淺談TGS超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在深埋長施工隧道中的應(yīng)用

摘 要 近年來，新引入我國的隧道三維地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)TGS360 Pro具有預(yù)報(bào)距離長、施工干擾小和預(yù)報(bào)成果豐富等顯著特點(diǎn)，是一種開挖施工中長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)選方法。本文通過某隧道工程實(shí)例，闡述了TGS360 Pro超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基本原理、數(shù)據(jù)處理及成果解釋的方法，驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞 超前地質(zhì)預(yù)報(bào);TGS360 Pro;隧道

目前隧道工程中運(yùn)用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)、電磁法類以及直流電法類方法。而在深埋長施工隧道中，現(xiàn)場儀器易對電磁場產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，導(dǎo)致電磁法類超前預(yù)報(bào)方法在施工隧道中無法實(shí)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(hào)來預(yù)報(bào)隧道開挖面前方的地質(zhì)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(xiàng)美國專利的地質(zhì)預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)地下流體（油、氣、富水區(qū)）的動(dòng)態(tài)參數(shù)，這種技術(shù)可以有效預(yù)報(bào)斷層、節(jié)理密集帶、破碎地層，特別對軟弱夾層富水?dāng)鄬印r溶水預(yù)報(bào)效果明顯，可以以三維或切片形式呈現(xiàn)巖體力學(xué)物性參數(shù)，包括圍巖應(yīng)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(yīng)的參數(shù)成果圖可以相互驗(yàn)證，最大可能預(yù)測開挖面前方不良地質(zhì)體的類型和位置。本文利用TGS360Pro在某施工隧道中的預(yù)報(bào)中，驗(yàn)證該方法的實(shí)用性[1]。

1TGS工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 TGS工作原理

TGS地質(zhì)超前預(yù)報(bào)法是基于不同極化反射地震波記錄地震波信號(hào)來預(yù)報(bào)隧道掌子面前方及其周圍不良地質(zhì)或巖性變化帶等地質(zhì)狀況的一種方法。在隧道掌子面或邊墻按一定要求鉆進(jìn)8個(gè)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(zhì)條件下能夠達(dá)到200米的探測范圍，其中，炸藥震源可達(dá)幾百米。而地震波記錄系統(tǒng)則預(yù)設(shè)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(hào)的范圍是一個(gè)定向覆蓋錐形（錐角為45°）。現(xiàn)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(hào)和控制地震波信號(hào)的質(zhì)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(hào)的X、Y和Z軸的三個(gè)分量。③附件：隧道現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)物理力學(xué)參數(shù)

TGS技術(shù)涉及的巖石物性參數(shù)主要有應(yīng)力梯度、含水可能性、泊松比、楊氏模量和危險(xiǎn)等級(jí)。

（1）應(yīng)力梯度

假設(shè)瞬時(shí)振幅的平均值和瞬時(shí)相位的導(dǎo)數(shù)（瞬時(shí)頻率）為研究區(qū)域內(nèi)初始?jí)毫ΓS著局部區(qū)域應(yīng)力的異常卸載，使得該區(qū)域的應(yīng)力偏離這一初始應(yīng)力形成一個(gè)減壓和壓縮的區(qū)域，通過這種應(yīng)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(yù)報(bào)的可靠性。應(yīng)力變化與瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率關(guān)系式為：

式中，Gs（ti）、A（ti）和F（ti）分別代表某一地質(zhì)界面在時(shí)間ti時(shí)刻的應(yīng)力值、頻率值和振幅值，A-（ti）和F-（ti）分別代表該時(shí)刻瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)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(shù)R來計(jì)算，一般用分?jǐn)?shù)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(shí)）。

與干燥巖體相比，含水巖體的密度和波速很低。因此，當(dāng)R<0時(shí)，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(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。

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(zhì)信息進(jìn)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(xiǎn)等級(jí)

比尼奧斯基（Bieniawski）提出的地質(zhì)力學(xué)分級(jí)法RMR（Geomechanics Classification System）來進(jìn)行預(yù)測圍巖的危險(xiǎn)情況。根據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、RQD、節(jié)理間距、地下水等七個(gè)因素對巖體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分值總和稱為巖體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用RMR（Rock Mass Rating）表示，取值范圍0～100。

2TGS在隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某深埋長隧道長約6km，最大埋深達(dá)260m，超過200m埋深的洞段占53.3%，跨越的地質(zhì)單元眾多，隧道區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。現(xiàn)結(jié)合本工程實(shí)際選取典型洞段的應(yīng)用如下。

設(shè)計(jì)書對探測區(qū)段的地質(zhì)概況描述：該段隧道圍巖分級(jí)劃分以V類為主，Ⅳ類次之，圍巖強(qiáng)度較弱，毛洞局部小塊掉落。

現(xiàn)場地質(zhì)情況：圍巖巖性為紫紅色泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，出露段總體為強(qiáng)風(fēng)化，局部夾中（弱）風(fēng)化，錘擊啞聲，無回彈，圍巖以較軟巖為主，巖體破碎～較破碎，結(jié)構(gòu)面起伏、粗糙，發(fā)育，閉合～微張，多為泥質(zhì)充填，掌子面干燥無水[3]。

2.2 TGS圖像分析與解釋

本次預(yù)報(bào)采用TGS360Pro超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，預(yù)報(bào)段為LZHT0+084.0～LZHT0+174.0。通過對TGS預(yù)報(bào)資料分析處理，得到預(yù)報(bào)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(jié)構(gòu)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(jí)為主，局部夾Ⅳ級(jí)。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(yù)報(bào)段最高，局部圍巖應(yīng)力高，推測該段圍巖巖質(zhì)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(jí)為主。其中LZHT0+106.0～+129.0段，Vp升高，Vs緩慢降低，泊松比為預(yù)報(bào)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?duì)畹嗡?/p>

（3）LZHT0+139.0～+174.0段情況：該段Vp波動(dòng)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(yīng)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(jí)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?duì)畹嗡ｋU(xiǎn)等級(jí)相對高[4]。

預(yù)報(bào)段落對應(yīng)的物力力學(xué)參數(shù)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(yīng)力情況分布圖

圍巖危險(xiǎn)等級(jí)概率圖

2.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與實(shí)際開挖情況對比

對本次預(yù)報(bào)后的隧道掌子面圍巖情況全程進(jìn)行了跟蹤對比。

預(yù)報(bào)掌子面之前20米洞段圍巖為V類圍巖，巖面總體干燥;當(dāng)TBM掘進(jìn)至樁號(hào)LZHT0+163.0時(shí)，隧道出現(xiàn)大量掉塊及塌方，與預(yù)報(bào)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(jié)束語

工程的實(shí)例，TGS超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為長距離預(yù)報(bào)的物探方法，在隧道掘進(jìn)施工中具有明顯的優(yōu)勢。

（1）TGS能夠很好地指導(dǎo)深埋長隧道施工，其檢測占時(shí)短，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，是施工隧道中長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)選方法。

（2）在進(jìn)行TGS成果解譯時(shí)必須結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)情況解釋，現(xiàn)場工作人員須對檢測現(xiàn)場的工程地質(zhì)環(huán)境有一定的了解。

參考文獻(xiàn)

[1] 白亮.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在TBM法超特長隧道的應(yīng)用——以北疆供水二期工程為例[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2020（1）：128-134.

[2] 朱寶山，巨朝暉，葛振宗.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在貴陽地鐵某隧道中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2019（6）：55-57，61.

[3] 黃小東，王力.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道不良地質(zhì)方面的應(yīng)用[J].四川建材，2020，46（4）：124-125，127.

[4] 張勇.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用[J].交通世界，2019（23）：127-128，130.

[5] 李義圭，楊喬，霍小云.動(dòng)態(tài)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在高風(fēng)險(xiǎn)隧道中的運(yùn)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(yàn)檢測工作。