0 引言
随着我国经济的不断发展和交通强国战略的实施,我国的交通基础建设迎来了新的发展阶段,隧道及地下工程领域发展到了一个黄金机遇期。 目前,我国已建成 27 000 km 铁路、公路隧道,未来 10 年将新建隧道上万 km。 我国已成为世界上隧道(洞)修建数量最多、规模最大、发展速度最快的国家[1-3] 。 随着隧道数量的不断增加,隧道建设向长距离、大埋深的方向发展,TBM 以其较快的掘进速度、相对安全的施工优势,在隧道修建中发挥着不可替代的作用。 但是,TBM 在进行隧道开挖过程中,面临的困难和挑战日益突出,隧道内部地层岩性等变化层出不穷,TBM 无法准确预知前方的不良地质信息而容易发生隧道坍塌、突水突泥等地质灾害[4] ,造成不必要的经济损失,甚至发生TBM 卡机事故,严重影响施工进度和人身安全。 所以,对于 TBM 施工隧道掌子面前方不良地质体的探测和预报已刻不容缓[5] 。
国内外研究者对于隧道的超前探测做出了大量的研究,研发了许多超前探测方法,例如超前钻探、地震波法、地质雷达法、激发极化法、瞬变电磁法等[6] 。 瞬变电磁法和地质雷达法等电磁类方法因受到 TBM 强烈电磁以及金属体的干扰难以应用于 TBM 隧道中。地震波法首先被应用于 TBM 隧道, 例如: Petronio等[7]提出了隧道随钻地震超前探测技术( TSWD),用于 TBM 隧道的超前探测; 德国 GFZ 公司研制的 ISIS技术,利用气锤产生脉冲信号,可以实现主动源超前探测[8] ; 李术才等[9] 提出了搭载于 TBM 的破岩震源和主动源地震波法,并已在工程实践中得到验证; 中铁西南科学研究院研发的 HSP 声波发射技术,利用刀盘切割激发信号作为震源,实现了 TBM 掘进掌子面前方不良地质的超前预报[10] 。 除了地震波法,电法也被应用于隧道的超前预报,例如: 德国 GD 公司研发的BEAM 系统,通过连续获取探测区域内围岩视电阻率与频率效应百分比,对掌子面前方地下水以及围岩完整性做出判断[11] ; 李术才等[12]提出 TBM 搭载的激发极化的方案,可以用于掌子面前方含水体的定位与水量估算。 然而,单一的超前地质预报方法仅对一种物性敏感,难以全面描述异常体地质的属性。 因此,综合超前预报已成为目前研究的趋势之一。
曲海锋等[13]以地面地质调查法、地质雷达、TSP 3种超前地质预报技术为手段,基于系统论的观点提出和建立综合地质预报方法和思想体系,并结合广仁岭公路隧道,验证了该方法的可行性和有效性。 Wang等[14]通过 TRT、红外探水、探地雷达超前地质预报方法和隧道设计资料对大独山隧道进行了断层破碎带、岩溶裂隙区以及富水区的探测,说明全面、超前的地质预报是高风险隧道安全施工的保证。 Li 等[15] 利用激发极化法和地震波法对吉林引松输水工程进行了超前地质勘察,准确探明了掌子面前方的断层破碎带和含水构造等不良地质的情况,避免了突水突泥和塌方等灾害的发生,保证了 TBM 安全、高效地掘进。 Reinhold等[16] 借助于地质素描、地震波法等方法对 BrennerBase 隧道进行建模预测,说明了不同勘探方法的优缺点,并根据它们之间的互补性,形成了综合预测模型。 选择隧道综合超前预报方法可以使隧道探测更加准确,能够最大限度地避免地质灾害的发生,保证隧道安全施工与人民生命财产安全。
以上研究主要针对超前地质预报方法和理论,对于 TBM 隧道综合预报指导动态施工管理的方法却鲜有报道。 本文以高黎贡山隧道为例,通过地震波法和激发极化法对掌子面前方进行综合超前地质预报,探明前方不良地质体以及含水体的情况,以期为施工单位进行动态施工管理提供指导,保证 TBM 隧道施工安全,并为以后 TBM 隧道施工模式的选择提供一定参考。
1 工程概况与不良地质分析
1. 1 工程概况
高黎贡山隧道全长 34. 5 km,为大瑞铁路的控制性工程。 该隧道位于云南省西部(见图 1),隧道最大埋深达 1 155 m,埋深超过 500 m 的隧道段落长 26. 8km。 隧道入口 21 km 处采用钻爆法施工,出口 13. 5km 处采用 TBM 施工[17] 。
图 1 高黎贡山隧道位置图
1. 2 不良地质分析
高黎贡山隧道地质纵断面图如图 2 所示。 高黎贡山隧道所属的区域大部分位于滇西南地震带,小部分处于鲜水河-滇东地震带。 区域内地震活动强度大、频度高,并穿越镇安断层、勐冒断层等活动断裂。 同时,高黎贡山隧道工区位于印度板块与欧亚板块相碰撞缝合带附近,穿越其两两相互碰撞汇聚的金沙江缝合带、澜沧江缝合带、保山地块与腾冲地块碰撞汇聚之怒江缝合带,工程地质条件极为复杂,具有“三高” (高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程)的特征,施工难度极高,工程建设风险突出。
高黎贡山隧道围岩岩性以花岗岩(D1K+209 ~ + 225 段落)为主。 由于当地的内动力地质作用活跃,花岗岩岩体的裂隙程度较高,加上云南多雨的潮湿气候,花岗岩与雨水经年累月地发生物理化学反应,强度逐渐下降,特别是在风力的带动作用下,破碎的花岗岩堆积在深切河谷以及断层地区,形成较厚的破碎岩体风化层。 随着时间的推移,形成的岩层产状变化较大,岩体完整性较差,岩体极为破碎稀松,在隧道开挖过程中,容易发生掉块、塌腔、突水突泥等地质灾害,严重影响隧道施工安全。
图 2 高黎贡山隧道地质纵断面图[18]
2 TBM 隧道综合超前预报与施工管理
通过 TBM 隧道综合超前预报(地质分析、地震波法、激发极化法)获得掌子面前方的不良地质情况,以为隧道的施工管理提供参考,及时调整施工设计; 同时采取合理有效的方法进行现场施工,避免隧道内发生突水突泥等地质灾害。 施工的同时,加强现场监控量测,避免隧道内二次灾害的发生。 TBM 综合超前预报及施工管理流程如图 3 所示。
图 3 TBM 综合超前预报与施工管理流程
2. 1 TBM 隧道综合超前预报
为了对掌子面前方的地质情况进行准确地预报,采用综合超前预报的方法进行探测。 综合超前预报方法包括: 地质分析、地震波法以及激发极化法。 通过地质分析对隧道掌子面前方地质情况进行预估,判断可能发生的地质灾害; 通过地震波法获取掌子面前方异常地质情况,如断层破碎带等不良地质体; 采用激发极化法对前方含水体进行水量定位和估算。 同时,在地质解译的过程中,将前期地质分析的结果和地震波法的信息加入激发极化的解译和反演中,采用模型参数约束反演,解决反演结果的非唯一性问题,提高探测精度。
2. 1. 1 地质分析
在隧道修建前,在隧道轴线地表附近,通过踏勘以
及地面钻孔的方法,推测地下地层岩性、地质构造、地下水发育情况等工程地质条件,粗略估计当地围岩的等级、地下水含量等地质情况,分析修建隧道过程中可能发生的地质灾害。 在隧道修建过程中,根据已开挖段落的节理、层理等构造以及地下水发育情况,估计掌子面前方的地质情况,为隧道超前预报提供基本地质信息与部分围岩物理性质信息。
2. 1. 2 地震波法
高黎贡山隧道正洞利用搭载于 TBM 的破岩震源进行地震波超前探测[9] 。 TBM 破岩震源地震波超前探测利用 TBM 掘进过程中刀具破岩产生的强烈震动作为震源,进行 TBM 施工前方不良地质的实时超前预报。 该方法在刀盘后方搭载先导传感器获取破岩震动信号,并借助于在 TBM 隧道边墙上搭载的接收传感器,实现对破岩震动引起的反射波的采集,通过将先导传感器信号与接收传感器信号进行联合处理,实现掌子面前方地质情况的实时预测。 破岩震源地震波实时超前探测的基本原理: 当刀具破岩产生的地震波遇到波阻抗(密度与波速的乘积)差异界面时,一部分信号透射进入前方介质,一部分信号被反射回来被高灵敏的地震信号传感器接收,如图 4 所示。 波阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面,因此,通过对接收到的地震信号进行分析处理(在数据处理成像过程中,采用 Ashida 等[19] 提出的等走时平面算法),可以探明隧道工作面前方不良地质(如软弱带、破碎带、断层等)的性质、位置及规模[20] 。
图 4 地震波法原理图
2. 1. 3 激发极化法
高黎贡山隧道采用搭载于 TBM 的激发极化超前探测系统进行不良地质含水体探测[10] 。 将供电电极系集成到 TBM 的护盾上,并沿环向布置; 测量电极系集成在刀盘上,刀盘上通过开孔的方式搭载测量电极系,TBM 施工时测量电极系收缩到刀盘的刀舱中。 采用多芯电缆与供电电极系和测量电极系连接,同时设计单芯电缆连接电极 B 与 N,探测仪器安装在 TBM 主控室,电缆连接到主控室的仪器。 测量时,通过液压系统推出电极伸缩到掌子面,实现激发极化超前探测。
采用的隧道激发极化多同性源阵列观测技术原理如图 5 所示。 在掌子面后方隧道洞壁布置 4 个供电电极,组成供电电极系(电极 A);供电 B 电极与 N 电极位于隧道后方无穷远处。 探测时,4 个供电电极系 A供入相同电流,阵列测量电极 M 的电势。 测量结束后,沿隧道轴线向后移动供电电极系 A,继续测量电极M 的电势,直至电极 A 移动到预定的探测位置时测量结束[21] 。 此方法可以实现掌子面前方 30 m 距离的含水体的探测。
图 5 激发极化多同性源阵列观测技术原理图
在进行激发极化反演时施加模型参数约束。 将前期踏勘、地质钻探中获得的介质电阻率信息以及采用地震波法获得的异常体界面信息映射到激发极化反演得到参考模型,并在激发极化反演中施加参考模型约束,引导反演向信息确定的方向进行,对于反演解的多解性起到压制作用[22] 。
2. 2 施工管理
隧道工程在修建过程中,由于其距离长、埋深大等因素,不同于其他路面建设工程,具有特殊性[23] 。隧道施工周期长、投资大,需要的建设材料种类多样,机械投入大; 且隧道工程大多位于山岭地带,围岩、地下水等地质情况复杂,不确定性因素繁多,在建设过程中极易发生突水突泥、掉块坍塌等多种施工灾害,严重威胁施工人员以及施工机械的安全。为了保证隧道安全、高效施工,合理正确的施工管理是必不可少的。
在隧道建设过程中,应首先借助搭载于 TBM 的地震波探测系统以及激发极化探测系统对掌子面前方进行超前探测,探明掌子面前方的不良地质。 根据解译结果,施工方应与超前地质预报团队开展联合会商,结合超前地质预报成果分析掌子面前方的地质情况,并在此基础上制定针对性的处置方案,从而保证施工人员与机械的安全,避免出现 TBM 卡机等事故。
通过采用“先超前预报,后施工管理,再掘进施工”的施工策略,可以在基本已知前方地质条件的情况下制定掘进策略,从而有效避免过去仅凭经验施工带来的局限性,并在很大程度上提高 TBM 施工的安全性。
3 工程实践
高黎贡山隧道主洞彩云号 TBM 搭载的超前地质预报系统在完成调试和测试后,至今已施作 90 余次,累计里程近 7 km,全部探明施工过程中的重大不良地质灾害源,例如 D1K226 + 014 处塌腔涌水、D1K224 +348 和 D1K224+310 处强风化破碎带、D1K224+220 处破碎富水区、D1K223+342 ~ +313 段落强风化破碎区、D1K221+902 处风化破碎区、D1K220+848 和 D1K220+ 510 处裂隙股状水等。 探测结果与开挖结果对比验证如表 1 所示。 实践表明,采用搭载的综合超前地质预报系统可使 2 种方法相互补充、联合解译、综合分析,更加准确地预报掌子面前方的含水体与围岩完整性的变化,预报准确率大大提高,且搭载式仪器操作简便快捷,可以满足 TBM 快速施工的需要。
3. 1 地质分析
研究区域地质情况如图6所示。 探测桩号D1K221+365 附近地表大面积出露燕山期侵入花岗岩,受构造影响,区内岩体破碎,节理裂隙发育,侵入岩活动频繁,易形成风化槽,隧道围岩稳定性差。 除花岗岩之外,还大面积出露震旦—寒武系公养河群变质岩带,岩性为灰绿色变质粉砂岩、变质长石石英杂砂岩、变质粉砂质板岩夹细粉晶白云岩。 此外,小面积出露志留系页岩、砂质白云岩、砂岩、粉砂岩。 已开挖段落 D1K221 + 400 ~ + 370 围岩破碎,裂隙较发育,局部塌腔。 在护盾后方左侧洞壁密集掉块及护盾后方右侧塌腔( 见图 6( b) ) ,底部股状出水,围岩线状流水; 在 D1K221+370 右侧底部钻孔股状涌水(见图 6( c) ) ,涌水量约 10 m 3 / h。 对于探测段落 D1K221+365 ~ +265,由之前踏勘和开挖段落可以确定其位于花岗岩出露区,受构造影响,节理裂隙发育, 侵入岩活动频繁,尤其邻近地层接触带(D1K221 + 300 附近为花岗岩与志留系变质细砂岩) ,涌水量会有所增加; 若处理不及时或处理不当,易出现大规模坍塌,甚至冒顶,导致地表水直接进入隧道,形成涌水涌泥。
图 6 研究区域地质情况
3. 2 地震波探测分析
在掌子面 D1K221+365 处进行地震勘探,确定掌子面前方断层等不良地质体的情况。 其勘探范围在 z方向为 100 m,在 x、y 方向为 20 m(在直角坐标系中,x方向为垂直于隧道底面的向上方向,y 方向为掌子面宽度方向,z 方向为开挖方向),同时采用 2. 1. 2 节提到的等走时平面算法进行地震的偏移成像,结果如图7 所示。 围岩的岩石特性通过偏移成像的图来反映,选取绝对振幅较大的点进行显示。
通过勘测区域的地震波反射成像图和地质分析,推断解译如下。
1)D1K221+365~ +345 段落: 在反射图像上,未出现明显正负反射,推断该段落围岩破碎,易发生掉块或塌腔。
2)D1K221+345 ~ +305 段落: 在反射图像上,出现正负反射,推断该段落围岩完整性差,节理裂隙发育,其中,D1K221+325 附近围岩破碎,易发生掉块或塌腔。
3)D1K221+305~ +265 段落: 在反射图像上,出现明显正负反射,推断该段落围岩破碎,易发生掉块或塌腔,其中,D1K221+300 ~ +275 段落接近地层接触带,围岩裂隙发育,开挖易形成塌腔。
图 7 TBM 破岩震源地震成像
3. 3 激发极化法探测分析
为了确定 D1K221+365 前方含水体的情况,进行了隧道三维激发极化超前探测,同时借助于模型参数约束反演,得到激发极化反演图像,如图 8 所示。 其中,X 方向表示竖直方向,Y 方向表示掌子面宽度方向,Z 方向表示开挖方向,坐标原点为掌子面中心位置; 红色代表高阻区域,蓝色代表低阻区域。
图 8 激发极化三维成像图
综合水文地质分析和激发极化探测结果,可得到:
1)D1K221+365 ~ +345 段落,三维激发极化图像激发极化较低,推断开挖时掌子面前方会出现线状流水,裂隙发育处股状出水;
2)D1K221+345 ~ +335 段落,激发极化图像激发极化较前一段有所增加,推断该段落会出现滴水,局部裂隙发育处会出现线状流水。
4 施工处置措施及验证
4. 1 施工处置措施
由第 3 节可知,隧道开挖过程中发生了掉块、塌腔等不良地质,为了防止不良地质进一步发展、保证施工人员以及机械的安全,采取了合理的施工管理措施进行处理。
对于已开挖的隧道掉块坍塌部分进行立拱处理,防止掉块以及坍塌等二次灾害的发生。 立拱完成后进行混凝土注浆加固,对前方掉块区域(D1K221+342 ~ +337)实施泵送混凝土回填,同时为保证回填饱满密实,在该拱顶位置径向打设注浆管,注浆管布置如图 9(a)所示; 注浆管的长度、规格应满足设计要求,其结构如图 9(b)所示。
图 9 注浆管布置和结构图(单位: mm)
注浆管埋设后,使用应急喷射 C25 初期支护混凝土对注浆加固段全环应急喷射混凝土封闭,防止注浆过程中出现漏浆现象。 喷浆过程中需注意对设备进行覆盖,避免回弹料堆积在设备上,造成设备损害,喷射混凝土过程中及时铲除鼓包。
根据 TBM 综合超前探测结果进行合理地施工设计,决定先开挖后进行治理,现场施工采取有效的措施,保证隧道建设顺利进行,保证 TBM 安全、高效地施工。
4. 2 现场验证
探测结束后,TBM 在隧道内继续向前掘进,掘进过程中发现围岩破碎,且在 D1K221+324 处发生围岩掉块塌腔,如图 10(a)所示; 同时,该段落大部分地区出现滴水和渗水,其中,D1K221+355 处发生线状流水(如图 10(b)所示),与超前探测结果一致。 现场验证结果表明,采用本文提出的方法所取得的预报成果与开挖结果基本一致,符合工程应用要求。
图 10 现场开挖结果图
5 结论与展望
本文通过对高黎贡山隧道 D1K221+365 处进行地震波法和激发极化法综合超前地质预报分析,并进行施工动态管理,得出以下结论:
1)借助地震波法和激发极化法对隧道掌子面前方进行探测,可以发挥每种方法的优势并进行互补,可以较好地反映掌子面前方的不良地质情况,对断层破碎带以及含水体进行超前预报,指导 TBM 安全、高效地施工。
2)合理的 TBM 施工动态管理至关重要,在隧道修建过程中,根据掌子面前方的地质情况及时进行相应的动态施工措施,可有效避免坍塌、突水突泥等灾害的发生。
通过采用本文提出的搭载于 TBM 的超前地质预报指导动态施工管理的方法,可以有效提高 TBM 施工安全,避免发生不良地质灾害。 但目前仅研究了适用于敞开式 TBM 的搭载与动态施工管理办法,未来将对更多 TBM 机型开展研究,以期为 TBM 安全、高效地施工提供参考。