超特长隧洞TBM施工“115”超前地质预报系统创建与实践
——以北疆供水二期工程为例

邓铭江， 许振浩， 刘 斌

(1. 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 830000； 2. 山东大学岩土与结构工程研究中心, 山东 济南 250061)

0 引言

我国已是世界上隧道(洞)修建规模和难度最大的国家[1]。在交通工程领域，随着我国铁路、公路网不断向崇山峻岭、离岸深水区延伸，交通隧道总量和建设规模持续增加。截至2020年底，我国已投入运营铁路隧道有16 798座，总长19 630 km，其中，10 km以上的特长铁路隧道总长2 811 km[2]； 我国公路隧道有21 316座，总长21 999.3 km，其中，3 km以上的特长公路隧道总长6 235.5 km[3]。根据国家发改委发布的《中长期铁路网规划》和《国家公路网规划》，到2030年我国将建成高速铁路4.5万km、高速公路11.8万km。在水利水电领域，随着重点水电工程和跨流域调水工程的建设规划，将建设一批深埋长大引水隧洞[4]。例如： 滇中引水隧洞输水干线总长664.24 km，受水区包括35个县(市、区)，总面积3.69万km2；规划的南水北调西线工程，隧洞全长720 km，最长洞段长度达73 km，最大埋深为1 600 m。

我国在建和拟建的绝大多数交通隧道和水工深长隧洞，其长径比达到600～1 000甚至更高，在此条件下，国际上公认采用全断面隧道掘进机(TBM, tunnel boring machine)工法掘进施工在工期、造价、技术等方面具有显著优势[4-7]。但由于深长隧道(洞)线路长、埋深大，施工中容易遭遇断层破碎带、裂隙发育带、软弱地层、溶洞、暗河等不良地质情况[8-11]，致使TBM施工中遭遇突水突泥、塌方等地质灾害的风险较高，易导致TBM卡机、损坏、报废甚至人员伤亡等重大事故。

据121个TBM卡机案例统计分析，塌方和大变形是最为常见的TBM卡机致灾模式，分别占比44%和30%，突水突泥导致了16%的卡机事故[6]。此外，超特长TBM施工隧道(洞)常存在反坡施工、长距离斜井和竖井抽排水难题，一旦发生突水突泥灾害，将会产生巨大的经济损失和人员伤亡，有时还会造成TBM整机报废。李术才等[10]基于200余例突水突泥灾害案例统计分析，提出了“3类11型”突水突泥致灾构造形式和4种突水突泥孕灾模式，研究了致灾构造赋存的地质特征和判识方法，为突水突泥灾害的致灾机制与灾害控制研究奠定了重要基础，对TBM隧道(洞)超前地质预报和突水突泥地质灾害预测预警具有重要的借鉴和指导意义。国内外典型的隧道(洞)TBM施工地质灾害事故统计见表1，轻者导致TBM卡机或机械损毁，重者整机报废，甚至弃用TBM方案、出现人员伤亡等严重后果[6,12-24]。

表1 国内外典型的隧道(洞)TBM施工地质灾害事故

综合分析众多TBM施工案例，TBM施工易发生地质灾害和卡机、机械报废甚至人员伤亡等重大事故的根本原因是： 1)由于山高洞长，在施工前期难以全部查明隧道(洞)沿线的不良地质情况； 2)由于隧道(洞)TBM施工的特殊性和复杂性，在施工期间缺乏有效的不良地质全覆盖超前预报方法，复杂环境TBM施工超前地质预报是世界性难题。

目前，许多超前地质预报方法在钻爆法施工隧道(洞)中应用较好，但面对超特长TBM施工隧道(洞)存在的空间狭小、环境复杂、掘进快速等特点，一些超前地质预报方法面临诸多难题，如探测空间狭小、洞内干扰大影响探测过程进而影响探测结果的准确性，探测设备与TBM不能协同运行等。因此，开展适用于超特长TBM施工引水隧洞不良地质超前预报方法体系研究对隧洞安全建设具有重要意义。

超长洞线、超大埋深的特点对引水隧洞的超前探测提出了新的要求，需要实现对掌子面前方不良地质和可能的地质灾害形式的准确预报，包括掌子面前方的不良地质条件的位置、规模和性质，并对含水体进行定位和定量估算，以及开挖揭露是否会形成地质灾害、地质灾害的严重程度等。为此，本文提出一种超特长隧洞不良地质全覆盖预报预警技术，以“115”超前地质预报系统为核心，开展“1 km”千米级洞段工程地质评价与地质灾害评估、“100 m”百米级长距离地质预报和“50 m”十米级短距离精细探查预报，并基于多元信息联合反演分析，实现对掌子面前方地质灾害的准确预报。

1 隧洞地质灾害预报预警技术现状和挑战

1.1 地质灾害预报预警技术的发展历程与技术现状

自20世纪70年代以来，国内外在隧洞地质灾害的探测理论、方法、技术和工程应用方面开展了大量研究，取得了重要进展，逐步形成了以“四结合原则”为指导思想的超前地质预报理念——长距离探测与短距离探测相结合、洞内探测与洞外调查相结合、物探与钻探相结合、地质与物探相结合[25]，并发展和完善了隧洞外和隧洞内超前地质预报方法。

1.1.1 隧洞外超前地质预报方法

隧洞外超前地质预报方法主要包括地质分析法、航空物探法、地面物探法和地表钻探法等。

1)地质分析法通过隧址区地表工程地质和水文地质调查与分析，推断掌子面前方的地层产状特征，断裂构造与节理发育规律，岩溶发育的部位、走向、形态等地质情况[26]。

2)航空物探方法主要包括高分辨率航空磁测、航空电磁测量、航空放射性测量和航空重力测量等[27-30]。高分辨率航空磁测方法研究和应用始于20世纪80年代末，可用于识别构造细节，分辨细小的断层和裂隙。国内航空电磁测量技术研究始于1959年，被广泛应用于地质填图、水文地质和工程地质勘察、环境监测等。航空放射性测量始于20世纪50年代，在基础地质研究和矿产资源勘查中得到了广泛的应用。航空重力测量技术在20世纪90年代初期试验获得成功，可以有效地进行地质构造解译与构造分层、反演界面深度、圈定凸起与凹陷以及岩浆岩体等。

3)地面物探法属于宏观预报方法，预报距离变化范围较大，探测深度为20～1 000 m甚至更大，可实现区域地形地貌与地质构造的探测，结果具有多解性，结合地表钻探和地质分析，可以初步了解隧址区地质情况。地面物探法包括高频大地电磁法、瞬变电磁法、高密度电法、地震波法和探地雷达法等[31-36]。

4)地表钻探法包括反循环式钻探技术、绳索取芯钻探技术、液动锤钻探技术以及将反循环式与绳索取芯相结合的钻探技术等[37-40]。

1.1.2 隧洞内超前地质预报方法

隧洞内超前地质预报方法主要包括洞内地质素描法、超前钻探法、地震波法、地质雷达法、瞬变电磁法、激发极化/电阻率法、红外探水法等，如表2所示。

表2 隧洞内超前地质预报方法及其TBM施工适用性

1)洞内地质素描法根据掌子面、边墙等处揭露的围岩岩性、结构面产状、地下水出露点及出水状态等信息，预报掌子面前方地质情况[41]。

2)超前钻探法通过钻孔直接揭露隧洞掌子面前方地层岩性、岩体完整性、地下水情况等信息，预测是否可能发生突涌水、有害气体突出等灾害[42-43]。

3)地震波法是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法[44-53]。包括负视速度法、TSP(tunnel seismic prediction)、TRT (true reflection tomography)、水平声波剖面法、TST (tunnel seismic tomography)、陆地声纳法以及专用于TBM施工隧洞的ISIS(integrated seismic imaging system)、SWT(seismic while tunneling)和HSP(horizontal sound probing)等[54-55]。根据地震波的激发源不同，地震波法可分为主动源法和被动源法。

4)地质雷达法是利用电磁波来确定地下介质的一种地球物理探测技术，其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的介电系数差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。对于断层、裂隙带、破碎岩体、岩性界面等有较高的识别能力，对富水区有较敏感响应[56-57]。

5)瞬变电磁法是一种时间域电磁法，利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向掌子面前方发射一次脉冲磁场，在断电后，通过测量由掌子面前方地质体产生的感应二次涡流随时间的变化，来达到地质勘察的目的[58-63]。

6)激发极化/电阻率法是以不同地质介质之间(围岩与不良地质体)的激电或导电性差异为物质基础，通过研究测量地质体的激电效应或地电场实现地质情况探查的一种电法分支方法，对掌子面前方的含水构造响应较敏感，可对含水构造进行定位，并估算水量[64]。

7)红外探水法是一种辅助探水方法，由于所有物体都发射出不可见的红外线能量，该能量的大小与物体的发射率成正比，但易受隧洞施工和灯具等发热体的影响和干扰[65]。

1.1.3 TBM施工隧洞超前地质预报现状

地质灾害预报预警技术的发展对传统钻爆法施工隧洞的安全控制和防灾减灾起到了重要作用，但TBM施工隧洞中实用有效的超前探测理论与方法是国内外长期关注却未能很好解决的难题。TBM施工隧洞的探测环境和电磁干扰极为复杂，对地球物理超前探测方法的观测模式、抗干扰能力、前向感知能力和探测效率等提出了巨大挑战，导致在钻爆法隧洞中较为有效的探测方法常无法适用于TBM环境。

国内外针对TBM施工隧洞超前探测问题开展了大量的理论和应用研究，但整体进展不理想，可用方法仍不足以满足工程建设快速发展的需求。从实际应用情况来看，目前国外仅有不足20%的TBM装配了地球物理探测仪器，国内的比例更小。

从全世界范围来看，目前专用于TBM隧洞的超前探测技术仅有少数几种： 1)德国GD公司研发的BEAM技术，属于聚焦频率域激发极化法，实际探测距离短(<20 m)，本质上仅能定性判断是否存在水体，无法定位，未得到广泛认可和推广[66]； 2) 德国GFZ公司研发的ISIS地震超前探测技术，采用了三维观测模式，具有可取之处，但如何降低和去除TBM施工中强烈的震动噪声问题未能得到很好的解决； 3)其他在研的专用技术，如以TBM刀具破岩震动为震源的随钻地震超前探测技术SWT、TSWD、HSP声波反射法等，如何实现数据的智能分析和直接指导TBM施工智能决策，仍需深入研究。

总之，TBM施工环境中超前探测方法研究尚处于探索阶段，与实际工程需求相差很远。由于地球物理探测方法的局限性，目前较多TBM配有快速超前钻机用于探测地质情况，但存在“一孔之见”的问题，容易遗漏重大灾害源，且经济成本较高，耗时较长，易干扰施工，多被用于高风险段落的探测，无法进行常规性探测，无法满足TBM快速施工超前探测的要求。

综上所述，国内外对TBM施工隧洞超前探测技术研究的进展不理想，少数几种专用探测技术都难以满足工程需要，缺乏TBM施工环境超前探测技术的系统研究，未来的研究任务和形势十分紧迫。同时，目前TBM施工环境中的超前探测技术都十分注重与TBM的一体化和自动化，这代表了TBM施工探测技术的特殊需要和发展趋势。

1.2 超特长隧洞地质灾害预报面临的挑战和关键问题

TBM具有快速掘进的优势，超特长引水隧洞采用TBM法施工是未来的发展趋势。然而，由于超特长隧洞穿越地质条件的复杂性和多样性，以及采用TBM施工时洞内超前地质预报可用空间狭小、电磁干扰复杂等原因，超特长隧洞的不良地质探测和地质灾害预报面临更多的挑战和关键问题。

1.2.1 超特长隧洞快速施工需求与常规超前地质预报方法TBM适用性差之间的矛盾和挑战

超特长隧洞由于其洞线长、埋深大，穿越的地形地质构造条件复杂，遭遇断层、岩溶、破碎带等不良地质更加频繁，发生突水、塌方、大变形等地质灾害风险更高。常规的超前地质预报方法在钻爆法隧洞施工中适用性较强，但由于TBM施工隧洞探测空间狭小、电磁干扰环境复杂、单日掘进里程长、对于不良地质条件适应性差等原因，目前的超前地质预报方法在超特长隧洞TBM施工中面临的问题更为复杂，适用性更差，与TBM高效、快速施工需求之间的矛盾更大。因此，改进和研发适用于TBM法施工超特长隧洞的超前地质预报方法体系是亟待解决的关键问题之一。

1.2.2 TBM探测空间狭小、电磁环境复杂与TBM穿越复杂地质条件探测准确性及精度不足的矛盾和挑战

TBM内部结构复杂，体积大，占用了掌子面后方的大量隧洞空间，对各种物探和钻探等超前地质探测工作的开展带来了极大不便。探测空间不足影响探测过程，进而会降低探测结果的准确性和精度。此外，TBM内部环境复杂，对探测结果干扰大。一方面，由于TBM内部环境复杂，电磁干扰十分强烈，对物探方法尤其是电磁类方法造成了较大困难； 另一方面，突涌水时洞内积水与TBM的耦合作用等不利因素对探测结果干扰较大。

存在突涌水时对不良地质探测的需求更高，但洞内积水等导致探测的准确性和精度降低，甚至于无法开展探测。换而言之，越需要探测的地方干扰越大，探测准确性和精度受影响越大，开展多方法联合反演和多元数据融合分析的难度也越大，探测条件与探测需求的矛盾加剧。因此，研发抗干扰的TBM搭载式超前地质预报设备和方法体系是要解决的关键问题之二。

1.2.3 TBM快速掘进与超前地质预报方法探测效率低、距离短的矛盾和挑战

目前，大多数长距离地震波法超前地质预报需要TBM停机才能开展，不利于提高TBM施工掘进效率和及时防灾能力。山东大学利用TBM掘进破岩产生的强烈震动，借鉴“随钻地震”和“变噪为源”的思想，巧妙利用TBM破岩震动，提出了以破岩震动为震源的实时超前探测新方法[67-68]，在北疆供水二期工程开展了丰富的现场试验与应用研究。

然而，如何实现数据的智能分析和直接指导TBM施工智能决策，将超前地质预报数据分析结果作为指导TBM智能掘进的直接依据之一与机器参数有机融合，尚需开展深入的研究，以适应TBM快速掘进和智能决策的需求。对于短距离探水方法而言，也应加强探测实时化，避免遗漏灾害风险源。因此，突破长距离智能探测和长距离探水技术以及相应的TBM搭载式成套探测技术是今后TBM集群施工超前地质预报要解决的关键问题之三。

1.2.4 超特长隧洞探测数据丰富与难于实现多元信息融合反演效果的矛盾和挑战

在超特长隧洞建设过程中，不同建设阶段由不同单位开展了不同方法的探测，涵盖航空物探、地面物探、钻探、洞内超前地质预报等一系列方法和丰富的数据。然而，不同阶段探测范围不一致、探测侧重点不一致、探测精度不一致，不同单位之间信息资料共享机制不完善，目前还只能实现多源数据联合反演，缺乏多元数据融合反演的数据融合分析机制和方法。其次，不同探测方法获得的数据格式不兼容和不匹配，导致数据融合效果差，联合反演难度高，不能满足融合反演和智能决策的需求。同时，尚未建立探测结果与隧洞掘进参数之间的定量表征关系，以及融合不同探测方法的超前地质预报数据的TBM智能决策方法体系。因此，实现超特长隧洞不良地质探测数据的融合反演是亟需解决的关键问题之四。

2 超特长隧洞TBM施工不良地质全覆盖预报系统的建立与实现

2.1 “115”超前地质预报系统

超特长隧洞建设过程中面临TBM施工电磁干扰的特殊性及地质灾害的复杂性和多样性，传统的超前地质预报方法不能很好地满足超特长隧洞的快速掘进需求。为此，本文提出了一种超特长隧洞TBM施工不良地质全覆盖预报系统，即“115”超前地质预报系统。“115”超前地质预报系统以“1 km”千米级宏观地质预报和地质灾害评估、“100 m”百米级长距离地质预报和“50 m”十米级短距离精细探查预报为主要内容，以前摄性地质预警为目的，探测结果覆盖隧洞全洞段的不良地质预报与地质灾害预警。“115”超前地质预报系统实施流程如图1所示。

图1 “115”超前地质预报系统实施流程图

每个循环中“1 km”千米级宏观地质预报为“100 m”百米级长距离地质预报提供隧址区宏观地质信息，“100 m”百米级长距离地质预报为“50 m”十米级短距离精细探查预报提供掌子面前方长距离地质预报信息，“50 m”十米级短距离精细探查预报为隧洞施工提供掌子面前方精细化探测信息。隧洞施工即将通过短距离探测段后，进入下一阶段的隧洞长距离超前地质预报和短距离精细化探查预报，直至隧洞施工通过本循环的宏观地质预报段落。上一循环完成后，进入下一循环“115”超前地质预报阶段，前一循环为下一循环提供修正的宏观地质预报信息和各种探测方法反馈修正数据等基础地质和物探信息，进而开展隧洞全洞段超前地质预报，实现对掌子面前方的不良地质和可能由其引发的地质灾害形式的全覆盖预报。

该超前地质预报系统紧紧围绕超特长隧洞TBM施工特点，有机结合不同超前地质预报方法，最大限度发挥了不同超前地质预报的优点，分阶段、重循环、动态反馈，能够显著提高不良地质探测和地质灾害预测的准确性。

2.2 “1 km”千米级宏观地质预报

“1 km”千米级宏观地质预报采用航空物探和地面物探联合探测技术开展超前地质预报，实现区域地形地貌与地质构造的探测，初步掌握隧洞沿线区域范围内地质特征，如地形地貌、地表流域、地质构造等，并结合勘察期地表钻探和地质分析结果，以1 km为单位划分区域，初步查明掌子面前方千米范围内的地质概况，尤其是大型不良地质构造类型、区域地下水分布规律和主要地质灾害类型。

航空物探以无人机技术为基础，通过无人机搭载电磁探测设备等在地表开展隧址区航空探测。航空探测具有速度快、效率高、节省劳动力等优点，能够快速、连续、反复地开展多元数据采集，结合计算机图像处理，可方便用户快速收集数据，开展分析，节省大量时间和人力，且能反复开展，并能够在短期内取得大面积的地质探测资料。地面物探通过在隧洞地表开展地球物理探测，来调查隧址区地下岩性分界面、含水体分布规律，如大地电磁法。开展地面物探相比钻探费用低，施工方便。采用航空物探和地面物探联合探测技术，可以在大范围内确定地质构造和含水特征，但分辨率较低，对一些异常值较小的异常体探测不准，且定位难以做到十分准确。因此，结合地面钻探直观揭露的地质特征，开展多元地质信息融合分析，与航空物探和地面物探联合探测结果相互印证，可初步确定区域范围内不良地质类型及其分布位置，并初步判断可能出现的地质灾害形式及规模。

在探测结果基础上，开展隧洞掌子面前方千米范围内隧洞动态地质灾害风险评估，根据可能发生的主要地质灾害类型、规模，划分地质灾害和施工风险等级，为长距离与短距离超前地质预报方法选择和开展提供指导，为施工方案的变更提供依据。

2.3 “100 m”百米级长距离地质预报

“100 m”百米级长距离地质预报是在已建立的千米范围洞段宏观地质预报与地质灾害评估结果基础上开展的，以地震波法(分为采用人工震源的主动源地震波法和采用TBM破岩震源信号的被动源地震波法)为核心，以超前水平钻孔和地质分析为辅助手段，探测100 m左右距离的超前地质预报技术。通常在无明显大规模不良地质构造和低风险等级地段采用地震波法结合地质分析的方法开展探测，在存在或疑似存在大规模不良地质构造和地质灾害等级较高的地段辅以超前钻探技术。

长距离超前地质预报主要任务是基本查明掌子面前方100 m范围内的地质情况，判断断层、溶洞、导水通道等不良地质构造是否存在或其存在的位置及规模大小，为开展短距离含水结构精细探查圈定里程范围。通常以TSP法、TRT法和破岩震源法等为主要手段。目前，采用地震波类方法识别含水体还存在很大困难，且定位的准确度较差，只能粗略估测和预报。因此，在探测结果显示掌子面前方存在大规模不良地质构造或处于地下水发育洞段，还需进一步开展钻探并结合短距离超前地质预报开展精细化探测工作。

由于主动源地震波法超前探测占用边墙或掘进面较大空间，若采用炸药激发震源，容易损坏TBM，因此很难应用到TBM环境，只有少数技术被用于开敞式TBM，但缺乏针对性设计，使用不方便，仍存在速度分析不准确、探测可靠性差的问题；因此，针对TBM特殊环境，采用以破岩震动为震源的实时超前探测新方法，实现随TBM掘进实时探测和动态成像，如山东大学研制的TBM破岩震源地震实时超前探测系统[67-69](见图2)，可有效改善传统地震波法的超前探测效果。

图2 TBM搭载地震超前探测系统[67-69]

2.4 “50 m”十米级短距离精细探查预报

“50 m”十米级短距离精细探查预报是在百米级长距离地质预报基础上开展的，以电磁类方法探水、地震波法加密探测、超前钻探法锁定为主要手段，结合地质分析，以准确掌握掌子面前方50 m范围内的地质构造和地下水发育情况为目的的预报技术。

通过“50 m”十米级短距离精细探查预报可以准确确定不良地质体及含水体的性质、位置和规模，准确判断掌子面前方可能出现的地质灾害类型，为超特长隧洞TBM施工及地质灾害的防控与处治提供参考和依据。由于距离掌子面前方不良地质体较近，其地球物理响应特征明显，因而探测精度较100 m长距离地质预报高。结合钻探信息，如钻探过程中的钻进速度、破坏能以及卡钻、跳钻、塌孔等异常钻探现象，岩粉与冲洗液性质、钻孔涌水量等，可确定前方不良地质情况。

针对TBM施工超特长隧洞超前地质预报操作空间不足的问题和预报效率低的难题，北疆供水二期工程采用TBM搭载激发极化探测系统[70](见图3)，充分利用TBM掘进作业间歇，实现了激发极化探测不良地质的自动化、快速化和高精度。

图3 TBM搭载激发极化探测系统[70]

2.5 多元信息联合反演分析

针对超特长隧洞TBM施工复杂环境中探测具有多解性，其准确性难以保证的难题，建立基于“115”超前地质预报系统的多元信息联合反演分析方法。该系统以航空物探和地面物探联合探测结果、地表钻孔结果为基础，以破岩震源、TBM机载激发极化技术为核心，以地质素描、调查和分析为前提，以超前钻探、钻孔雷达为补充，适当整合其他超前地质预报方法，形成多元信息联合反演综合超前地质预报技术体系，建立不同地球物理方法模型空间参数的相互关系和联合反演方法，实现地质信息、地震数据、激发极化数据等多元信息的联合反演，通过并行计算、信息管理实现超前地质预报可视化与智能化。

3 工程应用与实践

3.1 工程简介

北疆供水二期工程由XE、KS、SS 3段组成，输水总长 540.28 km。其中，XE、KS、SS隧洞总长516.19 km，设计采用18台TBM分段掘进，深埋、超特长、TBM集群施工是该隧洞工程建设的显著特点。KS隧洞是目前世界在建最长输水隧洞，单洞长283.27 km，TBM掘进段占80%，单机施工区间最长23 km，隧洞建成后将实现单机连续掘进和累计掘进国内记录的“双突破”。

依托工程褶皱构造发育，隧洞穿越8条区域性断裂，破碎带地表宽度为100～200 m，最宽800 m。同时，还分布有次级断层破碎带129条。其中，XE隧洞穿过44条断层破碎带，累计长度0.93 km，占洞长的0.7%；KS隧洞穿过77条断层破碎带，累计长度2.5 km，占洞长的0.9%；SS隧洞穿过16条断层破碎带，累计长度0.48 km，占洞长的0.5%。整个输水线路洞身段附近的断层和裂隙不发育，裂隙以中陡倾角为主，裂隙面大多数被石英脉充填，以压扭性结构面为主。XE段和KS段隧洞围岩以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，占比超过84%，围岩条件总体较好，适合TBM机械化快速施工。SS段喀拉卡特隧洞的Ⅱ、Ⅲ类围岩占比68.9%，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比31.1%，岩石饱和抗压强度Rb<30 MPa的段长占全洞长的29%，普遍为泥岩夹砂岩软岩地层，施工中需特别关注坍塌和围岩大变形问题。

隧洞岩体一般属微—弱透水性，断层破碎带属弱—中等透水性。区内地下水类型主要为基岩裂隙水，岩体较完整洞段的单位涌水量为8 m3/(h·km)；通过地表水库、河流和软岩地段时，单位涌水量为16 m3/(h·km)；通过区域性断裂破碎带地段时，单位涌水量为80 m3/(h·km)。

3.2 SS隧洞富水区域“115”超前地质预报

3.2.1 工程概况

北疆供水二期工程SS 隧洞Ⅲ标段处于低山区内，沿线基岩基本裸露，地面海拔775～1 005 m，地形起伏不大。相对高差一般为5～20 m，局部最大高差35 m，总地势西高东低。本标段隧洞近东西向(方位角89.2°)直线布置。隧洞埋深80～300 m，地势较平坦，岩性主要为中—上石炭统灰黑、暗红色安山岩和浅肉红色岩屑玻屑凝灰岩，局部夹凝灰质砂岩和凝灰质粉砂岩，断层和节理裂隙不发育。

SS 隧洞Ⅲ标TBM掘进17个月停机堵水345 d，仅掘进3.1 km，排水超过1 400万m3。

3.2.2 “1 km”千米级宏观地质预报

地面物探采用瞬变电磁探测方法成功探明了SS47+000～SS50+500里程段隧洞附近富水区情况。测区内的表层区域存在戈壁碎石，属于高阻表层。经过分析，浅层存在部分冰雪融水等形成的包气带水，含水率高则会导致导电性增强，会与高阻的背景产生较大差异，因而存在较好的电法探测前提。SS47+000～SS50+500段瞬变电磁探测结果如图4所示。

ρ为电阻率，Ω·m。

解译结果如下：

1)SS47+000～SS48+000段落。存在富水情况，因反演电阻率值相对较高，并夹杂高阻区域目标，推测该区域的水量中等，但该区域范围较大。

2)SS49+300～+800段落。存在富水情况，根据钻孔水位数据判断其应该不会与浅层地下水连通。

SS47+000 ～ SS50+500设计3个地表钻孔，钻探结果如下：

1)SS48+000～SS49+000里程钻孔ZK224，揭露小规模断层中有滴渗水现象，且该段隧洞一般处于裂隙水以下150～210 m，估算该段隧洞总涌水量较低。

2)SS49+300～+800里程钻孔ZK303-1和ZK303，均揭露较大规模的断层，沿断层破碎带或裂隙密集带有线状流水。其中，ZK303揭露断层f100-1 宽154 m，估算该点涌水量为300 m3/h，与瞬变电磁探测结果基本一致。

区域“1 km”洞段工程地质评价采用地面物探开展超前地质预报，实现区域地质构造与富水区情况的探测，并结合地表钻探和地质分析，初步了解掌子面前方千米范围内地质概况，为长距离超前地质预报提供参考。

3.2.3 “100 m”百米级长距离地质预报

采用被动源地震波法探测掌子面SS49+563前方地质情况并进行地质灾害预报，探测距离为SS49+563～+463。地震波三维成像图和成像俯视图见图5。

(a) 三维图

结合探测区域的地震波反射成像图和地质分析，推断地质情况及可能的灾害情况，解译结果如下：

1)SS49+563～+543段落。在反射图像上未出现明显的正负反射，推断该段落与掌子面围岩类似，围岩完整性较好。

2)SS49+543～+483段落。在反射图像上出现明显的正负反射，推断该段落围岩较破碎，易发生掉块、塌腔。

3)SS49+483～+463段落。在反射图像上局部出现较明显的正负反射，推断该段落围岩局部可能发生掉块、塌腔。

3.2.4 “50 m”十米级短距离精细探查预报

采用GEI综合电法仪探测掌子面SS49+504前方地质情况并进行地质灾害预报，探测距离为SS49+504～+474。激发极化法探测结果见图6。

(a) 三维成像图

综合分析，解译结果如下：

1)SS49+504～+489段落。三维电阻率图像中,该段右侧电阻率值局部较低，推断该区域隧洞右侧易发生股状涌水现象。

2)SS49+489～+474段落。三维电阻率图像中,该段右侧电阻率值较前段有所升高，推断该区域隧洞右侧可能出现线状流水现象。

3.2.5 开挖验证

采用GEI综合电法仪探测掌子面前方里程区域SS49+504～+489隧洞右侧易发生股状涌水现象，开挖揭露SS49+500.6 右侧承压水突出涌水量1 450 m3/h，如图7所示。

图7 SS隧洞开挖涌水照片

3.3 KS隧洞破碎富水段“100 m”百米级长距离地质预报与“50 m”十米级短距离精细探查预报

3.3.1 工程概况

KS标段在区域构造上没有区域性大断裂带穿过，发育与工程有关的次级断裂共19条，产状主要为50°～90°NW∠45°～70°、40°～55°SE∠65°或295°～330°SW∠50°～74°，断层走向与洞轴线夹角为30°～70°，破碎带宽10～37 m，带内以糜棱岩、碎裂岩及断层角砾岩为主。另据钻孔揭露，本标段还有零星少量小型断层，宽度一般为2～10 m，带内以糜棱岩及碎裂岩为主。

3.3.2 “100 m”百米级长距离地质预报

采用地震波法探测掌子面KS54+314前方地质情况并进行地质灾害预报，探测距离为KS54+314～+214。地震波三维成像图和成像俯视图见图8。

(a) 三维图

结合探测区域的地震波反射成像图和地质分析，推断地质情况及可能的灾害情况，解译结果如下：

1)KS54+314～+299段落。在反射图像上存在零星的正负反射，推断该段落围岩较完整，局部较破碎，易发生掉块。

2)KS54+299～+254段落。在反射图像上无明显的正负反射，推断该段落围岩较完整，局部裂隙发育。

3)KS54+254～+214 段落。在反射图像上出现明显的正负反射，推断该段落围岩较破碎，节理裂隙发育，易发生掉块和塌腔。

3.3.3 “50 m”十米级短距离精细探查预报

采用GEI综合电法仪探测掌子面KS54+314前方地质情况并进行地质灾害预报，探测距离为KS54+314～+284。激发极化法探测结果见图9。

(a) 三维成像图

综合分析，解译结果如下：

1)KS54+314～+304段落。三维电阻率图像中左侧电阻率值较低，半衰时之差成正值，推断该区域易出现线状流水，局部可能出现股状涌水。

2)KS54+304～+284段落。三维电阻率图像中电阻率值较前一段落稍有增高，半衰时之差不明显，推断该区域围岩易出现滴水，局部可能出现线状流水。

3.3.4 开挖验证

在探测结束后，掌子面开挖掘进，开挖结果显示，掌子面前方0～15 m围岩较完整，揭露股状涌水，15～55 m围岩较完整，与预报结果一致； 55～100 m围岩完整性差，与预报结果基本一致。其中，掌子面在掘进1 m后，开挖揭露岩性为白云岩夹灰岩，岩体较破碎，节理裂隙发育，地下水发育，拱顶滴渗水，9点钟方向股状出水，涌水量约1 200 m3/h，如图10所示。

(a)

4 结论与讨论

本文围绕超特长隧洞TBM施工地质灾害预报预警问题，指出了超特长隧洞地质灾害预报预警技术现状和挑战，进而创建了超特长隧洞TBM施工不良地质全覆盖预报系统，即“115”超前地质预报系统，提出了该超前地质预报系统的体系、主要内容和实施流程，并在超特长隧洞工程中开展了工程应用和实践。

1)提出了一种超特长隧洞不良地质全覆盖预报系统——“115”超前地质预报系统，该预报系统包括“1 km”千米级宏观地质预报、“100 m”百米级长距离地质预报和“50 m”十米级短距离精细探查预报3个层次，并基于多元信息融合分析，实现对掌子面前方不良地质和可能的地质灾害形式的准确预报。

2)超特长隧洞不良地质全覆盖预报系统在北疆供水二期工程SS隧洞富水地质段、KS隧洞破碎富水段等项目中成功应用，成功预报了施工过程中断层及其破碎带的规模及位置，预测了涌水、塌方等地质灾害形式，为隧洞安全高效掘进提供了保障。

3)“115”超前地质预报系统不仅在水利行业超特长隧洞TBM施工工程中，而且在其他公路、铁路、水电等行业领域的隧道(洞)钻爆法与TBM施工工程中均具有广泛的应用前景，可实现掌子面前方不良地质和可能由其引发的地质灾害形式的全覆盖预报。

4)超特长引水隧洞采用TBM法施工是未来的发展趋势，但由于TBM施工隧洞内超前地质预报空间狭小、电磁干扰复杂、TBM快速掘进需求高等原因，超特长隧洞TBM施工超前地质预报面临众多技术挑战，如超特长隧洞快速施工需求与常规超前地质预报方法TBM适用性差之间的矛盾和挑战，TBM探测空间狭小、电磁环境复杂与TBM穿越复杂地质条件探测准确性及精度不足的矛盾和挑战，TBM快速掘进与超前地质预报方法探测效率低、距离短的矛盾和挑战，超特长隧洞探测数据丰富与难于多元融合反演效果的矛盾和挑战等。采用TBM刀盘破岩震源信号、搭载式预报装备、抗干扰和去干扰理论与技术、多元信息融合反演预报、智能决策分析等是未来的发展方向。

5)“115”超前地质预报系统在北疆供水项目TBM隧洞中开展了工程实践，取得了良好的效果，但仍需开展进一步的工程应用，进行不断的补充和完善。针对超特长TBM隧道(洞)建设，建立基于“115”超前地质预报系统预报结果的隧道(洞)地质灾害分级评价方法，并根据评价等级确定不同的施工措施，进而避免地质灾害的发生或降低地质灾害的危险，是继续研究的方向。