TBM隧道施工超前地质预报现状和技术

古上申

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

0 引言

这些年来钻爆法人机材成本的急速增加，未来我国会增加掘进机（TBM）施工方法。根据2016年的统计，不久我国掘进机开挖的隧道大约超过 5000 km，掘进机的需要购买超过 180台。社会发展后，高难度隧道得建设对地质勘察有了很高的要求。但是山高洞深、地质条件庞杂紊乱和地表勘察技术方法困难，施工时难以对工程地质状况有所有精准的把握，另外不良地质体有较很强的隐蔽性，难以对隧道沿线不良地质状况精准说明。通常灾害赋存源在隧道施工影响下可能引发突水突泥，塌方等地质灾害，带来沉重的人员和钱的损失。TBM 施工环境庞杂紊乱，看的环境被 TBM 的电子机械填满，金属系统产生庞杂紊乱的电磁场。

1 TBM 施工超前地质预报技术现状

TBM本身是一个庞然大物，电磁环境极为庞杂紊乱，诱发电磁场畸变，引起得强烈影响可能“吞没”掌子面前方得物理响应，致使在钻爆法中可用的瞬变电磁技术，地质雷达技术均无法用于 TBM 施工。与此同时，TBM占了掌子面后方得很大空间，掌子面后方的墙不具备设置超前探测测线，和阵列激发装置与传感器。致使超前地质预报的观测空间极为狭小，难以对掌子面前方进行观测，传统可用的地质雷达等技术难以运用到 TBM施工里面来。

总体的来说，目前 TBM 施工中得超前地质预报技术注重与 TBM 机械结合，并且形成自动化系统，这代表了 TBM 施工环境探测技术得需要和未来发展趋势。

2 TBM 施工超前地质预报技术方法

2.1 宏观超前地质预报

依据：区域地质资料（水文、工程、岩溶）调查为基础，补充野外地质勘测、物探、综合分析。

作用：预报施工会遇到的不良地质类型、规模大小、大体位置，例如：溶洞，暗河，断层，裂隙。宏观预报其可能性，尽可能详尽的绘制隧道洞身沿线的主要不良地质分布图。

内容：①不良地质分布图。②风险等级划分，辨别高风险段，为第二阶段做准备。

2.2 长距离（100-150米）超前地质预报

TRT：测溶洞，暗河，断层，裂隙，围岩等级。

原理：地震波超前预报法，当地震波遇到声学阻抗差异界面时，一部分信号反射回来被隧道边墙及顶部的传感器接收，一部分信号透射进入前方介质继续向前传播。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面和岩体内不连续界面。

方法：靠近掌子面左右边墙分别布置两排震源点（每排3个，共12个），间距2M，距离第二排震源点10-20M开始布置检波器，共布置4排。第一排检波器2个，第二排检波器3个，分别位于左右拱底及拱顶，第3、4布置同1、2。最后通过软件处理数据得出结果。

2.3 中距离（50-80米）超前地质预报

多点阵列式瞬变电磁探测（该方法为传统瞬变电磁探测的改进）：测含水构造。原理：基于岩土体与水体之间的电阻率差异，通过观测低频电磁波在水体中激发的二次感应电磁场来确定含水构造。

方法：利用电磁脉冲激发，不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，通过观测、处理、分析这一随时间衰减的变化来了解介质的电性、规模、产状等。

改进：

①发射（或接收）回线装置材料用非金属：降低了TBM施工中机械、电液系统的电磁干扰，使测量数据更精准。②发射（或接收）装置回线结构的改进：与传统的线框结构相比，改进的 3种方式具备轻便、快速拆组、方便运输节约预报时间1/3-1/2，节省劳动力。③三维探测：传统瞬变电磁只能得到二维切片图像，采用多点阵列式探测方法能够采集更多的数据，并在三维空间刻画掌子面前方的含水形态。

优点：精确测量出掌子面前方的水的形态，并汇出三维图。缺点：只能测水。

2.4 近距离（30米）超前地质预报

多同性源阵列激发极化法（探水）

原理：不同地质介质之间（围岩与不良地质体）的激电参数差异为物质基础，通过测量分析地质体的激电效应实现探查。在电流激发作用下，因为电化学作用引起地质介质电荷分离，从而产生随时间变化的二次电场现象。当供电电极 AB供入稳定电流，测量电极MN之间电压U随时间而变化，一般随着供电时间而增大并趋于稳定的饱和值，当断开供电电流，断电瞬间电压U急剧下降之后缓慢减小，一段时间之后衰减到零附近。

观测方法：在掌子面后方移动探测。多同性源供电原理，可以减小TBM施工中电极附近异常体的干扰。向掌子面后方移动探测提高探测距离，不用在掌子面下面测量，提高人员安全，不随掌子面开挖连续探测，实现对异常体的三维成像，提高定位精确度。

优势：①多同性源供电原理，可以减小TBM施工中电极附近异常体的干扰。②向掌子面后方移动探测提高探测距离，不用在掌子面下面测量，提高人员安全，③不随掌子面开挖连续探测，实现对异常体的三维成像，提高定位精确度。

3 结论与建议

钻爆法在近些年有很大的进步，但离定量化还有有一定差距。隧道掘进机施工（TBM 施工）要求超前预报技术和设备须要满足更高的要求，这是以后需攻关的重点和热点问题。基于大量的调研和对理解，认为今后隧道超前地质预报技术的 4 个主要趋势和方向包括：隧道施工定量化超前预报理论与技术的发展深化；TBM 施工隧道超前地质预报技术与装备； 随钻或钻孔精细超前探测理论与技术；实时超前地质预报与施工灾害监测技术。

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