TRT技術在隧道地質超前預報中的應用

劉 杰，廖春木

(1.中國礦業大學(北京)，北京 100083;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

鐵路建設受到地形、土地占用等因素的影響，隧道占線路的比例越來越大，在隧道的掘進過程中，由于前方地質情況不明，經常會因遇到斷層、裂隙、破碎帶、溶洞、暗河、高地應力等不良地質體而導致塌方、泥石流、涌水、巖爆冒頂等地質災害發生。若能準確地提前了解掌子面前方巖體結構的變化情況，不僅可以及時合理地安排掘進進度、修正施工方案、采取防護措施，還可避免許多險情的發生，從而確保施工人員的生命安全。在京滬高鐵張嘎隧道超前預報中，引進TRT6000技術，采用空間多點激發和接收觀測方式，獲得足夠的空間波場信息，進行空間層析成像，達到克服其他預報方法無法解釋小構造、小巖溶等地質體，提高地質缺陷的定位精度的效果。

1 TRT6000工作原理

TRT(Tunnel Reflection Tomography)系統隧道反射層析成像系統，由美國C-Thru Ground西斯陸地地質設備公司最新研制成功的隧道地震超前探測儀器，該系統從探測方法、數據處理到成果評價均具有獨特的方法。TRT技術方法與其他地質探測的方法的基本原理一樣，即彈性波反射成像。當震源發射的地震波在傳播過程中到達波阻抗差異的界面上時(如巖層面、斷層、軟弱層、巖溶等)，發生反射和透射，一部分反射回來的信號被安裝在隧道邊墻及頂部的傳感器所接收;一部分信號通過透射繼續向前傳播。由于接收到的反射信號的時間、振幅、頻率以及衰減的性質與工作面前方巖體性質密切相關，通過對采集到的數據分析，可以確定探測前方巖體的反射系數、地震波在巖體中傳播的速度以及巖體的動力學性質，進而可以推斷出工作面前方是否存在地質異常體及其位置和規模(如節理裂隙帶、軟弱帶、斷層破碎帶和含水構造等)。TRT6000可以方便、準確地預報工作面前方100～200 m范圍內的地質情況，從而為隧道工程的施工以及變更施工工藝等提供了科學依據。

2 數據采集與處理

與TSP和“負視地震法”等超前預報方法相比，TRT在測點布置方面進行了較大的改進。無論是TSP法還是“負視地震法”，其檢波器和震源均布置在同一平面內，因此，只能從平面的角度來解譯前方的地質體異常情況，而且只能解釋較大的、平直的地質體，對較小的不規則的地質體、不連貫的小地質體解釋能力不足;而TRT技術采用三維空間全斷面多點激發和接收觀測方式，其檢波器和激發的炮點呈空間分布，以便獲得足夠的空間波場信息，從而使前方地質缺陷的定位精度大大提高，克服其他預報方法無法解釋小構造、小巖溶等地質體;在異常體定位的方法上，改變其他方法采用上行波和下行波的焦點來確定，而是采用由震源點和檢波點為焦點，以入射波和反射波的總時間為距離組成的橢球體，通過多組球體可以確定異常體的位置和延伸方向(如圖1所示)。從而提高了隧道地質超前預報的實際價值和應用價值;TRT系統采用12個震源和10個傳感器，震源布置在掌子面附近的左右邊墻上，分兩斷面布置，斷面間隔為2 m;傳感器布置在距震源點10～20 m的隧道兩邊墻及拱頂上，分四個斷面布置，斷面間隔5 m，距離震源最近的斷面布置兩個檢波器，布置在左右拱腰部位，第二個斷面布置三個檢波器，分別布置在拱頂和邊墻的下部，第三、第四斷面布置方式分別和第一、第二斷面的布置方式相同。具體布置情況見圖2所示。

圖1 TRT探測原理示意

圖2 TRT系統震源和檢波器布置(單位:m)

TRT6000的數據處理主要經過以下幾個過程:

1)有效信號的提取:在TRT系統采集的數據記錄中，不僅包含工作面前方地質體反射回來的攜帶地質體性質的信號，也含有大量的干擾信號，可以通過濾波方法降低噪音信號的比例，提取有效信號。

2)分離P波和S波:P波為壓縮波(縱波)，S波為剪切波(橫波)，其中SV波表示質點在垂直面內運動的橫波，SH波表示質點在水平面內運動的橫波。

3)提取反射面，計算反射系數、波速，進行圖像處理，反射系數的計算可以通過下式計算

式中，R為地震波在界面的反射系數;ρ1為第一層介質的密度;ρ2為第二層介質的密度;V1為地震波在第一層介質中的傳播速度;V2為地震波在第二層介質中的傳播速度。

巖體反射界面的性質可以通過以下幾個方面解譯判斷:①出現較高的反射振幅、較大的反射系數和較小的彈性阻抗，表示反射界面的巖石密度和波速較高。②波形出現正的反射振幅，表示反射界面的巖石是堅硬的。如果是負的反射振幅，表示反射界面是軟弱巖石。③如果S波反射比P波反射更強，這表示反射界面富含水。④若隧道圍巖縱波平均速度VP下降，則表明裂隙或空隙度增大。

4)數據成像、結果輸出:地震數據處理完以后，可以從3D窗口里面察看選擇的反射體。3D窗口用事先確定的隧道剖面顯示從參考系位置到掌子面已經開挖的隧道以及所選擇的反射面位置，并顯示接收器和發射孔的位置。

3 工程實例

張嘎隧道位于京滬高鐵 DK427+980—DK428+672段雙線隧道，全長692 m，此次僅在DK428+281—DK428+482地段進行TRT6000、地質雷達和開挖工作面地質素描等地質探測和綜合預報工作。該隧道地形起伏大，進口坡度約為10°，出口坡度約為15°，隧道埋深較淺。

圖3 張嗄隧道縱斷面地質(單位:m)

根據隧道圍巖情況，確定本次TRT60000預報范圍應在掌子面前方200 m范圍內。根據檢波器和激發點的距離以及直達波到達檢波器的時間反演計算:隧道圍巖縱波平均速度Vp=3 600 m/s，橫波平均速度為1 900 m/s，圖4是由不同炮點、檢波點計算的縱橫波波速圖。由于圍巖密度ρ=1.96～2.66 g/cm3，推測該地段圍巖的動彈模 Ed=18～25 MPa，動泊松比 σ=0.21～0.28，由此推斷該段隧道圍巖類別屬于Ⅳ～Ⅴ類;通過對三維成果圖分析，發現隧道前方的結構情況如下:①在DK428+441—DK428+482范圍內，存在許多不規則高能量反射波，且波形以負反射為主，推測該段范圍內為弱風化巖、碎石狀巖層或斷層破碎帶，結構松散，完整性較差，建議該段隧道在施工時需加強支護;②在DK428+391—DK428+441段范圍內，幾乎反射能量很弱，幾乎不存在什么反射體，推測該段范圍內隧道圍巖結構完整性較好，不存在不良地質體;③在DK428+391—DK428+281范圍內，存在一些零星的較弱反射體，反射系數以負數為主，推測該段巖體完整性很差，可能較為破碎，含水量較大，在DK428+321—DK428+311范圍內，背景值相對較弱，反射系數為負，負反射能量較強，推斷該處巖石比較破碎，可能存在含水溶洞，開挖時容易引起坍塌，需要加強支護，TRT6000探測結果見圖5。后經開挖掘進證實了該處斷層破碎帶和溶洞的位置與預報結果相符。

圖4 P波、S波平均波速圖

圖5 TRT6000探測結果

4 結論和建議

通過對TRT的基本原理、數據采集和處理方法的研究以及在京滬高鐵張嘎隧道地質超前預報的試驗研究，得出如下結論:

1)TRT采用三維空間全斷面多點激發和接收觀測方式，能夠獲得足夠的空間波場信息，提高探測的精度，改善其他探測方法對較小的不規則的地質體、不連貫的小地質體解釋能力不足的問題。

2)采用橢球體層析成像技術，提高計算巖體波速的精度和異常地質體的定位準確性。

與其他探測技術一樣，作為地球物理探測技術的TRT也存在一些自身不足，因此，在進行隧道地質超前預報時，如能采用以TRT技術為主，輔之以其他手段并結合該區域的地質水文資料的綜合隧道超前預報，必將能取得更好的探測效果。

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