基于TGS360Pro系统的EVS三维地质建模分析

摘要 隧道超前三维地质建模可对掌子面前方地质进行宏观查看，而EVS三维地质建模软件可对不同的隧道超前地质预报手段数据进行分析处理。文章基于云南省小江园隧道，通过TGS360Pro进行地质数据采集，结合EVS将数据可视化，成功得到了小江园隧道ZK10+441 m～ZK10+511 m段的超前预报三维地质模型，为综合地质预报提供了模型基础，同时也为隧道施工的应急处理、超前支护和支护设计提供了重要策略依据，取得了较好的经济与社会效益。

关键词 TGS360Pro；隧道超前地质预报；EVS地质模型；隧道施工安全

中图分类号 U452 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0004-03

0 引言

山岭隧道的溶洞、断层、破碎带等不良地质体具有较高的随机性与不可预测性，施工中岩溶隧道面临多种直接及次生灾害，其中突水突泥、塌方是引起隧道灾害的主要潜在风险[1]。目前迫切需要建立一套可匹配隧道施工实际情况的超前预报可视化技术体系，以达到提升施工安全性、有效降低成本的目的。

隧道超前预报可视化技术需要依托于精准的隧道超前地质预报数据。相对于单一的地质预报技术，综合地质预报技术具有更高的精准性[2]。但各个检测技术的预报数据之间很难直接产生联系，无法将可视化成果在同一软件中进行直观的同维度叠加分析。而EVS三维地质建模软件则同时具有地震波分析及钻孔分析功能，具备同时分析不同超前预报技术数据的能力。

该文以某隧道TGS360Pro物探数据为依托，通过EVS三维地质建模软件进行隧道超前地质建模，得出被测区段的三维地质模型，为后续钻探钻孔布置、钻探路线设计提供模型基础，为后续隧道施工提供参考建议。

1 工程概况

所选隧道为云南省沪丘高速公路红河段小江园隧道。该隧道设计为左右线分离式隧道，其左线里程桩号为ZK10+

040 m～ZK13+360 m，长3 320 m，属于特长隧道，洞底设计高程约1 531.311～1 613.234 m，最大埋深约224.11 m；右线里程桩号为K10+030 m～K13+365 m，长3 335 m，属于特长隧道，洞底设计高程约1 531.311～1 613.786 m，最大埋深221.50 m。

该次TGS360Pro地质预报系统工作区为ZK10+441 m

～ZK10+511 m，探测段属Ⅳ级洞段，洞室埋深较大，围岩稳定性一般，顶部若无支撑措施，容易出现岩石掉落或坍塌现象，侧壁也可能发生不稳定情况。地下水主要为岩溶水，主要赋存于白云质灰岩岩溶及节理裂隙中。

2 TGS360Pro数据采集过程

2.1 TGS360Pro简介

TGS360Pro技术是新一代地质预报系统的一种，可作用于隧道掌子面上对山体进行超前探测。该系统的工作原理主要利用地震波的反射、折射和散射等地质物理特性，进行地质结构的解译和评价，预测地形地貌、地层和岩性、断层和节理等地质信息[3]。

2.2 数据采集

该工程采用侧壁安装法，将8个传感器平均分布于左右边墙，垂直于隧道掌子面，每个同侧传感器的间距为2 m，如图1所示：

将传感器推入传感器孔，确保传感器与传感器孔连接紧密。将电缆线通过串联的方式把传感器彼此连接后，在主机上对传感器布设方式进行设置。随后则使用激震锤进行震源激发，震源点位于每两个传感器的中间，每个震源点的有效锤击数为8次，共采集10组有效（X，Y，Z）三维SGY数据文件。

2.3 TGS系统数据处理与输出

冲击弹性波参数与地质变化有关系的原因主要在于波的传播特性受到地下介质的物理性质影响，而地下介质的物理性质正是反映地质变化的一个重要方面。地质材料的物理性质会影响波的速度、波阻抗、传播方向等参数。当地质条件发生变化时，这些物理性质也会随之发生变化，从而导致弹性波参数发生变化。TGS360Pro系统的工作原理可根据以下公式进行分析：

（1）

式中，Gs（ti）——地质界面对应时刻的应力（Pa）；As（ti）——地质界面对应时刻的振幅（m/s）；Fs（ti）——地质界面对应时刻的频率（Hz）。

TGS360Pro系统利用了地震反射综合理论，将接收到的地震波在时域和频域上进行复杂的数学分析和处理。根据式（1）及系统算法，最终可输出8组参数，分别为Vp、Vs、Vp/Vs、应力梯度、含水概率、泊松比v、杨氏模量E和危险等级。该参数以.dat文件形式进行数据保存。

3 EVS三维地质建模

3.1 EVS软件简介

EVS可通过三维视图的方式将山体结构破碎、渗水、夹泥、裂缝发育直观地展现出来。同时，EVS还支持对模型进行任意形式的切割，便于多角度观察。EVS三维地质建模软件中，用户需要建立对应的空间场及空间网格，并将地质空间划分为若干网格节点和单元。将采集整理好的数据导入EVS软件中，根据数据点构建地质模型，利用软件的插值和地统计学功能[4]，可以生成连续的地质体。

3.2 TGS数据处理

将TGS360Pro的.dat数据文件进行格式转换，确定在颜色发生明显转变区域所对应的数据值变化，通过Excel筛选并将其定义成不同的异常类型。

将gridding and horizons中的地层面、网格范围、网格精度等信息传至3d estimation模块，形成三维空间数据。将3d estimation模块的数据传至distance and surface模块，最后输出至viewer模块，从而完成观测系统建立。

使用指示克里金法建立岩性模型，通过intersection模块读取其中的网格信息，此外还需要在该模块中设置Z向网格精度，并进行插值设置。该模型计算完成后，即得到模型的三维空间数据。

3.3 EVS反演结果分析

通过实际开挖比对，EVS反演建模结果与已开挖现场情况基本吻合，证明了该软件可用于TGS360Pro物探数据的三维模型反演。将该模型的异常区域进行单独展开分析，如图2所示。具体分析结果如下：

（1）应力梯度异常区域

由图2（a）初步推断该隧道桩号K10+461 m～K10+

481 m区间的拱顶应力梯度增大，应力梯度等级在6级以上，该异常区域节理裂缝发育，围岩呈较破碎～破碎状态。

（2）纵波波速异常区域

由图2（b、c）分析，桩号K10+441 m～K10 +461 m段，隧道左侧可能呈现裂隙发育～溶蚀裂隙发育状态，而地质呈相对破碎状态；桩号K10+441 m～K10+461 m段，隧道右侧以及K10+461 m～K10+511 m段地质软硬混杂，溶蚀裂缝或溶腔发育。

（3）含水概率异常区域

由图2（d）及施工现场情况综合推断，该隧道模型所标注的蓝色区域含水概率增大，约为10%～30%。开挖过程中可能会出现滴水、滴水成线的现象。

（4）纵横波波速比异常区域

由图2（e）分析，桩号K10+485 m～K10+511 m段为溶蚀裂隙密集发育区域，有软层。

结合现场施工状况及掌子面揭露地质信息，对以上参数进行综合分析，主要预报成果表如表1所示。

综合上述分析，ZK10+441 m～ZK10+461 m段围岩等级推荐定为Ⅳ级，ZK10+461 m～ZK10+511 m段围岩等级推荐定为V级。建议提前做好施工应对准备，防止事故的发生。

4 结论

该文基于云南省小江园隧道，对TGS所采集到的数据进行了处理，得到了隧道二维横向剖面结果及EVS三维地质建模。经过建模分析初步得到以下结论：该段围岩主要为中风化白云质灰岩，局部应力梯度增大，疑似岩体较破碎～破碎，裂隙较发育～发育；局部含水概率增大，疑似渗水或夹泥。ZK10+441 m～ZK10+465 m左侧纵波波速相对较低，疑似裂隙发育；ZK10+491 m～ZK10+511 m拱顶及左侧纵横波波速比增大，疑似夹软层；ZK10+441 m～ZK10+469 m右侧纵波波速高低交替，疑似裂隙较发育或夹较软层；ZK10+469 m～ZK10+511 m纵波波速高低交替较强烈，疑似软硬混杂。

该文的超前预报工作为隧道施工应急处理、超前支护和支护设计提供了重要策略依据，取得了较好的经济与社会效益，同时为综合地质预报技术数据处理提供了一定的参考价值。

参考文献

[1]殷颖，田军，张永杰.岩溶隧道灾害案例统计分析研究[J].公路工程，2018（4）：210-214+273.

[2]陈敦理，蒲端，杨洪宇，等.隧道超前地质预报技术及综合应用[J].公路交通技术，2023（4）：132-139.

[3]李钰强，颜英军，巨广宏.TGS360Pro三维地质预报技术[J].西北水电，2021（6）：57-60.

[4]Fuhg J N， Fau A， Nackenhorst U. State-of-the-art and comparative review of adaptive sampling methods for kriging[J]. Archives of Computational Methods in Engineering， 2021（28）： 2689-2747.