新型TGS360Pro系统在隧道超前地质预报中的应用分析

张志勇

摘要：隧道超前地质预报是在隧道施工过程中，为掌握开挖前方围岩情况，对不良地质情况提前预测，及时反馈，指导施工。文章采用TGS360Pro预报系统，根据地震反射波变化，分析预报出前方不良地质体分布情况。具体针对一岩溶发育区隧道工程进行预报，通过后期开挖实际情况和预报结果的对比验证，证明此方法针对岩溶发育的地质体具有良好的预报效果。同时为后期预报中，能准确识别不良地质体积累指导经验。

关键词：隧道超前地质预报 地震波反射法 岩溶 TGS360pro

0 前言

隧道工程多种行业逐步发展延伸，由于前期勘察设计阶段的局限性，加之地质环境条件的复杂性与多变性，隧道施工开挖阶段，掌子面前方会出现勘察设计未知的断层破碎带、软弱带、岩溶等不良地质情况[1]。因此，开展超前地质预报，提早发现安全隐患，警惕不良地质，具有前瞻性和预见性。

隧道超前地质预报[2]主要通过前期勘察资料和现场地表、洞内地质调查分析岩溶发育的地质条件，圈定岩溶发育的潜在靶区，通过掌子面地质分析岩溶发育前兆性条件[3]，应用地质雷达法、地震反射波法、瞬变电磁法、电法、超前钻探等物探手段进行综合判释[4]。

1 岩溶地质情况

岩溶是地下水和地表水对可溶性岩石造成破坏和改造作用形成的地质地貌，是水流和可溶性岩石相互溶解、固化形成的产物[5]。可溶性岩（石灰岩），在含CO2的水溶液中，岩体裂隙为水流在岩体内部流通的提供通道，加快了水的流动，逐渐产生岩溶作用。岩溶地质体复杂，且具有隐蔽性和不确定性，对岩溶的预报，应以现场地质情况为基础，综合采用物探方法[6]，搭配使用，相互验证。

2 TGS360Pro预报系统

2.1 TGS360pro系统的应用

本次隧道超前地质预报中采用TGS360Pro系统，是一种新型地震波发射法预报方式，能根据接收到的地震反射波，实现空间上的三维层析成像，而且采集参数全面，包含有：围岩内应力分布、含水量分布、纵波波速、横波波速、纵横波速比、泊松比、杨氏模量、开挖危险等级和波场分布等，能综合反映地震波在前方围岩中传播后反射后的多方面参数的变化。

2.2 TGS360pro系统预报原理

“TGS360pro”系统地震波超前预报方法，是地震反射波法和地震层析成像技术的结合，能够实现隧道掌子面前方的地质情况以三维图像形式显现。该系统采集数据方面提出了一个定向覆盖锥形雷达（锥角为45°）的技术原理，系统采集的波场，经过极化处理，根据迁移映射的結果，使得所有覆盖锥还原成一个在面部的中心点[7]。在不同激发震源位置（叠加4次）激发，每次激发的时的8个传感器分别采集每道数据，系统自动保存完整的波场矢量分量记录，经过系统处理显示出总结性参数化三维图像。

2.3 现场测量方式

TGS360pro系统的震源及传感器布置方式，综合施工现场情况及隧道围岩等级情况，本次测试现场掌子面围岩硬度大，完整状况较好，围岩有一定的稳定性，无扰动时无碎石掉落，满足在掌子面上布置传感器的条件。

3 TGS360pro系统在工程实践中的应用

使用新型TGS360pro预报系统，对贵州省某一级旅游公路隧道进行超前地质预报。

3.1 工程概况

本次预报段，通过对掌子面地质分析，结合设计图纸，该探测区域段的地质概述分为两段：（1）K13+785～K13+705段∶Ⅳ级围岩，主要为微风化灰岩，岩质较硬，节理裂隙较发育，岩体较破碎，物探勘测为低阻段，推测岩溶发育。根据周围地面地质调绘，隧址区因地表水沿可溶性灰岩表面或裂隙间流动，对岩石进行溶蚀、冲蚀，据物探成果推测，局部段存在岩溶裂隙发育，岩体破碎。

（2）K13+705～K13+645段，该段为Ⅲ级围岩，围岩主要为微风化灰岩，节理裂隙不发育，岩体较完整，岩质坚硬，围岩自稳能力较好。

预报现场情况描述：此次做预报的掌子面里程为出口洞K13+790，掌子面出露围岩主要为灰白色微风化灰岩，岩石较坚硬，节理裂隙较发育，围岩整体较破碎，局部岩体较完整，呈中厚层状构造，无支护时围岩有一定的自稳能力。

3.2 TGS360pro数据处理与分析解释

根据围岩应力分布图3.1、纵波波速分布图3.2和含水分布图3.3和围岩破碎危险等级图3.4分析，整体上，0～90米范围内（K13+790～K13+700）整体岩体地震波反射整体岩体反射信号变强，应力变化大，判断此区域岩体破碎，节理裂隙发育;纵波波速变化较大;整体含水量相对较大，局部含水量大。90～150米范围内（K13+700～K13+640）应力分布均匀，整体岩体纵波波速较大，含水量整体较小，根据测试面情况判断此区域岩质坚硬，岩体较完整。从应力分布的均匀性、围岩破碎危险等级和纵波波速等方面的变化，可以明显看出在90米（K13+700）位置处，应力分布更加均匀，围岩破碎程度变低，纵波波速变大，可以分辨出该位置为围岩IV级和III级的分界带。

如图3.1所示，在50～55米（K13+740～K13+735）位置处，中间位置围岩内应力反应较大，中部岩体破碎;该位置含水量相对较大，如图3.3，且纵波波速较小，如图3.2;由于围岩越破碎，地震纵波波速越低，围岩含水量越大，纵波波速越低，推断K13+740～K13+735段存在岩体破碎带，疑似含水溶洞。

在80～85米（K13+710～K13+705）位置处掌子面中间位置，围岩应力反应较大，中部岩体较破碎，含水量相对周围围岩相对较大，且纵波波速较小，推断K13+710～K13+705段疑似为溶洞，沿隧道开挖断面横向发展。

3.3 隧道施工开挖验证

隧道施工至K13+747位置时，隧道拱顶位置出现向左侧上方延伸的破碎带，此时开挖难度增大，开挖至K13+745位置处时，拱顶破碎带出现大量的涌水现象，涌水量较大，此时采用机械开挖的方式，在K13+742位置处发现在隧道开挖断面左侧位置处，有一溶洞发育，裂隙水沿破碎带大量涌出。如图3.5.地质预报中显示，该溶洞发育情况在隧道断面左侧位置，沿隧道纵向方向发展距离较小，实际开挖后，溶洞纵向深度为6米，现场情况与预报结果相符。

隧道施工开挖至K13+711位置处，在隧道界面隧底位置，出现一横向溶洞，从左边墙位置，一直发育延伸至右边墙位置处，其中，右边墙位置处溶腔发育规模较大，如图3.6所示。此处溶洞内不含水，与地质预报结果整体相符。

4 结论

（1）新型TGS360pro系统为地震波反射法和地震三维层析成像技术的结合产物，该系统采集的围岩数据全面，能多方位的掌握围岩参数，系统处理系统简单方便，只需提取出纵波波速和横波波速，根据预报现场情况，确定含税情况等参数，即可计算分析出地质预报结果图及三维展示图，结果图像直观，对比明显，便于区分不良地质体的位置及分布;

（2）在该系统结果分析中，对围岩中的流体（水）的识别效果比其他地震反射波法有很好的体现，不仅表现在围岩含水结果图像上，从纵波波速和横波波速的变化上，也能识别出围岩的含水情况，因此，在该项目应用中，才能分析辨别出含水溶洞和不含水溶洞的图像区别;

（3）该项目为典型的我国西南岩溶发育地区地质预报情况，地质条件本身比较复杂，能在成果图像中识别出各项参数的异常变化，需要我们尽可能多的掌握该的地区地质条件特征，掌握现场地质情况，做好地质调查工作，在探测到局部灾害体时，只有掌握宏观的工程区域内的地质与水文地质情况，才能做出准确、合理、符合地质情况的不良地质体的预报。

（4）文章主要介绍了两个典型溶洞发育地质体的预报结果分析，通过对各项参数的分析，掌握地震波在围岩中传播反射的变化规律，掌握判定不良地质体的方法，掌握分析解释成果图的能力，根据实际施工开挖情况的验证，为以后地震波反射法预报中提供一些相应的对比分析建议。

参考文献

[1]范占锋，李树城，TSP203Plus在岩溶隧道地质预报中的应用及问题探讨[J].工程地球物理学报，2015，12（1）：27-29;

[2]李政，苏有财，卢松.综合法超前地质预报在特长隧道中的应用[J].工程地球物理学报，2011，8（1）：78-79;

[3]刘春超.综合物探方法在隧道超前地质预报中的应用研究[J].大科技，2015（35）：247-248;

[4]彭青阳.综合物探方法在地面塌陷勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2017，14（1）：31-33;

[5]阳跃朋，陈秋南.复杂岩溶隧道中地质超前预报的综合应用[J].工程地球物理学报，2012，9（1）：1-3;

[6]朱德兵，周光建，刘成君，等.阵列式多路同步瞬变电磁定向探测模式研究[J].工程地球物理学报，2017，14（3）：263-270;

[7]王俊，史亚龙.TGS360超前地质预報正演模拟及应用[J].物探化探计算技术，2020，11（42）：689-694