TGP超前预报方法在川西公路隧道建设中的应用

朱 炯，韩自强

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

TGP超前预报方法在川西公路隧道建设中的应用

朱 炯，韩自强

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

采用TGP超前预报方法，对川西某在建公路隧道开展超前地质预报。超前预报现场工作时，按照TGP工作要求采集数据，且采集到的三分量数据直达波明显，纵横波分明，各道相关性较好，原始数据质量较好。并按TGP资料处理流程进行数据处理，且同、对侧数据处理结果相关性较好，解释结果真实可靠。TGP预报结果表明：该公路隧道预报结果与实际开挖结果相吻合，TGP同侧预报结果优于对侧预报结果。因此，实际工作中应坚持“同对侧预报结果相互比对，以同侧预报结果为准的原则”对超前预报数据成果进行分析解释。

TGP；超前地质预报；同侧；对侧；破碎带

随着我国公路隧道建设的不断发展，越来越多长大高速公路隧道已建成或正在建设中。长大高速公路隧道由于线路长、埋深大，前期地质勘查未必能准确查明隧道穿越路线的水文及地质情况，从而导致施工过程中突发一些地质灾害，如岩溶、突泥突水、坍塌等。这些地质灾害往往会造成重大的人员伤亡和经济损失，严重的还会导致隧道建设停工、更改线路等，致使工期延误[1-5]。因此，为了弥补隧道建设前期地质勘查的不足，查明地质灾害体的详细分布，以便在临近地质灾害体时能采取相应的措施，对隧道进行超前地质预报十分必要。此外，隧道超前地质预报也是隧道动态信息化施工的重要组成部分，根据预报结论并结合地质情况，可及时调整围岩级别和支护参数，为优化工程设计及施工方案提供地质依据[6-9]。

目前国内采用的隧道超前地质预报方法主要有物探方法、钻探方法及地质综合分析方法。物探方法主要包括地震类方法和电磁类方法[10-12]。其中，地震类预报方法利用地震波的反射和绕射来探测掌子面前方围岩的地质情况，其所测得的岩石力学参数可为围岩级别的划分提供有力依据。TGP超前预报方法作为地震类预报方法之一，具有仪器整机性能好、检波器灵敏度高、检波器与围岩耦合效果好、触发误差小的特点，已广泛应用于隧道超前地质预报中，并取得了较好的预报成果[13-15]。本文采用TGP超前预报方法，对川西某高速公路隧道开展了超前地质预报。

1 TGP方法工作原理

TGP隧道地质超前预报工作原理主要是在隧道边墙围岩内采用排列方式激发地震波，地震波在向三维空间传播的过程中，遇到岩体弹性波阻抗界面即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等时，会产生地震波反射现象，这种反射波将通过预先埋置在隧道围岩内的检波装置被接收下来，如图1所示。TGP处理系统锁定掌子面前方一定范围，提取反射波并对其旅行时间、传播衰减及相位变化等进行分析，进而对隧道掌子面前方的岩体地质条件作出预报和判断，为施工措施和施工方案提供预报资料。

图1 TGP隧道地质超前预报工作原理示意

2 应用实例

2.1 工程概况

某高速公路隧道位于四川省阿坝藏族羌族自治州鹧鸪山西坡与县城之间，沿梭磨河大峡谷布置，与G317国道平行。该隧道为傍山隧道，双向4车道，设计速度80 km/h。

根据工程地质调查与钻探揭露，隧道区域出露地层为第四系全新统泥石流堆积层(Q4sef)，主要成分为碎石土；第四系全新统崩坡积层(Q4c+dI)，主要成分为碎石土；第四系更新统冲洪积层(Q2-3al+pl)，主要成分为漂、卵石土；三叠系上统新都桥组(T3x)，主要为板岩和千枚岩；三叠系上统侏倭组(T3zh)，主要为变质砂岩、板岩和千枚岩不等厚互层；三叠系中统杂谷脑组(T2z)，主要为板岩与变质砂岩互层，局部夹少量千枚岩。

隧道位于松潘—甘孜地槽褶皱系1级构造单元内，其属于马尔康北西向斜3级构造单元。隧址区内岩层总体走向310°～325°，地层主要为三叠系一套变质岩系地层，因受挤压作用强烈，岩层多近直立，甚至倒转，尖棱状褶曲十分发育。因此，构造地形由一系列倒转的复背斜、复向斜组成。

本次TGP预报在隧道进口右洞展开，掌子面里程为YK211+785，预报里程为YK211+785～YK211+885，预报长度100 m。预报段设计围岩分级情况见表1。由表1可见，预报段设计围岩级别为III2级，围岩由板岩和变质砂岩组成，含千枚岩，局部夹少量炭质板岩和炭质千枚岩。YK211+785掌子面目前按III2级围岩施工，围岩主要以板岩和变质砂岩为主，岩质较硬，节理裂隙不发育，岩体较完整，无地下水。

2.2 TGP数据采集

采用TGP 206G型隧道地质超前预报系统对该隧道进行超前地质预报。该系统采用整体机箱式结构，其具有整机性能高，适应隧道环境条件功能强的特点;采用三分量速度型检波器，在高灵敏度、高指向性方面具有突出优势，并能适应岩体地震波检测的高频宽带特性，且检波器采用“耦合剂”耦合方式，其通过耦合剂直接与钻孔围岩接触，且孔口采用高吸声衰减材料封堵，对于避免和压制干扰波，以及保真采集地震波信号具有优势；采集触发方式采用闭合回路断开式触发，该方式具有触发时间一致性好，触发时间误差小的特点。

表1 预报段设计围岩分级

开展TGP超前地质预报前，需预先在隧道洞壁钻孔。本次预报设24个激发孔(炮孔)，其均位于隧道右壁，炮孔间距为2 m；设2个接收孔，其分别位于隧道右壁和左壁，偏移距为20 m，与炮孔在同一侧的接收孔称为同侧接收孔，另一个为对侧接收孔。接收孔和炮孔高度均约为1.2 m，均用50 mm孔径钻孔，炮孔均下倾10°，如图2所示。

图2 TGP超前地质预报示意

为了满足数据采集需求，得到较好的原始数据，超前地质预报时采取了以下措施：

1) 要求隧道内可能产生震动的一切工作均停工；

2) 检波器安置时采用黄油耦合，尽量推到孔底，并采用高吸声衰减材料封堵接收孔；

3) 安装炸药时尽可能将炸药推到炮孔底，以确保炸药安装深度基本一致，并将炮孔注满水；

4) 仪器设备连接好后，按顺序逐一激发接收，如遇哑炮或未触发情况，须补炮。

2.3 TGP资料处理

TGP方法依然属于地震勘探类方法，其数据处理流程与常规地震勘探数据处理流程基本一致，主要为：1) 建立观测系统，确保接收点、激发点和预报掌子面的实际位置正确；2) 进行振幅均衡，一般距离接收点较近地震道减小其增益，增加距离接收点较远的地震道增益，并确保每道地震波形振幅均衡，初至波明显；3) 初至拾取需要调整初至波到达时间，使每道初至波起跳点均位于1条直线上，并提取出纵、横波波速；4) 进行纵、横波分离，并生成预报范围内的纵、横波偏移成像图和纵、横波速度与界面估计图，然后进行解释。TGP资料处理流程如图3所示。

2.4 TGP成果解释

在隧道进口右洞掌子面(YK211+785)进行TGP超前地质预报后，得到如图4所示的三分量波形图。从图4可见，同侧X、Y、Z分量直达波明显，纵横波分明，各道相关性较好。因此，本次采集到的原始数据质量较好，可靠性较高，可进一步处理、解释。

图3 TGP资料处理流程

图4 TGP探测得到的同侧三分量波形

同、对侧纵波偏移成像如图5所示。由图5(a)可以看出，YK211+785位置存在一强反射，该反射为掌子面位置的强反射；YK211+790～YK211+810段无明显反射，推断围岩较均匀，与掌子面岩体类似；YK211+810～YK211+830段存在连续强反射，推断围岩节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差；YK211+830～YK211+885段无明显反射，推断围岩较均匀，节理裂隙不发育，岩体较完整。由图5(b)可以看出，YK211+785～YK211+810段无明显反射，推断围岩较均匀，与掌子面岩体类似；YK211+810～ YK211+825段存在连续强反射，推断围岩节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差；且推断YK211+810～YK211+830段可能存在破碎带。YK211+825～YK211+885段无明显反射，推断围岩较均匀，节理裂隙不发育，岩体较完整。由上述分析可知，同、对侧纵波偏移成像结果相关性好，从而进一步保障了超前地质预报解释结果的可靠性。

同、对侧纵横反射界面与波度估计分别如图6、图7所示。图7中，上侧曲线表示预报段围岩纵波属性的变化，下侧曲线表示横波属性的变化。由图7(a)可以看出，YK211+790～YK211+810段纵波波速与掌子面岩体波速一致，可推断该段围岩与掌子面岩体类似；YK211+810～YK211+826段纵波波速急剧降低，可推断该段围岩节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差；YK211+826 ～YK211+885段纵波波速与掌子面岩体一致，可推断该段围岩与掌子面岩体类似。由图7(b)可以看出，YK211+790～YK211+808段纵波波速与掌子面岩体波速一致，可推断该段围岩与掌子面岩体类似；YK211+808～YK211+818段纵波波速急剧降低，可推断该段围岩节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差；且推断YK211+808～YK211+826段可能存在破碎带。YK211+818～YK211+885段纵波波速与掌子面岩体一致，可推断该段围岩与掌子面岩体类似。由上述分析可知，同、对侧纵波速度变化情况相关性较好，低速异常明显，说明超前地质预报解释结果的可靠性。

图5 TGP探测结果同、对侧纵波偏移成像

图6 TGP探测结果同、对侧纵横波反射界面

图7 TGP探测结果同、对侧纵横波速度估计

本文结合TGP预报结果、现场地质观察和相关勘察设计资料，经综合分析得出预报结论，见表2。由表2可知，YK211+785 ～YK211+808和YK211+830～ YK211+885段围岩与掌子面岩体类似，主要以板岩和变质砂岩为主，岩质较硬，节理裂隙不发育，岩体较完整，建议围岩级别为III2，与设计一致；YK211+808～YK211+830段围岩主要以板岩和变质砂岩为主，千枚岩含量增加，岩质较软，节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差，可能存在含水断裂破碎带，建议围岩级别为V级。建议施工接近YK211+808～YK211+830段时采取“短进尺、强支护”方式开挖，并做好超前支护工作。

2.5 TGP预报成果验证

本次TGP超前地质预报结束后，为了验证预报是否准确，对隧道实际开挖情况进行了跟踪，并对开挖后围岩的实际地质情况进行了及时反馈。开挖结果表明，在YK211+810位置围岩节理裂隙发育，岩体破碎，地下水丰富，呈小股状涌出，岩体部分呈软泥塑状，自稳能力极差，如图8所示。开挖结果与之前TGP预报结果相吻合，且与TGP同侧预报结果极度接近。由此可知，TGP同侧预报结果优于对侧预报结果，同侧结果能更准确地预报出破碎岩体的范围，这是由于观测系统中距离等因素存在误差，导致对侧地震直达波估计存在误差所致。因此，应坚持“同对侧预报结果相互比对，以同侧预报结果为准的原则”对实际TGP超前预报数据成果进行分析解释。

3 结论

本文采用TGP方法对川西某在建高速公路隧道开展了超前地质预报，并得到以下结论：

表2 综合预报结论

图8 YK211+810掌子面

1) 开展TGP超前地质预报时，须严格按照TGP工作要求采集数据。本次超前预报采集到的三分量数据直达波明显，纵横波分明，各道相关性较好，原始数据质量较好，为后期数据处理解释提供了基础。

2) 处理TGP数据时，须按照TGP资料处理流程进行。本次超前地质预报数据处理结果中，同、对侧相关性较好，解释结果真实可靠。

3) 本次TGP预报结果表明，预报结果与实际开挖结果相吻合，TGP同侧预报结果优于对侧预报结果，故实际工作中应坚持“同对侧预报结果相互比对，以同侧预报结果为准的原则”对地质预报数据成果进行解释。

[1]温树林，吴世林.TSP203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用[J].地球物理学进展，2003，18(3)：456-471.

[2]邓尤东.超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(2):5140-5146.

[3]张庆松，李术才，孙克国，等.公路隧道超前地质预报应用现状及技术分析[J].地下空间与工程学报，2008，4(4)：766-770.

[4]王晓川，卢义玉，夏彬伟，等.超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用[J].重庆大学学报，2009，32(10)：1174-1180.

[5]曹更任，蒋树屏，谭秀梅，等.地质雷达与TGP206在楚阳隧道超前地质预报中的应用[J].公路交通科技，2012，29(12):107-113.

[6]曲海峰，刘志刚，朱合华.隧道信息化施工中综合超前地质预报技术[J].岩石力学与工程学报，2006，25(6)：1246-1251.

[7]张志龙，王兰生，王跃飞，等.雪峰山高速公路隧道F2断层带的综合超前地质预报[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(1)：3311-3315.

[8]刘新荣，祝云华，陈金华，等.高压富水区隧道超前地质预报应用研究[J].地球物理学进展,2008,23(4):1304-1309.

[9]薛翊国，李术才，张庆松，等.隧道信息化施工岩溶裂隙水超前地质预报[J].岩土力学，2008， 29(12):3360-3364.

[10]李永鸿，徐光黎，杨银湖，等.地震反射波法技术及其在隧道超前地质预报中的应用研究[J].岩土工程学报，2005，27(10)：1180-1184.

[11]尤广明，刘学增，汪成兵.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].公路交通科技，2007，24(8)：92-95.

[12]李术才，刘 斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩土力学与工程学报，2014，33(6)：1090-1113.

[13]刘云祯.TGP隧道地震波预报系统与技术[J].物探与化探，2009，33(2)：170-177.

[14]陈中学，胡百万，刘彦波.TGP超前预报系统在岩溶隧道中的实践应用[J]. 地下空间与工程学报,2012，8(1)：1621-1625.

[15]魏军科，赵少强，陈 涛，等.TGP地震预报技术在隧道超前地质预报中数据异常原因分析及处理措施[J]. 隧道建设，2014，34(5)：489-493.

Application of TGP Advanced Forecasting Method in Construction of Expressway Tunnel in Western Sichuan

ZHU Jiong,HAN Ziqiang

In this paper,the advanced geological forecast is carried out for certain road tunnel under construction in western Sichuan by using the TGP advanced forecasting method. During field forecasting,the data are collected per the TGP working requirements,and the direct wave of the collected three-component data are significant and the vertical and transverse waves are distinct. They have good relativity and relatively good primary data quality. The data is processed per TGP data process flow,the ipsilateral data and contralateral data processing results have good relativity,the interpretation results are true and reliable. The results of TGP forecast show that the results of the road tunnel forecast are in good agreement with the results of the actual excavation,and the result of TGP ipsilateral forecast is better than that of the contralateral forecasting. Therefore,we should stick to the principle of "comparing with the ipsilateral and contralateral forecasting results with the ipsilateral forecast as standard",to analyze and explain the advanced forecast data..

TGP; advanced geological forecasting; ipsilateral; contralateral; fracture zone

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.024

重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA30020，cstc2015jcyjBX0118)

2016-08-12

朱 炯(1986-)，男，重庆市人，硕士研究生，工程师。

1009-6477(2016)06-0110-05

U459.2

A