TST技术在城市轨道快线TBM隧道超前地质预报中的应用

胡玉柳

福州地铁集团有限公司

摘要：TST是一项可应用于各种类型隧道（如高速公路、铁路隧道、地铁、输水隧洞等）的超前地质预报技术，是保障隧道施工安全的重要手段之一。结合福州至长乐机场城际铁路工程祥谦站～首占站区间大象山隧道，本文采用TST系统对大象山隧道右线掌子面YDK32+849前方120m内围岩体进行探测，研究TST技术在复杂地质条件下TBM隧道中的应用效果，成果可对TBM隧道的安全施工提供一定的指导意义。

关键词：城际铁路；TBM；TST；超前地质预报

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，交通网络线不断完善，涌现出越来越多的隧道工程项目[1]。据统计，我国未来20年内平均每年有300 km隧道需要建设，其中，大多数隧道埋深较大，复杂的构造运动会导致隧道围岩产生较高的应力情况，同时剧烈的构造运动导致工程区域地质条件复杂多变，常遇到断层破碎带、富水裂隙带、泥化夹层等不良地质体[2-3]，以上不良地质情况会给隧道施工带来不利的影响，为了解决这一问题，可采用超前地质预报方法进行地层情况的预测[4-6]，以此来掌握隧道前方掌子面的地质情况，避免出现因不良地质体造成的工程事故的出现。

本文以福州至长乐机场城际铁路工程祥谦站 ~ 首占站区间大象山隧道为例，采用TST系统开展复杂条件下城市轨道快线TBM隧道的超前地质预报方法研究，以期为TBM隧道的安全施工提供质量保障和指导。

1 工程概况

福州至长乐机场城际铁路工程线路总长62.4km，设计时速140km/h，其中祥谦站～首占站区间隧道总长6419米，包含枕峰山隧道、大象山隧道和嵣屿隧道共三座隧道（如图1所示），其中枕峰山隧道、大象山隧道为TBM隧道，单座隧道最大长度4528m（大象山隧道），TBM区间最小曲线半径2100m。

图1 区间平面示意图

祥谦站～首占站区间隧道沿线为剥蚀残丘地貌单元段，地形起伏大、复杂，暴雨条件下可能引发局部危岩崩塌、塌方等地质灾害。结合地质勘探情况，大象山隧道与枕峰山隧道有4处节理密集带和3处断层破碎带，岩体破碎及裂隙发育，具有丰富的地下水。

2 TST技术原理

TST技术是Tunnel Seismic Tomography的简称，其是通过隧道散射地震成像技术的机理[7]，在隧道围岩两侧分别布设相应的接收和激发系统，再通过小规模的爆破来产生冲击振源，以此产生能够由地震检波器接收的地震波。当地震波传播中遇到岩石强度变化大（如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现）的波阻抗界面时，部分地震波的能量被散射回来。散射信号的传播时间与散射界面的距离成正比，因此在准确获得围岩波速的情况下，能作为地质体位置的直接测量方法。TST可有效地判别和滤除侧面和上下地层的回波，保留掌子面前方回波，并能同时获得前方围岩准确的围岩速度和地质体的位置图像。

TST系统硬件主要由信号采集处理系统、信号接收及联结系统、爆炸装置等几部分组成。TST资料的后处理过程主要包括：地震记录数据格式转换、地震记录选取、地震数据预处理、观测系统几何位置编辑、波场方向滤波、围岩波速分析、地质体偏移成像、综合地质解释等

工作。

3 大象山隧道现场实例分析

本次测试段为大象山隧道出口右线，掌子面里程为YDK32+849，以微~中风化凝灰岩为主，主体为III~IV级围岩。大象山隧道地质条件复杂，地下水丰富，岩体破碎，隧道施工过程中易引发工程灾害。因此在大象山隧道施工中采用TST技术，以探明隧道掌子面前方软弱岩层的分布、节理裂隙发育带、岩溶与涌水、突泥等不利地质条件，判定不良地质体的位置、形式、规模及其对施工的影响程度，并提出预防措施与建议，以便指导施工，保证工程的安全和质量。

3.1  现场测试布置

采用TST技术的孔位布设示意图如图2所示，观测位分别布设在隧道围岩两侧，具体布置如下：

1）检波接收孔8个，S1-S4布置在两侧壁内，每侧壁分别4个，检波器间距d为2环管片。

2）震源孔4个，P1-P4布置在两侧壁内，每侧壁分别2个，第1个震源与检波器间距为2环管片，震源间距8环管片。图3为现场的作业示意图。

图2  TST孔位布置图

图3  TST现场作业

3.2  TST资料处理流程

TST资料的的处理流程可分为原始地震记录及野外观测记录、预处理、波场分离、波速分析、偏移成像和地质解释与预报等环节，TST资料的处理流程如图4所示。首先进行原始地震记录及野外观测记录，然后进行资料预处理及观测系统编辑，再通过软件进行滤波与波场分离，并扫描分析围岩波速，形成偏移成像，最后基于地质资料和围岩波速分布图，得到预测的结果。由TST系统配备的软件处理出来的结果包括两种图像，分别为地质偏移图像和波速分布图像。在图像处理结果的基础上，还需结合实际勘探的地质资料进行综合的解释。

图4  TST资料处理流程

3.3 TST

超前地质预报结果

根据上文所述的现场测试布置、数据采集及处理流程，得到大象山隧道右线掌子面YDK32+849前方120m内偏移成像和围岩波速曲线，如图5所示。偏移成像和围岩波速曲线都是以隧道的里程为横坐标，偏移成像以隧道横向宽度为纵坐标，围岩波速曲线以速度值为纵坐标。

图5  偏移成像和围岩波速曲线图（单位：m）

根据上述偏移成像及围岩波速曲线图，结合地勘资料分析，大象山隧道右线掌子面YDK32+849前方120m区间内的地质情况如表1所示。

表1  大象山隧道超前地质预报结果

序号	里程	地质解释内容
1	YDK32+849~YDK32+814	该段围岩横波波速3630m/s～3710m/s，反映该段围岩岩质较坚硬；该段围岩偏移图像中红蓝条纹较多，出现反射能量叠加较强的条纹，说明反射波稍明显，反映该段围岩结构面发育，节理裂隙发育，或存在破碎带，易形成富水区
2	YDK32+814~YDK32+776	该段围岩横波波速4560m/s，反映该段围岩强度较前一段高，岩质坚硬；该段围岩偏移图像中红蓝条纹较少，说明反射较弱，反映围岩结构面弱发育，节理裂隙局部发育，弱富水区
3	YDK32+776~YDK32+765	该段围岩横波波速3720m/s，反映该段围岩强度较前一段低，岩质较坚硬；该段围岩偏移图像中红蓝条纹较多，出现反射能量叠加较强的条纹，说明反射波稍明显，反映该段围岩结构面发育，节理裂隙发育，易形成富水区
4	YDK32+765~YDK32+729	该段围岩横波波速4620m/s，反映该段围岩强度较前一段高，岩质坚硬；该段围岩偏移图像中红蓝条纹较少，说明反射较弱，反映围岩结构面弱发育，节理裂隙局部发育，弱富水区

由表1超前地质预报结果，并结合地质资料综合分析可知，YDK32+849~YDK32+814区段及YDK32+776~YDK32+765区段围岩结构面发育，节理裂隙发育，岩体质量和整体稳定性较差，易形成富水区，该区段施工时应采取相应的防护措施，保证TBM施工顺利安全掘进。

3.4开挖验证

利用TBM携带的超前钻机或专门的地质钻机对刀盘前方10米的地质情况进行进一步探测，见图6、图7。将超前地质预报结果与超前地质探孔开挖揭露情况相对比，可以看出超前地质预报结果基本符合实际围岩状况。

图6  TBM配备超前钻注一体机

图7  超前地质探孔

3.5不良地质条件防治措施

针对TST超前地质预报反映出的围岩破碎带或富水区等不良地质问题，可采取以下针对性的防治措施：

（1）断层破碎带防治措施

根据围岩对撑靴的反力提供情况选择掘进模式，合理选择刀盘转速和贯入度等掘进参数，安装管片后及时豆砾石充填和豆砾石回填灌浆，通过管片预留灌浆孔径向灌浆固结断层破碎带，对掌子面围岩进行全断面帷幕灌浆。

（2）富水区防治措施

加强结构自防水，预制混凝土衬砌管片抗渗等级由P10提高至P12，强度等级由C50提高至C55。强化壁后注浆防水，对防水段和排水段采用差别化衬砌接缝防水，中等及以上富水段设置洞外环形注浆圈，排水段预留排水通道不注浆。排水段结合二次注浆孔设置可替换型排水管，联络通道采用排水型衬砌，降低区域水头。

4结论

本文以福州至长乐机场城际铁路工程大象山隧道为例，通过采用TST超前地质预报技术，对规定范围内的地质情况进行了基本准确的预测，探明了隧道掌子面YDK32+849前方120m范围内围岩岩性及软弱岩层的分布范围和规模以及节理裂隙发育、富水区等情况，并且通过开挖验证得到了证实。TST超前地质预报技术在大象山隧道中的成功应用，为现场掘进施工起到了较好的指导作用，同时为TBM的施工安全提供了重要的保障。

参考文献

[1]马建，冯镇，邱军领，陈一馨，李东武，丛卓红，丁龙亭，王刚强，陈刚.改革开放40年中国公路交通行业技术变迁及启示[J].长安大学学报(社会科学版),2018,20(06):38-67.

[2]徐正宣，张利国，蒋良文，王科，张广泽，冯涛，王栋，宋章，伊小娟，王哲威，林之恒，欧阳吉，张晓宇.川藏铁路雅安至林芝段工程地质环境及主要工程地质问题[J].工程科学与技术,2021,53(03):29-42.

[3]霍欣.某铁路怒江至伯舒拉岭段主要工程地质问题及地质选线[J].铁道标准设计,2020,64(11):7-13.

[4]王树栋.TSP系统在隧道超前地质预报中的问题及其改善处理[J].现代隧道技术,2013,50(03):129-135.

[5]蒋博.瞬变电磁法在地下空穴探测中的试验研究及应用[D].郑州大学,2013.

[6]刘成禹，余世为.基于探地雷达单道信号处理的岩溶分析方法[J].岩土力学,2016,37(12):3618-3626.

[7]罗洋.隧道工程中TST超前地质预报技术研究[J].交通世界,2021(18):60-61+63.