TRT技术在西藏德罗引水隧洞施工中的应用

(中国水电基础局有限公司，成都，610213)

1 工程概况

拉洛水利枢纽及配套灌区工程位于西藏自治区日喀则市萨迦县，是雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲干流上的控制性工程，工程位于海拔高程4300m地区，高寒缺氧，该工程包括枢纽工程和配套灌区工程。德罗引水发电系统是其组成部分，包括进水口、德罗引水隧洞、前池、引水压力钢管和主厂房，其中德罗引水发电隧洞长7.536km，最大埋深213m，围岩主要为J2z、J1r钙质页岩，含泥质、炭质，夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩。围岩岩性较软弱，遇水易软化。部分洞段有基岩裂隙水渗出，页岩和断层破碎带洞段可能出现大变形，隧洞穿过Ⅳ1类、Ⅳ2类和Ⅴ类围岩。施工过程中采用TRT法对德罗引水隧洞进行中长距离地质超前预报，查明引水隧洞掌子面前方的围岩情况，为隧洞施工开挖和支护提供了指导意见和依据。

2 围岩地球物理特征

德罗引水隧洞岩体主要为页岩、砂岩、板岩及它们的混合岩层，由于岩体性质和破碎程度的不同，完整岩体的纵波速度为2900m/s～3800m/s，而软弱破碎带、裂隙密集带、含水带等不良地质体的波速相对较低，导致完整岩体与相对破碎岩体之间、含水量不等的岩体之间以及不同岩性岩体之间存在较大的波阻抗差异，这些差异为在开挖过程中预报掌子面前方围岩中节理裂隙密集带、断层破碎带、挤压破碎带、富水带、软弱夹层等不良地质体提供了有利的地球物理条件。

3 TRT方法的原理

3.1 原理简介

TRT是隧道地震波反射层析成像技术的简称，该技术的基本原理是当人工激发的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，反射回来的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收。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，反射体的尺寸越大，声学阻抗差异越大，回波就越明显，越容易被探测到。通过对反射波信息进行处理和分析，可了解隧道掌子面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模。

TRT6000地质超前预报系统的工作过程为：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。仪器连接详见图1。

图1 TRT6000地震波采集系统模型

德罗引水隧洞开挖洞型为马蹄形隧洞，每次测试时共安装10个检波器，检波器按“2-3-2-3”的方式布置于四个接收断面上，断面间距约5m，其中隧洞左、右边墙分别布置2个检波器，左、右拱角分别布置2个检波器，拱顶共布置2个检波器；锤击震源点尽可能靠近掌子面附近，锤击震源点共12个，按两个断面布置，断面间距约2m，每个断面布置6个震源点，其中左、右边墙各布置3个。每个震源点锤击3次，可获取360组反射地震波信号。TRT的震源和检波器采用立体布置方式，详见图2。

图2 TRT震源和检波器的布置方式

3.2 成果解析方法和原则

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。对围岩地质情况进行解释判断的原则如下：

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

(2)根据反射波信息，并结合岩体分段波速及其相对变化情况，综合分析判断各类地质异常体；

(3)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)必须结合隧洞相关地质情况，进行综合分析判断。

4 典型断面成果分析

施工中对德罗引水隧洞的多个掌子面开展了TRT地质超前预报工作，典型成果分析如下：

4.1 K1+537m～K1+700m段

本次测试时，当前掌子面桩号为K1+537m，地质超前预报桩号段为K1+537m～K1+700m，预报距离163m，各个视角的三维成果图和地震波波速分段图详见图3-图6。

图3 K1+537m～K1+700m段三维成像-俯视图

图4 K1+537m～K1+700m段三维成像-侧视图

图5 K1+537m～K1+700m段三维成像-立体图

图6 地震波速度图(X轴-桩号、Y轴-速度m/s)

根据TRT测试三维成果图，并结合地质资料，综合预报如下：

(1)预报段地震波速度在3086m/s～3989m/s之间，平均速度约为3593m/s；

(2)K1+537m～K1+685m段：地震波总体反射弱，未见大范围的明显反射界面，仅在K1+655m桩号附近零星分布点状反射；此段地震波速度有逐步减小的趋势。由此推测，此桩号段的围岩情况总体上与当前掌子面类似，未见明显的大结构面发育；但在K1+655m桩号附近岩体相对软弱破碎，局部有轻微地下水活动，应注意掌子面局部掉块；

(3)K1+685m～K1+700m段：地震波反射相对较强，呈蓝黄相间的互层状，蓝色的低阻抗带较连续；此段地震波速度明显降低。由此推测，此桩号段岩体结构面相对较发育，岩体软弱破碎，局部可能有地下水活动，开挖时应注意掌子面坍塌或掉块，并加强支护和排水。

4.2 K1+979m～K1+861m段

本次测试时，当前掌子面桩号为K1+979m，未见明显的大结构面发育。地质超前预报桩号段为K1+979m～K1+861m，预报距离118m，各个视角的三维成果图和地震波波速分段图详见图7-图10。

图7 K1+979m～K1+861m段三维成像-俯视图

图8 K1+979m～K1+861m段三维成像-侧视图

图9 K1+979m ～K1+861m段三维成像-立体图

图10 地震波速度图(X轴-桩号、Y轴-速度m/s)

根据TRT测试三维成果图，并结合地质资料，综合推测如下：

(1)预报段地震波速度在2815m/s～3381m/s之间，平均速度约为3072m/s；

(2)K1+979m～K1+886m段：地震波总体反射弱，未见大范围的明显反射界面；此段地震波速度有逐步减小的趋势。由此推测，此桩号段的围岩情况总体上与当前掌子面类似，未见明显变化；

(3)K1+886m～K1+861m段：地震波反射相对较强，呈蓝黄相间的互层状，且连续性较差；此段地震波速度明显降低。由此推测，此桩号段岩体结构面相对较发育，岩体软弱破碎，局部有轻微地下水活动，开挖时应注意掌子面掉块，并加强支护。

4.3 后续开挖验证情况

(1)K1+537m～K1+685m段：未见明显的大结构面发育，与预报结果基本一致。在K1+650m～K1+660m桩号附近掉块严重，应用预报成果提前进行了处理；

(2)K1+685m～K1+700m段：岩体结构面发育，岩体软弱破碎，地下水活动渗出明显，与预报结果基本一致，施工中通过加强支护和排水加以解决，取得了很好的效果；

(3)K1+979m～K1+886m段：未见明显的大结构面发育，与预报结果基本一致；

(4)K1+886m～K1+861m段：结构面相对较发育，岩体软弱破碎，局部有轻微地下水活动，掌子面掉块严重，与预报结果基本一致。

5 结语

通过以上典型断面的预报成果可以看出，TRT技术预报了掌子面前方的围岩情况，对施工起到了巨大的指导作用。通过后续施工验证，准确率高，为工程提前预判和采取相应工程措施提供了可靠依据。该方法作为隧洞施工的有力辅助手段，值得大力推广。