開挖的圍巖內傳播過程中遇到破碎段、 斷層面時， 一部分地震波將被反射回來， 反射回的信號可被按照一定規律預先布設的高敏度檢波器矩陣接收。 信號數據經過專用軟件分析處理，可呈現出不同的圖像， 通過解析圖像可推斷出掌子面前方圍巖變化段所處的位置、性質和規模等信息。

4 觀測系統及參數選擇

4.1 TST硬件組成系統

所采用的TST 超前地質預報系統的硬件主要由主機、TDIS 沖擊式震源及檢波器、配套電源及線纜等幾部分組成。

其中內置的地震信號采集器采用26 通道，最大采樣頻率156 kHz，最大采樣時長100 ks。 壓電晶體帶阻尼檢波器，可提供0.5~5 000 Hz 頻帶。

4.2 測線布置及參數選擇

本次TDIS 沖擊震源使用的參數為：重復頻率5~25 次/s，沖擊時間100 s，沖擊次數1 500 次/ 點。 TST 采樣參數：采樣率40 kHz，采樣時長105 s，解碼后保留300 ms，26 道采集。

采集數據的觀測方案如下：（1） 在兩側巖壁內對稱布置4 組共8 個檢波器，相鄰組距2m；（2）按照每側壁3 個對稱布置6 個震源激發點，其中最靠近掌子面處震源激發點距檢波器2 m，其余各組激發點之間的距離設定為8 m。 根據使用儀器性能，可預報掌子面前方約100 m 范圍內圍巖。

5 數據處理及成果分析

圖1 為隧道掌子面K14+765~K14+665 范圍內地質構造地震波偏移圖像與波速曲線。 表2 為圖像解讀及預報成果分析。

圖1 地質構造偏移圖像與波速曲線

表2 圖像解讀及預報成果分析

構造偏移圖像中反射條紋密集的地方， 表示該段圍巖結構出現變化、節理裂隙發育；反射條紋少的地方，表示該段巖石較為均勻致密。 TST 超前預報軟件速度掃描得到的圍巖波速， 是巖體埋深狀態下的速度， 它反映未開挖時巖體力學性狀，如果有斷裂存在，波速應降低。 在圍巖較完整的洞段，波速較高。

6 地質預報與現場典型圍巖狀況對比

現場實際情況表明，Y14+765~Y14+755 存在圍巖破碎及空腔，針對地質預報情況對于該段提前進行超前加固處理，并在TBM 推進過程中保持低轉速緩慢推進，并在盾尾及時進行鋼拱架加固處理，對圍巖空腔部分及時進行回填，有效保證了TBM 成功推進。

圖2 Y14+725～Y14+705 典型圍巖狀況

7 結論

TST 超前地質預報系統能夠較好地反映隧洞前方一定范