TRT技术在隧道地质超前预报中的应用

刘 杰，廖春木

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

铁路建设受到地形、土地占用等因素的影响，隧道占线路的比例越来越大，在隧道的掘进过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、裂隙、破碎带、溶洞、暗河、高地应力等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生。若能准确地提前了解掌子面前方岩体结构的变化情况，不仅可以及时合理地安排掘进进度、修正施工方案、采取防护措施，还可避免许多险情的发生，从而确保施工人员的生命安全。在京沪高铁张嘎隧道超前预报中，引进TRT6000技术，采用空间多点激发和接收观测方式，获得足够的空间波场信息，进行空间层析成像，达到克服其他预报方法无法解释小构造、小岩溶等地质体，提高地质缺陷的定位精度的效果。

1 TRT6000工作原理

TRT(Tunnel Reflection Tomography)系统隧道反射层析成像系统，由美国C-Thru Ground西斯陆地地质设备公司最新研制成功的隧道地震超前探测仪器，该系统从探测方法、数据处理到成果评价均具有独特的方法。TRT技术方法与其他地质探测的方法的基本原理一样，即弹性波反射成像。当震源发射的地震波在传播过程中到达波阻抗差异的界面上时(如岩层面、断层、软弱层、岩溶等)，发生反射和透射，一部分反射回来的信号被安装在隧道边墙及顶部的传感器所接收;一部分信号通过透射继续向前传播。由于接收到的反射信号的时间、振幅、频率以及衰减的性质与工作面前方岩体性质密切相关，通过对采集到的数据分析，可以确定探测前方岩体的反射系数、地震波在岩体中传播的速度以及岩体的动力学性质，进而可以推断出工作面前方是否存在地质异常体及其位置和规模(如节理裂隙带、软弱带、断层破碎带和含水构造等)。TRT6000可以方便、准确地预报工作面前方100～200 m范围内的地质情况，从而为隧道工程的施工以及变更施工工艺等提供了科学依据。

2 数据采集与处理

与TSP和“负视地震法”等超前预报方法相比，TRT在测点布置方面进行了较大的改进。无论是TSP法还是“负视地震法”，其检波器和震源均布置在同一平面内，因此，只能从平面的角度来解译前方的地质体异常情况，而且只能解释较大的、平直的地质体，对较小的不规则的地质体、不连贯的小地质体解释能力不足;而TRT技术采用三维空间全断面多点激发和接收观测方式，其检波器和激发的炮点呈空间分布，以便获得足够的空间波场信息，从而使前方地质缺陷的定位精度大大提高，克服其他预报方法无法解释小构造、小岩溶等地质体;在异常体定位的方法上，改变其他方法采用上行波和下行波的焦点来确定，而是采用由震源点和检波点为焦点，以入射波和反射波的总时间为距离组成的椭球体，通过多组球体可以确定异常体的位置和延伸方向(如图1所示)。从而提高了隧道地质超前预报的实际价值和应用价值;TRT系统采用12个震源和10个传感器，震源布置在掌子面附近的左右边墙上，分两断面布置，断面间隔为2 m;传感器布置在距震源点10～20 m的隧道两边墙及拱顶上，分四个断面布置，断面间隔5 m，距离震源最近的断面布置两个检波器，布置在左右拱腰部位，第二个断面布置三个检波器，分别布置在拱顶和边墙的下部，第三、第四断面布置方式分别和第一、第二断面的布置方式相同。具体布置情况见图2所示。

图1 TRT探测原理示意

图2 TRT系统震源和检波器布置(单位:m)

TRT6000的数据处理主要经过以下几个过程:

1)有效信号的提取:在TRT系统采集的数据记录中，不仅包含工作面前方地质体反射回来的携带地质体性质的信号，也含有大量的干扰信号，可以通过滤波方法降低噪音信号的比例，提取有效信号。

2)分离P波和S波:P波为压缩波(纵波)，S波为剪切波(横波)，其中SV波表示质点在垂直面内运动的横波，SH波表示质点在水平面内运动的横波。

3)提取反射面，计算反射系数、波速，进行图像处理，反射系数的计算可以通过下式计算

式中，R为地震波在界面的反射系数;ρ1为第一层介质的密度;ρ2为第二层介质的密度;V1为地震波在第一层介质中的传播速度;V2为地震波在第二层介质中的传播速度。

岩体反射界面的性质可以通过以下几个方面解译判断:①出现较高的反射振幅、较大的反射系数和较小的弹性阻抗，表示反射界面的岩石密度和波速较高。②波形出现正的反射振幅，表示反射界面的岩石是坚硬的。如果是负的反射振幅，表示反射界面是软弱岩石。③如果S波反射比P波反射更强，这表示反射界面富含水。④若隧道围岩纵波平均速度VP下降，则表明裂隙或空隙度增大。

4)数据成像、结果输出:地震数据处理完以后，可以从3D窗口里面察看选择的反射体。3D窗口用事先确定的隧道剖面显示从参考系位置到掌子面已经开挖的隧道以及所选择的反射面位置，并显示接收器和发射孔的位置。

3 工程实例

张嘎隧道位于京沪高铁 DK427+980—DK428+672段双线隧道，全长692 m，此次仅在DK428+281—DK428+482地段进行TRT6000、地质雷达和开挖工作面地质素描等地质探测和综合预报工作。该隧道地形起伏大，进口坡度约为10°，出口坡度约为15°，隧道埋深较浅。

图3 张嗄隧道纵断面地质(单位:m)

根据隧道围岩情况，确定本次TRT60000预报范围应在掌子面前方200 m范围内。根据检波器和激发点的距离以及直达波到达检波器的时间反演计算:隧道围岩纵波平均速度Vp=3 600 m/s，横波平均速度为1 900 m/s，图4是由不同炮点、检波点计算的纵横波波速图。由于围岩密度ρ=1.96～2.66 g/cm3，推测该地段围岩的动弹模 Ed=18～25 MPa，动泊松比 σ=0.21～0.28，由此推断该段隧道围岩类别属于Ⅳ～Ⅴ类;通过对三维成果图分析，发现隧道前方的结构情况如下:①在DK428+441—DK428+482范围内，存在许多不规则高能量反射波，且波形以负反射为主，推测该段范围内为弱风化岩、碎石状岩层或断层破碎带，结构松散，完整性较差，建议该段隧道在施工时需加强支护;②在DK428+391—DK428+441段范围内，几乎反射能量很弱，几乎不存在什么反射体，推测该段范围内隧道围岩结构完整性较好，不存在不良地质体;③在DK428+391—DK428+281范围内，存在一些零星的较弱反射体，反射系数以负数为主，推测该段岩体完整性很差，可能较为破碎，含水量较大，在DK428+321—DK428+311范围内，背景值相对较弱，反射系数为负，负反射能量较强，推断该处岩石比较破碎，可能存在含水溶洞，开挖时容易引起坍塌，需要加强支护，TRT6000探测结果见图5。后经开挖掘进证实了该处断层破碎带和溶洞的位置与预报结果相符。

图4 P波、S波平均波速图

图5 TRT6000探测结果

4 结论和建议

通过对TRT的基本原理、数据采集和处理方法的研究以及在京沪高铁张嘎隧道地质超前预报的试验研究，得出如下结论:

1)TRT采用三维空间全断面多点激发和接收观测方式，能够获得足够的空间波场信息，提高探测的精度，改善其他探测方法对较小的不规则的地质体、不连贯的小地质体解释能力不足的问题。

2)采用椭球体层析成像技术，提高计算岩体波速的精度和异常地质体的定位准确性。

与其他探测技术一样，作为地球物理探测技术的TRT也存在一些自身不足，因此，在进行隧道地质超前预报时，如能采用以TRT技术为主，辅之以其他手段并结合该区域的地质水文资料的综合隧道超前预报，必将能取得更好的探测效果。

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