装配式建筑构件产品认证及免套筒灌浆技术讨论

春暖花开的季节，疫情即将散去，装配式建筑行业的春天已经到来！近日，几位知名行业专家在线上针对装配式建筑构件产品认证及免套筒灌浆技术进行了精彩的讨论，技术经验与智慧的结合让大家受益匪浅，现整理如下，以飨读者。参与讨论的部分专家有：

张伟宏—利勃海尔机械（徐州）有限公司总经理

彭雄博士—中科建（北京）建筑规划设计有限公司总经理

谷名望—深圳现代营造技术总经理

周旭—北京住总集团第三开发公司项目总工

孟宪宏—沈阳建筑大学教授

平永杰—北京建筑材料检验研究院有限公司经理

高春风—中建协认证中心装配式建筑项目总监

一、装配式建筑产品及其认证

高春风

近期中建协认证中心正在国家认监委申请部分构件的认证规则备案。过程中专家们一直有个争议：预制构件是不是产品。从北京市住建委网站很容易查到，预制构件应归到建筑材料类。怎么解决这个问题呢？构件认证是否属于部品部件认证？都是需要解决的问题。大道至简，才能有所突破，问题本身先不去纠结，目前情况预制构件的产品标准一直未能统一，后续的认证工作就更无从说起，目前对装配式行业的发展负面和掣肘作用很大。

谷名望

1、按照工业制造产品的逻辑，通常由生产厂家自己设计产品，并进行定型，按照自己的质量管理体系进行品质控制，内部发放合格证，产品不针对某个特定对象，而是面向整个市场，由相关部门监督管理，质量有问题就会被市场拒绝。

2、按照工程管理的逻辑，是几方责任主体分工合作，设计、委托生产，产品仅服务于特定对象，由建设行政机关统筹各方进行质量验收，即使有毛病，验收了就行，所以建筑就没有不合格工程。

3、从以上特征区别来看，大多数构件是订制，并不通用，不能算是产品，能够算产品的主要是“水泥制品”，如管桩、空心楼板、条板隔墙等，这些都有产品标准图集，产品标准图集可以视为产品标准。例如楼梯应该向产品方向发展，特别是住宅楼梯，2.8、2.9、3.0米层高，板式、梁式、单双跑，也就十来种形式，易于定型。

4、2013年，住建部委托山东建建设厅质监总站立项《预制构件质量监管体系的研究》课题，聘请我做专家。2014年我到安徽省调研时，安徽总站提出和我相同的观点，如果做为产品，就该是市场监督局监管。因为取消了资质，市场上的建筑产品是最复杂的，最难管也不好管的。

5、只有通用的东西，生产工艺流程可以完全标准化，才能用市场监督管理的办法，预制构件过于复杂，只有部分能够按产品管理，大部分还得按照工程管理，因此GB50204设定驻厂监造，是基本合理的。

周旭

1、个人认为构件厂生产的预制构件应算是产品。 工厂设计生产产品也得迎合市场，主要是目前市场没有标准件组装建筑的需求，所以板、墙、阳台等都需要定制，但定制也是产品。构件厂生产楼梯、生产管桩、空心楼板，也生产定制的预制构件。我觉得从构件厂的角度来讲，还是要用一套质量管理体系易于管理，越简单，层级越少，趋于扁平的管理模型，也就越高效。

2、同时有几个问题需要思考，如是否生产能够达到标准化、有没有实用的标准；市场相关部门具备怎样相应能力管理预制构件；是否按照工程管理的要求管理生产更有保障。

高春风

装配式建筑构件和企业的认证，政府可以购买服务。 这项工作住建部标准定额司等一直在力推，很着急。因为了解到装配式建筑企业和发达国家的差距，也清楚国内的质量现状，所以非常支持这项工作的推进。国家认监委、市场监管局也在有力推动，相信定会有突破。各部委如果没有精力管细节，我认为可以购买服务。比如检测机构和认证机构联手，就能轻松把问题解决了。如北京市质监总站就是这样加强对京津冀地区的构件质量管理的。

谷名望

1、发达国家和地区的认证经验：日本、美国和香港，是对预制构件生产企业进行质量管理体系的认证，纳入协会管理，比如日本的协会对中国的几家预制构件厂进行质量管理水平认证，通过认证的企业，就可以出口产品到日本，能够接到日本的订单。美国是由PCI协会对会员企业进行认证，不定期派出专家到厂里突击检查技术质量管理情况，连续两次不达标，取消会员资格，失去了PCI协会会员资格，基本上除了邻居大叔买你两块板子以外，一些政府工程和大工程基本是没有机会投标了。香港是由房屋署进行认证，发放HKQS认证标志，没有这个认证就进不了香港市场。

2、国内新建的预制构件厂，多数是建筑业转型，做得好的，像榆构、上海城建、上海建工等没有几个，都是原来的构件厂遗留下来的，一定要按照工业的管理体系来做才有可能，工业讲究的是工艺流程和管控，建筑业讲究的是关系，酒杯一端政策放宽，无形中，产品质量就与企业文化有关系了。

3、预制构件“看似简单、实则不易”，广东有的企业按照香港的质量标准和要求生产构件 。香港用的都是大陆民工，质量做的也是世界一流。香港由于执行英国的法律体系，对构件质量的验收，在国内看来“近乎苛刻”，但是他们就是能够做到。

4、深圳市《预制构件企业星级评价标准》编制时，就邀请了美国专家Kim，日本专家十直树，学习借鉴国外的办法进行管控。所以国内预制构件行业的认证，要想把产品标准化，还需要假以时日，首先是把产品体系和管理体系建立起来，产品体系可以成熟一个做一个，再通过行政的力量进行推广，做出示范，不断地推动模数化、标准化，就会形成多重标准构件。

彭雄

1、住建部2014年取消了构件厂资质管理，实际上就是想把预制构件当成工业化产品。 但事实上，预制构件到今天为止，还不是成熟的工业化产品。何为工业化产品，关键应该是否合格证的背后就能确保构件的合格。我跟富士康聊过，为什么工业化产品合格证就能确保产品合格，其实很简单，企业标准是稳定透明的，机械的自动化程度高，制造过程是稳定的，控制机器的程序也是稳定的，生产出来的产品自然是合格稳定的，当然机器也有误差，那是正态分布的，通过控制标准，确保保证率的。

2、目前，我们生产构件关键问题在于仍然有大量的人工，人工是不稳定的，很难实现合格证来保证合格。 所以，现在虽然是按照产品在管理，但是实际上都看成现场的延伸管理，包括驻场监理，各方参与的首段验收首件验收的程序。参与的就要担责任，责任分散了，就不是产品，产品有明确的单一责任主体。当然，不是说工厂自动化程度不高，就目前来说，自动化程度也很难提高，因为目前推进的是装配整体式。

二、德国设计师如何深化设计？

高春风

德国构件标准化很低，只有1.1重复率。有请利勃海尔张总给讲下，德国设计师如何深化设计，是否也像国内的设计师一样程序的在画图吗？

张伟宏

德国绝大多数图纸从建筑设计已经开始考虑按照工业化产品生产，即BIM设计，所以深化设计确实很少拼命的再画图了，而是通过数据传输，经过简单的深化设计就自动输入到中心主控计算机，然后大量自动设计，少量人工辅助特殊部分、施工差异化的部分设计。

三、德国BIM设计应用很普遍吗?

高春风

现在国内的设计院能实现构件正向设计的极少。德国BIM设计应用普遍程度怎样？德国构件厂的自动化程度如何？

张伟宏

1、大部分企业BIM使用比较普遍，即使不用BIM，他们建筑设计使用普通CAD设计的也比我们现在设计的容易使用软件更快，更自动转化。

2、转化软件应拥有更多功能，建筑工业化设计的图纸和现浇的图纸更准确，国内很多是现浇图纸，现浇能够到现场改，到了工业化生产就没有回头路，只能修改正确再继续深化。

四、双皮墙、免灌浆套筒体系是发展方向

高春风

1、在PC装配式体系中，“双皮墙”具有其他体系无法比拟的优点，生产时不出筋易于实现自动化，装配时不用套筒灌浆，大幅度减少质量隐患，综合成本明显低于其他方式。 欧洲双皮墙应用比例很高，因为他们有一批专业技术人员一直在潜心研究，有专业工厂愿意去做，质量、价格得到了市场认可。

2、北京住总万科已经生产了双皮墙样板。北京万科公司要在京津冀地区要开双皮墙应用先河。 友情提示：国标GB/T51231和上海，江苏双皮墙技术规程中，都提到了双皮墙的内表面必须做4mm粗糙面。其作用是利于新旧混凝土结合防止出现三层皮，防止开裂；同时利于防水，降低浸水深度。

3、在欧盟和德国的双皮墙构件，粗糙度检验是重点项。 而且桁架筋需要与网片点焊或者绑扎牢固。A板可以人工或者机械拉毛，B板被扣在A板下部，生产时如何拉毛？办法总比困难多：采用半干硬混凝土，石子颗粒外露粗尖角；人工制作1-2米长的耙子，伸进200mm厚空腔里，从四周拉毛；如果A板B板内表面光滑，粗糙度不够，那么质量隐患在前边等着，其后果德国人已经领教过。所以他们每个周都要测粗糙度。在双皮墙深化设计时，就应该在设计说明里强调粗糙度。

4、双皮墙的浸水深度试验也是德国构件的重点检验项。 我见过德国双皮墙拉毛的照片，这是一个方式，把耙子伸进去。有的构件厂是半干硬混凝土，也要振动成型。石子的尖角外露。自密实混凝土也是一种方式，而且表面容易太光，但是成本偏高。

5、中建协认证中心在和德国高品质联盟合作，成立了中国C-syspro高品质联盟。 目前有住总万科，中建科技，武汉美好置业，北京燕通构件厂等。欢迎全国的构件企业加盟。我们通过高品质联盟能接触到欧洲的先进技术和标准。他们以前也走了很多弯路。以前德国的叠合板也四面出筋，后来改进了设计，采用拐角筋，生产时侧模就不用开洞了，实现了模板的多次周转，降低了成本，提高了工效，机械手操作成为可能。

张伟宏

德国自动生产双层墙毛面，需要半干自密实混凝土+模台微震动，模台震动力必须可调，这样来试出不同配合比的最佳状态。否则就需要按照高总说的人工拉毛，需要工人有技术有责任心。

高春风

1、分享一个案例，如下是2020年3月份浙江省的一个地标，今后双皮墙体系、免灌浆套筒体系是个方向。有专家称，浙江省的这个叠合剪力墙体系质量验收规范存在一些改进空间。

2、目前国内的楼板相对较薄，隔音效果会受影响。现在疫情时期，楼上小孩儿跑来跑去咚咚响。欧洲的楼板厚度超出想像，他们的噪音扰民几乎没有，这是欧洲建筑设计的首要考虑，日本的叠合板也很厚。

3、标准化协会3月12日发的征求意见稿，这是免灌浆套筒连接的新体系。八度区只能做到50米，六度区可以到100米高。以后免灌浆体系会越来越多。中建科技廊坊工厂的双皮墙生产现在半停滞，京津冀几乎没有什么项目。现在燕通在做纵肋免灌浆套筒体系，今年承德绿建有示范应用。

4、现在的装配整体式式剪力墙体系中，设计院有必要把细而密的竖向钢筋优化，降低钢筋和套筒连接难度。 现在有的工地安墙板时，项目部为防止工人切断插筋，把气割设备藏起来。

周旭

技术要研究，我觉得核心是需要提高人的素质。 第一人员培养，深入专科院校培训教育培养建筑工人；第二提高待遇，修改计价规则，至少把定额的人工单价提高到市场平均水平；第三需要做充分准备，设计周期加长，深化设计周期加长，前期施工组织策划时间加长。

孟宪宏教授

以后经济发达了，可以要求剪力墙最小厚度300，楼板最小150，现在的问题就不是问题了，淘汰抗拉强度500MPA以下的受力钢筋，可以解决很多问题。

刘建刚

天津百利环保免套筒灌浆新体系，这个体系在吉林中铁等多个项目中已经在使用，吉林也有这个体系的地方标准，百利环保正在想办法在京津冀地区推广。

复杂地质富水条件下TBM施工隧洞综合超前预报体系实践

《水利水电技术（中英文）》官网网址https://sjwj.cbpt.cnki.net

摘 要：

【目的】为了准确地对钻爆与TBM联合施工的隧洞进行综合超前预报，【方法】以秘鲁圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞工程为依托，基于探构造与探水结合、物探与地质手段结合、预报结果与地质分析结合的超前预报思路，对现有常用超前预报技术进行研究。改进TST与CFC技术在TBM隧道中的观测系统布置方式，使之适应TBM隧道工况，并在实际开挖掘进中检验该综合超前预报体系的准确性。【结果】结果显示，建立的以地质资料为基础、以三维地震波法与CFC超前探水方法为核心、以超前钻探和超前注浆为保障的综合超前预报体系，准确性良好，预报的定性准确率为90.5%,定位准确率为82%。【结论】结果表明，在该体系的指导下，实现了对不良地质体的超前治理，进而有效避免了富水断层破碎带对TBM施工的干扰，保障了TBM高效安全掘进。该综合超前预报体系兼容钻爆法与TBM法施工隧洞，对同时开展两种施工方法的引水隧洞具有借鉴意义。

关键词：

引水隧洞;富水隧洞超前探水;TBM超前预报;地震波超前预报;复频电导;TST;CFC;

作者简介：

赵东波(1987—)，男，工程师，学士，秘鲁圣加旺水电站项目部总经理助理，主要从事国际工程管理相关工作研究。

*姚琦发(1994—)，男，工程师，学士，主要从事工程物探检测等相关工作。

基金：

国家高技术研究发展计划(2012AA041803);

引用：

赵东波, 姚琦发, 李鹏宇, 等. 复杂地质富水条件下 TBM 施工隧洞综合超前预报体系实践[J]. 水利水电技术(中英文), 2023, 54(6): 124- 136.

ZHAO Dongbo, YAO Qifa, LI Pengyu, et al. Practice of comprehensive advance forecasting system for TBM tunnel construction under complex geological and water-rich conditions[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2023, 54(6): 124- 136.

0 引 言

在水利水电领域，随着重点水电工程和跨流域输水工程的建设规划，正建设一批长径比达600～1 000及以上的深埋长大引水隧洞。业内公认全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, 简称TBM)施工隧洞具有高效、高质量、高性价比、环保等优势。随着我国掘进设备设计制造水平的进步，以吉林引松工程为代表的自主品牌TBM在赢得了建设单位、施工企业信赖的同时，也在国内、海外项目推广开来。受限于TBM较差的地质适应性，隧洞施工易受断层及其破碎带、节理裂隙密集带、软弱夹层、输水构造等不良地质条件影响，且较长的线路与较大的埋深也放大了这种影响。我国TBM施工隧洞基本上都是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，这样可以兼顾二者长处，是高效、高性价比、低风险地修建隧洞工程的最佳选择。综合分析众多TBM卡机事故案例,究其原因，主要是：(1)受资金、技术、环境等诸多原因影响，导致有不良地质体被前期勘察“漏掉”,没被查明；(2)由于TBM施工隧洞环境的复杂性，在该类隧洞中按照钻爆施工隧洞超前地质预报方法开展存在较大的难度，且预报效果也会受到众多干扰源的影响，难以为TBM的安全掘进提供技术指导。

国内外学者已对于隧道超前预报进行了诸多研究，在地震波法、电法、电磁法等领域研究出可用于钻爆隧道的技术，这些技术移植到TBM隧道则效果略有不同。地震波法以其在钻爆隧道中针对不良地质构造的良好探测效果，是最早被研究用于TBM施工隧道的方法，例如：德国GFZ基于面波-横波转换波模型，利用气锤作为主动震源，研发出的ISP(Integrated Seismic Prediction)技术;许新骥等以TBM掘进过程中刀具切割围岩激发出的地震波为被动源研发出的破岩震源地震波法技术，在工程实践中得到了验证；叶智彰通过研究HSP声波超前地质预报方法，对掌子面前方不良地质体进行了有效预报。但该类被动源地震波方法采用的都是较大偏移距，且以采用透射波进行预报为主，在TBM施工中长期应用，困难重重，且更重要的是其震源能量较弱，衰减极快，降低了分辨率及预报距离。李玉波在引汉济渭工程隧洞工程中开展三维地震波法研究，对不良地质体的响应良好。地震波法超前预报技术，应以主动源为主(炸药、机械震源、电火花震源等),被动源为辅，多为三维成像，用于预报不良地质构造。隧道超前探水技术主要采用电法和电磁法。例如BEAM是早期TBM隧道内使用的探水方法，通过PFE(Percentage Freqency Effect百分频率效应)和视电阻率反应岩体的含水和破碎情况。在锦屏、铜锣山隧洞实际工程的应用中发现，BEAM对水敏感，但安装调试费时费力，使用成本较高，预报距离较短(3～5倍洞径)。李术才等提出了搭载于TBM上的三维激发极化法，且在吉林引松输水工程中得到了实践。可用于钻爆法隧洞的瞬变电磁法受制于TBM刀盘结构，也被TBM强电磁环境所束缚，在TBM施工隧道中应用效果不佳。而同属电磁法的CFC法，可压制干扰，且预报距离较长，在巴基斯坦NJ项目穿河段与宝林隧洞中有成功应用。除利用物探方法，也有学者利用地质参数、掘进参数来预测前方地质条件。REINHOLD等基于地质与物探结果对Brenner Base隧道建立整体预测模型，其中地质结果主要来源于地质素描及超前钻探；物探结果源于地震波法。QIU等利用TBM对隧道参数、围岩等级和掘进参数之间的关系进行评估，建立了一种新型围岩分类方法和识别模型。张千里等基于掘进参数(包括刀盘转速，刀盘扭矩、推力、前进速度)进行大数据分析，对前方地质条件进行预测。利用地质信息和掘进参数，经过数据挖掘及建模，可有效分析前方地质情况，但预测距离较短，属短距离预报，宜与物探方法相互印证，组成“长短结合”的预报体系。

超前预报工作的重点和难点是查明断层、软弱夹层、节理裂隙密集带等不良地质的分布及其含水情况，而单一方法难以胜任，必须采用综合超前预报技术。晏军提出综合运用超前钻探、瞬变电磁法、地质雷达法、水文检测4种方法，可有效预报钻爆隧道中的岩溶问题。董晋对钻爆隧洞中的富水体进行研究，提出了基于地震波法、地质雷达法、瞬变电磁和CFC的综合预报体系，取得了良好探测结果。邓铭江等基于北疆供水二期工程，提出了“115”超前预报系统，其将预报划分为1 km宏观预报、100 m长距离预报和50 m短距离预报。现有综合超前预报研究，有适用于钻爆隧道的，有适用于TBM隧道的，但能兼顾钻爆隧道与TBM隧道二者的综合超前预报体系鲜有研究。本文以秘鲁圣加旺(San Gabán)Ⅲ水电站引水隧洞为例，通过对钻爆与TBM施工特性的研究，建立起能兼顾钻爆与TBM隧道的复杂地质富水隧洞综合超前预报体系，以期为相似隧洞工程提供参考。

1 工程概况与不良地质分析

1.1 工程概况

圣加旺水电站距离秘鲁首都利马直线距离约740 km, 电站为圣加旺河干流开发方案的最下游一级，位于秘鲁东南部普诺(Puno)大区Carabaya省San Gabán区San Gabán河右岸。工程区属高山峡谷地貌，山势雄伟，地势陡峻，植被茂密(见图1 )。区内沟脊相间，受沟谷深切，地形完整性差。圣加旺河两侧支沟多以大角度与其交汇，支沟常年有水，水流急速，冲沟沿线多有跌坎。圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞长14 773.45 m, Y0+000—Y6+000段采用钻爆法施工，后半段Y6+000—Y14+773.45采用一台敞开式TBM掘进施工，其开挖直径5.8 m。

图1 圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞位置

1.2 不良地质分析

圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞地质纵断面如图2 所示。隧洞岩性主要为中微透水的花岗闪长岩、片岩和板岩，隧洞埋深240 m以上，穿越多个向斜背斜等较复杂的地质构造。虽然在前期地质勘察时，某些洞段的地表未发现大型构造，但在这些洞段的岩体内也有可能会发育许多未延伸至地表的不良地质构造。因而实际开挖中可能会遇到未知的影响施工安全的不良地质。同时洞身位于地下水位以下，地表存在多个大型的常年流水的冲沟，可以推断隧洞地下水分布情况会极其复杂。当不良地质与富水洞段叠加时，施工中会发生突泥突水等重大事故，对施工安全等带来严重影响。

图2 引水隧洞TBM施工段剖面

针对圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞的工程地质特点，施工期开展超前预报工作具有十分重要的意义，可以提前了解掌子面前方围岩的地质条件，特别是了解断层、软弱夹层、裂隙密集带、含水地层、富水带等不良地质情况，确定其地性质、种类、位置和规模，提前做好施工准备和施工计划，防患于未然，保障施工的安全。

2 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，“预报结果与地质分析结合”,在后续预报的解译中不断地加以修正，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手段都有其自身的局限性，常用超前预报技术如表1 所列。

地震波法(TST)超前地质预报技术利用隧道围岩的波阻抗差异，优点是对弹性模量等力学参数的变化敏感，可以用于地质体的划分,缺点是对振动敏感，探测时要停工保证无干扰；而CFC超前探水技术属电磁波法，优点是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，可以用于探水,缺点是预报结果为未开挖时的含水状态，开挖后围岩被破坏，现场围岩渗水量、出水状态会有所变化。两种方法优势互补，探构造与探水结合。在这两种物探方法上，应“物探与地质手段结合”,充分运用地质素描、超前钻探等地质手段，建立起成熟的综合超前预报体系，从而更有力地保障TBM与钻爆施工安全。

在探测不良地质构造时，主要采用地震波法，同时采用地质素描进行跟踪比对，在必要时可采用超前钻探进行验证。在探测地下水分布时，建议同时采用地震波法与CFC法，用地震波法划分含水构造范围、尺度，用CFC比对含水量大小，对富水体定位。地质雷达与瞬变电磁法用于钻爆隧道。由于地质雷达探测效率较高，在钻爆隧洞宜与地震波法同时开展；在TBM施工隧洞宜同时开展地震波法与CFC法。在只开展地震波法的情况下，会对含水构造“漏报”,不能明确不良地质体风险程度，应及时补充电磁波法，用已有锚杆做电极。TBM掘进工序流程如图3 所示，综合超前预报体系流程如图4 所示。

图3 TBM掘进工序流程

图4 综合超前预报流程

2.1 地震波法

2.1.1 原 理

TST地震波法预报技术基本上都是利用震源激发弹性波(地震波、声波),当弹性波遇到不均匀介质表面时，由于弹性波阻抗的差异，在界面处发生透射和反射，对接收到的弹性波信号进行数据处理，提取出前方反射信息，反演前方围岩的力学性质。制约常规地震波法技术进入TBM施工隧道的关键点之一就在于震源。在TBM隧道中开展TST预报时，采用TDIS可控冲击震源激发地震波，采用横波进行计算。通过对圣加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:完整致密的板岩横波波速在2 800～3 000 m/s之间；裂隙发育的板岩横波波速在2 300～2 500 m/s之间(板岩波速与板岩石英含量、埋深等多种因素有关)。

2.1.2 现场布置

在TBM隧道开展地质预报，与在常规钻爆隧道中不同，具体TST超前地质预报工作流程如图5 所示。为防止局部围岩硬度突变导致的刀盘姿态变形、失调等问题，采取三维地震波法进行探测，其现场布置如图6 所示。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2 m, 孔深1.8 m, 接收孔保持在同一水平面，检波器用黏土耦合。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8 m布置6个。这样布置观测系统是为了适应TBM隧道环境，在不干扰TBM掘进施工的前提下，开展超前地质预报工作。在TBM掘进施工时进行观测系统的布置，在TBM查刀等工序时进行数据采集。经过多次试验，TDIS可控冲击震源使用的参数为：重复频率5～25次/s, 冲击时间100 s, 冲击次数1 500次/点。采用这组震源参数既保证了激发的能量能满足探测的需求，又能保证现场数据采集的效率。采集参数为：采样率40 kHz, 26道采集，采样时长100 s, 解码后保留数据长度300 ms。

图5 TST超前地质预报工作流程

图6 TBM施工隧洞中三维地震观测方案(尺寸单位：m)

2.2 CFC复频电导法

2.2.1 原 理

CFC是一种中频电磁波反射法探水技术,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，相对介电常数和最优偏移图像。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。

2.2.2 现场布置

CFC超前探水工作具体流程如图7 所示。根据圣加旺Ⅲ水电站TBM洞段的情况，为保证预报效果，采用TBM随进式锚杆安装方法：(1)电极采用单独的专用的锚杆，所用锚杆可采用TBM支护系统锚杆，例如直径25 mm, 长度3 m; (2)由于和支护锚杆相同，因此可采用TBM锚杆钻机进行快速安装；(3)锚杆钻机固定于TBM,不能大范围沿洞室轴向移动，因此采用随进式安装，即，根据预报开始里程位置和锚杆钻机与刀盘距离，反推每排电极里程位置，当TBM掘进至相应里程处时进行安装，其中AB为发射电极，MN为接收电极(见图8 )。

图8 随进式CFC电极安装过程示意

图7 CFC超前探水工作流程

3 综合超前预报体系应用效果及分析

综合超前预报系统，不仅在TBM施工段隧洞进行预报，也对钻爆段提供了技术支持。在完成初期调试和测试后，迄今为止综合超前预报系统已累积施作20次，且仍在进行中。其中，施工过程中已探明的典型不良地质体如表2 所列。据统计，在已进行的20次预报中，共有105个分段，其中，按不良地质体定性统计，共有95个分段和实际基本一致，准确率90.5%;按对不良地质体定位统计，准确率为82%,最大定位偏差为15 m。定性偏差大部分源于对地下水的含水量预估偏差；定位偏差源于现场数据采集导致，如现场距离测量不准、对现场环境妥协从而修改孔位或电极位置。

3.1 TST地震波探测分析

TBM掘进至Y14+762时，开展地震波法超前预报探测。对三维采集得到的地震数据进行三维成像处理(见图5),得到的三维地震偏移图像如图9 所示，波速结构如图10 所示。三维地震偏移图像以隧洞中心点为零点，向幅宽、高度两方向各扩展20 m, 向前(里程)100 m进行成像。结合地质资料的综合分析推断，该段围岩岩性以板岩为主，存在物探异常区2处。综合考虑，该段划分为7个地质单元：(1)Y14+762—Y14+759段(0～3 m段),三维偏移图像中，正负反射条纹基本的分布呈现从刀盘中心向四周扩散的形态，推断该段由于开挖扰动、出渣等，导致围岩结构被破坏。(2)Y14+759—Y14+743段(3～19 m段),三维偏移图像中反射界面较少，且波速较高，推断该处围岩完整性和稳定较好，节理裂隙弱发育。(3)Y14+743—Y14+723段(19～39 m段),三维偏移图像中上部反射界面增多，但较杂乱不典型，说明围岩中小型结构面发育。波速较前段下降，说明岩石强度较前段降低。推断该处围岩节理裂隙较发育，完整性和稳定稍差。(4)Y14+723—Y14+716段(39～46 m段),三维偏移图像中上部反射界面较多，且呈现出正负反射条带多次重复出现的典型组合，说明围岩中大型构造发育。波速较前段骤降，处于低波速水平，说明岩石较软，推测该处存在物探异常，围岩破碎，完整性和稳定较差。(5)Y14+716—Y14+706段(46～56 m),三维偏移图像中上部反射界面增多，但较杂乱不典型，说明围岩中小型结构面发育。波速较前段升高，说明岩石强度较前段升高。推断该处围岩节理裂隙较发育，完整性和稳定稍差。(6)Y14+706—Y14+692段(56～70 m),三维偏移图像中反射界面较少，且波速较高。推断该处围岩完整性和稳定较好，节理裂隙弱发育。(7)Y14+692—Y14+662段(70～100 m),三维偏移图像中上部反射界面较多，且呈现出正负反射条带多次重复出现的典型组合，说明围岩中大型构造发育。波速较前段骤降，处于低波速水平，说明岩石较软。推测该处存在物探异常，围岩破碎，完整性和稳定较差。

图9 TST三维偏移图像

图10 横波波速曲线

3.2 CFC法探测分析

为了确定前方含水体分布情况，同步开展了CFC超前探水。对采集得到的多组电极数据进行频率相干分析(见图7),计算得出Y14+762—Y14+662段平均相对介电常数10.08,得到的相干能量如图11 所示。图11中由暖色调向冷色调渐变，表示相干能量由强到弱，反映围岩相对含水量由多到少。相干能量越强，反射波越强，含水性越高，含水量越大。可见：在Y14+722—Y14+717段，相干能量极强(呈红色),说明在该处围岩含水量极大，推测会出现股状涌水，这与TST结果相对应。在Y14+711—Y14+708段，相干能量较强(呈黄色),说明该段围岩含水较多，结合TST结果，推测这段节理裂隙发育，存在基岩裂隙水，开挖后，裂隙水流出，会出现滴水-线状流水。在Y14+692—Y14+660段，相干能量较强(呈黄色),说明在该处围岩含水量较多，结合TST结果，推测存在基岩裂隙水，开挖后，裂隙水流出，会出现滴水-线状流水。其中，在Y14+680处，相干能量极强，可能会出现股状涌水。

图11 CFC合成孔径偏移图像

4 施工处置及验证

4.1 施工处置措施

通过综合超前预报，已知存在物探异常，且在TBM掘进至Y14+725时，围岩破碎，推力下降，渣样夹泥，且有水从刀盘前方渗出。为防止不良地质干扰施工，对施工安全造成影响，采取超前预注浆处理,如图12 所示，分别在通过刀盘和护盾后方进行钻孔注浆，期望采用灌浆料将刀盘前方和上方松散体固结成一层具有一定强度和自稳能力的密封隔层，然后再进行掘进。

图12 超前注浆示意

超前预注浆按照先泄压、再填充、后封堵的施工方案：泄压孔采用锚索钻机从护盾尾部开孔，孔径32 mm, 布置5孔，开孔位置为刀盘10点、11点、12点、1点、2点方向；注浆孔采用手风钻通过刀盘间隙造孔，孔数为6～8个，拱顶180°范围内均布；小导管采用4分管加工，尾部1 m加工成花管；灌浆前采用编织袋将刀箱空隙封堵，防止漏浆；采用水泥加水玻璃混合注浆材料进行填充；封堵采用的注浆液以发泡比例控制在15～25倍的聚氨酯材料；注浆时压力为0.5～1 MPa, 在注浆孔停止吸浆时，保持压力延注10 min。

4.2 现场揭露验证

注浆加固后，继续向前掘进。掘进过程中，发现在里程Y14+722处，断层揭露，围岩破碎，呈碎石夹土状，地下水发育，左右洞壁有股状出水点，但渗水量从注浆加固前的1 500 L/min减少至40～50 L/min, 围岩初期支护变形量为20 cm(见图13 )。在里程Y14+690—Y14+666段，呈淋水状流水，且在Y14+680有掉块塌腔(见图14 )。现场验证结果表明：采用综合超前预报技术，能良好地处理不良地质体，避免其对掘进施工的干扰，预报结果与揭露结果基本一致。

图13 破碎岩导致拱架下沉

图14 围岩破碎，且淋水状流水

5 结论与讨论

5.1 结果讨论

与其他的综合超前预报相比，本综合超前预报体系更为灵活。首先，兼顾钻爆法与TBM施工隧洞，适应性强，在水利隧洞普遍同时开展两种施工方法的现状下，具有良好的推广前景。其次，即可探测地质构造，又可探测围岩含水情况，适用性强，覆盖面广。

但在兼容钻爆法施工隧洞与TBM隧洞的同时，也导致现场需提前做准备工作。如地震波法需要提前钻孔，用以埋放检波器；电磁波法需要埋放电极。相比与将预报系统集成在TBM上的智能掘进机，在TBM隧洞开展现场数据采集工作所需的时间更长。智能掘进机是发展趋势,兼容模式的综合预报只是高性价比的选择。

5.2 结 论

(1)综合运用三维地震波法与CFC超前探水两种技术，提出了以地质分析为基础，以三维地震波法与CFC技术为核心的思路，建立了适用于TBM复杂环境的综合超前预报技术体系，保障了TBM的施工安全，为TBM超前处置提供了有效地质指导。

(2)研究改进了在TBM隧道中TST与CFC观测系统的布置方式，并对TST、CFC技术的方法原理、观测系统布置方式、具体工作流程进行了详细介绍，可为公路、铁路、水利等领域的TBM隧洞超前预报探测提供指导。

(3)综合超前预报体系在秘鲁圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞进行了成功的应用。利用地震波法，可对断层、岩性过渡带等构造进行预报；利用CFC法，可对地下水的动态分布进行探测。二者结合，可凸显出含水破碎带这一重大地质灾害。随后的隧洞开挖揭露验证了TBM隧洞综合超前预报技术的探测效果。据统计，不良地质体定性预测，准确率90.5%,不良地质体定位，准确率82%。

(4)综合超前预报体系在圣加旺Ⅲ引水隧洞进行了成功应用，其不仅保障了TBM施工段的施工安全，也对钻爆段的地质风险进行了预警。这对TBM施工与钻爆施工共存的引水隧洞项目，具有一定的借鉴与指导意义。

水利水电技术（中英文）

水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

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