基于TGS360Pro系統的EVS三維地質建模分析

摘要 隧道超前三維地質建模可對掌子面前方地質進行宏觀查看，而EVS三維地質建模軟件可對不同的隧道超前地質預報手段數據進行分析處理。文章基于云南省小江園隧道，通過TGS360Pro進行地質數據采集，結合EVS將數據可視化，成功得到了小江園隧道ZK10+441 m～ZK10+511 m段的超前預報三維地質模型，為綜合地質預報提供了模型基礎，同時也為隧道施工的應急處理、超前支護和支護設計提供了重要策略依據，取得了較好的經濟與社會效益。

關鍵詞 TGS360Pro；隧道超前地質預報；EVS地質模型；隧道施工安全

中圖分類號 U452 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0004-03

0 引言

山嶺隧道的溶洞、斷層、破碎帶等不良地質體具有較高的隨機性與不可預測性，施工中巖溶隧道面臨多種直接及次生災害，其中突水突泥、塌方是引起隧道災害的主要潛在風險[1]。目前迫切需要建立一套可匹配隧道施工實際情況的超前預報可視化技術體系，以達到提升施工安全性、有效降低成本的目的。

隧道超前預報可視化技術需要依托于精準的隧道超前地質預報數據。相對于單一的地質預報技術，綜合地質預報技術具有更高的精準性[2]。但各個檢測技術的預報數據之間很難直接產生聯系，無法將可視化成果在同一軟件中進行直觀的同維度疊加分析。而EVS三維地質建模軟件則同時具有地震波分析及鉆孔分析功能，具備同時分析不同超前預報技術數據的能力。

該文以某隧道TGS360Pro物探數據為依托，通過EVS三維地質建模軟件進行隧道超前地質建模，得出被測區段的三維地質模型，為后續鉆探鉆孔布置、鉆探路線設計提供模型基礎，為后續隧道施工提供參考建議。

1 工程概況

所選隧道為云南省滬丘高速公路紅河段小江園隧道。該隧道設計為左右線分離式隧道，其左線里程樁號為ZK10+

040 m～ZK13+360 m，長3 320 m，屬于特長隧道，洞底設計高程約1 531.311～1 613.234 m，最大埋深約224.11 m；右線里程樁號為K10+030 m～K13+365 m，長3 335 m，屬于特長隧道，洞底設計高程約1 531.311～1 613.786 m，最大埋深221.50 m。

該次TGS360Pro地質預報系統工作區為ZK10+441 m

～ZK10+511 m，探測段屬Ⅳ級洞段，洞室埋深較大，圍巖穩定性一般，頂部若無支撐措施，容易出現巖石掉落或坍塌現象，側壁也可能發生不穩定情況。地下水主要為巖溶水，主要賦存于白云質灰巖巖溶及節理裂隙中。

2 TGS360Pro數據采集過程

2.1 TGS360Pro簡介

TGS360Pro技術是新一代地質預報系統的一種，可作用于隧道掌子面上對山體進行超前探測。該系統的工作原理主要利用地震波的反射、折射和散射等地質物理特性，進行地質結構的解譯和評價，預測地形地貌、地層和巖性、斷層和節理等地質信息[3]。

2.2 數據采集

該工程采用側壁安裝法，將8個傳感器平均分布于左右邊墻，垂直于隧道掌子面，每個同側傳感器的間距為2 m，如圖1所示：

將傳感器推入傳感器孔，確保傳感器與傳感器孔連接緊密。將電纜線通過串聯的方式把傳感器彼此連接后，在主機上對傳感器布設方式進行設置。隨后則使用激震錘進行震源激發，震源點位于每兩個傳感器的中間，每個震源點的有效錘擊數為8次，共采集10組有效（X，Y，Z）三維SGY數據文件。

2.3 TGS系統數據處理與輸出

沖擊彈性波參數與地質變化有關系的原因主要在于波的傳播特性受到地下介質的物理性質影響，而地下介質的物理性質正是反映地質變化的一個重要方面。地質材料的物理性質會影響波的速度、波阻抗、傳播方向等參數。當地質條件發生變化時，這些物理性質也會隨之發生變化，從而導致彈性波參數發生變化。TGS360Pro系統的工作原理可根據以下公式進行分析：

（1）

式中，Gs（ti）——地質界面對應時刻的應力（Pa）；As（ti）——地質界面對應時刻的振幅（m/s）；Fs（ti）——地質界面對應時刻的頻率（Hz）。

TGS360Pro系統利用了地震反射綜合理論，將接收到的地震波在時域和頻域上進行復雜的數學分析和處理。根據式（1）及系統算法，最終可輸出8組參數，分別為Vp、Vs、Vp/Vs、應力梯度、含水概率、泊松比v、楊氏模量E和危險等級。該參數以.dat文件形式進行數據保存。

3 EVS三維地質建模

3.1 EVS軟件簡介

EVS可通過三維視圖的方式將山體結構破碎、滲水、夾泥、裂縫發育直觀地展現出來。同時，EVS還支持對模型進行任意形式的切割，便于多角度觀察。EVS三維地質建模軟件中，用戶需要建立對應的空間場及空間網格，并將地質空間劃分為若干網格節點和單元。將采集整理好的數據導入EVS軟件中，根據數據點構建地質模型，利用軟件的插值和地統計學功能[4]，可以生成連續的地質體。

3.2 TGS數據處理

將TGS360Pro的.dat數據文件進行格式轉換，確定在顏色發生明顯轉變區域所對應的數據值變化，通過Excel篩選并將其定義成不同的異常類型。

將gridding and horizons中的地層面、網格范圍、網格精度等信息傳至3d estimation模塊，形成三維空間數據。將3d estimation模塊的數據傳至distance and surface模塊，最后輸出至viewer模塊，從而完成觀測系統建立。

使用指示克里金法建立巖性模型，通過intersection模塊讀取其中的網格信息，此外還需要在該模塊中設置Z向網格精度，并進行插值設置。該模型計算完成后，即得到模型的三維空間數據。

3.3 EVS反演結果分析

通過實際開挖比對，EVS反演建模結果與已開挖現場情況基本吻合，證明了該軟件可用于TGS360Pro物探數據的三維模型反演。將該模型的異常區域進行單獨展開分析，如圖2所示。具體分析結果如下：

（1）應力梯度異常區域

由圖2（a）初步推斷該隧道樁號K10+461 m～K10+

481 m區間的拱頂應力梯度增大，應力梯度等級在6級以上，該異常區域節理裂縫發育，圍巖呈較破碎～破碎狀態。

（2）縱波波速異常區域

由圖2（b、c）分析，樁號K10+441 m～K10 +461 m段，隧道左側可能呈現裂隙發育～溶蝕裂隙發育狀態，而地質呈相對破碎狀態；樁號K10+441 m～K10+461 m段，隧道右側以及K10+461 m～K10+511 m段地質軟硬混雜，溶蝕裂縫或溶腔發育。

（3）含水概率異常區域

由圖2（d）及施工現場情況綜合推斷，該隧道模型所標注的藍色區域含水概率增大，約為10%～30%。開挖過程中可能會出現滴水、滴水成線的現象。

（4）縱橫波波速比異常區域

由圖2（e）分析，樁號K10+485 m～K10+511 m段為溶蝕裂隙密集發育區域，有軟層。

結合現場施工狀況及掌子面揭露地質信息，對以上參數進行綜合分析，主要預報成果表如表1所示。

綜合上述分析，ZK10+441 m～ZK10+461 m段圍巖等級推薦定為Ⅳ級，ZK10+461 m～ZK10+511 m段圍巖等級推薦定為V級。建議提前做好施工應對準備，防止事故的發生。

4 結論

該文基于云南省小江園隧道，對TGS所采集到的數據進行了處理，得到了隧道二維橫向剖面結果及EVS三維地質建模。經過建模分析初步得到以下結論：該段圍巖主要為中風化白云質灰巖，局部應力梯度增大，疑似巖體較破碎～破碎，裂隙較發育～發育；局部含水概率增大，疑似滲水或夾泥。ZK10+441 m～ZK10+465 m左側縱波波速相對較低，疑似裂隙發育；ZK10+491 m～ZK10+511 m拱頂及左側縱橫波波速比增大，疑似夾軟層；ZK10+441 m～ZK10+469 m右側縱波波速高低交替，疑似裂隙較發育或夾較軟層；ZK10+469 m～ZK10+511 m縱波波速高低交替較強烈，疑似軟硬混雜。

該文的超前預報工作為隧道施工應急處理、超前支護和支護設計提供了重要策略依據，取得了較好的經濟與社會效益，同時為綜合地質預報技術數據處理提供了一定的參考價值。

參考文獻

[1]殷穎，田軍，張永杰.巖溶隧道災害案例統計分析研究[J].公路工程，2018（4）：210-214+273.

[2]陳敦理，蒲端，楊洪宇，等.隧道超前地質預報技術及綜合應用[J].公路交通技術，2023（4）：132-139.

[3]李鈺強，顏英軍，巨廣宏.TGS360Pro三維地質預報技術[J].西北水電，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.