TBM施工超前地质预报实施方案

适于TBM施工HSP法预报技术实施方案

1超前地质预报的目的及内容

1.1 超前地质预报的目的

（1）进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，指导工程施工的顺利进行。

（2）降低地质灾害发生的几率和危害程度。

（3）为优化工程设计提供地质依据。

（4）为编制竣工文件提供地质资料。

1.2 超前地质预报的内容

（1）地层岩性，特别是对软弱夹层、破碎地层的预测预报。

（2）地质构造，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报。

2 编制依据

（一）《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》（铁建设【2007】106号）；

（二）《铁路隧道超前地质预报技术规程》（Q/CR 9217-2015）；

（三）《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2010）；

（四）《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）

3 TBM施工地质预报方法的技术要求及本工程方案设计

3.1TBM施工地质预报方法的技术要求

在TBM施工隧道地质预报中，由于TBM掘进机独特空间结构，其对地质预报探测适应性要求较高，通常造成一些常规探测方法探测成本高昂、探测复杂、探测具有破坏性等问题，其对信号源、探测空间、布极可行性等均有限制，因此限制了这些预报方法的应用。主要表现在：

1、掌子面无法直接布置测线；

2、空间狭小，需钻探测孔地质预报方法（如TSP、TGP等），操作不便、且

费时；

3、如采用炸药震源激发的预报方法，应采用特殊处理，费时，且存在安全风险；

4、如选择在TBM后方进行探测，探测距离与精度无法保证；

5、预报方法应布极简单、影响施工时间短等;

6、TBM在遭遇不良地质体时常常耗费大量时间进行处理，对较大不良地质体时探查精度要求较高；

7、TBM掘进速度较快，短距离预报法无法较好的指导TBM掘进，实现预期效果。

因此，在选择TBM施工超前地质预报探测方法时，应充分考虑其适应性，选择高效且适应的探测方法，必将事半功倍。

3.2 本隧洞工程综合地质超前预报方案设计

主要采用HSP法隧道超前地质预报系统，该系统不仅适用于钻爆法施工隧道超前地质预报，也适于TBM施工超前地质预报。其创新性提出了利用掘进机冲击振动信号作为激发震源的不良地质体预报方法，并先后应用于多个TBM施工隧道地质预报项目，取得了较好的成果，积累了丰富的经验。并于2010年被授予发明专利（一种适合于TBM施工的地质超前预报方法，专利号：ZL 2008 1 0044256.7）。

1、前期地质调查分析工作

针对隧道工程，我们将在前期收集的等资料，主要着重以下几个方面进行勘查、分析，确定双护盾TBM施工主要地质问题和划分预报重点。

（1）收集相关资料，如项目建议书、勘察资料、区域地质资料、各级主管单位相关批文、隧道所在区域类似工程的设计资料和施工情况，掌握隧道基本工程地质和水文地质条件。

（2）确定隧道超前预报重点段，划分预报等级。

2、施工过程中的地质超前预报工作

根据前期地质调查分析工作确定的预报等级划分，开展针对性的地质预报测试工作。

（1）一般预报段，每80~100m进行一次HSP声波反射法地质预报探测，在

掘进机工作时进行连续测试。

（2）对地质预报重点段，每50~80m进行一次HSP法地质预报探测。必要时结合施工单位超前地质钻孔等资料进行综合分析。

（3）预报结论中对TBM工作面前方不良地质体特性分析及下一步施工措施或修改预报等级。

4 TBM施工HSP法预报实施细则

区间隧道工程地质、水文地质条件复杂多变，弱风化岩面起伏大。选择正确的隧道施工期地质预报方法是预报成功的关键。结合隧道TBM施工特点，采用适于TBM施工的HSP法隧道超前地质预报技术，预报可能引起隧道地质灾害的不良地质体(带)的位置、规模和形态。

4.1探测原理

适合于TBM施工HSP法隧洞超前地质预报的原理是利用TBM掘进时刀盘切割岩石所产生的振动信号作为激震震源的一种多源地震干涉技术。预报时，弹性波在隧洞中的岩体内传播，当遇到地质界面时，如断层、破碎带、溶洞等，一部分弹性波就被反射回来，反射波经过一段时间后到达传感器被记录仪接收，然后经专门的分析软件进行处理，就得到清晰的反射波图像。通过对反射波特征的分析，如发射与反射之间的时间差、相位差、反射信号强弱等就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性，见图1，具体流程见图2。

图1 适合TBM施工的HSP声波反射法测试布置示意图

图2 HSP系统工作原理流程图

4.2现场数据采集及数据处理分析

采用空间阵列式测试布置方法，即：在TBM机身布置检波器（用以测试机身自身振动信号，指导数据处理与反演），在两侧壁分别布置一排接收检波器。测试时，两排声波接收检波器同时接收TBM掘进产生的震动信号，每次累计接收5~15分钟震动信号，用以数据处理。地质预报仪配套进行隧道施工期地质超前预报分析处理软件包括反射谱分析、反射子波分析、多源反射成像等技术。采用HSP法隧洞超前地质预报仪进行隧洞地质超前预报的超前距离≥70m，在围岩条件较好的情况下可达到100m，成果示意图见图3、图3。

图3 HSP法成像成果图（二维切片）

图4 HSP法成像成果图（三维）

4.3 探测接收装置布设

探测布设区域主要分布于TBM盾尾面后0~20m范围内，实际传感器布设位置视现场环境而定，尽量避免影响施工。因施工采用预制管片进行永久衬砌，传感器布设需结合管片特点和施工工艺，安装于管片上，且在管片背后注浆密实区，确保接收点与围岩能实现有效的地震波场传导。

HSP探测检波器布设主要布设于距工作面12m~32m范围内，即盾尾面后0~20m 范围内，见图5，探测过程，TBM施工掘进，借用刀盘切割岩体时的震动信号，在后方进行接收。

图5 HSP地质预报探测布极区域

在已安装管片和TBM盾尾面后（或TBM机身轴承位置）共布设多个检波器，（通常7个，管片处6个和机身1个，布设在可操作的TBM全空间内），见图1，其中管片处检波器主要接收岩体地震波信号，机身检波器接收由掌子面方向的地震波信号和TBM自身震动信号，进而进行分析处理。管片处安装检波器根据实际位置，间隔在2~5m，视情况而定。详细记录检波器空间位置，用于数据处理及反演成像。

已安装管片处检波器为主要有效信号接收点，需按要求安装。安装环境分为加固前（管片背后存在空洞时）和加固后两种。