TST地震波法和CFC复频电导法原理与现场布置

  目前，我国TBM施工隧洞大多数都是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，这样做才能够兼顾二者长处，是高效、超高的性价比、低风险地修建隧洞工程的最佳选择。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。本文介绍了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。

  首先应在前期地勘资料基础上，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方法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，能够适用于地质体的划分；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，能够适用于探水。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。

  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TDIS可控冲击震源，冲击震源作用于隧洞边墙，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[30]。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[31]：完整致密的板岩横波波速在2800~3000m/s;裂隙发育的板岩横波波速在2300~2500m/s（板岩波速与板岩石英含量、埋深等多种因素相关）。

  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所组成。采集参数如下：采样率40Khz, 26道采集，采样时长100s，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L1区主梁下方，贴紧盾尾，在隧洞两侧对称布置。接收孔间距2m，孔深1.8m，接收孔保持在同一水平面，检波器用黄泥耦合。激发孔12个，也布置在L1区，但是分别布置在主梁上下两个水平面上，每个平面间距8m布置6个。可控冲击震源直接在裸岩表面激振。三维TST现场布置如图5所示，TST超前地质预报工作流程如图6所示。

  CFC是一种中频电磁波反射法探水技术,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一定的差异而发生反射，反射波随含水量差异程度的增大而增强[26,28,32]。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来进行频谱相干分析。通过对电磁波速进行偏移图像能量最大化扫描，求取最优电磁波速，和最优偏移图像。再通过公式（1），得到该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，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。

  无论弹性波场还是电磁波场，隧道超前预报中方向性是核心问题，如何确保对掌子面前方区域的探测，是任何一种物探方法都一定要解决的。CFC对此问题通过观测方式和数据处理结合解决。首先在观测方式上，采用阵列式的收发，形成类似 “八木天线” 的强指向性观测系统，如图7所示，其中AB为发射电极，MN为接收电极。同时在数据处理上，对原始数据首先进行白化和滤除，然后再进行后续的处理，提高掌子面前方的电磁波场数据信噪比，从而确保了方向性。CFC采用偶极子天线发射与阵列接收，电极长度1.5-2.0m，埋设于两侧围岩中，可有效地避免隧洞内金属机具等电磁干扰。电极间距5-10m，5对电极阵列接收。CFC超前探水工作流程，如图8所示。

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