雷 龙，马晋阳，雷 菲

（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024；2.西安国开水环境有限公司，陕西 西安 710077）

大埋深水工隧洞TBM法施工常伴随强烈或极强岩爆，对TBM的安全、快速掘进造成极大影响，同时对TBM设备及人员安全造成极大风险。所以为更好应对岩爆，科学合理的地质预报和超前应力释放方式，可降低隧洞开挖及开挖后发生的岩爆等级与规模[1-2]。

目前我国在钻爆法施工隧道超前预报技术发展迅速，大埋深水工隧洞地质预报技术已趋于成熟，苏国韶等[3]分析岩爆过程的声音信号特征，总结出内在演化频率。李术才等[4]提出全过程隧道综合超前地质预报体系，预测其发展趋势。马天辉等[5]以锦屏二级水电站为例，提出了微震监测的岩爆预测机制。本文结合前期工程地质勘察，运用TST地震波和CFC地磁波综合物探技术，预测大埋深隧洞掌子面前方100 m地质情况，根据超前地质预报提出针对性的预防和处理措施，降低岩爆发生概率和施工风险。

1 工程概况

工程区位于秦岭岭脊北段。施工段落为K46+360～K43+360，长度3000 m，洞内坡降为1/2500。工区位于秦岭岭脊高中山区，地形起伏。在大地构造单元上属秦岭褶皱系。工程区域主要通过qF4 断层，断带物质为碎裂岩、糜棱岩及断层角（泥）砾。工点处地表水较发育，地下水为基岩裂隙水，受大气降水呈现季节性变化。

表1 TBM施工段围岩工程地质分段测评表

2 超前地质预报方法

本文采用TST地震波法和CFC复频电导超前探水法对地质构造以及围岩含水性进行探测。当隧洞开挖接近TST预报的不良地质体和CFC预报的含水高危区域时，需采用地质超前水平钻确定不良地质的分布空间位置和延伸，超前水平钻探可探测未开挖地段隧洞围岩的地质情况和涌水情况。TST的预报距离与洞径和信号质量有关，本次探测预报长度为100m，需连续预报时，前后两次应重叠5 m～10 m。

3 TST 地震波探测

3.1 方法原理

隧洞地质超前预报系统 TST（Tunnel Seismic Tomography），地震波由小规模爆破的震源产生，由地震检波器接收。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面，一部分地震信号反射，一部分信号穿透前方介质。反射信号被高灵敏度的地震检波器接收。通过地震波软件处理，可了解隧洞工作面前方不良地质体的性质。每次预报距离与隧洞直径有关，连续预报时重叠10 m。

3.2 测线布置

观测方案主要包括：检波器和震源激发布置在洞侧壁内，检波器采用洞壁表面耦合方式。具体布置见图1。

图1 TST激发与接收方式

各检波点和激发点的桩号坐标见图2。

图2 TST桩坐标数据

3.3 地震数据处理结果

单炮作用后的波场分离典型记录见图3。

图3 波场分离后的典型记录

掌子面715 前方100 m内围岩的地质体偏移图像和围岩力学参数分布曲线见图4。横坐标为隧洞里程，纵坐标为测试结果。

图4 围岩力学参数分布曲线（TST法）

4 CFC地磁波探测

4.1 方法原理

CFC是电磁波探水技术，属于超前探水地质预报法。岩体含水后复频电导率增大，本征阻抗降低。电磁波遇到本征阻抗变化的界面就会发生反射，实现掌子面前方围岩含水位置与含水量的预报。

4.2 技术参数

CFC的技术参数见表2。

表2 CFC技术参数

4.3 测线布置

CFC观测系统的布置如下：①接收电极4组，布置在两侧壁内，间距6 m，埋深1.5 m；②激发电极1组，布置在两侧壁内，距最近接收电极6 m。激发与接收方式见图5。

图5 CFC激发与接收方式

4.4 计算成果

掌子面K45+715 前方100 m围岩含水结构的CFC偏移图像结果见图6。

图6 CFC偏移图像

图像的水平坐标为里程及距掌子面的距离，红色、黄色条纹表示相干能量强，反射波强，含水量大的界面，绿色次之，蓝色含水量少。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0.134 m/ns，相对介电常数为5.012 左右，说明绝大部分围岩处于干燥状态。

5 预报成果分析

5.1 预报前方地质条件

图7 TST与CFC结合图

利用上述成果图并结合地质资料分析，秦岭隧洞（越岭段）TBM施工段岭北工程接应段掌子面K45+715 前方100 m内地质条件描述见表3。

表3 K45+715～K45+615地质构造和含水情况分段表

5.2 预报不良地质体的分布及性质

通过对地震波和电磁波成果的分析，预报本次不良地质体的分布情况见表4。

表4 TBM施工段不良地质体的分布及性质

续表4

6 结论

TBM施工段K45+715前方100 m范围的围岩地质预报为：（1）K45+715～K45+639，长度76 m，设计为以Ⅱ级围岩为主。推断该段围岩为Ⅲ级夹Ⅱ级（K45+684～K45+661之间为Ⅱ级）。受岩性接触带及褶皱发育影响，节理裂隙较发育，围岩完整性和稳定性较差，围岩含水总体上较少。（2）K45+639～K45+623，长度16 m，设计为Ⅱ级围岩。推测该段围岩为Ⅱ级围岩，岩性以闪长岩为主。围岩节理裂隙稍发育，岩体呈整体状结构，完整性和稳定性较好。围岩含水较少，采用II级支护方式及时支护。（3）K45+623～K45+615，长度8 m，设计为Ⅱ级围岩。该段围岩为Ⅲ级围岩，岩体破碎，强度较低，整性和稳定性较差，围岩含水较少。按III级围岩的支护类型施工。