基于隧道施工中的地質環境影響預報分析及TRT技術應用研究

賈良　張宇　楊澤

摘 要：超前地質預報能彌補隧道勘察工作深度的不足，及時發現潛在的不良地質現象，是隧道施工安全的保證，是隧道成功建設的關鍵之一。對隧道施工中的不良地質現象進行分析，討論了超前地質預報的方法，介紹了TRT層析掃描成像預報系統，將隧道地震波反射層析成像（TRT）技術應用于L隧道，對隧道施工中所遇到的斷層破碎帶進行了準確預報，能夠減少和預防隧道施工中地質災害的發生，該技術具有重要的理論意義和工程實用價值。

關鍵詞：隧道施工；超前地質預報；TRT技術；斷層破碎帶

中圖分類號：U456.3；TP391文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0158-04

Application of TRT technology and advanced geological prediction in tunnel construction

JIA Liang1，ZHANG Yu2，YANG Ze1

（1.College of Urban Rail Engineering，Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China；2.Inner Mongolia North United Power Energy Development Co.，Ltd.，Ordos 014316，Inner Mongolia China）

Abstract：Advance geological prediction can make up for the lack of depth of tunnel investigation and discover potential adverse geological phenomena in time.It is not only the guarantee of tunnel safety，but also one of the keys to successful tunnel construction.In this paper，the adverse geological phenomena in tunnel construction are analyzed，the advanced geological prediction method is discussed，and the TRT tomography prediction system is introduced in detail.TRT technology is applied to L tunnel of Longyan Railway，and the fault fracture zone encountered in tunnel construction is accurately predicted，which can reduce and prevent the occurrence of geological disasters in tunnel construction.This technology has important theoretical significance and engineering practical value.

Key words：tunnel construction;advanced geological prediction;TRT technology;fault fracture zone

超前地質預報是工程勘察工作的延續，能彌補勘察工作深度的不足，通過地質及物探等方法，對隧道掌子面前方巖體的地質特征進行提前預測，進而提出隧道開挖及支護的建議，避免地質災害發生，是保證隧道建設中工程質量、施工安全、工程設計優化以及施工信息化的重要基礎［1］。本文對隧道施工中的不良地質現象進行分析，對超前地質預報的技術方法進行討論，以TRT層析掃描成像技術為例，介紹了TRT的基本原理、數據采集以及數據分析，對龍煙鐵路L隧道的掌子面前方地質情況進行了探測，準確預報了掌子面前方的斷層破碎帶，為隧道施工方案與安全措施的制定提供理論支撐。

1 隧道施工不良地質現象

隧道工程的順利施工主要受限于2個因素：一是隧道施工技術；二是隧道施工中地質災害的預報與防治。目前的隧道施工技術可以滿足各種地質條件的隧道施工要求，而地質災害問題成為影響施工進度的關鍵因素。

1.1 斷層引發地質災害

斷層是一種常見的地質現象，是地殼應力釋放的一種方式。斷層改變了巖體本身的物理性質與力學性質，進而影響到隧道圍巖的穩定性，斷層破碎帶極易引發隧道塌方問題。斷層又能成為地下水、瓦斯等地層流體運移的通道，隧道開挖會破壞地層原有的壓力平衡，地層流體沿著斷層進入隧道中，引發地質災害。

1.2 隧道突水突泥

在地下水、巖溶水發育的圍巖中施工時，隧道掘進會破壞含水層結構，水動力條件和地層壓力發生改變，地下水快速涌出，會造成嚴重的經濟損失，甚至出現人員傷亡事故。當地下水中攜帶大量泥砂時稱為突泥。巖溶地區的水文地質條件非常復雜，隧道施工時應嚴防含水溶洞與地下暗河的影響。

1.3 巖爆

隧道開挖至高地應力地區的硬質巖石時，圍巖原有應力平衡受到破壞，巖體中積聚的能量猛然釋放并發生爆裂，巖石碎片從巖體上剝離、拋出，即為巖爆現象。應力集中是巖爆發生的必要條件，地應力超過巖石本身強度值，脆性巖石便會發生巖爆，巖爆會造成開挖作業面嚴重破壞，乃至設備損壞及人員傷亡［2］。

1.4 軟巖工程地質災害

軟弱圍巖具有強度低、裂隙發育、易變形等特點，是一種不良工程巖體，自穩性差，淺埋隧道遇到軟弱圍巖易發生坍塌與冒頂。泥巖、片巖、千枚巖等代表性軟巖遇水易軟化和膨脹，高地應力時會發生塑性變形、洞室內擠。軟巖易發育軟弱結構面，隧道開挖后周邊巖體易沿著結構面產生松弛和滑移等現象。

2 超前地質預報方法

超前地質預報能有效避免和控制地質災害的發生，從而減少施工過程中不必要的經濟損失與人員傷亡?；谒淼绹鷰r的地質與地球物理特性，預報方法主要有地質法與物探法2大類，具體常用的有地質調查法、超前鉆探法、地質雷達法、紅外探水法、TRT地震波法等。

2.1 地質及地球物理原理

超前地質預報是對隧道掌子面前方未知地質環境的探索與預測，這一復雜工作涉及到較多地質及地球物理知識［3］。這些相關理論知識是指導超前地質預報工作的基石，預報人員只有掌握足夠的地質及地球物理知識，才能保證不會漏報或錯報不良地質問題，從而確保隧道工程的順利施工。

隧道工程是建設于巖土體內部的構筑物，隧道圍巖的巖性決定了施工工藝，尤其是遇到軟巖、煤層、特殊巖土等不良地質體時必須及時調整施工方案。褶皺、斷層、節理等地質構造是評價隧道圍巖等級的依據，并且是引發地質災害的導火索，如向斜底部可形成儲水構造，斷層誘發隧道崩塌等。一般隧道施工的整個過程幾乎都會遇到涌水現象，不同涌水量對隧道施工有著截然不同的影響，地質預報時必須對隧道圍巖的水文地質進行分析。巖石的巖性特征可以用密度、磁性、導電性、彈性等參數進行定性定量的描述，利用工程地球物理勘探可以探測不同巖性地層的地球物理特征響應。

2.2 地質法

地質法主要依據礦物巖石學、構造地質學等理論，依靠地質測繪、勘探工程等手段對隧道圍巖地質環境進行直觀認識，主要有地質調查、赤平投影、超前鉆探等方法。

2.2.1 地質調查法

地質調查法主要有地表補充地質調查、洞內地質素描、地下和地表相關性分析等手段，能預判隧道圍巖性質和可能發生的地質災害，各種地質條件下的隧道施工均可采用。隧道施工圖紙是設計單位在宏觀地質調查后的成果圖，后期施工時可根據實際情況對巖性地層、構造地質、水文地質、瓦斯地質等方面進行重點復查或全面調查。

2.2.2 赤平投影法

隧道巖體中大量的結構面（層理、節理、斷層等）給圍巖穩定性分析帶來了巨大困難，赤平投影法將巖體三維空間要素（線、面）反映在投影平面上進行研究處理，能準確表示線、面的方位及空間展布，該方法能解決地質構造的幾何形態和應力分析等諸多問題。

2.2.3 超前鉆探法

超前鉆探法主要指超前水平鉆探，即在隧道內水平鉆進，鉆孔錄井資料能推斷指示掌子面開挖前方的地質信息，預報準確度較高，觀察比較直觀。可在軟弱斷層破碎帶、巖溶發育區、重大物探異常區等地質條件比較復雜時采用，缺點是難以預報與隧道軸線平行的結構面。且超前水平鉆探對施工有干擾，成本較高，在一般地段不宜采用。

2.3 物探法

作為一種間接的勘測方法，物探工作時不會破壞隧道內的地質環境，并且具有高效準確、成本低廉、不影響施工進度等優點，主要應用方法有彈性波法、電磁波法、紅外探測法等。

2.3.1 彈性波法

彈性波傳播時，遇到波阻抗不同的地層界面會發生發射現象，地層間波阻抗差異越大，反射信號越強烈，主要包括地震反射波法（TSP）、水平聲波剖面法（HSP）、真反射層析掃描成像法（TRT）等。TSP是在隧道側壁激發震點，地震波信號在傳播中遇到斷層或巖性變化，部分信號返回即為反射波，反射波和直達波在記錄圖像上為負視速度，二者延長線的交點處為反射界面位置。HSP是在隧道兩側壁分別布置震源和檢波器，激發點與接收點為相錯斜交方式設置，反射波不受直達波與面波的干擾，記錄更清晰。TRT利用多種震源產生沿隧道傳播的信號，當這些信號在巖性發生改變的地方反射，可用來探測開挖工作面前方的圍巖地質情況，發現不良巖體、斷層、地下水等不良地質信息，并對大角度斜較隧道裂隙也能很好的探測［4］。綜合地勘資料進行解釋分析后，可用來構建描述隧道工作面前方異常地質體的三維結構圖。

2.3.2 電磁波法

不同巖石的導電性、導磁性及電化學性質等電性特征不同，因此可通過研究天然電磁場或人工電磁場的時空分布規律來進行地質預報。較為常見的為地質雷達法，定向發射高頻短脈沖電磁波，令其在隧道掌子面前方巖體中傳播與反射，檢測通過地質體的反射和透射信號，進行分析計算，從而探測目標地質體。地質雷達法亦屬于電磁波法的一種，為目前分辨率最高的物探方法之一［5］，但它的預報距離較短，極易受其他設備干擾，目前多用于隱伏巖溶洞穴、含水帶的探測預報。

2.3.3 紅外探測法

該法主要用于探水，單一介質的紅外場為正常場，當含水構造存在時，水所產生的場強會使正常場畸變。紅外探水儀可通過接收隧道圍巖巖體的紅外輻射強度探測掌子面前方的地濕場變化，進而判析前方是否有隱伏含水構造，防止隧道突涌水的發生。

3 TRT技術應用

塌方是隧道施工中最為常見的地質災害現象，約占各類重大地質災害的80％，而絕大部分塌方是由斷層破碎帶引起的，斷層又能成為地下流體的運移通道，是隧道突水的誘發條件之一，因此準確識別斷層破碎帶是超前地質預報的重點［6］。本文以TRT層析掃描成像預報系統為例，對山東某鐵路L隧道標段進行超前地質預報。

在眾多超前地質預報技術中，TRT技術以其成本較低廉、操作簡單、安全性高等優點受到廣泛的關注與應用。對TRT超前地質預報技術的基本原理、儀器布置進行了介紹，對地震波數據進行采集、處理后，得到L隧道地質層析掃描成像的俯視圖、側視圖和立體圖，并以回波信號理論為基礎，對隧道超前預報資料進行分析，結合地質勘測資料對現象進行解釋，對該隧道可能發生的地質災害進行預報，從而為山東某鐵路L隧道施工方案與安全措施的制定提供理論支撐。

3.1 TRT基本原理

TRT技術遵循地震波反射原理，當地震波遇到聲阻抗差異的地質界面時，會發生反射與投射現象。反射信號被傳感器接收后，經分析處理，可判定掌子面前方特殊地質體的位置與性質［7］。當巖體內有破碎帶時，回波的極性會反轉，異常地質體的尺寸越大，聲阻抗差別越大，回波越明顯，探測效果越佳［8］。

以每個震源和傳感器的位置為焦點，所有可能產生回波的反射體均可確定一個橢球，多個震源和傳感器會形成多個橢球，地層界面位置可由這些橢球的交匯區所確定，如圖1所示。

3.2 TRT數據采集

TRT層析掃描成像采集系統主要包括震源激發裝置、傳感器、基站3大部分。現場數據采集時先在震源點上錘擊巖體產生地震波，觸發器產生觸發信號傳給基站，基站下達地震波采集指令，再把地震波數據傳輸到電腦上，則完成一次數據采集。如圖2為TRT震源與傳感器布置圖。TRT預報系統有10個檢波器和12個震源點，并且呈空間分布，這樣可獲得更豐富的空間波場信息，能提高異常地質體的定位精度，還實現了地質體的三維成像。

3.3 數據分析

設定地層成像區域為長250 m，寬40 m，高40 m。設定濾波器，選取每個直達波并計算其平均波速，建立S波波速模型，已挖掘區域設定為10 m/s，其余部分采用計算得到的平均速度。最后選擇濾波參數及背景顏色，獲得地質異常的二維平面圖（如圖3、圖4）和三維立體圖（如圖5）。

根據某鐵路L隧道的區域地質資料分析結合以上反射地震波分析圖可以看出，在掌子面前方5～20 m處存在一個與隧道走向斜交的含水破碎帶，應及時調整施工方案。在掌子面前方120～160 m處可能存在斷層，也可能是由于空氣噪音的影響，可增加預報的頻次，或結合其他地質預報技術進行驗證。通過對TRT成果圖的特征分析，可以獲得隧道開挖面前方的災害類型，并指導隧道施工和優化設計，避免隧道施工地質災害的發生。

4 結語

（1）超前地質預報能有效印證和及時糾正勘察設計資料的地質問題，本文對隧道施工不良地質問題、超前地質預報的基本原理和基本方法進行了詳細介紹，并針對山東某鐵路L隧道標段的斷層破碎帶，利用TRT層析掃描成像技術進行地質預報；

（2）TRT根據地震波遇到不同地質體得到的回波信號，處理分析后能得到圍巖巖性與地質構造的物探成果圖，結合區域地質資料，TRT預報出龍煙鐵路L隧道前方的斷層破碎帶，從而能夠根據隧道掌子面前方的地質構造情況，及時優化施工工藝，最終達到減少和預防地質災害發生的目的；

（3）每種預報方法都有一定的適用性與局限性，在斷層破碎帶、巖溶發育等這類的復雜地質條件下，可適當增加預報的頻次，或結合其他物探技術和水平鉆探等手段，提高隧道施工中不良地質體預報的準確性。

【參考文獻】

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［6］陳章.基于瑞利面波橢圓極化特征的隧道超前地質預報技術研究［D］.成都：四川農業大學，2019.

［7］顏英軍，李鈺強，王海濤.TGS360Pro和TRT7000在某隧道施工超前地質預報中的應用對比［J］.工程地球物理學報，2021，18（1）：59-66.

［8］原先凡，廖丹.基于GOCAD的TRT測試成果解譯方法研究［J］.現代隧道技術，2019，56（3）：18-24.

收稿日期：2022-09-16；修回日期：2023-05-06

作者簡介：賈 良（ 1982-） ，男，碩士，副教授，主要從事巖土與隧道工程的教學研究;E-mail：????? styjialiang@163.com。

基金項目：陜西鐵路工程職業技術學院項目（項目編號：KY2021-32）。

引文格式：賈 良，張 宇，楊 澤.基于隧道施工中的地質環境影響預報分析及TRT技術應用研究[J].粘接，2023，50（6）：158-161.