浅谈TGS超前地质预报技术在深埋长施工隧道中的应用

摘 要 近年来，新引入我国的隧道三维地质预报系统TGS360 Pro具有预报距离长、施工干扰小和预报成果丰富等显著特点，是一种开挖施工中长距离超前地质预报的优选方法。本文通过某隧道工程实例，阐述了TGS360 Pro超前地质预报系统的基本原理、数据处理及成果解释的方法，验证了该方法的有效性和实用性。

关键词 超前地质预报;TGS360 Pro;隧道

目前隧道工程中运用的超前地质预报方法种类繁多，主要包含超前钻探类、地震反射类（TRT、TGP、TST、TSP等）、红外线探水预报、电磁法类以及直流电法类方法。而在深埋长施工隧道中，现场仪器易对电磁场产生强烈干扰，导致电磁法类超前预报方法在施工隧道中无法实施。

针对上述情况，TGS360 Pro（tunnel geological scismic 360 Pro，以下简称TGS）法是基于不同极化反射地震波记录地震波信号来预报隧道开挖面前方的地质条件和岩石特性变化的一种方法（Pisetski，1998）。这种方法具有全球唯一获得两项美国专利的地质预报系统，不仅可以确定地下流体（油、气、富水区）的位置，而且可以预报地下流体（油、气、富水区）的动态参数，这种技术可以有效预报断层、节理密集带、破碎地层，特别对软弱夹层富水断层、岩溶水预报效果明显，可以以三维或切片形式呈现岩体力学物性参数，包括围岩应力P、杨氏模量E、泊松比、地震波波速Vs和Vp、富水区位置、溶洞位置、断层带状态分布，其对应的参数成果图可以相互验证，最大可能预测开挖面前方不良地质体的类型和位置。本文利用TGS360Pro在某施工隧道中的预报中，验证该方法的实用性[1]。

1TGS工作原理及系统组成

1.1 TGS工作原理

TGS地质超前预报法是基于不同极化反射地震波记录地震波信号来预报隧道掌子面前方及其周围不良地质或岩性变化带等地质状况的一种方法。在隧道掌子面或边墙按一定要求钻进8个炮孔，将检波器按一定方向分别插入炮孔中，选择大锤、液压锤和炸药等不同类别的震源，锤击震源在合适的地质条件下能够达到200米的探测范围，其中，炸药震源可达几百米。而地震波记录系统则预设了三组分（3C）检波器的可选分配，将它们分布在边墙或开挖工作面上，检波器接收地震波信号的范围是一个定向覆盖锥形（锥角为45°）。现场布置见图1。

1.2 TGS系统组成

TGS系统组成主要包括控制单元、接收单元和附件。

①控制单元：控制单元的主要作用是记录地震波信号和控制地震波信号的质量。②接收单元：接收单元的主要作用是通过检波器检测并接收地震波信号的X、Y和Z轴的三个分量。③附件：隧道现场数据采集过程中，还需要卷尺、大锤、电缆线等其他配件。

1.3 TGS技术物理力学参数

TGS技术涉及的岩石物性参数主要有应力梯度、含水可能性、泊松比、杨氏模量和危险等级。

（1）应力梯度

假设瞬時振幅的平均值和瞬时相位的导数（瞬时频率）为研究区域内初始压力，随着局部区域应力的异常卸载，使得该区域的应力偏离这一初始应力形成一个减压和压缩的区域，通过这种应力变化多次叠加获得的信息可以用来确定地下流体的存在性，有助于提高地下水预报的可靠性。应力变化与瞬时振幅和瞬时频率关系式为：

式中，Gs（ti）、A（ti）和F（ti）分别代表某一地质界面在时间ti时刻的应力值、频率值和振幅值，A-（ti）和F-（ti）分别代表该时刻瞬时频率和瞬时振幅的平均值[2]。

（2）含水可能性

含水可能性是通过地震波的反射系数R来计算，一般用分数来表示。

式中，P1和V1以分别表示第一层界面的密度和波速;P2和V2分别表示第二层界面的密度和波速（充满水时）。

与干燥岩体相比，含水岩体的密度和波速很低。因此，当R<0时，就可以判定含水区域的存在。

（3）泊松比

泊松比是指岩体在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。

式中，μ、Vp和Vs分别表示为泊松比、纵波波速和横波波速。通过切片图中μ值的变化情况可以对围岩中的地质信息进行分析判断。

（4）杨氏模量

杨氏模量E是描述岩体抵抗形变能力的物理量。

式中，p表示为岩体密度。通过切片图中E值的变化情况来分析判断围岩中软硬岩的变化情况。

（5）危险等级

比尼奥斯基（Bieniawski）提出的地质力学分级法RMR（Geomechanics Classification System）来进行预测围岩的危险情况。根据岩石的单轴抗压强度、RQD、节理间距、地下水等七个因素对岩体进行综合评价，分值总和称为岩体质量分数，用RMR（Rock Mass Rating）表示，取值范围0～100。

2TGS在隧道地质预报中的应用

2.1 工程概况

某深埋长隧道长约6km，最大埋深达260m，超过200m埋深的洞段占53.3%，跨越的地质单元众多，隧道区工程地质及水文地质条件十分复杂。现结合本工程实际选取典型洞段的应用如下。

设计书对探测区段的地质概况描述：该段隧道围岩分级划分以V类为主，Ⅳ类次之，围岩强度较弱，毛洞局部小块掉落。

现场地质情况：围岩岩性为紫红色泥岩夹泥质粉砂岩，出露段总体为强风化，局部夹中（弱）风化，锤击哑声，无回弹，围岩以较软岩为主，岩体破碎～较破碎，结构面起伏、粗糙，发育，闭合～微张，多为泥质充填，掌子面干燥无水[3]。

2.2 TGS图像分析与解释

本次预报采用TGS360Pro超前地质预报系统，预报段为LZHT0+084.0～LZHT0+174.0。通过对TGS预报资料分析处理，得到预报成果如下。

（1）LZHT0+084.0～+104.0段情况：该段Vp变化趋势不明显，Vs较低，泊松比相对低，反射层多，推测该段围岩与掌子面基本一致，结构面较发育，围岩破碎～较破碎，局部可能分布有基岩裂隙水，多呈渗水或滴水，围岩以V级为主，局部夹Ⅳ级。其中LZHT0+089.0～+094.0段，泊松比高于0.35，推测该段围岩可能渗水或滴水。

（2）LZHT0+104.0～+139.0段情况：该段Vp呈升高趋势，Vs缓慢升高，泊松比为预报段最高，局部围岩应力高，推测该段围岩岩质比前段高，节理、裂隙较发育，围岩较破碎，基岩裂隙水分布较广，围岩以Ⅳ级为主。其中LZHT0+106.0～+129.0段，Vp升高，Vs缓慢降低，泊松比为预报段最高，推测该段围岩破碎，节理、裂隙发育，可能分布有基岩裂隙水，多呈淋雨状滴水。

（3）LZHT0+139.0～+174.0段情况：该段Vp波动起伏，相对较高，Vs小范围起伏，局部泊松比高，反射层多，局部围岩应力高，推测该段围岩节理、裂隙较发育，围岩较破碎，局部可能分布有基岩裂隙水，围岩Ⅳ级为主。其中LZHT0+161.0～+174.0段，泊松比升高，推测该段围岩可能分布有基岩裂隙水，多呈淋雨状滴水，危险等级相对高[4]。

预报段落对应的物力力学参数如图2。

纵波VP波速分布图

横波VS波速分布图

泊松比分布图

含水量分布图

围岩应力情况分布图

围岩危险等级概率图

2.3 超前地质预报与实际开挖情况对比

对本次预报后的隧道掌子面围岩情况全程进行了跟踪对比。

预报掌子面之前20米洞段围岩为V类围岩，岩面总体干燥;当TBM掘进至桩号LZHT0+163.0时，隧道出现大量掉块及塌方，与预报情况吻合度很高。开挖洞段围岩图片如下[5]。

图3 LZHT0+163.0掌子面塌方照片

3结束语

工程的实例，TGS超前地质预报系统作为长距离预报的物探方法，在隧道掘进施工中具有明显的优势。

（1）TGS能够很好地指导深埋长隧道施工，其检测占时短，预报准确，是施工隧道中长距离超前地质预报的优选方法。

（2）在进行TGS成果解译时必须结合现场工程地质情况解释，现场工作人员须对检测现场的工程地质环境有一定的了解。

参考文献

[1] 白亮.综合超前地质预报技术在TBM法超特长隧道的应用——以北疆供水二期工程为例[J].水利与建筑工程学报，2020（1）：128-134.

[2] 朱宝山，巨朝晖，葛振宗.综合超前地质预报在贵阳地铁某隧道中的应用[J].勘察科学技术，2019（6）：55-57，61.

[3] 黄小东，王力.超前地质预报技术在隧道不良地质方面的应用[J].四川建材，2020，46（4）：124-125，127.

[4] 張勇.综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用[J].交通世界，2019（23）：127-128，130.

[5] 李义圭，杨乔，霍小云.动态超前地质预报技术在高风险隧道中的运用[J].山西建筑，2020（3）：136-138.

作者简介

杨文洪（1977-），男，云南大理人，本科，工程师，主要从事试验检测工作。