TGP 在云山隧道地质超前预报中的应用

赵新梅

(山西省公路局太原分局，山西太原 030012)

近些年来，我国高速公路大规模建设，长大隧道所占比重也越来越大，隧道常常成为控制性工程，其施工进度经常成为控制整个工程进展的瓶颈。隧道选线因地形地质条件和环境条件的约束，在开挖过程中不可避免的会遇到地质构造带等地质问题，随之而来的是施工进度问题和施工安全问题，如含水丰富地层中开挖硐室可能出现突水突泥问题，浅埋不稳定地层中开挖隧道的冒顶和垮塌问题，如果不能提前预知，处理不当容易造成突发性的重大人员伤亡安全事故，国内外隧道施工已有不少血的教训。如何规避和解决这些问题是现代隧道开挖中的一个新课题。

和榆高速公路云山特长隧道位于山西省左权县城东北5 km处，横穿太行山脉西翼的阳曲山东南延，地形地貌极为复杂，崇山峻岭，峰峦叠嶂，沟壑纵横，海拔标高介于1 215.33 m～2 070.70 m，相对高差855.37 m，总的地势为东高西低，微地貌为基岩山脊、梁、悬崖、峭壁、陡坎、冲沟，较大冲沟以北东向为主。隧址区位于孟信垴自然保护区，K43+530～K43+800，ZK43+570～ZK43+800段，植被为灌木、疏林、草地;K43+800～K54+967，ZK43+800～ZK54+980段，植被发育，有茂密的森林，以针阔叶混交林为主，并有相适应的草木灌群植被，树种以油松为主，其余树种为山杨、山柳、白桦、柏树等。隧道区域地质构造复杂，岩层均一性差，地层岩性变化较为频繁。给施工安全带来隐患，甚至会严重影响施工进度。为了更详实的探明地质情况，防止事故发生，加快施工进度，采用TGP-206隧道地质超前预报系统对隧道开挖前方围岩进行预报。

1 探测方法及原理

1)探测原理。TGP-206隧道地震波超前仪采用地震波反射回波方法测量的原理，地震波震源采用小药量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异接口，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震波信号反射回来，一部分地震波信号透射进入前方介质，反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，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、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。通过专用的TGPwin软件快速建立地震波波速数学模型，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等，结合相关的地质资料和施工地质工作，可对掌子面前方围岩进行准确的预报。

2)测线测点布置。在隧道一侧边墙的同一水平线上从外向里布置一个接收器(另一个接收器布设在同一侧相同的位置)和不少于18个炮孔，接收器钻孔距第一个炮孔约20 m，炮孔间距约2.0 m，深度约2.0 m，炮孔高度约 1.0 m，如图1 所示。

2 云山隧道TGP超前预报

以在ZK47+593里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子面70 m，预报范围为ZK47+663～ZK47+820为例，探测结果原始波形图见图2，三波形合成位图见图3。

图1 TGP超前预报测线平面示意图

图2 地震波三分量原始记录波形图

通过对原始地震波数据采用TGPwin专用软件进行处理，取得P波、SH波、SV波深度偏移剖面和反射层，结合地质情况综合分析，最后得出预报结果见表1。

图3 三波形合成位图

根据表1可见原设计地质勘察成果和实际开挖地层有一定的出入，这也是不可避免的，通过TGP地质超前预报，详实有效的预报掌子面前方围岩情况，预报成果和实际开挖地层基本吻合，原设计地质探测成果与开挖成果吻合度为70%，预报成果与实际开挖地层吻合度为90%。显著提升了前方地层的预知性，给予了后续施工积极的指导作用，降低了施工风险，提升了施工进度。当然，由于工程地质条件的复杂性和TGP-206反演的多解性，TGP地质超前预报仍不能完全精准的预报地层中的所有问题，实际上，国内外还没有一种技术或者是一种仪器设备能完全解决隧道开挖中的地质预报问题。现阶段要提高预报精度，一方面加强经验积累，结合预报结合和实际开挖情况，深度分析了解区域地质，甚至可以建立区域地质数据库，以提高预报精度。另一方面，综合多种探测手段，将不同探测手段得到的结果进行对比综合分析，以取得最佳的预报效果、积极指导施工。

表1 掌子面ZK47+663前方(斜井往出口)157 m岩体性质预报

3 结语

隧道地质超前预报(TGP法)是一项先进可靠的探测技术，它代表了地震反射波探测技术的发展水平，是间接的、无损检测的重要手段，能够及时提供有关隧道掌子面前方和周围地质条件变化信息，具有探测精度高，探测速度快，对施工干扰少等优点，为隧道开挖施工作业提供了良好的地质灾害预防指导。通过对云山隧道的地质超前预报，实践证明，TGP-206超前地质预报技术在云山隧道施工中的应用有效，避免了地质灾害的发生，一定程度上为隧道安全、快速、高效施工提供了技术保障，显著提高了隧道施工安全性和社会经济效益。同时，TGP法在云山隧道中的成功应用也促进了它在类似隧道地质超前预报中的应用与推广。

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