隧道地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)，采用隧道高頻地震反射回波的方法，探查隧道前方圍巖的不良地質(zhì)體（例如：巖體構(gòu)造破碎帶、巖性接觸帶和巖溶發(fā)育帶等）。為隧道的快速掘進(jìn)、支護(hù)材料的提前準(zhǔn)備，以及災(zāi)害事故的預(yù)防提供地質(zhì)資料與信息。
專門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報研制開發(fā)的技術(shù)成果，已經(jīng)經(jīng)過國內(nèi)隧道專家組評審，鑒定為具有國際*技術(shù)水平。
隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)可預(yù)報隧道前方200米左右（本數(shù)值為中等硬度圍巖條件，視當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造有所偏差）的巖性變化、斷層、破碎帶、巖溶發(fā)育帶、空洞等，并能計(jì)算出上述范圍內(nèi)的縱波、橫波速度、波速比,泊松比,相應(yīng)巖體的動彈模量和剪切模量等巖石力學(xué)參數(shù)。
TGP206隧道地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)動態(tài)范圍大，通過改變偏移距離和激發(fā)能量即可實(shí)現(xiàn)大范圍預(yù)報。
TGP206隧道地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)性能提高突出表現(xiàn)在高分辨能力的增強(qiáng)，即對隧道圍巖病害地質(zhì)體的判釋能力的提高方面。
根據(jù)隧道地質(zhì)超前預(yù)報和隧道地質(zhì)檢測兩個方面的需要，開發(fā)出TGP隧道地質(zhì)預(yù)報儀和相關(guān)軟件處理系統(tǒng)。該隧道地質(zhì)超前預(yù)報儀器系統(tǒng)既可以進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報，擴(kuò)展配置又可以對開挖過程中未發(fā)現(xiàn)的隧道隱蔽病害（如隧底巖溶等）進(jìn)行檢測，和檢測隧道圍巖的彈性波速度、劃分隧道圍巖類別，以及檢查混凝土襯砌與圍巖之間是否存在脫空缺陷等。
這種多功能儀器適應(yīng)隧道彈性波多項(xiàng)目檢測的需要，軟件處理系統(tǒng)全部為WINDOWS編程，界面良好，處理中既有自動處理方式，也有手動處理方式，還具有深入分析異常可靠程度的追蹤評估功能。
這種功能設(shè)計(jì)的操作既適應(yīng)非物探人員，又適應(yīng)物探或*人員利用彈性波傳播特性對隧道復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行深入的研究。
TGP隧道地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)由四大部分組成，它們分別是：
（1）TGP隧道地質(zhì)預(yù)報檢測儀主機(jī)，儀器箱體采用全密封式，顯示采用強(qiáng)背光功能的TFT液晶顯示屏，存儲單元為30G，儀器設(shè)計(jì)具有防水、防塵、防震功能。
·12通道
·頻帶寬度0.5~4000HZ
·VPP為24伏下瞬時浮點(diǎn)放大 A/D轉(zhuǎn)換20bit
·動態(tài)范圍 高信噪比 120~132db
·采樣率 30μs、60μs、90μs、120μs、250μs、500μs、1ms、2ms
·超長采樣記錄功能 采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)1024、2048、4096、8192點(diǎn)
·具有三檔模擬濾波功能 全通、高通1、高通2
（2）高靈敏度三分量速度型接收檢波器，安裝配套的工具和器材，如專用電纜、 起爆觸發(fā)電器、孔中接收檢波器和耦合劑的專用安裝工具、專用防水防震工程塑料儀器箱和工具箱等。
（3）數(shù)據(jù)處理設(shè)備（DOTH（750）1.8G/256MB/40G/WIN XP PRO/ATI RADEN *300 64MB DDR2/指紋識別系統(tǒng)）,工程地質(zhì)圖象記錄設(shè)備（710萬像素/4*optic/2*digit）。
（4）TGPWIN隧道地震波處理分析軟件包
三分量隧道地震波采集模塊；
空間位置建立模塊；
均衡增益、頻譜分析、濾波模塊；
干擾波剔除模塊；
速度分析模塊；
地震回波提取模塊；
地震回波相關(guān)偏移歸位模塊；
隧道圍巖構(gòu)造的能量衰減與性質(zhì)分析模塊；
報告圖文編輯模塊。
儀器主要技術(shù)指標(biāo)：
•主機(jī)具有4個獨(dú)立的三分量通道
•頻帶寬度0.5 - 4000Hz
•Vpp為24伏條件下的瞬時浮點(diǎn)放大，A/D 20bit 120-132db，動態(tài)范圍大/信噪比高；
•采樣率：10μs、30μs、60μs、90μs、120μs、250μs、500µs、1 ms八檔；
•超長采樣記錄功能/采樣點(diǎn)數(shù)：1024、2048、4096、8192點(diǎn)；
•采樣記錄長度*大為8.192s；
•具有模擬濾波器/分三檔：全通、高通1、高通2
儀器裝配：
TGP型隧道地質(zhì)預(yù)報儀的裝配設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：考慮到隧道應(yīng)用環(huán)境具有潮濕或滴水的特點(diǎn)，儀器設(shè)計(jì)為整體式、面板鍵盤等設(shè)計(jì)為密封觸摸式鍵盤。儀器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為大信號狀態(tài)采樣，有利于儀器信噪比性能的提高。考慮到多功能檢測的需要，隧道地質(zhì)超前預(yù)報儀器設(shè)計(jì)為4個獨(dú)立的三分量通道，通過選用專用插頭改變儀器輸入的接線組合，確定儀器的使用狀態(tài)。用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報，可以根據(jù)需要在1-4個接收檢波輸入道選擇使用。即儀器*多可以同時布置4個接收孔的預(yù)報。用于隧道地質(zhì)檢測功能，根據(jù)檢測項(xiàng)目選擇專用的插頭、電纜和檢波器，根據(jù)工程需要選擇儀器的功能狀態(tài)。
主要儀器配件：
高靈敏三分量檢波器（X、Y、Z）（帶2.5米專用插頭電纜）
檢波器定向?qū)Ｓ冒惭b器及耦合劑專用注入連接桿
三分量檢波器專用連接電纜（20米）
起爆觸發(fā)信號連接電纜（80米）
一分三專用分線器
地震波數(shù)據(jù)存儲專用U盤（128M）
專用鼠標(biāo)
備用操作鍵盤
備用操作鍵盤連接插頭
外接電源連接線
外接電源保險管
便攜式專用電纜背包
防水防震工程塑料保護(hù)箱
TGPWIN隧道地震波處理分析軟件包
TGPWIN隧道地震波處理分析軟件保護(hù)狗
擴(kuò)展配置根據(jù)工作項(xiàng)目的需要用戶可以自由選擇
TGP型隧道地質(zhì)預(yù)報儀在黔桂鐵路銀洞坡隧道進(jìn)行超前預(yù)報工作
在黔桂鐵路途經(jīng)的貴州省都勻市銀洞坡隧道進(jìn)行了超前預(yù)報工作，銀洞坡隧道位于黔桂線第五標(biāo)段，中心里程DK480+874，全長8516m。該隧道是全線的重點(diǎn)控制工程，地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越F4斷層和含毒礦床，巖溶局部發(fā)育。
在巖溶比較發(fā)育的灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行隧道施工，進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報是非常重要的一項(xiàng)工作，預(yù)報檢測資料的分析與非巖溶地區(qū)相比較難度也大得多。北京市水電物探研究所采用自身研制開發(fā)的TGP12型隧道地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在這一工段進(jìn)行了隧道超前預(yù)報工作，為隧道的*施工掘進(jìn)提供了預(yù)報資料。
圖一 銀洞坡隧道位置及外景 圖二 隧道施工中遇到巖溶突水
圖三 現(xiàn)場采集
云南某隧道地質(zhì)超前預(yù)報檢測成果 宜萬鐵路王家?guī)X隧道涼風(fēng)埡隧道段施工現(xiàn)場
圖件資料如下：
反射回波采用的速度：縱波Vp =6200米/秒；橫波 Vsh = Vs=3300米/秒；Vp/Vs=1.88。理用Vsh波計(jì)算的結(jié)果：（Vsh=3300米/秒）
1，接收在：左壁K53+224 用橫波處理
2，接收在：右壁K53+224 用橫波處理 3，接收在：右壁K53+120 用橫波處理
采用Vp波計(jì)算結(jié)果為：（Vp=6200米/秒）
Vp計(jì)算結(jié)果：
1，接收在：左壁K53+224 用縱波處理 2，接收在：右壁K53+224 用縱波處理
3，接收在：右壁K53+120 用縱波處理
（附）變更設(shè)計(jì)建議書 編號：宜萬線7標(biāo)段隧(2005)第 號—（施）
致 北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司宜萬鐵路監(jiān)理站 ：
1、變更原因：涼風(fēng)埡隧道DK53+322~ DK53+339段原設(shè)計(jì)為Ⅱ級圍巖，采用《宜萬隧參03-6》圖施工。 在隧道開挖至DK53+322時線右邊墻處發(fā)育一溶洞，寬約2.5m，沿隧道線路方向漸往右移，穿越隧道掌子面中部及拱部后至DK53+339時移至線左邊墻處，并向邊墻外延伸，雨后DK53+322處溶洞有較大水量流出，DK53+339處溶洞有少量滲水。該段圍巖較破碎，拱部巖層產(chǎn)狀平緩，節(jié)理發(fā)育，并受該溶洞影響，拱頂巖層出現(xiàn)楔體破壞、掉塊。
2、變更方案建議：為確保施工*，建議：①從DK53+322～DK53+339段采用Ⅳa施工支護(hù)；②對拱部楔體破壞部分掛設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)、增設(shè)中空錨桿、噴射砼回填；③對DK53+322、DK53+339邊墻兩處溶洞查明水流方向后采用砂漿錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)噴砼封閉，邊墻外2m灌注C20砼回填。
3、工程量估算：①Ⅱ級圍巖變更為Ⅳa數(shù)量：開挖：Ⅳ級圍巖+1150.73m3；Ⅱ級圍巖-1011.74 m3；噴砼：素噴+20.672 m3；網(wǎng)噴+18.7 m3；仰拱填充：+62.39 m3；模筑襯砌：+37.13 m3；②拱部楔體破壞處理：鋼筋網(wǎng)：1.088t；φ25中空錨桿：204m；噴C20砼：63.55 m3③邊墻兩處溶洞處理：鋼筋網(wǎng)：0.985t；φ22砂漿錨桿：186m；回填C20砼：62.3 m3
填報單位： 中鐵三局集團(tuán)
青島仰口隧道施工現(xiàn)場
在經(jīng)過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作后，通過TGP*軟件進(jìn)行處理、獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、相關(guān)偏移歸位剖面等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始記錄分析測段巖體的地質(zhì)條件；以相關(guān)偏移歸位剖面預(yù)報前方巖體地質(zhì)條件，預(yù)報分析推斷以P波剖面資料為主，結(jié)合橫波資料綜合解釋。解釋中遵循以下準(zhǔn)則：
①正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層。
②若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。
綜合分析隧道左右壁原始記錄，分離后的縱橫波（P、SH、SV）記錄，以及P波、SH波、SV波的相關(guān)偏移歸位剖面圖得知：
測段圍巖左壁在K60+955～DK60+935、右壁在K60+945～DK60+935段P波、SH波和SV波三種波形有較大衰減；預(yù)報段圍巖在K60+872～K60+860、K60+797～K60+782段存在異常，推測上述里程段圍巖為構(gòu)造與裂隙發(fā)育帶。K60+915～DK60+872、K60+860～DK60+797、K60+782～K60+765段巖體新鮮、且相對完整。
左壁P、SH、SV波的相關(guān)偏移圖 右壁P、SH、SV波的相關(guān)偏移圖
相關(guān)配件
隧道地質(zhì)超前預(yù)報用三分量檢波器專用連接電纜（20米）隧道地質(zhì)超前預(yù)報用高靈敏三分量檢波器及耦合劑專用注入工具
及起爆觸發(fā)信號連接電纜（80米）
隧道地質(zhì)超前預(yù)報用一分三專用分線器 地震檢波器
地震映象、地脈動測試電纜（3道） 鉆孔三分量探頭
背景資料：
隧道地質(zhì)超前預(yù)報現(xiàn)狀：目前近距離預(yù)報（又稱近期預(yù)報）一般采用地質(zhì)雷達(dá)，預(yù)報距離一般為20-30米。遠(yuǎn)距離預(yù)報（又稱中長期預(yù)報）采用地震反射波方法，有的采用進(jìn)口儀器TSP202、TSP203，有的采用地震儀器。
為了預(yù)報隧道施工面前方及周圍巖體的地質(zhì)條件，預(yù)報可能出現(xiàn)的隧道施工病害事故，作到有的放矢地采用與地質(zhì)情況相適應(yīng)的開挖方法和支護(hù)手段，是地下工程界多年來不斷努力探索的課題。
專家評述：
TGP隧道地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)經(jīng)過在云南水富高速公路冷水溪隧道，宜萬鐵路王家?guī)X隧道、涼風(fēng)埡隧道，青島海濱高速仰口隧道等工程使用，并且應(yīng)用中注意與現(xiàn)有手段方法進(jìn)行比較，控制試驗(yàn)條件的一致性，即在同一隧道、同一里程、同次震源激發(fā)的條件下，采取不同儀器各自接收、各自分析處理、各自提交處理解釋成果而后進(jìn)行成果對比的方法。工程實(shí)踐證明國產(chǎn)TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的科學(xué)性和適用性。該系統(tǒng)于2005年8月底通過了由國內(nèi)隧道、地質(zhì)、物探專家組成的專家組的評審鑒定。經(jīng)過認(rèn)真慎重的比對和評審，專家們一致認(rèn)為“TGP隧道地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)與相關(guān)的處理系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠，采集的波形完整，信噪比高，與國外同類儀器對比整體上具有國際*水平，可替代進(jìn)口產(chǎn)品。”
TGP的*性：
4 TGP是集放大、轉(zhuǎn)換、采集、存儲、控制為一體的全密封防水防震的物探設(shè)備；優(yōu)于利用微機(jī)與機(jī)箱裝配式結(jié)構(gòu)的儀器， TGP適合在惡劣的隧道環(huán)境中使用。
5TGP的三分量速度型檢波器具有高靈敏度，指向性強(qiáng)和較寬的頻帶響應(yīng)等特點(diǎn)，優(yōu)于壓電晶體型檢波器，因而表現(xiàn)在拾取的地震波信號具有高的質(zhì)量品質(zhì)。TGP孔中接收檢波器采用黃油耦合，方便、經(jīng)濟(jì)、快捷。優(yōu)于在鉆孔中需要錨固異型鋼導(dǎo)管的方式。2米長的鋼導(dǎo)管難于攜帶、運(yùn)輸，價格昂貴，一次性使用，費(fèi)事費(fèi)工費(fèi)財。
6 TGP的地震波采集觸發(fā)是開路觸發(fā)方式，即信號線在引爆的同時被炸斷，信號線同時開路觸發(fā)儀器采集，儀器采集無延時差，保證定位的準(zhǔn)確性。超前預(yù)報儀器若采用電脈沖同時觸發(fā)電和觸發(fā)主機(jī)采集的方案，由于電起爆的延時時間難于做到一致，因此會造成儀器采集的走時誤差，這種觸發(fā)方式在我國的地震波勘探規(guī)程中明確規(guī)定不宜使用，更何況隧道巖體的速度比覆蓋層介質(zhì)的速度高出幾倍以上，以巖體波速4500米/秒 ~ 5500米/秒為例計(jì)算，每一毫秒的讀數(shù)誤差則會造成2~3米的預(yù)報距離誤差，一般瞬發(fā)電的延時誤差不止一毫秒，因此由20多次激發(fā)的平均線計(jì)算隧道巖體速度，和由存在誤差的時間計(jì)算預(yù)報的距離，兩次誤差的乘積造成的誤差是不容忽視的。
7 TGPWIN隧道地震波處理分析軟件是由國內(nèi)物探專家開發(fā)的，它借鑒了已有相關(guān)軟件的長處，并充分考慮彈性波在三維空間的傳播特點(diǎn)，以及根據(jù)TGP隧道地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)格式編寫。功能特點(diǎn)如下： 1、全中文界面，2、通俗易懂，3、對地震4、波信號的處理過程，5、如同6、相位波幅的調(diào)整等操作，7、直觀、方便，8、具有友好的人機(jī)操作界面。9、對P波、SH波、和SV波的分離完善合理，10、這是超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵工作之一。11、處理軟件具有相關(guān)部分互相檢查的功能，12、例如點(diǎn)擊偏移歸位成果圖上的反射界面位置，13、程序會轉(zhuǎn)到該位置界面的反射波組位置，14、 通過分析反射波組的連續(xù)性、反射波的極性和能量，15、確定反射界面的可靠性和性質(zhì)。有助于去偽存真，16、由此及彼，17、由表及里，18、深化認(rèn)識，19、使預(yù)報結(jié)論科學(xué)可靠。20、TGPWIN處理中既有自動處理方式，21、也有手動處理方式，22、還具有深入分析異常可靠程度的追蹤功能，23、 這種功能既適應(yīng)非物探*的普通工程技術(shù)人員使用，24、又適應(yīng)物探或*人員利用彈性波傳播特性，25、對隧道復(fù)26、雜地質(zhì)條件進(jìn)行深入研究工作的需要。8 TGP系統(tǒng)只要增加不多的配套附件和軟件模塊，就可以增加儀器用于隧道檢測的其它功能，例如：對已襯砌的隧道進(jìn)行襯砌脫空檢測，檢查隧道圍巖中隱蔽的病害（巖溶）。也可以在掌子面上用錘擊的激發(fā)方式做到短距離更為精確的地質(zhì)預(yù)報，因而它是一機(jī)多能的設(shè)備。9 TGP的性價比與國外儀器相比較具有明顯的優(yōu)勢。而且研發(fā)、生產(chǎn)在國內(nèi)，儀器購置以后在需要技術(shù)服務(wù)、技術(shù)支持、備件維修、升級換代、等方面會方便一些。
綜上所述，評審組的專家給出的結(jié)論是“鑒于TGP系統(tǒng)具有以上優(yōu)點(diǎn)，并已成功地用于隧道地質(zhì)預(yù)報，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，建議在我國隧道地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作中推廣應(yīng)用。”
