1 引言

现阶段的超前地质预报，不是停留在单个方法、单一参数的解释预报。超前地质预报的方法有很多，包括：直接预报法（水平钻孔、超前导坑），地质分析法，物探法和综合分析法。预报法中物探法是常规的一种间接预报方法，物探设备并不是直接反应掌子面的结构构造和性质，而是利用他们的物性差异，用采集到的数据间接的进行推测。物探法中弹性波法是超前地质预报的一个大类，近年来随着物探设备探测精度的提高，解释、解译技术的发展，我国出现和引进了很多弹性波类的超前地质预报技术，如：TSP、TRT、TGS360等。TSP优点是预报距离长，使用范围广；相对于地质雷达、瞬变电磁等物探方法，地震波对破碎带、断层、岩性变化等岩体力学性质差异界面敏感度较好，识别度较高，但对含水体识别度较低^[1]，技术人员经验、水平的不同容易造成数据解译的差别，造成预报成果的多解性。TSP法可以得到很多的物性参数，以后发展的方向可能是朝着三维观测系统采集，将更多的物性参数应用到TSP的反演中，形成一个联合反演和解释的机制，减少人为的主观因素造成的多解性。TRT的技术特点是观测方式实现了空间观测，资料处理上采用了地震偏移成像，较TSP和负视速度法有明显的改进^[2]。TRT存在问题是：由于是三维空间采集模式，检波器的安装和锤击实际操作中有一定难度，例如传感器需要2m以上的高差才能达到三维采集的效果。还有就是TRT采用锤击震源，一方面需要高灵敏度的检波器，一方面需要消除现场干扰噪声，保证高信噪比。TGS360是近些年来才引进的一种超前地质预报方法，它在流体预测中有自己的一套解译机制。本文从正演模型出发，将模型的反演解译经验成功应用到了公路隧道预报中，为今后TGS360超前预报法在公路预报中的应用提供借鉴与参考。

2 TGS360原理

2.1 TGS360的基本原理

图1 TGS360现场观测系统与探测原理

TGS360是俄罗斯GEOTECH公司与俄罗斯乌拉尔国立地质大学合作研发的地质预报系统，近些年来引入到国内应用。TGS360可以选择不同的震源（大锤，液压锤）或炸药，该技术的理念是专注于航空无线电定位每个3C检波器的工作原理提出了一个定向覆盖锥形雷达（锥角为45°）。经过极化处理的波场根据每个检波器，在迁移映射的结果，所有覆盖锥还原成一在面部的中心点。在多个振源位置（连续）激发情况下，完整波场矢量分量记录被在现场处理系统，确保在任何方向从四面收到地块的可靠而稳定的总结性参数化三维图像，通过处理得到的图像可以判别涌水，冒顶和含水区域及破碎带等隧道前方危险情况。

2.2 TGS360的技术特点

类似于TSP方法，TGS360超前地质预报法可以得到岩体力学物性参数成果，如：纵波速度Vp，横波速度Vs，纵横波速比Vp/Vs，杨氏模量E，泊松比σ。不同于TSP的地方是它在地震数据解释上有一套自己预测流体富集的专利方法，可以提供围岩应力梯度图、含水概率图等。

动态流体法(DFM)是Pisetski等发明的一项专利技术^[3]。地震资料解释的动态流体法(DFM)是以离散动态介质模型为基础的^[4]。该方法基于下列假设：掌子面前方的地质介质是离散的，该介质处于连续的非均匀应力影响之中，即引力和构造力。非均匀应力状态下造成岩石压力的空间分布不同，岩石中压力的差别使得岩石中流体发生运移，即从“高压”区向“泄压”区逃逸或运移^[5]。瞬时压力变化会产生张开的裂缝或处于裂缝状边界条件下，并且有地震响应，DFM就是从记录的地震信号中提取这种响应，通过希尔伯特变换解析出地震信号的瞬时振幅和瞬时相位，再根据振幅和相位的参数计算出相对压力梯度，从而确定出高渗透、连通性好的裂缝或裂缝状孔隙系统中最可能含流体的区域。

3 Tesseral2D正演模拟

图2 Tesseral2D正演模型

本次正演模拟采用基于有限差分法的二维全波场数值模拟软件Tesseral2D^[6]。建立二维的地质模型见图2，隧道掌子面前方的地质为片岩地层，纵波速度为5757m/s，横波速度为3200m/s，密度为2.7kg/cm³，在前方40m左右处设置一个含水地层，纵波速度为1500m/s，横波速度为0.25m/s，密度为1.0kg/cm³，在掌子面前方100m处设置一个低速带，砂泥岩地层，纵波速度为800m/s，横波速度为450m/s，密度为1.5kg/cm³。入射子波采用30Hz的零相位子波^[7]，观测系统如图2所示，在两个边墙布置10个震源位置，间隔2m，每次震源设计8个接收点，采样间隔为0.2ms。正演的结果见图3。

图3 首炮（-11,16）0.01s-0.06s波场快照

根据所建立的二维地质模型，采用弹性波动方程模块进行正演，得到每一炮相应的sgy地震数据，该数据可以带入TGS360处理软件进行处理。

TGS360反演的流程是：①通过2D（或者3D）的追踪程序，追踪一个或者多个地震层位；②选择一个地震层位由瞬时频率和瞬时振幅计算出相对压力梯度；③对整个地震层位估算的瞬时振幅和瞬时频率平均，减去正常“背景”压力(地层静压力或上覆压力)，剩余值就是地应力引起的异常压力。建立相对异常压力图和等值线图，异常压力低值区也就是最可能聚集流体的地方^[3]。

图4 TGS360处理软件得出的含水概率图 图5 TGS360处理软件得出的围岩危险等级图

处理结果，对掌子面前方150m范围，纵剖面上、下50m范围内进行二维反演。含水概率图见图4，处理的结果和正演模型还是比较对应的，在掌子面前方40m、100m附近都出现了相对强含水概率（红线标注的蓝色区域）。

围岩破碎危险等级图见图5，处理的结果和正演模型还是比较对应的，在掌子面前方40m、100m附近都出现了相对高危险区域（红线标注的红色区域）。

小结：（1）TGS360超前地质预报方法在地震数据解释上有一套自己预测流体富集的方法，高含水区域、高应力变化区域反演出来和正演模型有较好的对应性；（2）联合含水概率图和危险等级图可以看出，推测含水概率高的地方比较对应正演模型反射界面位置，即界面位置应力变化梯度较大，认为是裂隙等可能含有流体的地方；（3）由于是进行的2D正演，在位置精度和解译精度上与正演模型还是有一定的误差，一方面可以结合3D正演继续研究，一方面需要结合工程实际进行总结；（4）反演过程中试验了很多反演参数，反演出来的模型大致相同，发现初始模型波速选择得准，反演出来的模型越接近于正演模型。

4 TGS360在隧道地质预报中的应用

目前的隧道地震预报采用的主要方法为反射波法^[8]。本次对临沧某高速公路隧道，应用TGS360超前地质预报法进行地质预报。

4.1 工程概况

设计书对探测区段的地质概况描述：该段隧道围岩分级划分为Ⅳ2级，围岩以中风化片岩为主，节理、裂隙较发育，岩体较破碎，多呈碎石状碎裂结构或块状镶嵌结构；物探表明属低阻区；岩体富水性弱～中等，开挖时可能存在较小量的滴水、渗水等现象。

现场地质情况：掌子面桩号为ZK26+930，采用钻爆法施工，岩性为灰白色、灰黑色花岗质片岩，岩质较软。主要以强风化为主，较易击碎，强度较低。围岩总体为破碎～较破碎，节理、裂隙较发育，岩体多呈镶嵌碎裂状～碎块状结构。

观测系统布置：隧道两边墙布置，每个边墙布置4个传感器，共8个传感器,以串联方式连接，离掌子面最近的传感器到掌子面间距为5m。在传感器两侧布置共10个震源点。采用大锤激发，每个震源点敲8次。

4.2 TGS360图像分析与解释

图6 含水概率分布图 图7 围岩破碎危险等级图

图8 泊松比 图9 三维含水率概率图

区别于2D的正演，实际TGS360采集中采用的是3分量检波器，并且可以使用3D的追踪反演程序，所以可以查看三维的结果。

由图6含水概率分布图和图7围岩破碎危险等级图可以看出，在掌子面前方105m（ZK27+035）处附近有一个高含水和围岩破碎区域。

图8显示泊松比在掌子面前方105m附近相对上升为0.4左右。图9三维含水率概率图显示，该区域在掌子面前方105m左右，大概率在隧道拱顶上方。结合工程实际地质情况推测：在掌子面前方90m-120m（ZK27+020-ZK27+050）范围内含水概率相对较高，可能有点滴状或淋雨状出水，结合前几次该隧道的预报经验，可能为低波速的砂泥岩低速层，由于该区域在拱顶上方，岩体自稳能力差，开挖时不及时支护或支护（处理）不当易产生较大规模的坍塌。

4.3 超前地质预报与实际开挖情况对比

图10为桩号ZK27+025处拍摄的视频截图，掌子面节理、裂隙发育，岩体较为完整，有线状出水，基本和超前地质预报的结果相吻合。

图11为桩号ZK27+036处所拍摄的视频截图，施工方通知的时候已经发生了突泥，这与地质预报结果相符。

图10 ZK27+025（预报95m处线状出水） 图11 ZK27+036（预报106m处发生突泥）

4.4 TGS360应用效果

在临沧该高速某隧道区域，共完成34次TGS360超前地质预报，对26个异常区域进行了跟踪，发现有20个是比较对应的。预报成果较成功，准确度相对较高，保障了现场开挖施工安全，同时提高了施工效率，该方法对可能含流体的区域预报有一定优势。

5 结论

TGS360超前地质预报法是依托于Pisetski等发明的动态流体法(DFM)专利技术发展出来的一种超前地质预报方法，该方法相比于一般的地震波超前地质预报法，其在对含水体识别度上有所提高。该方法反演程序步骤简单，不需要人为的调整很多处理参数，减少人为的主观因素造成的多解性，可以得到三维的预报成果。

（2）本次采用Tesseral2D二维全波场数值模拟软件建立了二维地质模型，并且进行了正演模拟，将正演数据代入到TGS360处理软件进行反演。最终，得出的结果和所建立的二维地质模型有较好的对应性。在将正演数据代入到TGS360处理程序的过程中发现有两个参数对反演结果有较大的影响：①反演初始速度模型设置越接近正演模型速度，反演出来效果越好；②反演程序中初始含水概率值设置越接近正演模型情况，反演出来效果越好。所以应用的时候应该避免超前地质预报中的“盲人摸象”现象，对复杂地质灾害的探测，一定要掌握该地区地质特点，在探测到局部灾害体时，只有掌握宏观的工程地质与水文地质网络特点，才能做出准确的、合理的、符合地质情况的灾害预报^[8]。

（3）结合TGS360超前地质预报的原理和正演、反演的过程中总结的经验，在临沧某高速公路将该方法进行了应用，得到了较好的效果，准确度相对较高，保障了现场施工开挖安全，同时提高了施工效率，证明该方法在实际工作中对含流体的区域进行预报还是有一定优势。