摘 要 近年來，新引入我國的隧道三維地質預報系統(tǒng)TGS360 Pro具有預報距離長、施工干擾小和預報成果豐富等顯著特點，是一種開挖施工中長距離超前地質預報的優(yōu)選方法。本文通過某隧道工程實例，闡述了TGS360 Pro超前地質預報系統(tǒng)的基本原理、數據處理及成果解釋的方法，驗證了該方法的有效性和實用性。

關鍵詞 超前地質預報;TGS360 Pro;隧道

目前隧道工程中運用的超前地質預報方法種類繁多，主要包含超前鉆探類、地震反射類（TRT、TGP、TST、TSP等）、紅外線探水預報、電磁法類以及直流電法類方法。而在深埋長施工隧道中，現場儀器易對電磁場產生強烈干擾，導致電磁法類超前預報方法在施工隧道中無法實施。

針對上述情況，TGS360 Pro（tunnel geological scismic 360 Pro，以下簡稱TGS）法是基于不同極化反射地震波記錄地震波信號來預報隧道開挖面前方的地質條件和巖石特性變化的一種方法（Pisetski，1998）。這種方法具有全球唯一獲得兩項美國專利的地質預報系統(tǒng)，不僅可以確定地下流體（油、氣、富水區(qū)）的位置，而且可以預報地下流體（油、氣、富水區(qū)）的動態(tài)參數，這種技術可以有效預報斷層、節(jié)理密集帶、破碎地層，特別對軟弱夾層富水斷層、巖溶水預報效果明顯，可以以三維或切片形式呈現巖體力學物性參數，包括圍巖應力P、楊氏模量E、泊松比、地震波波速Vs和Vp、富水區(qū)位置、溶洞位置、斷層帶狀態(tài)分布，其對應的參數成果圖可以相互驗證，最大可能預測開挖面前方不良地質體的類型和位置。本文利用TGS360Pro在某施工隧道中的預報中，驗證該方法的實用性[1]。

1TGS工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 TGS工作原理

TGS地質超前預報法是基于不同極化反射地震波記錄地震波信號來預報隧道掌子面前方及其周圍不良地質或巖性變化帶等地質狀況的一種方法。在隧道掌子面或邊墻按一定要求鉆進8個炮孔，將檢波器按一定方向分別插入炮孔中，選擇大錘、液壓錘和炸藥等不同類別的震源，錘擊震源在合適的地質條件下能夠達到200米的探測范圍，其中，炸藥震源可達幾百米。而地震波記錄系統(tǒng)則預設了三組分（3C）檢波器的可選分配，將它們分布在邊墻或開挖工作面上，檢波器接收地震波信號的范圍是一個定向覆蓋錐形（錐角為45°）?，F場布置見圖1。

1.2 TGS系統(tǒng)組成

TGS系統(tǒng)組成主要包括控制單元、接收單元和附件。

①控制單元：控制單元的主要作用是記錄地震波信號和控制地震波信號的質量。②接收單元：接收單元的主要作用是通過檢波器檢測并接收地震波信號的X、Y和Z軸的三個分量。③附件：隧道現場數據采集過程中，還需要卷尺、大錘、電纜線等其他配件。

1.3 TGS技術物理力學參數

TGS技術涉及的巖石物性參數主要有應力梯度、含水可能性、泊松比、楊氏模量和危險等級。

（1）應力梯度

假設瞬時振幅的平均值和瞬時相位的導數（瞬時頻率）為研究區(qū)域內初始壓力，隨著局部區(qū)域應力的異常卸載，使得該區(qū)域的應力偏離這一初始應力形成一個減壓和壓縮的區(qū)域，通過這種應力變化多次疊加獲得的信息可以用來確定地下流體的存在性，有助于提高地下水預報的可靠性。應力變化與瞬時振幅和瞬時頻率關系式為：

式中，Gs（ti）、A（ti）和F（ti）分別代表某一地質界面在時間ti時刻的應力值、頻率值和振幅值，A-（ti）和F-（ti）分別代表該時刻瞬時頻率和瞬時振幅的平均值[2]。

（2）含水可能性

含水可能性是通過地震波的反射系數R來計算，一般用分數來表示。

式中，P1和V1以分別表示第一層界面的密度和波速;P2和V2分別表示第二層界面的密度和波速（充滿水時）。

與干燥巖體相比，含水巖體的密度和波速很低。因此，當R<0時，就可以判定含水區(qū)域的存在。

（3）泊松比

泊松比是指巖體在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值，也叫橫向變形系數，它是反映材料橫向變形的彈性常數。

式中，μ、Vp和Vs分別表示為泊松比、縱波波速和橫波波速。通過切片圖中μ值的變化情況可以對圍巖中的地質信息進行分析判斷。

（4）楊氏模量

楊氏模量E是描述巖體抵抗形變能力的物理量。

式中，p表示為巖體密度。通過切片圖中E值的變化情況來分析判斷圍巖中軟硬巖的變化情況。

（5）危險等級

比尼奧斯基（Bieniawski）提出的地質力學分級法RMR（Geomechanics Classification System）來進行預測圍巖的危險情況。根據巖石的單軸抗壓強度、RQD、節(jié)理間距、地下水等七個因素對巖體進行綜合評價，分值總和稱為巖體質量分數，用RMR（Rock Mass Rating）表示，取值范圍0～100。

2TGS在隧道地質預報中的應用

2.1 工程概況

某深埋長隧道長約6km，最大埋深達260m，超過200m埋深的洞段占53.3%，跨越的地質單元眾多，隧道區(qū)工程地質及水文地質條件十分復雜?，F結合本工程實際選取典型洞段的應用如下。

設計書對探測區(qū)段的地質概況描述：該段隧道圍巖分級劃分以V類為主，Ⅳ類次之，圍巖強度較弱，毛洞局部小塊掉落。

現場地質情況：圍巖巖性為紫紅色泥巖夾泥質粉砂巖，出露段總體為強風化，局部夾中（弱）風化，錘擊啞聲，無回彈，圍巖以較軟巖為主，巖體破碎～較破碎，結構面起伏、粗糙，發(fā)育，閉合～微張，多為泥質充填，掌子面干燥無水[3]。

2.2 TGS圖像分析與解釋

本次預報采用TGS360Pro超前地質預報系統(tǒng)，預報段為LZHT0+084.0～LZHT0+174.0。通過對TGS預報資料分析處理，得到預報成果如下。

（1）LZHT0+084.0～+104.0段情況：該段Vp變化趨勢不明顯，Vs較低，泊松比相對低，反射層多，推測該段圍巖與掌子面基本一致，結構面較發(fā)育，圍巖破碎～較破碎，局部可能分布有基巖裂隙水，多呈滲水或滴水，圍巖以V級為主，局部夾Ⅳ級。其中LZHT0+089.0～+094.0段，泊松比高于0.35，推測該段圍巖可能滲水或滴水。

（2）LZHT0+104.0～+139.0段情況：該段Vp呈升高趨勢，Vs緩慢升高，泊松比為預報段最高，局部圍巖應力高，推測該段圍巖巖質比前段高，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎，基巖裂隙水分布較廣，圍巖以Ⅳ級為主。其中LZHT0+106.0～+129.0段，Vp升高，Vs緩慢降低，泊松比為預報段最高，推測該段圍巖破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，可能分布有基巖裂隙水，多呈淋雨狀滴水。

（3）LZHT0+139.0～+174.0段情況：該段Vp波動起伏，相對較高，Vs小范圍起伏，局部泊松比高，反射層多，局部圍巖應力高，推測該段圍巖節(jié)理、裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎，局部可能分布有基巖裂隙水，圍巖Ⅳ級為主。其中LZHT0+161.0～+174.0段，泊松比升高，推測該段圍巖可能分布有基巖裂隙水，多呈淋雨狀滴水，危險等級相對高[4]。

預報段落對應的物力力學參數如圖2。

縱波VP波速分布圖

橫波VS波速分布圖

泊松比分布圖

含水量分布圖

圍巖應力情況分布圖

圍巖危險等級概率圖

2.3 超前地質預報與實際開挖情況對比

對本次預報后的隧道掌子面圍巖情況全程進行了跟蹤對比。

預報掌子面之前20米洞段圍巖為V類圍巖，巖面總體干燥;當TBM掘進至樁號LZHT0+163.0時，隧道出現大量掉塊及塌方，與預報情況吻合度很高。開挖洞段圍巖圖片如下[5]。

圖3 LZHT0+163.0掌子面塌方照片

3結束語

工程的實例，TGS超前地質預報系統(tǒng)作為長距離預報的物探方法，在隧道掘進施工中具有明顯的優(yōu)勢。

（1）TGS能夠很好地指導深埋長隧道施工，其檢測占時短，預報準確，是施工隧道中長距離超前地質預報的優(yōu)選方法。

（2）在進行TGS成果解譯時必須結合現場工程地質情況解釋，現場工作人員須對檢測現場的工程地質環(huán)境有一定的了解。

參考文獻

[1] 白亮.綜合超前地質預報技術在TBM法超特長隧道的應用——以北疆供水二期工程為例[J].水利與建筑工程學報，2020（1）：128-134.

[2] 朱寶山，巨朝暉，葛振宗.綜合超前地質預報在貴陽地鐵某隧道中的應用[J].勘察科學技術，2019（6）：55-57，61.

[3] 黃小東，王力.超前地質預報技術在隧道不良地質方面的應用[J].四川建材，2020，46（4）：124-125，127.

[4] 張勇.綜合超前地質預報技術在隧道施工中的應用[J].交通世界，2019（23）：127-128，130.

[5] 李義圭，楊喬，霍小云.動態(tài)超前地質預報技術在高風險隧道中的運用[J].山西建筑，2020（3）：136-138.

作者簡介

楊文洪（1977-），男，云南大理人，本科，工程師，主要從事試驗檢測工作。