TGP在大相岭隧道超前地质预报中的应用

毕 琨

隧道施工地质超前预报，就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。超前地质预报方法有很多种，如导坑、钻探、无损探测方法等(如地震和地质雷达)。TGP是一种地震探测方法，该方法适于隧道掘进长度(二衬至掌子面下导)达到70 m，特殊条件下不少于55 m，埋层较深的长大隧道，在大相岭隧道施工中，主要采用了北京市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的技术成果——TGP206，开展隧道超前地质预报工作。实践表明，采用TGP206系统能较准确地识别和预测隧道掌子面前方及其周围的工程地质和水文地质情况以及岩石力学参数，TGP结合工程地质类比法，可以准确的预测出前方地质情况，为确保隧道安全施工，确定隧道施工工艺提供可靠的依据。

1 TGP原理和工作方法

TGP(Tunnel Geology Prediction)是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，可以在隧道施工、地下矿藏、洞穴开挖前提供帮助，其目的在于迅速地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。TGP是当前国内外先进的隧道长期超前地质预报设备，也是目前超前地质预报技术中的最重要手段。TGP206系统主要由仪器主机、配件和处理软件三部分组成，它是根据地震波的回波原理(见图1)，人工制造一系列有规则排列的轻微震源，布成一条直线，用小药量激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遭遇不良地质体(如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等)，一部分地震信号反射回来，信号折射进入前方介质。由三维地震波接收器在计算机的监控下采集被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的。这些数据通过TGPwin软件处理，可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面等;而提取反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布。

2 工程应用实例及效果分析

2.1 隧道地质概况

大相岭隧道位于四川省雅安市荥经县和汉源县交界处的大相岭高中山区，左线K53+804～K63+750，长9 946 m，右线YK53+773～YK63+780，长10 007m。隧道穿越段最大埋深约1 660 m，属于深埋特长越岭公路隧道，是雅泸高速公路控制性工程。

1)地层岩性。隧道通过地层为:震旦系下统安山岩段(Zaa)、流纹岩段(Zaλ)，震旦系上统开建桥组(Zk)，震旦系上统灯影组(Zbdn)，以及第四系地层。通过地层主要分为岩浆岩和沉积岩两大类，前者可划分为火山岩和侵入岩两类，以火山岩分布最广，是下震旦统的主要岩性;后者为碳酸岩类和火山碎屑岩类。火山熔岩和火山碎屑岩是隧道的主体岩性段，水携式火山碎屑岩和碳酸盐岩仅于隧道出口附近有少量分布。2)地质构造。隧址区所在的构造单元为大相岭北西向构造带，展布于区域中部，主要由金坪断裂、保—凰断裂和大相岭背斜、宜东向斜组成，其中大相岭背斜是近址区的控制性构造。隧址区位于多个构造体系应力场的集中部位，其中进口段受构造集中应力场影响更大。3)主要不良地质和地质灾害。a.发育于白云岩、水携式火山碎屑沉积岩、流纹岩类及安山岩中的断层或破碎带，整体呈碎石状压碎结构，开挖扰动后，侧壁稳定性差，顶部会存在坍塌。b.断层及其破碎带形成的风化槽地或冲沟，内含溶蚀孔洞，不排除压力水的存在，并伴有涌水、涌砂、突泥现象。易造成大～特大型隧道塌方。c.火山沉积岩、流纹岩类及安山岩的开挖有时会有高低温差、岩爆现象的存在，相伴随的岩体大变形极易给隧道施工安全、质量造成威胁。

2.2 TGP地质超前预报结果及分析

预报掌子面位于隧道右线YK32+485里程处。在YK32+435.5里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子面50.5 m。在隧道左边墙的同一水平线上从外向里布置1个传感器钻孔和22个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔15 m，炮孔间距1.5 m，炮孔高度1.5 m，最后一个炮孔距下台阶3 m。本次探测预报区段为大相岭隧道K62+130～K61+930，大约200 m。

2.2.1 结论建议

1)大相岭隧道K62+130～K61+930岩体的弹性参数:平均纵波(Vp)速度为4 460 m/s;平均横波(Vs)速度为 2 260 m/s;纵横波速度比为 1.973;泊松比为0.33。弹性模量34 348 MPa，剪切模量12 939 MPa。

2)具体推断结论如表1所示。

表1 TGP地质预报具体推断结果

2.2.2 开挖结果验证

根据原地质资料，大相岭隧道左线 K62+130～K61+930段围岩以微风化流纹岩为主，可能存在2处～3处凝灰岩透镜夹层，岩体较完整，地下水主要为滴水—线流状，局部存在岩爆的可能。经对TGP206所采集的数据处理分析，在K62+130～K62+090段层间错动强烈，围岩好坏交替出现，洞顶存在坍塌，侧壁稳定性差，K62+095附近围岩变化更大，与原设计出入很大。经开挖证实，该段的围岩实际情况和预报的基本相符，应及时变更，加强支护。

3 结语

TGP是根据地震反射波预报的原理来判断掌子面围岩的基本情况，为了提高预报的精度，在进行地质预报时，要掌握以下几个因素对于预报工作的影响:首先是围岩的岩性及完整性。当围岩完整性及围岩岩性较好，声波穿透力较强，预报长度可适当增加，否则预报长度应相应缩短;其次，应预先熟悉围岩的水文地质资料与掌子面围岩的特征，因为地下水对声波的传播有重要影响。总之，TGP隧道地震预报技术是目前先进的物探方法之一，当然TGP的使用还存在其他一些问题，诸如如何降低TGP探测成本，如何加快提交TGP探测成果的速度，如何增加TGP次超前预报的距离和精度，这都需要进一步的研究。

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