TGP技术在复杂地质隧道施工中的应用实例分析

高 峰，朱碧辉

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

在实际隧道开挖过程中，隧道地震波超前预报技术（Tunnel Seismic Prediction，TSP）凭借其探测时间长、探测距离长，精度高等优势，在隧道工程施工过程中得到了广泛的应用和发展。文中以重庆市轨道交通6号线中梁山隧道为例，展示了TGP206隧道超前地质预报系统在隧道施工中的重要作用。

1 TGP探测原理及方法

隧道地震波超前地质预报的工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发地震波，地震波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面产生反射波。声阻抗是介质传播地震波的速度与介质密度的函数，介质的声阻抗数值为速度与密度的乘积。因此，地层中的岩性变化界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等存在声阻抗界面，会产生弹性波的反射现象，反射的地震信号被高灵敏地震波检波器接收，输入到仪器中进行信号放大、数字采集和处理，来实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息。其中，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此，通过测量直达波速度、反射回波时间、波形和强度，并结合已有的地质资料综合分析，就可以较准确地探测掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层，以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等。

地震波预报采用TGP206型隧道地质超前预报系统（Tunnel Geology Prediction，TGP）。TGP隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件3部分。

TGP采用对称观测方式，炮孔和检波器布置在隧道侧壁同平面内，1对检波器对称分布于同隧道断面内。外业工作时，具体布置如下：距掌子面5～10m布置第1个炮孔，后依次间隔1.5m共布置24个炮孔。距最后1个炮孔20m断面对称布置两接收孔。炮孔与接收孔孔深均为2m，布置图见图1。内业工作如下：对测线布置段和隧道掌子面岩体进行地质描述，并选择岩体相对完整的地段布置接收孔位置。记录检波器接收孔，对于不等间距的炮孔要测量炮孔间距，记录隧道掌子面的里程；定向并耦合安置孔中三分量检波器；逐炮孔安置带有计时线的炸药卷，药量一般控制在60～120g；根据隧道岩体条件选择仪器采集参数：一般软岩条件采样率选择0.1ms，硬岩条件采样率选择0.05ms；通过选择采样点数的多少保证地震记录的长度不小于300～400ms。以上有关数据填写在TGP现场数据记录表中。进行逐炮地震波数据的采集工作，测量中要求隧道内具有安静的条件，有关的产生振动施工的项目需要暂时停止。所有炮孔的数据采集完毕，在检查采集数据合格后结束现场测量工作。

图1 炮孔及接收孔布置

根据TGP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合频谱分析资料、地震波速、反射波相位、泊松比和杨氏模量等参数对围岩异常区的类别进行划分。采集的TSP数据，通过TGP Win软件进行处理、获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始记录分析测段岩体的地质条件；以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则：

1）若S波反射较P波强，则表明岩层含水；

2）左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主的原则；

3）纵横波的资料对比，以纵波资料为主的原则。

2 工程应用

2.1 工程概况

轨道交通6号线中梁山隧道位于川东平行岭谷低山区，构造作用轻微，通过白庙子断层，中梁山槽谷区为灰岩、白云岩、含石膏、岩盐等可溶岩，存在岩溶洞穴，以及三叠系须家河组煤系地层，局部存在有害气体及采空区。

其中，2号隧道全长4336m，为特长隧道。2号隧道地质条件较为复杂，进洞口段属构造剥蚀中丘地貌，处于呈脊状山丘前缘，场地地势南东低、北西高，斜坡坡向与岩层倾向一致，为顺向斜坡地形。下伏基岩为侏罗系下中统自流井组泥岩，岩层节理裂隙不发育，层理发育、层间结合差。出洞口段属构造剥蚀中丘地貌，处于呈脊状山丘前缘，场地地势南东高、北西低，斜坡坡向与岩层倾向一致，为顺向斜坡地形。下伏基岩为侏罗系中统新田沟组泥岩，岩层节理裂隙不发育，层理发育、层间结合差。

2.2 TGP预报成果概况

本次预报时掌子面里程为YDK49＋065，预报里程范围为YDK49＋065～YDK49＋165段（即预报隧道掌子面前方100m）。其中YDK49＋096～YDK49＋122段变化较为显著。原始的现场地震波同侧3分量采集图，经处理后所得偏移图，见图2。在综合地质预报成果图上（见图3），该段岩体的“比速度”显著降低，加上纵横波存在多个反射界面，总体推断该区间的围岩较前一段破碎程度应有较大的增加，地下水的发育程度较前一段也可能有较大的增加；故综合推断围岩等级为Ⅴ级，地下水发育，有岩溶突水的情况发生；在YDK49＋096～YDK49＋105区间内，在绕射偏移图上显示该区间内出现了短尖灭弧的情况，出现了溶腔的反射情况，推断在YDK49＋096～YDK49＋105附近极有可能有溶腔的存在。其余区段除表现有部分岩石等级降低和带有少量裂隙外均未表现出明显的危险源。

图2 同侧P、SH、SV 波偏移

根据超前地质预报长短结合、多种探测手段综合运用的原则，采用意大利IDS公司生产的RISK2最新型探地雷达设备对潜在的危险段进行地质雷达探测。掌子面里程为YDK49＋086，探测范围为30m。根据所得地质雷达图像及波形图（见图4）推断YDK49＋093～106段有明显的能量团聚集，该段波幅突然增大，波形相似性较好，可以判断该段有十多米的破碎带、软弱夹层或溶腔的存在，赋存水量较大。根据超前地质预报报告，施工方及时采取加强支护、超前探孔、堵水注浆等措施，保证隧道开挖顺利通过此段。后继开挖情况与TGP和地质雷达预报结果基本符合。

图4 地质雷达波形

通过对中梁山2号隧道进出口段TGP、地质雷达超前预报与实际开挖情况的多次对比分析，总结出一定的规律，对隧道后续超前地质预报有一定的指导意义。

3 结 论

超前地质预报是隧道新奥法施工中的重要辅助手段，在隧道开挖过程中，对掌子面前方地质情况进行比较准确的了解，可以有效防止工程施工事故的发生，具有重要的经济性和实用性。为了提高预报的准确性，需要做到以下几点。

1）对隧道所处区域地质构造进行仔细研究，认真观察掌子面情况，了解该地区不良地质体的类型和特点。对于掌子面前方地质情况的判断有着重要的指导意义。

2）做好超前地质预报的准备工作，准备工作的好坏直接影响预报工作能否顺利进行，以及预报的准确性。协调好预报工作与隧道施工的矛盾，尽量选择在隧道内较安静情况下进行。

3）坚持长短结合、多种探测手段综合运用的原则，相互比较和对照。

4）做好地质预报与实际情况的对比分析，上下对照，总结规律，为后续预报工作提供指导依据。

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