深埋长大隧洞TBM施工超前地质预报方法浅析

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一、超前地质预报工作概况       （1）超前地质预报工作概况     超前地质预报为TBM掘进施工中隧洞地质监测的重要组成部分，它包括隧洞围岩描述、水文地质监测、施工地质测绘、围岩变形监测、围岩类别判别、仪器现场量测、不良地质体预报及相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作，并及时提供超前地质预报成果资料。     （2）超前地质预报工作实施特点     超前地质预报工作主要是对围岩及水文地质条件进行监测、对不良地质体进行预报，及时获取现场第一手地质资料和仪器测试数据，是地质预报工作成败的关键，同时现场地质工作和仪器测试与隧洞TBM掘进施工相互干扰、又相辅相成。因此，进行超前地质预报的地质工程师要在充分了解前期地质工作的基础上，对隧洞的工程及水文地质条件进行认真的调查，时时跟进TBM施工，在TBM检修维护的空隙时间里及时的进行仪器测试，保证采集的资料、数据准确无误，并尽快提供分析成果，为围岩支护和不良地质体的超前处理提供依据。

二、超前地质预报工作项目和内容

    超前地质预报工作包括：隧洞围岩描述、围岩监测、水文地质监测、施工地质测绘、围岩类别判别等常规地质预报和超前地质勘探、超前仪器现场量测、不良地质体长距离预报等超前地质预报，以及相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作。     （1）常规地质预报是指：对已开挖洞段及时进行地质编录、测绘、取样及试验，依据已知围岩的风化、裂隙发育状况及开挖石渣的粒径、形状、质量状况和较大渗水点的渗水量、水温、PH值、导电性等条件，预报掌子面前方未开挖地段的地质情况、可能出现的不良地质体及围岩类别。     （2）超前地质预报是指：为防止TBM掘进时遭遇未知的不良地质体而进行的超前地质勘察、超前勘探钻孔、超前仪器测试等，对隧洞掌子面前方长距离范围内的不良地质体进行预报。所采用的主要手段为：地面地质预测、超前钻孔、地质雷达测试、地震波超前测试等，然后将采集的数据进行整理，从而对不良地质体可能被揭示的位置进行预报。

三、超前地质预报的方法和步骤浅析

    超前地质预报依据预报距离可分为长期（长距离）和短期（短距离）两种预报形式。

3．1 长期超前地质预报

    长期超前地质预报分为两个部分：地面不良地质体预报勘察和隧洞内长距离仪器探测，它是由两种或两种以上的勘查技术手段和技术进行的综合预报。长期超前地质预报分为两步进行，实施步骤见图1。

 
 

图1  长期超前地质预报的步骤框图
    （1）地面超前地质预报工作方法     ①首先收集、整理工程区区域地质资料，结合地质调查进行资料分析，研究区域断裂发育规律，从而判断工程区优势断裂发育方向、规模及可能出现的地质灾害；     ②仔细分析前期地质资料，并进行现场复核和勘察，在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、岩体质量，精确调查和测量不良地质体空间展布参数；     ③应用地面地质界面和地质体的延展规律及推算理论进行室内分析；     ④依据前述的分析结果，对可能出现不良地质体的性质和位置进行初步预报。     （2）隧洞内仪器超前探测     隧洞内仪器超前探测是在隧洞TBM掘进中TBM的维护保养期间，使用探测仪器进行探测，主要仪器有：TSP系列隧洞地震探测仪、浅层地震仪等。TSP系列隧洞地震探测仪工作原理（图2）：     ①首先在隧道内人工制造一系列有规则排列的轻微震源，震源发出的地震波逼到地层界面、特别是断层破碎带等不良地质体时产生的反射波，其传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关地质体的性质密切相关，并通过不同的数据表现出来；     ②通过震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪）进行数据采集，将数据输入带有处理软件的电脑，并经过计算机数学计算进行数据处理；     ③将采集的数据资料转换为反应相关地质体反射能量的影视图像或隧道平面、剖面图；     ④进行室内数据资料处理、分析，由工程技术人员进行解译，对隧道掌子面前方不良地质体的性质、位置和规模等予以超前地质预报。     最大探测距离可达掌子面前方500m，有效探测距离150m，最高分辨率1m。

 
 

图2  TSP系列隧洞地震探测仪超前探测原理示意图

3．2 短期超前地质预报

    短期超前地质预报是在长期超前地质预报的基础上进行的，预报距离为掌子面前方15～50m。对于短期超前地质预报，主要是通过TBM开挖石渣识别、掌子面地质素描，更重要的是采用地质雷达或超前钻孔进行探测（见图3）。前者是通过对不同地质体标志的确认，以及不良地质体出现前的前兆标志，对不良地质体可能出露的位置进行预测和判断，必要时辅助进行超前地质钻探；后者地质雷达探测属于电磁波物探技术，通过电磁波的反射波和透射波的分时采集和数据组合分析，对不良地质体的类型、规模、位置进行预测。

 
 

图3  短期超前地质预报的步骤框图
    （1）一般性超前地质预报     一般性超前地质预报是根据TBM掘进的石渣（常规钻爆法还包括掌子面）、洞壁揭露的结构面及岩层与地表结构面及岩层的对应关系、以及揭露的不良地质体的特征，通过类比、推测预报掌子面前方是否存在不良地质体。     不良地质体在被揭露之前往往表现出一些明显或不明显前兆标志，这些标志的出现，预示着隧洞即将临近不良地质体，它们是超前地质预报的重要信息，因此，仔细观察、描述开挖石渣、洞壁结构面及岩层形态、量测结构面及岩层特征参数，是正确进行超前地质预报的关键。一些不良地质体的前兆标志：     ①断层破碎带前兆标志：节理裂隙组数及密度剧增、岩石强度降低、出现压裂岩、碎裂岩、岩石风化相对强烈、泥质含量增加等。     ②突水、突泥前兆标志：节理裂隙渗水量和组数增加、且常常含有泥质物或浑浊（常规钻爆法的炮孔中的涌水量剧增、且夹有泥沙或碎石）等。     ③岩爆前兆标志：“饼”状开挖石渣的数量增加、洞壁在短时间内出现“饼”状脱落体或出现“片邦”现象，以及轻微的岩石崩裂声等，严重时洞壁出现飞石。     （2）地质雷达探测预报     地质雷达探测预报属于电磁波物探技术，电磁波通过天线向掌子面前方发射，遇到不同阻抗介质时，将产生反射波和透射波，接收机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的形式显示出来，供解译人员分析预报不良地质体位置、规模及可能出现的施工地质灾害类型。     （3）进行超前钻孔探测     超前钻孔探测是通过TBM携带的超前钻机或专门的地质钻机的钻探资料整理分析，包括：钻进速度、孔内情况、涌水量、岩芯描述等，分析、判断不良地质体的位置。     （4）短期超前地质预报的特点     ①由于短期预报是在长期预报的基础上进行的，所以，预报的精度一般要超过长期超前地质预报，特别是对不良地质体性质的预报。     ②短期超前地质预报针对性较强，一般不适合在隧洞全程进行，结合长期地质预报适时进行。

3．3 施工地质灾害的警报

    施工地质灾害警报是在短期超前地质预报基础上进行的，是隧洞超前地质预报的成果，对可能出现的施工地质灾害的类型、规模、位置，进行较为准确的警报，并将警报通知TBM掘进操作手，及时采取应对措施。     （1）施工地质灾害警报的方法和步骤     ①通过TBM施工中出现的不良地质体前兆标志，作出正确的判断；     ②及时提交书面的预警报告，内容包括不良地质体的前兆特征、辨认的标志、精确定位、准确定性、预测地质灾害类型及规模和造成的影响程度等。     （2）施工地质灾害类型     施工地质灾害主要类型有：断层及破碎带塌方、涌水或突水、突泥，围岩不稳定结构体坍塌，片邦或岩爆，以及岩体蚀变、围岩大变形等等。

四、结语

    超前地质预报是深埋长大隧洞TBM掘进施工中，减少施工地质灾害、顺利进行施工的关键，但由于对不良地质体的认识和判别存在主观偏差，再加上勘测、测试手段的局限性和人为解译的差异性，因此，难以保证超前地质预报的准确和及时。本文通过对超前地质预报的方法和步骤浅显分析，宏观地对超前地质预报的工作方法和实施步骤进行了探讨，旨在抛砖引玉。如若实现超前地质预报的操作平台与TBM操作平台进行有机的结合，并记录相关的数据，将是超前地质预报研究和发展的方向。