基于TGS360Pro系統(tǒng)的EVS三維地質(zhì)建模分析

摘要 隧道超前三維地質(zhì)建?？蓪?duì)掌子面前方地質(zhì)進(jìn)行宏觀查看，而EVS三維地質(zhì)建模軟件可對(duì)不同的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。文章基于云南省小江園隧道，通過(guò)TGS360Pro進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合EVS將數(shù)據(jù)可視化，成功得到了小江園隧道ZK10+441 m～ZK10+511 m段的超前預(yù)報(bào)三維地質(zhì)模型，為綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了模型基礎(chǔ)，同時(shí)也為隧道施工的應(yīng)急處理、超前支護(hù)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要策略依據(jù)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞 TGS360Pro；隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；EVS地質(zhì)模型；隧道施工安全

中圖分類號(hào) U452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0004-03

0 引言

山嶺隧道的溶洞、斷層、破碎帶等不良地質(zhì)體具有較高的隨機(jī)性與不可預(yù)測(cè)性，施工中巖溶隧道面臨多種直接及次生災(zāi)害，其中突水突泥、塌方是引起隧道災(zāi)害的主要潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前迫切需要建立一套可匹配隧道施工實(shí)際情況的超前預(yù)報(bào)可視化技術(shù)體系，以達(dá)到提升施工安全性、有效降低成本的目的。

隧道超前預(yù)報(bào)可視化技術(shù)需要依托于精準(zhǔn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。相對(duì)于單一的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有更高的精準(zhǔn)性[2]。但各個(gè)檢測(cè)技術(shù)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)之間很難直接產(chǎn)生聯(lián)系，無(wú)法將可視化成果在同一軟件中進(jìn)行直觀的同維度疊加分析。而EVS三維地質(zhì)建模軟件則同時(shí)具有地震波分析及鉆孔分析功能，具備同時(shí)分析不同超前預(yù)報(bào)技術(shù)數(shù)據(jù)的能力。

該文以某隧道TGS360Pro物探數(shù)據(jù)為依托，通過(guò)EVS三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行隧道超前地質(zhì)建模，得出被測(cè)區(qū)段的三維地質(zhì)模型，為后續(xù)鉆探鉆孔布置、鉆探路線設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)，為后續(xù)隧道施工提供參考建議。

1 工程概況

所選隧道為云南省滬丘高速公路紅河段小江園隧道。該隧道設(shè)計(jì)為左右線分離式隧道，其左線里程樁號(hào)為ZK10+

040 m～ZK13+360 m，長(zhǎng)3 320 m，屬于特長(zhǎng)隧道，洞底設(shè)計(jì)高程約1 531.311～1 613.234 m，最大埋深約224.11 m；右線里程樁號(hào)為K10+030 m～K13+365 m，長(zhǎng)3 335 m，屬于特長(zhǎng)隧道，洞底設(shè)計(jì)高程約1 531.311～1 613.786 m，最大埋深221.50 m。

該次TGS360Pro地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)工作區(qū)為ZK10+441 m

～ZK10+511 m，探測(cè)段屬Ⅳ級(jí)洞段，洞室埋深較大，圍巖穩(wěn)定性一般，頂部若無(wú)支撐措施，容易出現(xiàn)巖石掉落或坍塌現(xiàn)象，側(cè)壁也可能發(fā)生不穩(wěn)定情況。地下水主要為巖溶水，主要賦存于白云質(zhì)灰?guī)r巖溶及節(jié)理裂隙中。

2 TGS360Pro數(shù)據(jù)采集過(guò)程

2.1 TGS360Pro簡(jiǎn)介

TGS360Pro技術(shù)是新一代地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的一種，可作用于隧道掌子面上對(duì)山體進(jìn)行超前探測(cè)。該系統(tǒng)的工作原理主要利用地震波的反射、折射和散射等地質(zhì)物理特性，進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的解譯和評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)地形地貌、地層和巖性、斷層和節(jié)理等地質(zhì)信息[3]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

該工程采用側(cè)壁安裝法，將8個(gè)傳感器平均分布于左右邊墻，垂直于隧道掌子面，每個(gè)同側(cè)傳感器的間距為2 m，如圖1所示：

將傳感器推入傳感器孔，確保傳感器與傳感器孔連接緊密。將電纜線通過(guò)串聯(lián)的方式把傳感器彼此連接后，在主機(jī)上對(duì)傳感器布設(shè)方式進(jìn)行設(shè)置。隨后則使用激震錘進(jìn)行震源激發(fā)，震源點(diǎn)位于每?jī)蓚€(gè)傳感器的中間，每個(gè)震源點(diǎn)的有效錘擊數(shù)為8次，共采集10組有效（X，Y，Z）三維SGY數(shù)據(jù)文件。

2.3 TGS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與輸出

沖擊彈性波參數(shù)與地質(zhì)變化有關(guān)系的原因主要在于波的傳播特性受到地下介質(zhì)的物理性質(zhì)影響，而地下介質(zhì)的物理性質(zhì)正是反映地質(zhì)變化的一個(gè)重要方面。地質(zhì)材料的物理性質(zhì)會(huì)影響波的速度、波阻抗、傳播方向等參數(shù)。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，這些物理性質(zhì)也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致彈性波參數(shù)發(fā)生變化。TGS360Pro系統(tǒng)的工作原理可根據(jù)以下公式進(jìn)行分析：

（1）

式中，Gs（ti）——地質(zhì)界面對(duì)應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)力（Pa）；As（ti）——地質(zhì)界面對(duì)應(yīng)時(shí)刻的振幅（m/s）；Fs（ti）——地質(zhì)界面對(duì)應(yīng)時(shí)刻的頻率（Hz）。

TGS360Pro系統(tǒng)利用了地震反射綜合理論，將接收到的地震波在時(shí)域和頻域上進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和處理。根據(jù)式（1）及系統(tǒng)算法，最終可輸出8組參數(shù)，分別為Vp、Vs、Vp/Vs、應(yīng)力梯度、含水概率、泊松比v、楊氏模量E和危險(xiǎn)等級(jí)。該參數(shù)以.dat文件形式進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

3 EVS三維地質(zhì)建模

3.1 EVS軟件簡(jiǎn)介

EVS可通過(guò)三維視圖的方式將山體結(jié)構(gòu)破碎、滲水、夾泥、裂縫發(fā)育直觀地展現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，EVS還支持對(duì)模型進(jìn)行任意形式的切割，便于多角度觀察。EVS三維地質(zhì)建模軟件中，用戶需要建立對(duì)應(yīng)的空間場(chǎng)及空間網(wǎng)格，并將地質(zhì)空間劃分為若干網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元。將采集整理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EVS軟件中，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建地質(zhì)模型，利用軟件的插值和地統(tǒng)計(jì)學(xué)功能[4]，可以生成連續(xù)的地質(zhì)體。

3.2 TGS數(shù)據(jù)處理

將TGS360Pro的.dat數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，確定在顏色發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變區(qū)域所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值變化，通過(guò)Excel篩選并將其定義成不同的異常類型。

將gridding and horizons中的地層面、網(wǎng)格范圍、網(wǎng)格精度等信息傳至3d estimation模塊，形成三維空間數(shù)據(jù)。將3d estimation模塊的數(shù)據(jù)傳至distance and surface模塊，最后輸出至viewer模塊，從而完成觀測(cè)系統(tǒng)建立。

使用指示克里金法建立巖性模型，通過(guò)intersection模塊讀取其中的網(wǎng)格信息，此外還需要在該模塊中設(shè)置Z向網(wǎng)格精度，并進(jìn)行插值設(shè)置。該模型計(jì)算完成后，即得到模型的三維空間數(shù)據(jù)。

3.3 EVS反演結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)際開挖比對(duì)，EVS反演建模結(jié)果與已開挖現(xiàn)場(chǎng)情況基本吻合，證明了該軟件可用于TGS360Pro物探數(shù)據(jù)的三維模型反演。將該模型的異常區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)展開分析，如圖2所示。具體分析結(jié)果如下：

（1）應(yīng)力梯度異常區(qū)域

由圖2（a）初步推斷該隧道樁號(hào)K10+461 m～K10+

481 m區(qū)間的拱頂應(yīng)力梯度增大，應(yīng)力梯度等級(jí)在6級(jí)以上，該異常區(qū)域節(jié)理裂縫發(fā)育，圍巖呈較破碎～破碎狀態(tài)。

（2）縱波波速異常區(qū)域

由圖2（b、c）分析，樁號(hào)K10+441 m～K10 +461 m段，隧道左側(cè)可能呈現(xiàn)裂隙發(fā)育～溶蝕裂隙發(fā)育狀態(tài)，而地質(zhì)呈相對(duì)破碎狀態(tài)；樁號(hào)K10+441 m～K10+461 m段，隧道右側(cè)以及K10+461 m～K10+511 m段地質(zhì)軟硬混雜，溶蝕裂縫或溶腔發(fā)育。

（3）含水概率異常區(qū)域

由圖2（d）及施工現(xiàn)場(chǎng)情況綜合推斷，該隧道模型所標(biāo)注的藍(lán)色區(qū)域含水概率增大，約為10%～30%。開挖過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)滴水、滴水成線的現(xiàn)象。

（4）縱橫波波速比異常區(qū)域

由圖2（e）分析，樁號(hào)K10+485 m～K10+511 m段為溶蝕裂隙密集發(fā)育區(qū)域，有軟層。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工狀況及掌子面揭露地質(zhì)信息，對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行綜合分析，主要預(yù)報(bào)成果表如表1所示。

綜合上述分析，ZK10+441 m～ZK10+461 m段圍巖等級(jí)推薦定為Ⅳ級(jí)，ZK10+461 m～ZK10+511 m段圍巖等級(jí)推薦定為V級(jí)。建議提前做好施工應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備，防止事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

該文基于云南省小江園隧道，對(duì)TGS所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了隧道二維橫向剖面結(jié)果及EVS三維地質(zhì)建模。經(jīng)過(guò)建模分析初步得到以下結(jié)論：該段圍巖主要為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，局部應(yīng)力梯度增大，疑似巖體較破碎～破碎，裂隙較發(fā)育～發(fā)育；局部含水概率增大，疑似滲水或夾泥。ZK10+441 m～ZK10+465 m左側(cè)縱波波速相對(duì)較低，疑似裂隙發(fā)育；ZK10+491 m～ZK10+511 m拱頂及左側(cè)縱橫波波速比增大，疑似夾軟層；ZK10+441 m～ZK10+469 m右側(cè)縱波波速高低交替，疑似裂隙較發(fā)育或夾較軟層；ZK10+469 m～ZK10+511 m縱波波速高低交替較強(qiáng)烈，疑似軟硬混雜。

該文的超前預(yù)報(bào)工作為隧道施工應(yīng)急處理、超前支護(hù)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要策略依據(jù)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，同時(shí)為綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)數(shù)據(jù)處理提供了一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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