盾构隧道超前探水预报技术研究与实践——以青岛地铁二号线为例.docx

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1、盾构隧道超前探水预报技术研究与实践以青岛地铁二号线为例伴随着我国城市轨道交通建设工程的兴盛，具有“高效率、高质量、高效益”优势的盾构法，已然成为一种重要的施工方法，被广泛应用。目前，我国隧道建设理念已逐渐转变为以需求为导向，不断征服各种不良地质与复杂环境。在这种趋势下，对盾构法也产生了更多挑战。盾构法是一种易进难退的全断面施工技术，无论土压平衡型，还是泥水平衡型，盾构机都对地质条件变化十分敏感。盾构机在无地质风险预警的情况下是脆弱的，盲目掘进到不良地质构造时，极有可能产生重大工程事故，造成难以估量的人身财产损失。为了确保隧道在复杂地质段的施工安全而存在的超前预报方法，在TBM施工隧道中应用较多

2、，如德国的应用聚焦频域激发极化原理的BEAM(Bore-Tunne11ingE1ectrica1AheadMonitoring)技术与基于面波-横波转换波模型的ISP(IntegratedSeiSmiCPrediCIiOn)技术，日本的利用掘进参数进行超前探测等。在国内，则有学者研究用三维激发极化法、HSP(Horizonta1SonicPrOfi1ing)声波反射法、TST(Tunne1SeismicTOmOgraPhy)法、CFC(ComPIeXFreqenCyCondUCIiVity)法进行超前探测。但是，在盾构隧道中适用的超前预报方法较少，且在这少数的探测方法中，多数为探测地质构造的方

3、法，探水的方法甚少，且不成熟。究其原因，在于：1.盾构刀盘占据了掌子面，需要在学子面上观测的方法难以实现；2.庞大的金属机具产生的复杂的电磁环境背景致使常规电法探测效果不尽人意；3.管片隔开了探测仪器与岩土，信号采集不便。目前盾构隧道超前预报技术研究有两条路线：一种是与盾构机集成，做智能掘进机系统，这种适用于新建掘进机；另一种是便携式仪器设备，用于现有盾构施工隧道开展具有针对性的超前预报，降低施工风险。本文着重探讨盾构隧道中CFC法超前探水的关键技术，并通过理论分析、仪器改进和应用实验对其开展了适应性研究工作。最终归纳总结出一套适用于盾构隧道的便携式超前探水方法，供广大从事超前预报工作的技术人

4、员学习、参考，也希望对面临类似地质问题的盾构隧道提供借鉴，以期推动盾构隧道超前探水预报技术的发展。1 CFC超前探水预报系统11CFC超前探水技术原理CFC是一种中频电磁波反射法探水技术1。探测时首先向前方围岩发射电磁波，当电磁波入射到非均匀含水围岩中时，由于两个界面的电磁波阻抗存在差异而发生反射，反射波随含水量差异程度的增大而增强。由于当接收点位于四分之一波长时，入射波与反射波会发生干涉，对多组不同接收位置的电磁波数据进行频谱分析和偏移叠加，用偏移图像来反映围岩含水特性，以此来预报富水带的位置和围岩的含水差异程度RA通过对电磁波速进行能量最大化扫描，求取最优电磁波速，再通过公式(1),得到该

5、段围岩的相对介电常数，以相对介电常数来判断该段围岩整体含水量的大小。C，=尸(1)r式中：。为电磁波在真空中的传播速度，V为电磁波在围岩中的传播速度，外为围岩的相对介电常数。1.2 扫频激发电磁波技术为提高仪器集成度和便携性，改进CFC仪器设计，使其成为激发、采集一体化主机(图1)。CFC发射机原设计为单电磁脉冲发射，IGBT导通，电容向围岩放电，激发电磁波。受IGBT的限制，不能放电时间小于10s,主频IOokHz,高频特性不足。CFC的目标是IookHZ-IOMHz,显然，高频的信噪比不够。且发射频率受围岩阻抗的影响，不稳定。图1CFC一体化主机为提高分辨率，增强高频信号，采用扫频激发设计

6、，如表1所示。发射信号时间序列为12个频点，每一个频点波形是正半周方波（1）和负半周期方波（0）。频点间无缝连接，正半周776个单位（每个单位8ns）,负半周776个单位，总时间长度为1552个单位（时长12416ns）。每次采集连续发射两次，总时长24872ns。平滑的频谱为0.25-10MHz,可削弱围岩环境影响。表1扫频信号编码设计频点123456789IOI112探测深度（m）IOO60403025151286432发射频率（MHZ）0.250.40.6().811.523468IO半周期（ns）20001250778625500333250166125786350在相同环境下激发的电

7、磁波主频带对比如图2所示。将时域数据变换到频率域，可以发现扫频激发的电磁波，频带更宽，能量更均匀，高频更丰富，这将会提高CFC对近端（靠近学子面处）的探测能力和不同探测深度间的对比，提高偏移图像的分辨率。采用扫频的激发工作方式，使仪器更符合CFC的探测原理。蛹MHZ1.3 图2不同激发方式电磁波主频带对比1.4 CFC探测成果图像AI识别预报2管片结构解析及探测方法的改进由于盾构隧道的掘进机刀盘与管片结构，将设备与周围的围岩环境分割开来，在钻爆隧道里面应用广泛的超前预报方法需要进行改进研究。2.1 盾构机机头的限制GPR、TEM等方法采用空气耦合的天线或线圈，在掌子面处进行观测，发射的电磁波在

8、隧道内通过空气耦合，再进入到围岩中。在盾构隧道中掌子面被刀盘和护盾阻挡、占据，导致这两种方法不再适用。CFC方法采用在隧道侧壁进行阵列式观测，不受盾构机机头占位的影响。整个观测系统中发射和接收电极的分布类似鱼骨天线，可以改善观测的方向性，增强掌子面前方反射回来的信号，压制侧向信号。2.2 管片的限制在盾构隧道内开展CFC超前探水工作，与以往在钻爆、敞开式TBM等隧道内数据采集方式不同U9I,需要根据管片的结构尺寸，重新设计阵列式观测系统中发射点和接收点的间距，如图3所示。需要摒弃以往CFC采用的锚杆电极，转而采用金属网电极。在管片背面布置50X50Cm金属网作为电极，如图4,通过注浆孔用导线连

9、接CFC仪器。这种在衬砌与围岩之间布置电极网的工作方式，有效的削弱、避免了隧道内盾构机的电磁干扰122%图3CFC超前探水观测系统示意。（a）俯视图;（b）根据管片设计电极网位置图4金属网电极CFC探水预报工作流程如图5所示：首先，根据管片衬砌设计相关资料，找到对应位置的管片衬砌（对应编号）。将金属网挂到管片背面（与围岩接触一侧），用导线连接电极网并通过注浆孔引出。然后，等盾构机施工，将管片安装到对应位置（图6）。至所有带电极网的管片衬砌都安装完毕时，可进行CFC数据采集。发射机连接左右两侧正负发射电极网，接收机依次连接每排接收电极，阵列式采集接收数据。山也网专】孙后j3由槽/行里吱出戌里馁n

10、】J1淞豆*11I打里IMt：%R科一JI-Ib吟人坦M/卜号KH-郎+田MI，-r取II固I左忖电电波西rK1MgMIn书G*/&I口i斗而:.I，Q1I含成1I招灯介用常目II.二IWH4IJ1 M*色5图5CFC探水预报流程图6装好金属网电极的管片安装3现场试验应用1.1 工程概况青岛地铁二号线轮渡站小港站区间位于青岛市市南区轮渡站至小港站之间。根据勘察成果显示，勘察场区内第四系主要由全新统人工堆积层（Q4m1）及第四系全新统海相沼泽化层（Q4mh）组成，下伏基岩为燕山晚期花岗岩（53）,煌斑岩呈脉状穿插其间。场区地下水主要类型为第四系孔隙潜水与基岩裂隙水，二者间无稳定的隔水层，具有一定

11、的水力联系。根据地表勘察和地质分析可知，隧道距离胶州湾最近处约IOm,为保障施工安全，防止隧道内涌水等事故的发生，随即开展CFC法，探测掘进区域含水情况，当时掘进面为第19环。1.2 超前探水预报应用根据上文针对盾构隧道开展的CFC探测方法改进研究，完成CFC现场数据采集工作。CFC室内资料整理及解释主要经过记录选取、数据预处理、观测系统几何位置编辑、频谱归一化、CFC电磁波速扫描、CFC合成孔径偏移成像计算等过程。对接收到信号进行归一化处理，得到5组数据的归一化谱，如图7所示。基于归一化谱，结合相干频率，进行合成孔径偏移成像3J,成像结果如图8所示。图中横坐标为相对掘进面的距离（单位m）,色

12、标为反射系数，红色代表反射能量较强，围岩含水量较大，蓝色代表反射能量较弱，围岩干燥。色标的划定采用百分比相对值。根据能量最大化原理进行围岩电磁波速扫描，得到预报区段隧道围岩电磁波速为0200mns,相对介电常数为5.250左右，说明绝大部分围岩处于干燥弱含水状态。根据图8含水性偏移图像可知：距掘进面（M8m（19环31环），偏移图像以蓝绿色为主，反射波弱，推断该段围岩含水量较少，以干燥潮湿为主。局部34m（21环22环）处呈红色，反射波较强，推测该处围岩含水，但含水量较少，围岩以潮湿渗水滴水为主。距掘进面18-87m（31环77环）偏移图像以蓝色为主，反射波较弱，推断此段围岩不含水，或含水量极

13、少，围岩以干燥为主。距掘进面87-100m（77环86环），偏移图像以蓝绿色为主，反射波弱，推断该段围岩弱含水状态，含水量较少，以干燥潮湿为主。综合分析，该处围岩干燥，局部（21环22环）含少量水。MN4-MN5一频率/MHz图7归一化谱X1.06.88.71.53.361.6O.O.C51.3 应用效果盾构机掘进至21环（掘进3m）时，刀盘前方围岩渗水，有少量水渗出，如图9所示。继续掘进施工,围岩含水量持续减少，总体呈干燥。第41环（掘进33m）处隧道围岩含水情况，如图10所示，围岩完整干燥。综合这IOom的掘进情况，对比发现，CFC探测结果与围岩实际含水量较为一致，减轻了围岩动态含水对施工

14、的干扰，保证施工进度和施工安全，节约了施工成本。图9第21环开挖揭露：掘进面围岩潮湿渗水图10第41环开挖揭露：围岩完整干燥4结论与讨论目前针对盾构隧道的超前探水预报研究不多，且实际工程应用较少。本文针对沿海盾构隧道的CFC超前探水技术进行系统研究，取得了一定的阶段性成果：1改进了CFC仪器的封装方式，提高了工作效率和便携。2 .改变了激发方式，提高了探测分辨率，使仪器更契合CFC原理。3 .基于盾构隧道的管片结构，对CFC超前探水技术的现场采集方式进行改进，并总结了盾构隧道CFC超前探水工艺流程。4 .基于青岛地铁二号线盾构隧道，开展了针对滨海掘进区间的CFC法超前探水预报。预报结果与掘进揭露的围岩含水情况相符，对盾构施工具有较高的指导意义，保证了盾构隧道滨海区域的施工进度和施工安全，对相似盾构隧道的施工具有借鉴作用。