TGP在大坪山隧道地质预报中的应用效果分析_关爱军

ＴＧＰ在大坪山隧道地质预报中的应用效果分析关爱军１，张红艳１，陈建平２（１．湖北省谷竹高速公路建设指挥部，湖北十堰４４２１００；２．中国地质大学工程学院，武汉４３００７４）摘　要：大坪山隧道是谷竹高速公路的一座特长隧道，穿越区域性的青峰断裂带，且地质构造复杂、断层破碎带多，进行超前地质预报是隧道安全施工的重要保障。

本文介绍了ＴＧＰ超前地质预报系统的基本原理和主要技术优势，并通过实例分析了ＴＧＰ在大坪山隧道不同地层中的预测效果。

结果表明：软岩中尤其是在没有大规模不良地质体的岩层中，ＴＧＰ的探测结果与实际情况稍有出入；但在断层破碎带等与围岩介质波阻抗差别较大的不良地质体的岩层中，ＴＧＰ的预测结果比较准确。

同时，指出ＴＧＰ作为一种物探手段，应在地质调查分析的基础上，结合其他技术手段，以提高地质预报的效果。

关键词：ＴＧＰ；超前地质预报；大坪山隧道；应用效果中图分类号：Ｕ４５２．１＋１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－１５５６（２０１３）０４－０１４２－０６收稿日期：２０１２－０６－２９ 修回日期：２０１３－０１－１０基金项目：湖北省自然科学基金项目（２０１１ＣＤＢ３５１）作者简介：关爱军（１９６５—），男，正高级工程师，主要从事路桥隧道施工技术与管理方面的研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：７０８８１２０９０＠ｑｑ．ｃｏｍＡｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ＴＧＰ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏｔｈｅ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｄａｐｉｎｇｓｈａｎ　ＴｕｎｎｅｌＧＵＡＮ　Ａｉ－ｊｕｎ１，ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｙａｎ１，ＣＨＥＮ　Ｊｉａｎ－ｐｉｎｇ２（１．Ｈｕｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｇｕｚｈｕ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏｍｍａｎｄ，Ｓｈｉｙａｎ４４２１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｉｃｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄａｐｉｎｇｓｈａｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｉｓ　ａ　ｂｉｇ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　Ｇｕｃｈｅｎｇ－Ｚｈｕｘｉ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ｉｎ　Ｈｕｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ；ｉｔｇｏｅｓ　ａｃｒｏｓｓ　Ｑｉｎｇｆｅｎｇ　ｆａｕｌｔ，ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｉｓ　ｆｒａｇｍｅｎｔｅｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｈａｚａｒｄｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＧＰ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ．Ｆｉｒｓｔ　ｏｆ　ａｌｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ＴＧＰ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＧＰ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｄｉｆ－ｆｅｒｅｎｔ　ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ　ｓｔｒａｔａ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｘａｍｐｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｒｅ－ｓｕｌｔ　ｏｆ　ＴＧＰ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｖｅｒｙ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｉｎ　ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ａｄｖｅｒｓｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｏｄｙ；ｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ａｄｖｅｒｓｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｏｄｙ，ｗｈｏｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ　ｗａｖｅ　ｉｍ－ｐｅｄａｎｃｅ　ｉｓ　ｌａｒｇｅ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｆａｕｌｔ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｚｏｎｅ．Ｆｏｒ　ＴＧＰ，ａｓ　ａ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅａｎｓ，ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｎｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　ｉｎ　ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅａｎｓ　ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＴＧＰ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；Ｄａｐｉｎｇｓｈａｎ　Ｔｕｎｎｅｌ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ０　引　言超前地质预报是隧道信息化施工中的重要组成部分，如果不进行超前地质预报，潜在的地质隐患如软弱岩带、断层破碎带、溶洞等在隧道开挖前均无法预知，施工时可能会导致坍塌、突泥涌水等灾害的发生，从而造成人员伤害和设备损失，增加施工费用，影响工程进度［１，２］。

目前针对隧道工程的超前地质预报方法主要有导坑、钻探、无损探测方法（如地震和地质雷达）等。

而ＴＧＰ是一种地震探测方法，它与其他预报方法第２０卷　第４期２　０　１　３年 ７月 安全与环境工程Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２０　Ｎｏ．４Ｊｕｌ．　２０１３相比，在探测断层破碎带方面具有突出的优点。

为此，本文结合湖北省谷竹高速公路大坪山隧道工程实例，采用ＴＧＰ探测手段对沿线多条断层破碎带进行了探测，及时探明了掌子面前方不良地质情况，并结合实际开挖情况进行验证，从而为支护参数的变更和提前采取相应的施工措施提供了地质依据，对隧道安全施工具有重要的意义。

１　ＴＧＰ系统及其工作原理１．１　ＴＧＰ系统ＴＧＰ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）是北京水电物探研究所开发的具有国际先进水平和自主知识产权的国产隧道超前地质预报系统，该系统包括仪器主机、检波器、处理软件和其他配件［３］。

ＴＧＰ系统的主要技术优势有：仪器整机性能高，适应隧道恶劣环境的能力强；三分量检波器具有高灵敏度、高指向性和与围岩地震波频率相适应的高频宽带特征，且采用黄油作耦合剂，现场易于操作，成本低且效果好；采用Ｗｉｎｄｏｗｓ中文操作系统，界面友好；触发方式为震源爆炸产生地震波的同时炸断回线触发采集，与爆炸过程中的雷管延迟没有关系，降低了触发时间误差；采集系统具有压制隧道管波等功能，处理系统具有多种干扰波去除功能［４］。

１．２　ＴＧＰ系统的工作原理ＴＧＰ超前地质预报采用的是地震波反射法探测，其工作原理是：地震波在岩体中呈球面波形式传播，当地震波遇到岩体中声波阻抗存在有差异的界面时，如断层、岩体破碎带、岩性变化带或岩溶发育带等，一部分地震波反射回来，另一部分地震波透射进入前方岩体传播和继续发生反射，地震波信号传播的全过程则可被高灵敏度的检波器接收下来（见图１）。

由于地震波信号的传播时间与传播距离成图１　地震波反射技术的工作原理示意图Ｆｉｇ．１　Ｗｏｒｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ正比，与传播速度成反比，地震波信号的衰减和传播幅度与岩体性质和界面的声阻抗性质有关［５］，因此可通过相关软件进行数据处理，并结合地质资料综合分析，实现对隧道前方地质条件的推断，达到隧道超前地质预报的目的。

２　应用实例２．１　工程概况大坪山隧道是湖北省谷城至竹溪高速公路上的一座特长隧道，隧道轴线方向约２１８°，左洞起止桩号ＺＫ４２＋７２９～ＺＫ５０＋９９２，全长８　２６３ｍ；右洞起止桩号ＹＫ４２＋７２３～ＹＫ５０＋９６５，全长８　２４２ｍ，最大埋深约９００ｍ。

大坪山隧道以约４５°穿越青峰断裂带，其与青峰断裂的位置关系见图２。

青峰断裂是区域断裂带城口—房县—青峰—襄樊—广济断裂的一段，控制着所经地区内断层、褶皱及次级结构面的分布［６］。

受地质历史上多次构造运动的影响，青峰断裂区域内残余构造应力集中带较宽，岩层揉皱发育，在大坪山隧道地区形成数条断层破碎带，主要为Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８、Ｆ９、Ｆ１０、Ｆ１１断层［７］，均穿越隧道洞身，且断层破碎带宽度大、围岩稳定性差、导水性大，施工开挖扰动下极易发生地质灾害，造成施工难度大、安全风险高。

因此，在大坪山隧道的建设过程中，采用合理的超前地质预报方法及时探明掌子面前方的不良地质情况，可为支护参数的变更和提前采取相应的施工措施提供地质依据，对安全顺利施工具有重要的意义。

图２　大坪山隧道与青峰断裂的位置关系图Ｆｉｇ．２　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＤａｐｉｎｇｓｈａｎＴｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　Ｑｉｎｇｆｅｎｇ　ｆａｕｌｔ２．２　ＴＧＰ超前地质预报根据前期工程地质勘查资料，在洞内、外地质调查分析的基础上，推断大坪山隧道ＹＫ４３＋２８０～ＹＫ４３＋３５０段可能为Ｆ３断层，见图３。

但地质推断法只能圈定出断层的大致范围，无法给出断层的具体位置，以及断层的破碎程度、破碎带的宽度、破碎带的物理力学性质等参数，这对采取合理的支护参３４１第４期 关爱军等：ＴＧＰ在大坪山隧道地质预报中的应用效果分析 数和及时有效地指导隧道施工不利，因此本文在地质推断的基础上，及时地采取了ＴＧＰ地震波法探测。

图３　大坪山隧道Ｆ３断层工程地质剖面图Ｆｉｇ．３　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　Ｆ３ｆａｕｌｔ　ｉｎ　Ｄａｐｉｎｇｓｈａｎ　Ｔｕｎｎｅｌ２．２．１　测点布置激发炮孔与接收孔的布置高度为一条直线，距离隧道地板的高度在１．２ｍ范围内，激发炮孔由掌子面退后５ｍ开始等间距１．５ｍ布置，接收孔在距离最近激发炮孔２０ｍ左右洞壁对称（同里程）布置，见图４。

激发炮孔与接收孔的孔深均为２ｍ，激发炮孔的数量为２４个，接收孔采用 ５０ｍｍ钻头凿孔，钻孔完毕后进行了吹孔，以保证孔内无岩粉。

图４　测点布置示意图Ｆｉｇ．４　Ｌａｙｏｕｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｏｉｎｔｓ２．２．２　参数设置检波器采用定向工具送入接收孔底部，采用黄油与孔壁完好耦合后封堵孔口。

激震炸药药量为５０ｇ乳化炸药，放至激发炮孔底后注水封堵。

记录仪采样率选择０．１ｍｓ，地震波记录的长度不小于３００ｍｓ。

采用逐孔放炮激震，采集数据时产生振动的施工项目暂时停止，并在所有炮孔的数据采集完毕且在检查采集数据合格后方可结束现场探测工作。