TGS360Pro三维地质预报技术

李钰强,颜英军,巨广宏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 三维地质预报的现状与意义

在地下洞室施工中，经常遇到的不良地质主要为断层破碎带及基岩裂隙水地层，施工中遇到突涌水和塌方，造成施工中断，因此施工前必须掌握真实的水文地质资料，发生围岩变化时需要总体规划，分析原因，选择合理的掘进方案[1]。而超前地质预报能在施工中有效地掌握掌子面前方的地质情况，采取积极主动预防和控制措施，降低施工风险，对灾害风险进行有效控制、保障生产安全。

近年来，随着对安全生产的高度重视，对超前地质预报的要求也随之提高，不仅要求准确预报各类地质现象，提前预判地质灾害类型，对预极信息还需直观、容易理解，预报中尽可能采用无损预报方式，不会影响已开挖洞室的稳定性。

随着BIM技术在设计施工中的应用和三维成像技术的发展，在超前地质预报中，也相应产生了三维地质预报技术，其能直接反应隧道与预报的各种地质现象、地质构造确切关系，使预报成果更加直观明了，通俗易懂[2]。

2 TGS360Pro三维地质预报工作原理

“TGS-360”系统地震波超前预报方法是基于不同极化反射地震波技术,弹性波记录系统预设了三组分(3C)检波器可分配，将它们分布在隧道壁等位置(共布设8个检波器)。

该技术的理念是基于航空无线电定位3C检波器的工作原理提出了一个定向覆盖锥形雷达(锥角为45°)，经过极化处理的波场根据每个检波器迁移映射的结果，将所有覆盖锥还原成一个在面部的中心点[3]。 在多个震源位置(连续)激发情况下，完整波场矢量分量记录被在现场处理，确保在任何方向从四面(前面、后面和两边)收到地块的可靠而稳定的总结性参数化三维图像。工作原理见图1。

3 TGS360Pro三维地质预报技术

3.1 建立三维观测系统

通常在地面，用大地坐标就可以精确建立三维观测系统，但是地下隧洞中，大地坐标反而不能直接用于三维观测系统。为便于观测，需建立符合超前预报的独立三维系统。常规的地震记录只能记录一个方向上的分量，三分量检波器则是由3个相同的检波器组成，它们具有相同的耦合及相同的灵敏度[4]，可以采集3个方向的反射波。在隧洞内采取掌子面布置或在洞壁两侧布置，图2为常见的2种三维观测系统的布置方式。

图1 TGS360Pro探测原理

图2 2种不同布置形式三维地震勘探观测系统

3.2 震 源

更多的超前预报设备震源采用的是炸药爆炸的地震波，如TST[5]、TSP[5]、TGP[7]等，在洞壁打孔，孔内安装炸药作为震源，炸药起爆能量足，震动强烈，其产生的地震波具有良好的脉冲特性和高能量等优点。但炸药量的多少、爆炸介质的岩性、炸药包形状及其与爆炸介质的耦合等因素，对地震波的形状、波的振幅、频率等特点有重要的影响；且炸药作为震源，易对已经形成的洞壁产生破坏，属于有损预报。

锤击震源与炸药震源相比，施工效率受各种条件限制小，施工速度快，方便移动，同时可以进行连续多次激发进行垂直叠加以加大震源能量，减少对施工干扰的影响，施工便利，不依赖炸药，不受炸药管控的影响，近距离作业安全性能高，降低安全和环境污染风险，施工效率高，但锤击能量偏小。TGS360PRo采用锤击作为震源。

3.3 数据采集

TGS360Pro用三分量检波器，且将他们安置在同一个底座上，沿3个轴向方向放置，将隧道前方设置为X方向，横向设置为Y方向，洞顶方向设置为Z方向，3个方向两两垂直，检波器将反射回来的波接收，同时记录瞬时速度的3个分量，图3为三分量检波器图片。

图3 三分量检波器图片

三分量检波器工作原理是在震源发出地震波的瞬间记录3个分量方向的波速A(x)、A(y)和A(Z)，当地震波遇到反射界面，检波器检测收集到反射波A′(x)、A′(y)和A′(Z)，同时记录所用的时间T，分布在掌子面或洞壁两侧的8个检波器分别记录反射波[8]。每一道检波器只需1根电缆与主机连接，可以实时接收数据，监测检波器的状态是否接收数据源，并将接受的数据储存。

TGS360Pro检波器布置在深50 cm的孔壁内，通过卡簧装置使其与洞壁充分耦合，一般为8个检波器，间隔2 m布置，两排。单个三分量检波器和两个三分量检波器均不能准确定位于隧道掌子面前方波阻抗差异界面的具体位置。为了保证三维预报的准确性和三维成像的数据量，三分量检波器的安装数量必须满足需求。

3.4 数据解译与分析

三分量检波器采集完成数据资料后，通过提取数据资料中的有效波，滤除干扰波，利用不同的方法进行资料的处理和分析。首先利用设备专业软件读取数据资料，数据资料处理过程中，可以添加更多信号进行分析；读取数据之后对数据进行里程校正、坐标校正和测点编排、检波器位置校正、检波器距离校正。测点编排，将横波和纵波分离，对纵波进行信号分析，剔除纵波信号中的废道、进行零点校正及噪声切除。选择合适的初始波速、增益、滤波设置等。TGS360Pro的工作原理是根据下列公式[9]：

利用公式(1)，结合特定的算法，计算出8个参数，S(应力梯度)、W(含水可能性)、Vp(纵波波速)、Vs(横波波速)、Vp/Vs(波速比)、μ(泊松比)、Young(杨氏模量)、Category(危险等级)。图4为TGS360Pro参数解译界面。

完成通常的数据处理后得到各种信息图像，不能完全反映地质解释，需要进一步结合地质资料，构建预报区三维地质模型，合理分析解译各种地质现象，如断层带、含水、岩溶等。通过数据处理后的含水可能性图像，结合地层岩性和开挖揭露的地质资料，预报前方涌水、渗水、滴水等现象；预报区的应力梯度或纵横波速突变区，是否存在连贯性，结合周边围岩条件，解译前方为断层、节理密集带、溶洞等地质现象。

图4 TGS360Pro参数解译界面

3.5 三维成果展示

三维地质预报成果主要是在三维镜像上展示，首先对解译的掌子面前方地质体的纵横波波速，利用纵横波的波速计算出应力梯度、纵横波速比、松比、杨氏模量，结合含水率，绘制围岩危险等级图，同时也可以绘制三维切片断面图，反映地质构造体的规模和位置。

4 实 例

4.1 基本地质情况

某工程泄洪洞岩性为白云石大理岩与金云母大理岩互层，灰白～灰黄色，微风化，岩质较软，产状NE70°～85°SE∠15～25°。围岩整体稳定性较差，易在拱顶部位发生顺层剥落现象，洞内较潮湿。

4.2 现场测试及预报解译成果

现场测试采用掌子面布置8个三分量传感器，间距2m，锤击震源，每个锤击点敲击8次，采集数据。根据探测数据解译及图像分析，结合地勘资料及掌子面围岩地质揭示情况，对前方150m范围内地质条件及异常进行了预测预报。根据测试的综合波速，计算出各个点的应力参数，综合为危险性系数，以不同的颜色表示不同的危险等级，和掌子面的岩体进行对比，绿色表示岩体与掌子面一致，红色表示岩体存在危险性，与含水率分布图和应力梯度图及地质资料综合分析，预测前方的地质现象和可能的地质灾害类型。

该段解成果为前方岩体整体较完整～较破碎，其中在K2+104m～K2+119m、K2+139m～K2+144m、K2+159m～K2+164m区段内可能存裂隙密集带或小型断裂破碎带，掌子面前方91m范围内主体Ⅲ类，局部为Ⅳ类，整体围岩基本稳定，局部不利组合可能形成不稳定块体。详细解译成果汇总见图5。

图5 解译成果汇总

4.3 开挖对比分析

现场对预报段开挖进行了跟踪编录，并与预报成果进行了对比分析，开挖揭露的洞室围岩为Ⅳ类，层面节理较为发育，降雨后有渗水，局部段节理密集发育，详细对比见图6。

图6 TGS360Pro预报开挖对比

K2+078m～K2+228m段岩性为白云石大理岩与金云母大理岩互层，灰白～灰黄色。岩质较软弱。裂隙较发育，岩体较破碎，整体稳定性较差。在开挖过程中掌子面前方30m附近、50～60m部位存在节理密集带，发生坍塌。洞内较潮湿。围岩类别以Ⅳ类为主。

通过上图对比分析，前100m预报基本准确，节理裂隙较为发育，岩体较为破碎，为Ⅳ类围岩，洞室开挖面潮湿，与降雨有直接关系；而后面50m预报差别较大，预测为洞室，实际段无洞室存在，因此需进一步研究。

5 结 语

TGS360Pro三维预报系统数据真实确定反射界面的空间位置，在超前预报中具有较强的适用性，锤击震源使用方便，检波器仅需打8个50cm深的孔，施工简单，三维观测地质条件适应性很强。根据开挖验证成果，其预报的准确性较高，但在数据解译中如何结合具体的不良地质现象，三维预报成果更好地展示各种不良地质体与隧道关系，还需要进一步研究。