TRT7000地质预报系统在输水隧洞工程中的应用

刘泉声，蔡光磊，冯志杰，靳久宁，李伟伟，毕 晨

(1.武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072；2.中国电建昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051；3.中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710024)

随着中国经济的高速发展和现代隧道技术的成熟进步，我国隧道建设的难度和规模已在世界范围内首屈一指。近两年来公路铁路、水利水电、煤炭矿山等各领域的隧道数量与总长迅速增长，铁路、公路、地铁甚至都达到了每年上千公里的增长速度[1]，隧道建设也正在向着长线路和大规模的方向发展，交通网路也会由东部逐步向西部山地高原地区纵向延伸[2]。

深长隧(巷)道是大型和特大型交通、矿山、水利工程建设的关键控制性工程，其建设安全制约着国家重大基础设施建设的安全和进度。深长隧道施工过程中地质情况更加复杂多变，工程易受到裂隙、断层、溶洞、软硬夹层、软弱破碎带、高地应力等不良地质条件的影响，从而引发涌水、突泥、塌方等地质灾害[3]。因此，深长隧道不良地质条件探查一直是隧道建设的难点问题，预测工作面前方的地质条件，针对不良地质条件及时采取防治措施，对于提高工程效率、减少经济损失具有十分重要的意义。目前常用的隧道地质预报方法除传统的地质调查(洞内地质素描和洞外补充地质勘探)和超前水平地质钻探外，还包括地震发射法、电磁法、直流电法等各类地球物理勘探方法[4]。

然而，在实际应用过程中，深长隧道不良地质体的隐蔽性给隧道地质预报工作带来了诸多困难，在实际工程中往往难以准确探明隧道前方不良地质体的赋存位置、规模、形态和性质。近年来，国内因地质预报能力不足而导致隧道工程经济损失和工期延误的事故偶有发生。譬如，泛亚铁路通道玉溪至磨憨隧道段地质构造十分复杂,深大活动断裂带发育，软岩变形、突泥涌水等地质灾害频发[5]。地质预报的失准影响了全线建设工期，对隧道施工作业人员的人身安全也构成了极大威胁，因此推进隧道地质预报技术研究工作迫在眉睫。

TRT技术是传统地震波物探方法与新兴三维岩石图像技术的结合，新一代TRT7000地质预报系统在TRT6000的基础上，对系统硬件和软件均进行了优化和升级，代表了目前国际地质预报领域的先进水平。本文以新疆某TBM输水隧洞工程中的TRT7000现场勘测试验结果为基础，运用地质资料比对、岩体揭露情况比对、预报准确率统计等方法，综合讨论了其预报效果和实际应用价值，同时分析了该技术在现场勘测和后期处理过程中存在的实际问题，为进一步研究提供了可行的思路。

1 TRT7000系统简介

1.1 探测原理

TRT技术基于地震波法原理，其利用地质岩层界面或岩体不连续界面的声学阻抗(密度和波速的乘积)差异，判别不同地层结构和地质条件。反射系数是地震波法的重要参数，一般情况下，地震波入射到岩层边界的反射系数计算公式如下[6]：

(1)

式中：R为反射系数；ρ1、ρ2为入射和透射岩层的密度；V1、V2为地震波在对应岩层中的波速。地震波法根据地震波原始数据的走时和振幅推算ρ和V，进而计算出R。

由式(1)可知，当地震波由低阻抗物质(软岩)向高阻抗物质(硬岩)传播时，反射系数为正，反之为负[7]。地质体规模越大，回波也越明显，声学阻抗差异越容易被探测到。

岩石三维图像技术基于地震波法，是一项结合了层析扫描成像和全息岩土成像的反演技术，其通过分析地震波信号的波形变化来推算断层、破碎带、软弱带、岩溶、富水区等常见异常地质体信息，构建隧道地质三维结构图。目前结合GOCAD软件已经可以基本实现针对灾害体发育部位和规模的精确预报[8]。该技术以地震波的叠加强度为基础判定反射界面，采用地震偏移概率成像的方法进行预报[9]，基本原理如图1所示。在数据处理过程中，以每对传感器点和震源点的位置为椭球焦点，以波速与记录走时的乘积为椭球常数，可以确定一个椭球体。足够数量的椭球体可以在空间里形成一个椭球参数的数组，反射体位置可以由众多椭球交汇叠加来确定[10]。

图1 地震波信号交汇叠加确定反射体位置原理图Fig.1 The intersection and superimposition of ellipsoids to determine the reflector position

1.2 系统硬件组成和布置原则

TRT7000主要硬件配置列举如下[11]：1台主机(内含一款地震波数据采集软件和一款RV3D 处理与显示软件，用于存储和处理地震波数据)；1个基站(用于连接主机并远程控制无线模块)；10个加速度传感器(用于采集地震波信号)；11个无线模块(包括1个基站模块，用于实现地震波信号无线传输)；1套触发器和触发导线(用于启动TRT系统进行数据采集)。

TRT系统震源和传感器点位的布置需要综合考虑隧道类型、施工方法、地层结构与性质、震源信号触发操作等因素，常见震源与传感器布置方式如图2所示。震源点在靠近工作面处共布置2排，排间距2 m，共计12个。传感器点在距离第二排震源点10～20 m处开始布置，共布置4排，排间距5 m，单双数交替布置，共计10个。

图2 TRT7000震源与传感器基本布置方式Fig.2 Basic display of sensors and seismic sources

1.3 数据采集信号流

TRT7000数据采集信号流如图3所示。首先在震源点锤击产生地震波，锤柄处的触发器产生触发信号经导线传输至基站。基站在接收触发信号的同时，向无线模块下达地震波信号采集命令。无线模块即时将传感器捕捉的地震波信号传送至基站，基站通过数据线将地震波信号传送至主机，最终完成地震波信号的显示与记录。

图3 TRT7000数据采集信号流Fig.3 TRT 7000 signal stream of data collection

1.4 方法优势

对比其他同类方法，TRT7000系统主要具有以下优越性：

(1)采用可重复利用、无耗材的锤击震源，避免了炸药震源对工程体的不良影响，勘测期间不影响隧道施工，节约了勘测成本和时间；

(2)采用无线模块传输地震信号数据，仪器携带方便，连接简单，操作安全；

(4)勘测距离远，适用范围广，铁路、公路、水利、矿山等领域均可应用；

(3)勘测结成果立体直观，易于解译断层、破碎、富水带、岩溶及采空区等地质体。

相较传统物探方法而言，TRT方法操作便捷，勘测成本低廉，勘测距离较远，针对断层和破碎带预报精度高，因此更加适合深长隧道地质预报，常见地质预报物探方法对比见表1。

表1 常见地质预报物探方法对比[12, 13]Tab.1 Comparison of common geophysical methods for geological prediction

2 TRT7000工程应用

2.1 工程概况

某输水隧洞工程位于新疆境内，累计洞长41.823 km，标准洞径5.3 m，隧洞断面主要为圆形，局部断面为马蹄形，无压流，采用现浇钢筋混凝土衬砌。隧洞施工结合TBM和钻爆法，其中TBM施工标段累计洞长32.842 km，最大埋深约2 200 m。

区域地质资料显示，该地区为中高山台地地貌，地层倾角中等至较陡，岩层挤压褶皱强烈，次级褶皱和断层发育。隧洞位于复杂构造带中，穿越多条以压性和压扭性为主的较大断层，在深部还存在一些隐伏的断层和不整合接触面。

输水隧洞主体工程TBM施工标段穿过中高山区及分水岭，地面高程1 750～3 777 m。隧洞最大埋深为2 268 m，小于500 m埋深的洞段仅占约0.5%，大于1 000 m埋深的洞段约占53.3%，大于2 000 m埋深的洞段约占14.4%。

2.2 现场勘测

该输水隧洞TBM标段工期安排紧凑，施工速度快，对断层破碎带探测精度要求高，综合考虑隧道围岩条件和勘测成本等因素，最终选用TRT法作为物探地质预报手段。

TRT工作勘测主要在隧洞掘进机顶部的平台上开展，受到工作空间范围的限制，传感器和震源有所调整，集中安装在了隧道上半拱位置，如图4所示。

图4 实际TBM隧道震源与传感器布置方式Fig.4 Actual display of sensors and seismic sources in TBM tunnel

勘测前，测量人员需首先测量震源点和传感器点的三维坐标，相对坐标测量数据见表2；将主机和触发器与基站连接，并按表3要求设置采集软件参数，确认连接无误后开始勘测。

表2 震源与传感器点位坐标测量数据Tab.2 Coordinate data for sensor points and seismic source points

表3 采集软件主要参数设置Tab.3 Main parameter settings of acquisition software

勘测时，锤击震源点，选择波形明显、信噪比高的地震波数据进行保存。12个震源点各保存3组有效数据，共计36组(360条)地震波波形数据，勘测试验现场如图5所示。

图5 TRT勘测试验现场Fig.5 testing site of TRT7000

通过现场勘测获取的基本数据主要包括点位三维坐标和地震波波形数据。

2.3 数据处理成果

首先将获取的点位坐标和波形数据导入RV3D和RVI2T软件，建立隧道模型后，通过波形初至拾取、直达波波速计算、背景波速设定、滤波器设置等操作最终得到如图6所示的相对纵波(P波)波速曲线图，及如图7所示的TRT三维成像成果图。图中不同位置的相对纵波波速值是根据地震波信号某一波形传播的时间，参考背景波速模型推算得到的；多条地震波信号的时间和振幅信息可被TRT系统叠加强化以确定空间位置的波速变化和阻抗变化。

图6 相对纵波波速曲线图Fig.6 relative longitudinal wave velocity line graph

图7 TRT三维成像成果图Fig.7 TRT 3D imaging structural diagram

TRT成果图采用相对解释原理进行，软件设定围岩相对背景值后，破碎、含水区、裂隙、岩溶、采空区等地质体会呈蓝色显示，硬质岩石则呈黄色显示。对围岩地质条件的判断，不能单独参照一个断面的图像，需要结合工程经验从整体上对成像图进行解释。

通过综合分析TRT三维成像成果图、相对纵波波速曲线图，可以得出如下结论：测试段(K17+861～K18+033洞段)预报范围掌子面前方0～172 m，埋深 1 161～1 234 m，推测相对纵波波速4 647～5 827 m/s。预估待开挖隧洞围岩完整性在较差至较好之间，应当注意不利结构面组合引起的塌腔。岩性以粉砂岩为主，夹少量细砂岩，以干燥岩石为主，局部富水区的岩石可能会出现渗水或滴水现象。

2.4 结果讨论

2.4.1 地质资料比对

将K17+861～K18+033洞段的地质资料与TRT预报成果的主要信息进行比对(见表4)，可以看出TRT勘测结果与前期各类地质勘察结果对围岩条件都有较明确的总体判断。两者的结果仅在断层破碎带位置的判断上稍有不同，且三维地震 TRT探测结果在隧洞开挖后被证明更为精确。

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表4 地质资料与TRT预报比对Tab.4 Comparison of geological data with TRT prediction

2.4.2 岩体揭露情况

根据TRT预报和前期地勘报告建议，项目部迅速制定围岩破碎带施工预案，包括加密钢筋混凝土衬砌等措施。测试段开挖后，现场围岩结构为薄层状，层理发育。取样化验测得该段岩性以含泥粉砂岩为主，夹有少量细砂岩和含炭泥质粉砂岩，主要矿物成分为石英(70%)、泥质成分(20%)和炭质成分(10%)。将试验洞段岩体揭露情况与TRT预报结果进行分段比对，并按长度分段统计预报准确率，见表5。试验洞段整体围岩完整性较差，其中，K17+901-K17+976洞段节理裂隙发育，典型的塌腔和掉块如图8所示。

表5 岩体揭露与TRT预报比对Tab.5 Comparison of rock mass exposure and TRT prediction

图8 K17+901～K17+976洞段的典型塌腔和掉块Fig.8 Typical collapsing and falling zones of section K17+901～K17+976

2.4.3 总 结

试验洞段预报成果与地质资料和隧洞开挖后的实际情况总体吻合，针对破碎带和软弱带的预报准确率高。TRT7000具有优良的数据精准度和实际探测效果，在隧道地质预报领域具有较高的实际应用价值。

3 TRT7000优化分析

TRT技术虽已广泛应用于各类隧道地质预报工作，但其在实际勘测过程中仍然存在一些漏报和失准问题，提升预报精准度的前提是找到影响勘测效果的主要原因并有针对性地进行研究改进。目前TRT7000主要应在现场勘测和后期处理两个方面进行优化。

3.1 现场勘测优化

(1)震源稳定性。锤击震源有效避免了使用炸药、风镐、挖掘机等震源对勘测环境的不良影响，但现场人为控制的力度不均会导致单次锤击震源的能量不均匀，锤击过程容易触碰支护钢筋使地震信号失效，不稳定的地震信号也会影响后期软件处理过程中的整波和滤波，降低地质预报成果的准确度。值得注意的是，新型超磁致伸缩震源不仅具有体积小、频率高、稳定性好、可重复性好、走时读数精度高、震源定位和地震波方向控制准确等优点，而且克服了原本激发信号能量较弱、信号滞后、信噪比低等缺陷[14]，已经成为工程岩体检测的理想探测震源。该震源已在工程岩体的地面检测领域有广泛的应用，在隧道地质预报领域也具有广阔的应用前景。笔者建议TRT技术可将其标准震源推广，其探测效果需在现场实践中加以检验。

(2)传感器耦合方法。TRT7000首次采用磁铁紧密吸附固定块与传感器，简化了传感器安装步骤，同时避免了固定块与传感器连接不紧密的问题。但当传感器与岩壁耦合时，传统耦合方法仍存在诸多局限性。譬如，速凝剂耦合不牢会导致传感器脱落损坏，磁铁耦合无法保证传感器紧贴岩壁。本次勘测现场，勘测人员采用了将二者结合的方式，既能确保紧密耦合，又防止了传感器损坏，提升了勘测效率。

(3)震源与传感器点位布置。在现场勘测过程中，TRT技术仍需要不断建立并完善不同类型隧道各自的震源与传感器标准点位布设规范，同时研究特殊场地条件和工况下的点位布设方法，以提高勘测精准度。

3.2 后期处理问题

(1)软件操作繁琐。虽然TRT7000已将TRT6000中坐标转化的两步操作简化为一步，后期数据处理步骤仍相当繁琐，需要进行多次复制、黏贴，并在数据处理软件RVI2T和RV3D中相互切换。采用适合的编程语言开发相关的数据预处理程序是解决该问题的可行思路。

(2)数据处理主观性。TRT7000系统在数据处理过程中，需要针对单个地震波信号进行背景波速选择、初至拾取，滤波器设置等操作。但实际操作过程中，受到操作人员经验以及软件使用习惯的影响，降低了成图质量。基于正态分布的数据处理方法，将置信区间上下限值作为背景波波速录入TRT系统，可在一定程度上克服了人为拾取背景波速的盲目性[15]。

(3)弹性波法局限性。弹性波法物探手段因其探测原理和探测精度的局限性，有时无法准确客观地预报前方地质体情况，因故考虑将TRT7000与EH4大地电磁法、ISP、HSP等其他物探方法相结合进行综合预报[16]，同时运用一系列隧道施工现场的快速分析与科学量化设计技术[17]，在合理控制勘测成本的前提下，得出更加全面、客观、准确的地质预报，保障施工安全。

4 结 论

(1)TRT7000具有勘测距离远，操作简单便捷，对现场施工影响小，预报成果清晰直观等优点，在隧道地质预报领域具有较高的实际应用价值。

(2)新疆某输水隧洞工程TRT7000地质预报勘测试验结果表明，该技术预报准确率高，对发育节理、断层破碎带等不良地质现象分辨能力突出。

(3)现场探测过程中,合理布置点位，优化传感器安装，选用稳定震源，对提高TRT技术勘测精准度有重要作用；后期处理过程中，该技术仍然存在如何简化软件操作，如何消除人为因素，如何结合其他物探方法实现综合地质预报等问题。

(4)在现有的TRT技术条件下，主观干扰的影响仍然存在，开展综合分析评判研究，将是未来关注的重要方向之一。