复杂地质富水隧洞TBM施工综合超前预报技术实践.docx

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1、复杂地质富水条件下TBM施工隧洞综合超前预报体系实践摘要：针对TBM地质适应性较差，施工进度易受地质条件制约的问题，本文以秘鲁圣佳旺In水电站引水隧洞为依托，综合运用三维地震波法TST与CFC超前探水方法，提出了适用于夏杂地质富水条件下TBM施工隧洞的综合超前预报体系。在该体系的指导下，采用超前预注浆技术，有效避免了富水断层破碎带对TBM施工的干扰。且该体系兼容钻爆法与TBM法施工隧洞，对同时开展两种施工方法的引水隧洞具有一定借鉴意义。关键词：引水隧洞；富水隧洞超前探水；TBM超前预报；地震波超前预报：复频电导;TST;CFCPracticeofComprehensiveAdvanceFore

2、castingSystemforTBMTunne1ConstructionunderComp1exGeo1ogica1andWater-richConditionsZHAODongbo1,1IPengyu1,XUFeng1,ZHOUZepei1,YAOQifa2,RONGYouyue3(I.ChinaInternationa1Water&E1ectricCorp.,BeijingIO11OOfChina;2. Beijing1ongDuEngineeringGeophysics1imitedfBeijing102209,China;3. ChinaRai1wayConstructionHeav

3、yIndustryCorporation1imitedfHunanChangsha410100,China)Abstract:Forthepoorgeo1ogica1adaptabi1ityofTBM,theconstructionprogressiseasi1yrestrictedbygeo1ogica1conditions.Thisartic1eisbasedonPeruvianSanGabanIIIHydropowerDirectionTunne1,usingofthe3DseismicwavemethodTSTandCFCtechno1ogy,proposedacomprehensiv

4、eadvancedforecastsystemforTBMconstructiontunne1ssuitab1eforcomp1exgeo1ogica1waterrichwater.Undertheguidanceofthissystem,advancepre-groutingtechno1ogyisadoptedtoeffective1yavoidtheinterferenceofcrushingbandsofwater-richfau1ts.Thesystemiscompatib1ewiththedri11ingmethodandtheTBMmethodconstructiontunne1

5、,whichhascertainreferencesignificanceforthewaterdiversiontunne1oftwoconstructionmethodsatthesametime.Keyword：intaketunne1;water-richtunne1advancedprediction;TBMtunne1advancedprediction;seismicwavemethod;Comp1exFrequencyConductivity；TST;CFC0引言在水利水电领域，随着重点水电工程和跨流域输水工程的建设规划，将建设一批长径比达600-1000及以上的深埋长大引水隧

6、洞”3）。在此条件下，国际公认采用全断面隧道掘进机（IUnne1boringmachine,简称TBM）掘进施工具有高效、高性价比、环保等优势艮5。随着我国掘进设备设计制造水平的进步，以吉林引松工程为代表的自主品牌TBM在赢得了建设单位、施工企业信赖的同时,也在国内、海外项目推广开来刀。但基于TBM较差的地质适应性，施工进度受地质条件制约，波动较大。综合分析众多TBM卡机事故案例，究其原因，主要是：1.受资金、技术、环境等诸多原因影响，导致有不良地质体被前期勘察“漏掉”，没被查明；2.由于TBM施工隧洞环境的复杂性，在该类隧洞中按照钻爆施工隧洞超前地质预报方法开展存在较大的难度,且预报效果也会

7、受到众多干扰源的影响，难以为TBM的安全掘进提供技术指导。国内外学者己对于隧道超前预报进行了诸多研究，在地震波法、电法、电磁法等领域研究出可用于钻爆隧道的技术，这些技术移植到TBM隧道则效果不同U3/6J。地震波法以其在钻爆隧道中，针对不良地质构造的良好探测效果，是最早被研究用于TBM施工隧道的方法，例如：德国GFZ基于面波-横波转换波模型，利用气锤作为主动震源，研发出的ISP（IntegratedSeiSmiCPredietiOiI）技术1；李术才团队以TBM掘进过程中，刀具切割围岩激发出的地震波为被动源研发出的破岩震源地震波法技术,在工程实践中得到了验证【网；叶智彰通过研究HSP声波超前地

8、质预报方法，对掌子面前方不良地质体进行了有效预报I。但该类被动源地震波方法采用的都是较大偏移距,且以采用透射波进行预报为主,在TBM施工中长期应用，困难重重，且更重要的是其震源能量较弱，衰减极快，降低了分辨率及预报距离12叫目前，隧道超前探水技术主要采用电法和电磁法类，以岩石的电性差异为基础，对含水构造较为敏感。例如BEAM是早期TBM隧道内使用的探水方法，通过PFE（PercentageFreqencyEffect百分频率效应）和视电阻率反应岩体的含水和破碎情况21在锦屏、铜锣山隧洞实际工程的应用中发现,BEAM对水敏感，但安装调试费时费力，使用成本较高，预报距离较短（35倍洞径）122.2

9、）李术才等提出了搭载于TBM上的三维激发极化法，且在吉林引松输水工程中得到了实践Rn可用于钻爆法隧洞的瞬变电磁法受制于TBM刀盘结构，也被TBM强电磁环境所束缚，在TBM施工隧道中应用效果不佳3）。而同属电磁法的CFC法，可压制干扰，且预报距离较长，在巴基斯坦NJ项目穿河段与宝林隧洞中有成功应用12叫超前预报工作的重点和难点是查明断层、软弱夹层、节理裂隙密集带等不良地质的分布及其含水情况，单一方法难以胜任，必须采用综合超前预报技术。目前，我国TBM施工隧洞基本上都是TBM施工与钻爆施工相结合的，这是隧洞施工现状，也是工法调研后的必然，这样可以兼顾二者长处，是高效、高性价比、低风险地修建隧洞工程

10、的最佳选择。但能兼顾钻爆隧道与TBM隧道的综合超前预报体系且鲜有研究。本文以秘鲁圣佳旺（SanGaban）I11水电站引水隧洞为例，通过对TBM施工特性的研究，改良TST地震波法和CFC复频电导法的现场采集方式，建立起复杂地质富水隧洞综合超前预报体系，以期为相似隧洞工程提供参考。1工程概况与不良地质分析1.1 工程概况圣加旺水电站距离秘鲁首都利马直线距离约740km,电站为圣加旺河干流开发方案的最下游一级，位于秘鲁东南部普诺（PUno）大区Carabaya省SanGaban区SanGaban河右岸（见图1）。工程区属高山峡谷地貌，山势雄伟，地势陡峻，植被茂密。区内沟脊相间，受沟谷深切，地形完整

11、性差。圣佳旺河两侧支沟多以大角度与其交汇，支沟常年有水,水流急速，冲沟沿线多有跌坎。圣佳旺In水电站引水隧洞长14773.45m,Y0+000Y6+000段采用钻爆法施工，后半段Y6+000YI4+773.45m采用一台敞开式TBM掘进施工，其开挖直径5.8m。1.2 不良地质分析圣佳旺III水电站引水隧洞地质纵断面图如图2所示。隧洞岩性主要为中微透水的花岗闪长岩、片岩和板岩，隧洞埋深240m以上，穿越多个向斜背斜等较复杂的地质构造。虽然在某些洞段地表未发现大型断层，但岩体中会发育许多未延伸至地表或被覆盖层所覆盖的不良地质构造。因而实际开挖中可能会遇到断层、软弱夹层、节理裂隙密集带等影响施工安

12、全的不良地质，同时洞身位于地下水位以下，地表存在多个大型的常年流水的冲沟，可以推断隧洞地下水分布情况会极其复杂。当不良地质与富水洞段叠加时，施工中会发生突泥突水等重大事故，对施工安全等带来严重影响。图1圣佳旺In水电站引水隧洞位置图针对圣加旺I1I水电站引水隧洞的工程地质特点,施工期开展超前预报工作具有十分重要的意义。可以提前了解学子面前方围岩的地质条件，特别是了解断层、软弱夹层、裂隙密集带、含水地层、富水带等不良地质情况，确定其地性质、种类、位置和规模，提前做好施工准备和施工计划，防患于未然，保障施工的安全。图2引水隧洞TBM施工段剖面图2TBM施工隧洞综合超前预报体系首先应在前期地勘资料基

13、础上，结合现场地质情况和开挖揭露情况，不断分析和研判TBM洞段的地质构造分布规律。其次，在每次的综合超前预报实施中，通过及时跟踪对比总结规律，并在后续预报的解译中不断的加以修正，逐步探索和建立起在该工程地质背景下的典型地质体与超前预报成果的对应体系。同时，应充分认识到任何单一的物探技术手段都有其自身的局限性。TST超前地质预报技术利用隧道围岩的波阻抗差异，对弹性模量等力学参数的变化敏感，可以用于地质体的划分而CFC超前探水技术属电磁波法，其对岩体介质的电阻率、介电常数等电磁学参数的变化较敏感，可以用于探水12叫在这两种物探方法上，充分结合地质素描、超前钻探等地质手段，建立起成熟的综合超前预报体

14、系，从而更有力的保障TBM与钻爆施工安全。TBM掘进工序流程图如图3所示，综合超前预报体系流程如图4所示。VMMtBMMMM*(MM.WMtUBjMtaRFr一一、.*M*.mtavrm卜图3TBM掘进工序流程图I研究辰育资料,制定B1报方案II地名素/呼合务司1物探异+1EI综合分析I:二I施工方-IKif1-I汇总苏利依报用小.年报及遗工*报告I图4综合超前预报流程2.1 地震波法TST2. 1.1原理借助在钻爆隧洞中成熟的TST超前地质预报技术，开展TBM施工隧洞超前地质预报工作，对不良地质体进行预报。地震波法预报技术基本上都是利用震源激发弹性波（地震波、声波），当弹性波遇到不均匀介质表

15、面时，由于弹性波阻抗的差异，在界面处发生透射和反射，对接收到的弹性波信号进行数据处理，提取出前方反射信息，反演前方围岩的力学性质的。由于空间观测系统和反演算法的不同，区分出多种地震波法超前预报技术。而制约常规地震波法技术进入TBM施工隧道的关键点之一就在于震源。目前，可在TBM隧道中应用的超前预报技术，其利用的震源分为两种，一种是被动震源，如刀盘破岩时产生的振动信号；另一种是主动震源，多为机械震源。被动震源由于能量弱，探测距离近，这削弱了地震波法的长距离预测优势。近年来，由于可控震源技术的进步，小型可控震源，促进了地震波法在TBM隧道中的应用。本次TST预报采用了TD1S可控冲击震源，冲击震源

16、作用于隧洞边墙，激发的纵波传播的优势方向为径向，而横波传播的优势方向为轴向，所以应采用横波做超前地质预报网。通过对圣佳旺水电站引水隧洞开展连续多次全里程TST超前地质预报，总结出当地板岩围岩与横波波速关系W1完整致密的板岩横波波速在28003000ms;裂隙发育的板岩横波波速在23002500ms（板岩波速与板岩石英含量、埋深等多种因素有关）。3. 1.2现场布置仪器采用TST隧道超前预报系统，主要由地震信号采集器、检波器及震源等几部分组成。采集参数如下：采样率40Khz,26道采集,采样时长IoOs,解码后保留数据长度300ms.TDIS可控冲击震源使用的参数为:重复频率5-25次/秒,冲击时间100s,冲击次数1500次/点，冲击能量为6万焦耳/点。现场设置接收孔8个，布置在11区主梁下方，