TRT超前地质预报技术应用研究

何　云　金亚坤　钟涌芳

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081；　2.中南大学资源与安全工程学院　长沙　410083)

TRT超前地质预报技术应用研究

何云1金亚坤1钟涌芳2

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081；2.中南大学资源与安全工程学院长沙410083)

摘要TRT超前地质预报方法具有操作简便、测试速度快、成果直观可靠等特点。以某地下工程为例，介绍TRT超前地质探测系统在实际工程中的应用，通过对比围岩实际开挖情况，验证了该法良好的超前地质预报效果。

关键词超前地质预报TRT地质分析工程应用

对于地下工程而言，其工程地质条件是影响施工安全和工程稳定性的关键因素。由于勘察设计的局限性，有时很难准确掌握地下工程复杂的地质条件，对于岩溶、断层、断裂破碎带等不良地质不能及时地制定有针对性的设计方案和施工措施。由于工程预防准备措施的不足可能导致工程地质灾害和问题的频发，不仅严重影响了工程施工进度，拖延施工工期，产生巨大的经济损失，同时还会导致人员的伤亡，造成严重的社会影响。为了预防及降低不良地质条件对地下工程产生的不利影响，在地下工程施工过程中进行超前地质预报工作以指导工程施工是十分必要的[1-3]。

超前地质预报能对掌子面前方的工程地质条件进行探测，查明掌子面前方是否存在断层、断裂破碎带、溶洞等不良地质状况，其对于提高地下工程施工效率，避免隧道突水、突泥、塌方等地质灾害的发生具有十分重要的作用。地下工程超前地质预报方法主要有地质分析法、物探法、超前水平钻探法及超前导洞法。目前，工程界常用的是物探法中的地震波法，其中TSP法[4-5]和TRT法[6-7]是地震波法中2种较为成熟的超前地质预报方法。TRT超前地质探测系统是由美国国家安全局研发，后经美国C-Thru公司完善后推出的一种新的超前地质探测系统。TRT超前地质探测系统具有仪器便于携带和安装，测试速度快；采用人工锤击的方式触发地震波信号，测试工作相比TSP法采用爆破振动而言既安全可靠，又经济简便；运用层析扫描成像技术实现了对地质体的空间观测，图像清晰便于理解等特点。因此，将TRT超前地质探测系统运用到地下工程的超前地质预报中具有非常良好的实用价值。本文以某地下工程为例，具体介绍TRT超前地质探测系统在实际工程中的应用，通过对比围岩实际开挖情况，验证了该法的使用效果。

1TRT超前地质探测系统

TRT(truereflectiontomography)技术称为真实反射层析扫描成像技术，其以地震波在介质中的传播特性为基础而建立的超前探测技术，其主要由信号触发模块、信号接收模块及信号分析模块3大模块组成。当地震波在岩体中传播若遭遇到不同波阻抗的界面时，地震波将会产生反射，以此可对声学阻抗变化的界面进行定位和分析。波阻抗变化的界面一般为岩层的分界面或者岩体中的不连续面，通过对反射地震波信号进行分析，可探测出巷道前方是否存在软弱破碎带、断层，以及掌握它们的位置和规模，以此实现地下工程的超前地质预报。定义反射系数R为被反射的能量与总能量的比，其计算公式为

(1)

式中：ρ1和ρ2分别为地震波入射及地震波反射的岩层密度；V1和V2分别为地震波在信号入射及信号反射的岩体重的传播速度；ρ1V1和ρ2V2分别为信号入射及信号反射的岩体的波阻抗。反射系数为正，表明地震波从低阻抗岩层传播到高阻抗岩层；反射系数为负，表明地震波从高阻抗岩层传播到低阻抗岩层。当地震波由软性地质体传播到硬性地质体时，入射波和反射波的偏转极性是一致的。当地震波由硬性地质体传播到软性地质体时，反射系数为负，表明入射波和反射波之间存在着180°的相位差，反射波的极性会发生反转。若地质界面规模越大，两侧岩体波阻抗差异越大，反射波就越明显，地质界面就越容易探测到。基于反射波能量的大小，TRT在岩质隧道中有效探测距离可达100～150m，在软弱土层及破碎岩体中其有效探测距离为60～100m。

2工程应用实例

某巷道工程围岩主要为石炭系灰岩与泥质灰岩，巷道掌子面岩体完整性较差。为了了解掌子面前方围岩情况，制定有效的施工方案及避免突水、突泥等地质灾害事故的发生，运用TRT6000超前地质探测系统对该巷道进行超前地质预报。超前地质预报结果见图1。

图1　TRT超前地质预报结果图

通过TRT6000超前地质探测系统的图像显示程序，可以实现以任意角度旋转观察探测结果，从而全方面地对探测结果作出解读。图1所示为不同视角下TRT超前地质预报结果，图中所示拱圈部分表示现有巷道，图中最右边的拱圈为巷道掌子面位置，掌子面左侧前2列点为锤击震源点位，后4列点表示传感器布置点位；图中深色块体表示软弱地质体，浅色块体为较完整岩体；图中每个方格的边长为10m。结合相关地质资料对TRT超前地质预报结果进行分析可知：巷道掌子面前方35m范围内，巷道围岩与掌子面裸露围岩情况相似，即以石炭系灰岩、泥质灰岩为主，裂隙发育并呈层状分布；35～45m范围内，巷道施工将会遇到零星分布的更为坚硬的地质体，根据掌子面围岩情况，以少裂隙发育的石炭系灰岩和泥质灰岩为主；45～47m范围内，将会出现破碎带，围岩稳定性逐渐降低有可能遇到裂隙地下水区域；47～60m范围内，巷道将穿越破碎带后重新进入以裂隙不发育石炭系灰岩和泥质灰岩为主、质量较为优良的围岩地质体中。60～75m范围内，将会出现零星分布的小体积软弱破碎带，综合围岩情况初步估计其对施工影响较小，危险性不大；75～85m范围内，将会出现体积和密度稍大的软弱破碎带，但其规模不大，对巷道施工影响不大。

对探测巷道在开挖后揭露的岩层工况进行跟踪调查，并对揭露岩层进行记录，以对比探测预报的地质岩层与真实的地质岩层情况。真实岩层揭露情况见图2。

图2　巷道真实岩层揭露情况图

结合图2所示巷道岩层揭露情况，以探测掌子面为起点，开挖后真实地质岩层情况为：0～35m范围内，岩层为灰岩为主，夹层少量泥质岩，整体性能较好，节理发育，无大型破碎区域；35～45m范围内，岩层以灰岩为主，基本没有其他夹层，节理方向一致，且有利于开挖施工，质量较好；45～47m范围内，岩层属于破碎地段，岩性主要为泥质页岩，强度低，泥质风化现象均较为普遍，支护难度大；47～60m范围内，围岩强度较好，全部为灰岩区域，基本完整无缺，成块优良，施工后可不支护，施工进度快；60～75m范围内，围岩整体性较好，但存在局部区域的破碎岩块，分布较分散，产状不明显，对施工影响较小；75～85m范围内，基岩为灰岩，局部夹杂泥化页岩，但规模非常小，层状分布明显，围岩质量稳固。

通过对比分析TRT超前地质预报结果和实际开挖揭露的岩层真实情况可知，TRT超前地质探测结果与实际围岩地质情况基本吻合，TRT超前地质预报效果良好，基本无偏差。

3结论

(1) 超前地质预报在地下工程施工过程中的灾害防治及安全保障方面起到了十分重要的作用，是地下工程施工过程中必不可少的一个环节。

(2)TRT超前地质预报方法预测距离较长，采用锤击的方式作为震源对隧道损坏小，运用地震层析成像技术实现了预报结果的三维观测，具有操作简便、测试速度快、成果直观可靠等特点。

(3) 通过将TRT运用于某地下工程的超前地质预报工作中，结合围岩实际开挖情况对TRT超前地质预报结果进行对比分析，验证了TRT良好的超前地质预报效果，对于类似工程具有一定的参考与借鉴价值。

参考文献

[1]李术才,刘斌,孙怀凤,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014,33(6):1090-1113.

[2]刘招伟,张民庆,王树仁.岩溶隧道灾害预测与处治技术[M]. 北京:科学出版社,2007.

[3]肖书安,吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报,2004(2):159-165.

[4]李利平,石少帅,李术才.特长深埋隧道裂隙水综合预测方法与应用[J].地下空间与工程学报，2013(3):603-609.

[5]许振浩,李术才,张庆松,等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究[J].地下空间与工程学报,2008(4):640-644.

[6]王明华,王国斌,利奕年.TRT在岩溶隧道地质超前预报中的应用研究[J]水资源与工程学报,2012(5):40-42.

[7]相兴华,邓小鹏,王鹏.TRT在隧道地质超前预报中的应用[J].地下空间与工程学报,2012(6):1282-1286.

收稿日期：2014-09-30

ACombinedModelofRichardsModelandBPNeuralNetworkModelto
PredicttheSurfaceSubsidenceCharacteristics

Ren Yunzhi, Zhou Fei, Lu Pengyu

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Ground subsidence caused by mining is almost growth in an s-shaped curve, which tends to be stable at last, and it can be predicted and analyzed by applying Richards function curve. Because there will be uncertainty and randomness along with the measurement and external environment, which makes the characteristics of surface subsidence also be dynamic. According to the similarity of two curves which caused by underground rock ore mining and Richards prediction model curve, the applicability of the Richards model is analyzed to predict the surface subsidence in this paper. It is suggested that Richards model can be used to predict the trend parts deformation of the surface in the mining area, and BP neural network model can be used to re-correct random effect parts of it. The empirical results demonstrate that the proposed method has high prediction accuracy, and its feasibility and applicability in surface subsidence prediction is proved.

Key words:surface subsidence; predicting model; Richards-BP neural network model

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.033