隧道地质超前预报

TGP206隧道地质超前预报探测系统，采用隧道高频地震反射回波的方法，探查隧道前方围岩的不良地质体（例如：岩体构造破碎带、岩性接触带和岩溶发育带等）。为隧道的快速掘进、支护材料的提前准备，以及灾害事故的预防提供地质资料与信息。

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，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。

隧道地质超前预报系统可预报隧道前方200米左右（本数值为中等硬度围岩条件，视当地地质构造有所偏差）的岩性变化、断层、破碎带、岩溶发育带、空洞等，并能计算出上述范围内的纵波、横波速度、波速比,泊松比,相应岩体的动弹模量和剪切模量等岩石力学参数。

TGP206隧道地质超前预报探测系统动态范围大，通过改变偏移距离和激发能量即可实现大范围预报。

TGP206隧道地质超前预报探测系统性能提高突出表现在高分辨能力的增强，即对隧道围岩病害地质体的判释能力的提高方面。

根据隧道地质超前预报和隧道地质检测两个方面的需要，开发出TGP隧道地质预报仪和相关软件处理系统。该隧道地质超前预报仪器系统既可以进行隧道地质超前预报，扩展配置又可以对开挖过程中未发现的隧道隐蔽病害（如隧底岩溶等）进行检测，和检测隧道围岩的弹性波速度、划分隧道围岩类别，以及检查混凝土衬砌与围岩之间是否存在脱空缺陷等。

这种多功能仪器适应隧道弹性波多项目检测的需要，软件处理系统全部为WINDOWS编程，界面良好，处理中既有自动处理方式，也有手动处理方式，还具有深入分析异常可靠程度的追踪评估功能。

这种功能设计的操作既适应非物探人员，又适应物探或专业人员利用弹性波传播特性对隧道复杂地质条件进行深入的研究。

TGP隧道地质预报系统由四大部分组成，它们分别是：

（1）TGP隧道地质预报检测仪主机，仪器箱体采用全密封式，显示采用强背光功能的TFT液晶显示屏，存储单元为30G，仪器设计具有防水、防尘、防震功能。

·12通道

·频带宽度0.5~4000HZ

·VPP为24伏下瞬时浮点放大 A/D转换20bit

·动态范围高信噪比 120~132db

·采样率 30μs、60μs、90μs、120μs、250μs、500μs、1ms、2ms

·超长采样记录功能采样点数可达1024、2048、4096、8192点

·具有三档模拟滤波功能全通、高通1、高通2

（2）高灵敏度三分量速度型接收检波器，安装配套的工具和器材，如专用电缆、起爆触发电器、孔中接收检波器和耦合剂的专用安装工具、专用防水防震工程塑料仪器箱和工具箱等。

（3）数据处理设备（DOTH（750）1.8G/256MB/40G/WIN XP PRO/ATI RADEN *300 64MB DDR2/指纹识别系统）,工程地质图象记录设备（710万像素/4*optic/2*digit）。

（4）TGPWIN隧道地震波处理分析软件包

三分量隧道地震波采集模块；

空间位置建立模块；

均衡增益、频谱分析、滤波模块；

干扰波剔除模块；

速度分析模块；

地震回波提取模块；

地震回波相关偏移归位模块；

隧道围岩构造的能量衰减与性质分析模块；

报告图文编辑模块。

仪器主要技术指标：

?主机具有4个独立的三分量通道

?频带宽度0.5 - 4000Hz

?Vpp为24伏条件下的瞬时浮点放大，A/D 20bit 120-132db，动态范围大/信噪比高；

?采样率：10μs、30μs、60μs、90μs、120μs、250μs、500μs、1 ms八档；

?超长采样记录功能/采样点数：1024、2048、4096、8192点；

?采样记录长度最大为8.192s；

?具有模拟滤波器/分三档：全通、高通1、高通2

仪器装配：

TGP型隧道地质预报仪的装配设计特点如下：考虑到隧道应用环境具有潮湿或滴水的特点，仪器设计为整体式、面板键盘等设计为密封触摸式键盘。仪器的模数转换器设计为大信号状态采样，有利于仪器信噪比性能的提高。考虑到多功能检测的需要，隧道地质超前预报仪器设计为4个独立的三分量通道，通过选用专用插头改变仪器输入的接线组合，确定仪器的使用状态。用于隧道地质超前预报，可以根据需要在1-4个接收检波输入道选择使用。即仪器最多可以同时布置4个接收孔的预报。用于隧道地质检测功能，根据检测项目选择专用的插头、电缆和检波器，根据工程需要选择仪器的功能状态。

主要仪器配件：

高灵敏三分量检波器（X、Y、Z）（带2.5米专用插头电缆）

检波器定向专用安装器及耦合剂专用注入连接杆

三分量检波器专用连接电缆（20米）

起爆触发信号连接电缆（80米）

一分三专用分线器

地震波数据存储专用U盘（128M）

专用鼠标

备用操作键盘

备用操作键盘连接插头

外接电源连接线

外接电源保险管

便携式专用电缆背包

防水防震工程塑料保护箱

TGPWIN隧道地震波处理分析软件包

TGPWIN隧道地震波处理分析软件保护狗

扩展配置根据工作项目的需要用户可以自由选择

TGP型隧道地质预报仪在黔桂铁路银洞坡隧道进行超前预报工作

在黔桂铁路途经的贵州省都匀市银洞坡隧道进行了超前预报工作，银洞坡隧道位于黔桂线第五标段，中心里程DK480+874，全长8516m。该隧道是全线的重点控制工程，地质条件复杂，穿越F4断层和含毒矿床，岩溶局部发育。

在岩溶比较发育的灰岩地区进行隧道施工，进行隧道地质超前预报是非常重要的一项工作，预报检测资料的分析与非岩溶地区相比较难度也大得多。北京市水电物探研究所采用自身研制开发的TGP12型隧道地质预报系统在这一工段进行了隧道超前预报工作，为隧道的安全施工掘进提供了预报资料。

图一银洞坡隧道位置及外景图二隧道施工中遇到岩溶突水

图三现场采集

云南某隧道地质超前预报检测成果宜万铁路王家岭隧道凉风垭隧道段施工现场

图件资料如下：

反射回波采用的速度：纵波Vp =6200米/秒；横波 Vsh = Vs=3300米/秒；Vp/Vs=1.88。理用Vsh波计算的结果：（Vsh=3300米/秒）

1，接收在：左壁K53+224 用横波处理

2，接收在：右壁K53+224 用横波处理 3，接收在：右壁K53+120 用横波处理

采用Vp波计算结果为：（Vp=6200米/秒）

Vp计算结果：

1，接收在：左壁K53+224 用纵波处理 2，接收在：右壁K53+224 用纵波处理

3，接收在：右壁K53+120 用纵波处理

（附）变更设计建议书编号：宜万线7标段隧(2005)第号—（施）

致北京铁城建设监理有限责任公司宜万铁路监理站：

1、变更原因：凉风垭隧道DK53+322~ DK53+339段原设计为Ⅱ级围岩，采用《宜万隧参03-6》图施工。在隧道开挖至DK53+322时线右边墙处发育一溶洞，宽约2.5m，沿隧道线路方向渐往右移，穿越隧道掌子面中部及拱部后至DK53+339时移至线左边墙处，并向边墙外延伸，雨后DK53+322处溶洞有较大水量流出，DK53+339处溶洞有少量渗水。该段围岩较破碎，拱部岩层产状平缓，节理发育，并受该溶洞影响，拱顶岩层出现楔体破坏、掉块。

2、变更方案建议：为确保施工安全，建议：①从DK53+322～DK53+339段采用Ⅳa施工支护；②对拱部楔体破坏部分挂设双层钢筋网、增设中空锚杆、喷射砼回填；③对DK53+322、DK53+339边墙两处溶洞查明水流方向后采用砂浆锚杆、挂设钢筋网喷砼封闭，边墙外2m灌注C20砼回填。

3、工程量估算：①Ⅱ级围岩变更为Ⅳa数量：开挖：Ⅳ级围岩+1150.73m3；Ⅱ级围岩-1011.74 m3；喷砼：素喷+20.672 m3；网喷+18.7 m3；仰拱填充：+62.39 m3；模筑衬砌：+37.13 m3；②拱部楔体破坏处理：钢筋网：1.088t；φ25中空锚杆：204m；喷C20砼：63.55 m3③边墙两处溶洞处理：钢筋网：0.985t；φ22砂浆锚杆：186m；回填C20砼：62.3 m3

填报单位：中铁三局集团

青岛仰口隧道施工现场

在经过现场的数据采集工作后，通过TGP专业软件进行处理、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正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

综合分析隧道左右壁原始记录，分离后的纵横波（P、SH、SV）记录，以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图得知：

测段围岩左壁在K60+955～DK60+935、右壁在K60+945～DK60+935段P波、SH波和SV波三种波形有较大衰减；预报段围岩在K60+872～K60+860、K60+797～K60+782段存在异常，推测上述里程段围岩为构造与裂隙发育带。K60+915～DK60+872、K60+860～DK60+797、K60+782～K60+765段岩体新鲜、且相对完整。

左壁P、SH、SV波的相关偏移图右壁P、SH、SV波的相关偏移图

相关配件

隧道地质超前预报用三分量检波器专用连接电缆（20米）隧道地质超前预报用高灵敏三分量检波器及耦合剂专用注入工具

及起爆触发信号连接电缆（80米）

隧道地质超前预报用一分三专用分线器地震检波器

地震映象、地脉动测试电缆（3道）钻孔三分量探头

面波勘察、地震勘察电缆（12道）漂浮电缆（12道）

背景资料：

隧道地质超前预报现状：目前近距离预报（又称近期预报）一般采用地质雷达，预报距离一般为20-30米。远距离预报（又称中长期预报）采用地震反射波方法，有的采用进口仪器TSP202、TSP203，有的采用地震仪器。

为了预报隧道施工面前方及周围岩体的地质条件，预报可能出现的隧道施工病害事故，作到有的放矢地采用与地质情况相适应的开挖方法和支护手段，是地下工程界多年来不断努力探索的课题。

专家评述：

TGP隧道地质预报系统经过在云南水富高速公路冷水溪隧道，宜万铁路王家岭隧道、凉风垭隧道，青岛海滨高速仰口隧道等工程使用，并且应用中注意与现有手段方法进行比较，控制试验条件的完全一致性，即在同一隧道、同一里程、同次震源激发的条件下，采取不同仪器各自接收、各自分析处理、各自提交处理解释成果而后进行成果对比的方法。工程实践证明国产TGP隧道地质超前预报系统的科学性和适用性。该系统于2005年8月底通过了由国内知名隧道、地质、物探专家组成的专家组的评审鉴定。经过认真慎重的比对和评审，专家们一致认为“TGP隧道地质预报系统与相关的处理系统，性能稳定可靠，采集的波形完整，信噪比高，与国外同类仪器对比整体上具有国际先进水平，可替代进口产品。”

TGP的优越性：

4 TGP是集放大、转换、采集、存储、控制为一体的全密封防水防震的物探设备；优于利用微机与机箱装配式结构的仪器，TGP适合在恶劣的隧道环境中使用。

5TGP的三分量速度型检波器具有高灵敏度，指向性强和较宽的频带响应等特点，优于压电晶体型检波器，因而表现在拾取的地震波信号具有高的质量品质。TGP孔中接收检波器采用黄油耦合，方便、经济、快捷。优于在钻孔中需要锚固异型钢导管的方式。2米长的钢导管难于携带、运输，价格昂贵，一次性使用，费事费工费财。

6 TGP的地震波采集触发是开路触发方式，即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断，信号线同时开路触发仪器采集，仪器采集无延时差，保证定位的准确性。超前预报仪器若采用起爆器电脉冲同时触发电雷管和触发主机采集的方案，由于电雷管起爆的延时时间难于做到一致，因此会造成仪器采集的走时误差，这种触发方式在我国的地震波勘探规程中明确规定不宜使用，更何况隧道岩体的速度比覆盖层介质的速度高出几倍以上，以岩体波速4500米/

秒~ 5500米/秒为例计算，每一毫秒的读数误差则会造成2~3米的预报距离误差，一般瞬发电雷管的延时误差不止一毫秒，因此由20多次激发的平均线计算隧道岩体速度，和由存在误差的时间计算预报的距离，两次误差的乘积造成的误差是不容忽视的。

7 TGPWIN隧道地震波处理分析软件是由国内知名物探专家领衔开发的，它借鉴了已有相关软件的长处，并充分考虑弹性波在三维空间的传播特点，以及根据TGP隧道地质预报系统采集的数据格式编写。功能特点如下：1、全中文界面，2、通俗易懂，3、对地震4、波信号的处理过程，5、如同6、相位波幅的调整等操作，7、直观、方便，8、具有友好的人机

操作界面。9、对P波、SH波、和SV波的分离完善合理，10、这是超前地质预报数据处理的关键工作之一。11、处理软件具有相关部分互相检查的功能，12、例如点击偏移归位成果图上的反射界面位置，13、程序会转到该位置界面的反射波组位置，14、通过分析反射波组的连续性、反射波的极性和能量，15、确定反射界面的可靠性和性质。有助于去伪存真，16、由此及彼，17、由表及里，18、深化认识，19、使预报结论科学可靠。20、TGPWIN 处理中既有自动处理方式，21、也有手动处理方式，22、还具有深入分析异常可靠程度的追踪功能，23、这种功能既适应非物探专业的普通工程技术人员使用，24、又适应物探或专业人员利用弹性波传播特性，25、对隧道复26、杂地质条件进行深入研究工作的需要。8 TGP 系统只要增加不多的配套附件和软件模块，就可以增加仪器用于隧道检测的其它功能，例如：对已衬砌的隧道进行衬砌脱空检测，检查隧道围岩中隐蔽的病害（岩溶）。也可以在掌子面上用锤击的激发方式做到短距离更为精确的地质预报，因而它是一机多能的设备。9 TGP的性价比与国外仪器相比较具有明显的优势。而且研发、生产在国内，仪器购置以后在需要技术服务、技术支持、备件维修、升级换代、等方面会方便一些。

综上所述，评审组的专家给出的结论是“鉴于TGP系统具有以上优点，并已成功地用于隧道地质预报，且经济实用，建议在我国隧道地质预测预报工作中推广应用。”