TRT6000隧道超前地质预报系统在王家隧道中的应用

张龙凡　刘成

摘要：本文结合TRT6000隧道超前地质预报系统在王家隧道中的应用，主要介绍了TRT6000的原理和工作方法，用王家隧道的预报过程和结果说明了超前地质预报的重要性，总结其存在的优缺点。

关键词：TRT6000；隧道；超前地质预报

1前言

从隧道工程发展以来，开挖技术一直是制约隧道施工的关键因素，但随着隧道开挖方法的不断完善和现代机械的发展，使得隧道开挖中的技术问题迎刃而解。然而，由于交通工程的需要，人们必须在更加复杂多变的地质环境中修建隧道，并且因隧道长度、埋深等多种因素的影响，隧道施工中遇到的问题也相应增多，突泥、涌水、塌方等不良地质灾害逐渐成为围绕隧道施工的主要难题。隧道超前地质预报的作用就在这时凸显出来，对不良地质进行提前预报，及时采取预防措施，可以有效地避免地质灾害的发生，确保施工人员的安全和工程的顺利进行。自上个世纪80年代开始，隧道施工超前地质预报就在各国迅速发展开来[1]，经过四十几年的研究，人们已经总结出一套较完整的预报体系。TRT6000隧道超前地质预报系统作为超前预报地球物理探测方法的一种，虽然研发出来的时间较短，但已被各国引入并用于工程实践中。

2工程概况

重庆忠县至万州高速公路王家隧道位于重庆市万州区长坪村弹子乡，距万州区城区约为80km，距长坪乡约6.5km。隧道总长1059.15m（左右洞均值），为长隧道，左、右路基设计线间距为15.54m～30.5m，为一般小净距+分离式组合隧道。左洞起讫桩号ZK34+056.70～ZK35+170，全长1073.3m；右洞起讫桩号K34+055～K35+100，全长1045m。

王家隧道位处方斗山北斜西翼，地貌上属于构造剥蚀丘陵地貌，地质构造上处于新华夏系第三沉降带之川东褶带，主要发育北东向构造，穿越地层为单斜构造，区内构造较简单，未发现断层，主要岩性为砂岩、页岩、泥岩、泥质灰岩和灰岩。围岩可分为Ⅳ、Ⅴ级，以软岩为主，风化裂隙较发育，强风化带较厚，层间结合一般，隧道埋深较浅，局部洞顶易坍塌。

3 TRT6000超前地质预报系统

3.1 TRT6000系统预报工作原理

TRT是隧道地震波反射层析成像技术的简称，该技术的基本原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质，位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

假设R为反射系数，ρ1、ρ2为岩层的密度，V等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。通过分析，用来了解隧道工作面前方地质体的性质，位置、形状、大小。

3.2、数据采集

1.观测系统布置

TRT的震源和检波器采用分布式的立体布置方式（受条件限制，未设检波器A5、A10），具体方法见下图1。

2.仪器数据采集

仪器的工作过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到笔记本电脑，完成地震波数据采集。仪器连接详见下图2。

3.TRT成像

TRT成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少解释隧道前方的地质情况。

判断围岩地质情况原则：

1.一般来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区域呈蓝色显示，相对背景值硬质岩石呈黄色显示；

2.从整体上对成像图进行解释，不能单独参照一个断面的图像；

4工程应用

因工程的安全和工期要求，王家隧道在施工过程中均采用TRT6000系统进行了超前地质预报。

2015年4月23日，分别对王家隧道左右线进行了第11次超前预报，左线掌子面里程ZK34+884，右线掌子面里程ZK34+853。隧道掌子面附近左右墙面各设置6处震源，向后15m的左右墙面开始对称设置传感器。仪器连接完成后锤击震源，进行数据采集。

RV3D分析软件所得TRT6000层析扫描成像图如下：

图3为王家隧道左洞里程ZK34+884～ ZK34+984的层析扫描成像图侧视图，图4为王家隧道右洞里程ZK34+853～ K34+953的层析扫描成像图侧视图。根据RV3D分析软件的层析扫描成像图，并结合地质勘测资料以及开挖掌子面的情况判断：

左洞：ZK34+884～ZK34+914，圍岩岩体完整性一般，节理裂隙较发育，层间结合一般，可能有少量的裂隙水赋存；ZK34+914～ZK34+944，该段围岩完整性较差，岩体破碎，层间结合较差，可能有大量的裂隙水赋存；ZK34+944～ZK34+984，该段围岩较前段有所改善，完整性一般，岩体破碎，层间结合较一般，可能有少量的裂隙水赋存。

右洞：K34+853～K34+893，该段岩体与掌子面相似，围岩完整性一般，层间结合一般；K34+893～ K34+923，该段围岩完整性与前段相似，岩体破碎，层间结合一般，裂隙较发育。K34+923～K34+953，该段围岩完整性较前段差，岩体较破碎，围岩完整性一般，层间结合一般，自稳能力差，节理裂隙发育，可能有少量的裂隙水赋存。

建议：围岩探测左洞ZK34+914～ZK34+944，右洞K34+923～K34+953段为地震波低速带或反射面密集带，围岩完整性较探测其余地段差，推断为断层破碎带，裂隙水相对探测其余段较发育，自稳能力较差，在施工时注意短进尺，弱爆破，及时支护，可考虑加强支护通过，建议在此段加强短距离的超前探水工作（或必要条件下加强超前钻探验证工作），根据钻探情况掌握前方围岩变化，适当调整支护参数通过。遇施工不利段，应加强监控量测，合理安排施工工序，谨慎掘进，及时支护闭合，结合监测数据，采用合适的开挖方法并及时调整支护参数，确保安全通过。

该段两洞已于2015年5月开挖完成， 并进行了初期支护， 开挖出来的地质情况与超前预报结论基本吻合。左洞ZK34+924～ZK34+964段和右洞K34+933～K34+973段隧道均出现了不同程度的破碎带且富含地下裂隙水，经过加强支护和排水处理，隧道处于基本稳定状态，未出现重大不良地质灾害。

5结语

（1）将TRT6000超前地质预报系统应用于王家隧道，预报隧道施工中的地质情况，根据预报结果，及时进行信息反馈，修正围岩分级，调整支护参数，优化施工方案，实现施工的信息化、数据化、动态化，避免施工中可能诱发的重大地质灾害，确保工程安全、高效、有序地进行。

（2）在工程的应用中，TRT6000超前地质预报系统部件少，携带方便；仪器安装快速，数据收集时，只需锤击震源点和操作主机，有效地节约时间和降低成本；后期处理简单便捷，得到的三维图像形象直观，能够准确真实的反应地质情况。

（3）在使用中也存在缺陷，传感器数量多，且对布置点要求严格，传感器对地震波灵敏度高，抗干扰能力较差。为确保构建地层图像地准确性，震源和地震信号传感器的位置必须精确到10cm以内。

参考文献

[1] 赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介[J].地球物理学进展，2007，22（4）：1344—1352.

作者简介：张龙凡（1990-），男，陕西安康人，硕士研究生，主要从事岩土工程、隧道工程领域的科研工作。