敞开式TBM超前地质预报探测

云南水力发电

YUNNAN WATER POWER第33卷第2 期

敞开式TBM超前地质预报探测

宫占明，楚锦山，李世民，朱更龙

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

摘　要：目前岩石隧洞开挖施工多采用人工钻爆法、硬岩掘进机(TBM)等。在敞开式TBM施工中，初期支护只能从围岩顶护盾揭露出来的地质，才能采取常规的锚喷支护，为减少遭遇不可预期不良地质对施工干扰的影响，对隧洞开挖掌子面前方围岩实施超前探测，拟采用TSP、TRT、地质雷达综合超前探测手段。

关键词： TSP、TRT；地质雷达；超前地质探测；深埋；特长隧道

中图分类号：U456.3 文献标识码：B 文章编号：1006-3951(2017)02-0098-03DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2017.02.034

0 引言

在深埋长隧道的施工中，全断面岩石掘进机与传统钻爆法相比敞开式TBM在掘进速度和作业环境方面有无可比拟的优势，可以预见越来越多铁路隧道、公路隧道及水工隧道工程将采用全断面岩石掘进机施工。敞开式TBM在长隧道工程的不良地质超前预报技术在加快施工速度节约时间成本的同时也可减少不合理支护降低施工投资[1]。隧道施工地质灾害对施工人员机具造成的安全威胁一直是隧道及地下工程急需解决难题。

730m，物探其中心部位呈半泥化状，碳化明显，夹杂岩石碎块，块径一般在1～6cm，局部亦可见构造片岩，沿构造中心部位两侧依次分布断层碎块岩、断层角砾及断层碎裂岩，断层碎块岩及断层角砾岩均为泥质胶结；两侧无规律分布多个节理密集带或小型构造，对TBM安全高效掘进影响范围较大[5]。

2 超前探测手段选择

本工程为大型隧道TBM施工，如遇严重地质灾害如塌方涌水庞大机械设备在狭小空间进退两难。TBM设备价格昂贵，必须做好超前预报减少施工难度和风险[1]。

目前不良地质超前探测手段较多，机械钻探：通过超前钻杆取出芯样作出判断，但是费时费力探测距离短，暂不考虑。电法、磁法、地震法、重力法、放射性法大多存在各自应用条件、多解性及探测精度；因此合理选择探测手段是很有必要的[2]。

针对以上情况，为提前探明隧洞掌子面前方围岩地质情况，用于二维探测进行适当的探测装置和处理软件改进，使其适合三维隧道场地条件和施工环境的隧道超前探测。根据前人实践和经验，能在隧道内探测预报效果较好的有：弹性波反射法、电磁波反射法、红外探测法、高分辨直流电法。电法参数多、场源多、受地形及外部磁场干扰大暂不考虑[3]。采用多种预报手段联合，弥补多解性缺点相互之间优势互补，长距离采用技

1 工程概况

本项目为隧道工程，主洞长41087.3m，采用两台敞开式硬岩掘进机（TBM1和TBM2）分四个掘进段施工，TBM1掘进施工17.34km，TBM2掘进施工20.34km。隧洞纵坡i=0.28‰，开挖洞径为8.5m，开挖成洞断面为圆形。TBM向上游小桩号里程掘进，根据设计提供工程地质资料，TBM2将通过长度为200m的YGF-441断层带[3]。

YGF-441断层分布于6号支洞TBM2-1掘进段里程41+060～40+860，宽度为200m，埋深700m以上，断层产状为NE25°∠80°，物探解译中心破碎带宽50m左右，钻孔揭露垂直宽度56～95m，受其影响次一级小型构造发育垂直宽度316～590m。

根据设计院前期地质资料，YGF-441断层呈压性，YFK-57孔深710m、YFK-21孔深

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收稿日期：2016-11-30

作者简介：宫占明（1976）,男，黑龙江依安人，工程师，主要从事水电工程施工项目管理工作。

宫占明，楚锦山，李世民，朱更龙 敞开式TBM超前地质预报探测99

术相对成熟TSP（瑞士）、TRT（美国）相结合，外加短距离地质雷达法。将会提高预报准确率与精度[2]。

3 超前探测方法原理简述

3.1 TSP法简述

TSP技术原理：利用人工激发地震波，应用反射理论[4]。以微震爆破来引发的地震波遇不良地质体被反射回来，TSP测量系统用三分量传感器将这些信号进行采集并记录，通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来。3.2 TRT法简述

TRT技术原理：当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。采用反射物质阻抗探测地质体异常。

3.3 地质雷达法简述

地质雷达技术原理：地质雷达是一种电磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波(107～109Hz)的不同响应来确定地下介质的分布特征。目标体与周围介质之间的电性差异是地质雷达探测的基本条件。

地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。但是地质雷达目前探测的距离较短，大约在20～30m之间。

4 探测方案及探测成果分析

总体方案如下：在施工到的里程处41+040，立即施作TSP法和TRT法超前探测，进行较长距离探测。对于TSP法和TRT法探测结果中，都存在软弱围岩的段落，实施地质雷达法超前探测，对于两者探测结果不相符合的段落，同样实施地质雷达法超前探测。其中，所有探测手段施作时的里程，都在上一次预报里程范围内，即每次探测的预报里程需要有重合，以充分保证隧道施工安全，见表1。

表1 探测方法与里程表

探测部位桩号探测手段

41+040-40+940实施TSP、TRT，重点区域实施地质雷达40+960-40+880实施TSP、TRT，重点区域实施地质雷达40+900-40+820

实施TSP、TRT，重点区域实施地质雷达

4.1 探测施工准备

1）TSP法。TSP法探测需在所选定的隧道侧

壁上，布置22～24个爆破探测孔，见图1，爆破探测孔大致位于同一平面且垂直于隧道壁向下倾斜10°左右，孔深1.5m，孔直径40～42mm，间距1.5m，距离隧道底部0.5m，从掌子面与隧道壁的交点处开始布置1号孔,依次后推,直到第24号孔，用直径40mm钻制。

图1 TSP法探测钻孔布设示意图

在隧道与爆破探测孔同侧壁，同高（距离隧道底部0.5m）的延长线上，距离最外一个爆破探测孔（第24号孔）15m～20m处，布置接收器钻孔，接收器钻孔垂直于隧道壁向下倾斜10°，孔深2m，直径50mm，用直径50mm钻头钻制。

TSP探测实施需适量乳化炸药插入电雷管后注满水，用锚固剂填塞炮眼。炸药应选用乳化防水炸药。雷管必须选用瞬发电雷管。每次测试需炸药3000g～4000g，雷管24发。

2）TRT法。TRT震源和检波器采用分布式的立体布置方式，具体方法见图2。

图2 TRT探测系统布置图

3）地质雷达法。每次地质雷达探测在掌子面共布置三条测线，见图3，其中上部测线长度为5m，中部测线长度为8m，下部测线长度5m，地质雷达天线频率为80Mhz。4.2 测流程

1）TSP法。TSP法超前探测流程：①将锚 固剂调成糊状灌入接受器孔中，锚固接受器套管，确保接受器套管与围岩密贴牢固；②将TSP超前预报探测系统按照操作规程进行连接调试，保证

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云南水力发电2017 年第2 期

表2 预报结果对比表

围岩

围岩情况

类别

ⅣⅤⅣⅣⅣⅤⅤⅤⅣⅤ

岩体较破碎，局部掉块岩体极破碎，掉块严重岩体较破碎，局部掉块岩体较破碎，局部掉块岩体破碎，掉块严重，局部渗水岩体极破碎，局部塌方，局部渗水岩体破碎，局部掉块严重，局部渗水岩体极破碎，断层局部塌腔，线流岩体破碎，局部掉块严重，滴水岩体极破碎，断层局部塌腔，线流

探测手段

里程桩号

K41+030～k41+005TSP

K41+005～k40+969K41+969～k40+950K41+030～K41+010TRT

K41+010～K40+985K40+985～K40+950K41+005～k40+985LDK40+985～K40+955

K41+030～K40+990

图3 地质雷达测线布置图

SJKK40+990～K40+950

整套设备运行工作状况良好；③隧道内暂停施工，减少噪音对TSP超前预报探测系统的影响；④爆破手将适当药量的炸药及一枚电雷管装入1号爆破测试孔，并注水封闭爆破孔，撤离到安全区内；

对两种结果进行比较来看TRT准确度相对较高一点，对断层塌腔和渗水能预报准确。因为TSP的观测采用垂直剖面法，检波器与炮点同侧。采用深度偏移成像方法，分析结果对参数的依赖性较大，会有几个不同结果，不能准确确定围岩波速、断层位置，缺乏三维波场分析功能，不能消除侧向回波、进行纵横波分离是不科学的[5]。TRT采用概率偏移成像法，反射层析成像三维图。形象直观较为准确。地质雷达对破碎及地下水预报也较为准确。

⑤测试人员引爆炸药，采集现场测试数据；⑥在2号爆破测试孔，重复④、⑤两步骤，直到达24

个孔结束。如果遇到哑炮、弱炮，则该测试孔重新测试；⑦测试完毕后，整理设备，撤离现场，恢复隧道内施工。

2）TRT法探测。在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到笔记本电脑，完成地震波数据采集。

3）地质雷达法探测。地质雷达采用80Mhz或100Mhz天线进行探测，将地质雷达天线贴近掌子面围岩并移动地质雷达天线，采集数据。4.3 预报结果与实际开挖情况对比分析

1）围岩超前预报结果TSP、TRT、地质雷达（LD）与实际开挖(SJK)揭露对比情况见表2。

2） 超前预报结果分析。通过超前地质探测预报与实际揭露围岩情况对比，不同方法综合预报结果与实际情况还是比较相符。对隧洞安全掘进施工提供重要指导依据。

5 结语

通过多种预报手段联合解译平台[5]，对比解译分析，大大提高预报准确率与精度，建立综合超前预报技术体系，减少单一预报手段局限性，更利于做好敞开式TBM超前地质预报施工准备。

参考文献：

[1] 张镜剑.长隧洞中掘进机的应用[J].华北水利水电学报,2001(3).[2] 曾昭璜.隧道地震反射法超前预报[J].地球物理学报,1994,37(2): 218-230.

[3] 中国隧道及地下工程修建技术[M].人民交通出版社,2009:259-262.

[4] 刘志刚,刘秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前预报中的应用与发展[J].岩石力学与工程学报,2003,22(8):1399-1402.

[5] 赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介[J].地球物理学进展, 2007,22(4):1344-1352.

海蓄电站引水上斜井直线段固结灌浆完成

2月19日，海蓄电站引水上斜井直线段固结灌浆全部施工完成。

引水上斜井直线段总长为192.461m，固结灌浆孔排距为2.5m，共77环，每环16孔，梅花型布置，56，孔深为7m，采用水电十四局自行设计加工的灌浆台车及运输小车作为施工平台及运输设备。2016年11月23日完成上斜井灌浆

台车、运输小车安装，11月29日完成灌浆台车、运输小车及提升系统验收，12月1日开始灌浆施工。

因工期紧，任务繁重，项目部春节期间不间断施工，于2月19日完成施工，平均每天完成1环，并完成压水检查试验。

（摘自《云南水力发电工程学会简报》2017年2月总第217期）