新型TGS360Pro系統(tǒng)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用分析

張志勇

摘要：隧道超前地質(zhì)預(yù)報是在隧道施工過程中，為掌握開挖前方圍巖情況，對不良地質(zhì)情況提前預(yù)測，及時反饋，指導(dǎo)施工。文章采用TGS360Pro預(yù)報系統(tǒng)，根據(jù)地震反射波變化，分析預(yù)報出前方不良地質(zhì)體分布情況。具體針對一巖溶發(fā)育區(qū)隧道工程進行預(yù)報，通過后期開挖實際情況和預(yù)報結(jié)果的對比驗證，證明此方法針對巖溶發(fā)育的地質(zhì)體具有良好的預(yù)報效果。同時為后期預(yù)報中，能準(zhǔn)確識別不良地質(zhì)體積累指導(dǎo)經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：隧道超前地質(zhì)預(yù)報 地震波反射法 巖溶 TGS360pro

0 前言

隧道工程多種行業(yè)逐步發(fā)展延伸，由于前期勘察設(shè)計階段的局限性，加之地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜性與多變性，隧道施工開挖階段，掌子面前方會出現(xiàn)勘察設(shè)計未知的斷層破碎帶、軟弱帶、巖溶等不良地質(zhì)情況[1]。因此，開展超前地質(zhì)預(yù)報，提早發(fā)現(xiàn)安全隱患，警惕不良地質(zhì)，具有前瞻性和預(yù)見性。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報[2]主要通過前期勘察資料和現(xiàn)場地表、洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查分析巖溶發(fā)育的地質(zhì)條件，圈定巖溶發(fā)育的潛在靶區(qū)，通過掌子面地質(zhì)分析巖溶發(fā)育前兆性條件[3]，應(yīng)用地質(zhì)雷達法、地震反射波法、瞬變電磁法、電法、超前鉆探等物探手段進行綜合判釋[4]。

1 巖溶地質(zhì)情況

巖溶是地下水和地表水對可溶性巖石造成破壞和改造作用形成的地質(zhì)地貌，是水流和可溶性巖石相互溶解、固化形成的產(chǎn)物[5]?？扇苄詭r（石灰?guī)r），在含CO2的水溶液中，巖體裂隙為水流在巖體內(nèi)部流通的提供通道，加快了水的流動，逐漸產(chǎn)生巖溶作用。巖溶地質(zhì)體復(fù)雜，且具有隱蔽性和不確定性，對巖溶的預(yù)報，應(yīng)以現(xiàn)場地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，綜合采用物探方法[6]，搭配使用，相互驗證。

2 TGS360Pro預(yù)報系統(tǒng)

2.1 TGS360pro系統(tǒng)的應(yīng)用

本次隧道超前地質(zhì)預(yù)報中采用TGS360Pro系統(tǒng)，是一種新型地震波發(fā)射法預(yù)報方式，能根據(jù)接收到的地震反射波，實現(xiàn)空間上的三維層析成像，而且采集參數(shù)全面，包含有：圍巖內(nèi)應(yīng)力分布、含水量分布、縱波波速、橫波波速、縱橫波速比、泊松比、楊氏模量、開挖危險等級和波場分布等，能綜合反映地震波在前方圍巖中傳播后反射后的多方面參數(shù)的變化。

2.2 TGS360pro系統(tǒng)預(yù)報原理

“TGS360pro”系統(tǒng)地震波超前預(yù)報方法，是地震反射波法和地震層析成像技術(shù)的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況以三維圖像形式顯現(xiàn)。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)方面提出了一個定向覆蓋錐形雷達（錐角為45°）的技術(shù)原理，系統(tǒng)采集的波場，經(jīng)過極化處理，根據(jù)遷移映射的結(jié)果，使得所有覆蓋錐還原成一個在面部的中心點[7]。在不同激發(fā)震源位置（疊加4次）激發(fā)，每次激發(fā)的時的8個傳感器分別采集每道數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動保存完整的波場矢量分量記錄，經(jīng)過系統(tǒng)處理顯示出總結(jié)性參數(shù)化三維圖像。

2.3 現(xiàn)場測量方式

TGS360pro系統(tǒng)的震源及傳感器布置方式，綜合施工現(xiàn)場情況及隧道圍巖等級情況，本次測試現(xiàn)場掌子面圍巖硬度大，完整狀況較好，圍巖有一定的穩(wěn)定性，無擾動時無碎石掉落，滿足在掌子面上布置傳感器的條件。

3 TGS360pro系統(tǒng)在工程實踐中的應(yīng)用

使用新型TGS360pro預(yù)報系統(tǒng)，對貴州省某一級旅游公路隧道進行超前地質(zhì)預(yù)報。

3.1 工程概況

本次預(yù)報段，通過對掌子面地質(zhì)分析，結(jié)合設(shè)計圖紙，該探測區(qū)域段的地質(zhì)概述分為兩段：（1）K13+785～K13+705段∶Ⅳ級圍巖，主要為微風(fēng)化灰?guī)r，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，物探勘測為低阻段，推測巖溶發(fā)育。根據(jù)周圍地面地質(zhì)調(diào)繪，隧址區(qū)因地表水沿可溶性灰?guī)r表面或裂隙間流動，對巖石進行溶蝕、沖蝕，據(jù)物探成果推測，局部段存在巖溶裂隙發(fā)育，巖體破碎。

（2）K13+705～K13+645段，該段為Ⅲ級圍巖，圍巖主要為微風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)堅硬，圍巖自穩(wěn)能力較好。

預(yù)報現(xiàn)場情況描述：此次做預(yù)報的掌子面里程為出口洞K13+790，掌子面出露圍巖主要為灰白色微風(fēng)化灰?guī)r，巖石較堅硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體較破碎，局部巖體較完整，呈中厚層狀構(gòu)造，無支護時圍巖有一定的自穩(wěn)能力。

3.2 TGS360pro數(shù)據(jù)處理與分析解釋

根據(jù)圍巖應(yīng)力分布圖3.1、縱波波速分布圖3.2和含水分布圖3.3和圍巖破碎危險等級圖3.4分析，整體上，0～90米范圍內(nèi)（K13+790～K13+700）整體巖體地震波反射整體巖體反射信號變強，應(yīng)力變化大，判斷此區(qū)域巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育;縱波波速變化較大;整體含水量相對較大，局部含水量大。90～150米范圍內(nèi)（K13+700～K13+640）應(yīng)力分布均勻，整體巖體縱波波速較大，含水量整體較小，根據(jù)測試面情況判斷此區(qū)域巖質(zhì)堅硬，巖體較完整。從應(yīng)力分布的均勻性、圍巖破碎危險等級和縱波波速等方面的變化，可以明顯看出在90米（K13+700）位置處，應(yīng)力分布更加均勻，圍巖破碎程度變低，縱波波速變大，可以分辨出該位置為圍巖IV級和III級的分界帶。

如圖3.1所示，在50～55米（K13+740～K13+735）位置處，中間位置圍巖內(nèi)應(yīng)力反應(yīng)較大，中部巖體破碎;該位置含水量相對較大，如圖3.3，且縱波波速較小，如圖3.2;由于圍巖越破碎，地震縱波波速越低，圍巖含水量越大，縱波波速越低，推斷K13+740～K13+735段存在巖體破碎帶，疑似含水溶洞。

在80～85米（K13+710～K13+705）位置處掌子面中間位置，圍巖應(yīng)力反應(yīng)較大，中部巖體較破碎，含水量相對周圍圍巖相對較大，且縱波波速較小，推斷K13+710～K13+705段疑似為溶洞，沿隧道開挖斷面橫向發(fā)展。

3.3 隧道施工開挖驗證

隧道施工至K13+747位置時，隧道拱頂位置出現(xiàn)向左側(cè)上方延伸的破碎帶，此時開挖難度增大，開挖至K13+745位置處時，拱頂破碎帶出現(xiàn)大量的涌水現(xiàn)象，涌水量較大，此時采用機械開挖的方式，在K13+742位置處發(fā)現(xiàn)在隧道開挖斷面左側(cè)位置處，有一溶洞發(fā)育，裂隙水沿破碎帶大量涌出。如圖3.5.地質(zhì)預(yù)報中顯示，該溶洞發(fā)育情況在隧道斷面左側(cè)位置，沿隧道縱向方向發(fā)展距離較小，實際開挖后，溶洞縱向深度為6米，現(xiàn)場情況與預(yù)報結(jié)果相符。

隧道施工開挖至K13+711位置處，在隧道界面隧底位置，出現(xiàn)一橫向溶洞，從左邊墻位置，一直發(fā)育延伸至右邊墻位置處，其中，右邊墻位置處溶腔發(fā)育規(guī)模較大，如圖3.6所示。此處溶洞內(nèi)不含水，與地質(zhì)預(yù)報結(jié)果整體相符。

4 結(jié)論

（1）新型TGS360pro系統(tǒng)為地震波反射法和地震三維層析成像技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，該系統(tǒng)采集的圍巖數(shù)據(jù)全面，能多方位的掌握圍巖參數(shù)，系統(tǒng)處理系統(tǒng)簡單方便，只需提取出縱波波速和橫波波速，根據(jù)預(yù)報現(xiàn)場情況，確定含稅情況等參數(shù)，即可計算分析出地質(zhì)預(yù)報結(jié)果圖及三維展示圖，結(jié)果圖像直觀，對比明顯，便于區(qū)分不良地質(zhì)體的位置及分布;

（2）在該系統(tǒng)結(jié)果分析中，對圍巖中的流體（水）的識別效果比其他地震反射波法有很好的體現(xiàn)，不僅表現(xiàn)在圍巖含水結(jié)果圖像上，從縱波波速和橫波波速的變化上，也能識別出圍巖的含水情況，因此，在該項目應(yīng)用中，才能分析辨別出含水溶洞和不含水溶洞的圖像區(qū)別;

（3）該項目為典型的我國西南巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)預(yù)報情況，地質(zhì)條件本身比較復(fù)雜，能在成果圖像中識別出各項參數(shù)的異常變化，需要我們盡可能多的掌握該的地區(qū)地質(zhì)條件特征，掌握現(xiàn)場地質(zhì)情況，做好地質(zhì)調(diào)查工作，在探測到局部災(zāi)害體時，只有掌握宏觀的工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，才能做出準(zhǔn)確、合理、符合地質(zhì)情況的不良地質(zhì)體的預(yù)報。

（4）文章主要介紹了兩個典型溶洞發(fā)育地質(zhì)體的預(yù)報結(jié)果分析，通過對各項參數(shù)的分析，掌握地震波在圍巖中傳播反射的變化規(guī)律，掌握判定不良地質(zhì)體的方法，掌握分析解釋成果圖的能力，根據(jù)實際施工開挖情況的驗證，為以后地震波反射法預(yù)報中提供一些相應(yīng)的對比分析建議。

參考文獻

[1]范占鋒，李樹城，TSP203Plus在巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用及問題探討[J].工程地球物理學(xué)報，2015，12（1）：27-29;

[2]李政，蘇有財，盧松.綜合法超前地質(zhì)預(yù)報在特長隧道中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2011，8（1）：78-79;

[3]劉春超.綜合物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].大科技，2015（35）：247-248;

[4]彭青陽.綜合物探方法在地面塌陷勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2017，14（1）：31-33;

[5]陽躍朋，陳秋南.復(fù)雜巖溶隧道中地質(zhì)超前預(yù)報的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2012，9（1）：1-3;

[6]朱德兵，周光建，劉成君，等.陣列式多路同步瞬變電磁定向探測模式研究[J].工程地球物理學(xué)報，2017，14（3）：263-270;

[7]王俊，史亞龍.TGS360超前地質(zhì)預(yù)報正演模擬及應(yīng)用[J].物探化探計算技術(shù)，2020，11（42）：689-694