TGS360Pro和TRT7000在某隧道施工超前地质预报中的应用对比

颜英军,李钰强,王海涛

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 引 言

地下工程地质情况往往具有复杂多变性，导致在隧道施工中经常会遇到地质条件与勘察设计不符、围岩条件变化较大以及出现突发性地质灾害等情况[1-3]，地质超前预报能够对地下洞室前方围岩的不良地质情况进行及时预测，以达到提前预防、及时发现、及时处理、降低工程风险之目的[4,5]。目前通用的地质超前预报方法除采用常规的工程地质推断之外,主要依据定量化程度高的地球物理技术[6-9]，而反射地震是当前地质超前预报中最常用的方法。为了有效地使用反射地震信号预报隧道掌子面前方的地质情况，在观测方式和处理方法方面形成了几种不同的专门技术，其中包括负视速度法、水平剖面法(HSP)、TSP、TGP、TRT、TST等预报技术[9-12]，这些技术均属反射地震预报技术，具有不同的研究成果和技术特点，得到了广泛的应用。TGS360Pro作为从俄罗斯新引进的超前地质预报系统，本次测试过程中，针对同一掌子面同时应用TGS360Pro和TRT7000两种预报系统进行测试、对比分析[13,14]，并在实际开挖过程中实时跟踪围岩开挖情况。

2 TGS360Pro与TRT7000测试技术对比

2.1 TGS360Pro

2.1.1 工作原理

“TGS360Pro”地震波超前预报方法3D-3C 是基于不同极化反射地震波来记录的。记录系统预设了三组分(3C)检波器的可选分配(图1)，将它们分布在隧道壁等位置(一共3～10个检波器)。震源可选择大锤，液压锤和炸药。锤击震源在合适的地质条件下能够达到150 m的探测范围，炸药震源可达几百米。

图1 反射波探测原理

该技术的理念是专注于航空无线电定位3C检波器的工作原理提出一个定向覆盖锥形雷达(锥角为45°)(图2)。根据每个检波器迁移映射的结果，所有覆盖锥还原成一个在面部的中心点。在多个震源位置(连续)激发情况下，完整波场矢量分量记录在现场处理系统，确保在任何方向(前面，后面，两边)均能收到岩体可靠而稳定的总结性参数化三维图像。该参数图像可以可靠地识别岩体分离元素(岩体材料损坏的垂直区对应于不同的地球动力学状态)，通过处理得到的图像可以判别涌水，冒顶和含水区域及破碎带等隧道前方危险情况。

图2 TGS360Pro探测原理

2.1.2 工作方法

TGS360Pro传感器采用两种布置方式：(a)掌子面正面布置；(b)左右边墙布置(图3)。本次测试过程中采用第一种布置方式。

图3 TGS360Pro传感器布置

传感器的安装：①第一种布置方式的安装方法，传感器上下两行各4个，尽可能地保持平行，传感器间隔2±0.5 m，第一行距离地面0.5 m左右；②第二种布置方式安装方法，传感器安装左右边墙并保持平行关系，间隔2±0.5 m，距离地面1 m左右；③钻孔要求：直径50 mm，深度400 mm。

2.2 TRT7000

2.2.1 工作原理

TRT7000是隧道地震波反射层析成像技术[15,16]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(软弱带、破碎带、断层、含水等)，位置及规模[17-22]。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

(1)

式(1)假设R为反射系数(无量纲);ρ1、ρ2为岩层的密度(g/cm3);V为地震波在岩层中的传播速度(cm/s)。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；反之，反射系数为负。因此，当地震波从软岩传播到硬围岩时，回波的偏转极性和波源一致。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。

2.2.2 工作方法

TRT7000的震源和检波器采用分布式立体布置方式，具体方法见图4。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。仪器连接见图5。

图4 震源和检波器的布置方法

图5 TRT7000地震波采集系统模型

2.3 测试方法及成果输出对比

在现场测试及成果展示的基础上对两种仪器进行对比，包括检波器布置方式、准备工作、传感器安装和坐标测量、震源、数据采集、仪器收装、数据分析、成果展示等方面(表1)。

表1 TGS360Pro与TRT7000对比

从表1可以看出，TGS360Pro与TRT7000两者的共同点在于：

1)震源：均可采用锤击的方式，对岩体损伤小。

2)数据采集：数据采集结果实时显示，如果采集过程中有外界较大噪音影响时，则可不予记录，通过增加有效锤击次数可以完成。

3)在成果显示方面均可以实现三维成果图，清晰和直观地反映地质异常体位置、规模、特征，易识别、解释。

4)测试过程中均需要施工单位进行配合做一些辅助工作。

不同点在于：

1)检波器布置方式：TGS360Pro可在隧道掌子面布置或者两壁边墙布置，共计8个检波器，自带耦合装置，TRT7000则是在距掌子面20 m以外的拱顶、拱腰、边墙交叉梅花型布置，共计10个检波器。

2)准备工作：需在掌子面钻8个孔径50 mm、深40 mm检波器安装孔，TRT7000则在拱顶和拱腰共布设检波器时需借助台车或大型机械配合安装。

3)传感器坐标测量：是采用钢卷尺测量传感器相对坐标信息，TRT7000则需采用全站仪测量传感器、震源、掌子面中心点位置共计23个测点的绝对大地坐标。

4)仪器收装：是将8个传感器直接从工作孔内拔出用抹布擦拭装箱即可，即插即拔，TRT7000这是通过台车或装载机配合操作人员将拱顶和拱腰的无线模块、传感器和固定块拆除，专业清理工具清理后装箱。

5)数据分析：是依托两项美国发明专利研发的数据分析软件，自动运行和分析数据，人为干扰少，操作简单，智能化程度高，TRT7000则是在36次有效震源下的10个传感器采集到的360条数据首波的定位，多次输入传感器、震源点、掌子面等坐标值以及其他信息，在excel表格和软件中来回调用数据。

6)成果显示：成果图显示了富水区位置、杨氏模量、泊松比、地震波速、溶洞位置、围岩应力状态分布等，成果较丰富；TRT7000成果以3D显示声学阻抗差异颜色区别图，采用扫描图像处理方式，绘制三维视图，以及围岩波速信息。

3 预报与实际开挖对比

3.1 工程概况

镇安抽水蓄能电站上下库连接路2#隧道穿越地层为震旦系条纹条痕大理岩，薄层状结构。岩层走向为NE24°～30°，倾向SE，倾角5°～20°。岩体基本无强风化，弱卸荷水平深度一般8～10 m，弱风化下限水平深度20～45 m。地下水不丰富，局部溶洞、溶蚀裂隙较发育，对隧道围岩稳定不利。在开挖至桩号0+965时，针对同一掌子面采用TRT7000和TGS360Pro两种超前地质预报系统进行了预报。

3.2 预报成果

预报成果见图6～图10。

图6 TGS360Pro三维成像

图7 应力梯度

图8 含水概率

图9 P波波速

图10 危险性等级

预报结论如下：

1)K0+965～K0+921段：围岩总体稳定性一般。在K0+936～926段局部可能存在较破碎区域或溶隙发育区，此区域较掌子面潮湿局部可能含水，危险等级Ⅳ级。

2)K0+921～K0+896段：围岩总体稳定性一般。在K0+911～901段可能存在破碎带或断层，危险等级Ⅳ-Ⅴ级。

3)K0+896～K0+851段：围岩总体稳定性一般。在K0+895～885段应力云图有很强差异，波速变化大，此区域可能存在溶孔或溶缝，含水可能性较大，危险等级Ⅴ级。

4)K0+851～K0+815段：围岩总体稳定性一般。在K0+846～836段应力云图有很强差异，可能存在破碎带或裂隙发育带，危险等级Ⅳ级。

3.3 TRT7000预报成果

TRT7000预报成果见图11。

图11 三维成像图-俯视图

预报结论如下：

1)K0+965～K0+945段：未见明显异常，P波波速为4 800 m/s，围岩与掌子面类似，围岩参考等级为III级。

2)K0+945～K0+905段：裂隙较发育，局部裂隙水呈渗出状，开挖支护不及时，局部易产生掉块、塌方，围岩平均波速为4 600 m/s，围岩以III级为主，局部IV级。

3)K0+905～K0+885段：未见明显异常，围岩完整性较好，围岩平均波速为4 800 m/s，围岩参考等级为III级。

4)K0+885 m～K0+855段：隧道右侧存在较强反射，左侧反射不明显，显示隧道左右两侧岩体不连续，岩体完整性较差，开挖支护不及时，局部易产生掉块、塌方，岩体P波平均波速为4 500 m/s。围岩以III级为主。

5)K0+855～K0+815 m段：未见明显异常，岩体完整较好，岩体平均波速为5 800 m/s。围岩参考等级为III级。

3.4 开挖情况

K0+965～K0+815段：岩性为条纹条痕大理岩，灰白色，微风化。岩层产状NE50°～55°SE∠15°～25°，岩层倾角较缓，整体稳定性一般。洞内较干燥，局部洞段(K0+925～K0+932)存在渗水—串珠状滴水现象，主要在左拱顶部位。围岩类别以Ⅲ级为主，K0+910～K0+900段由于溶蚀裂隙发育导致洞室整体稳定性较差，为Ⅳ级。

3.5 预报成果与开挖验证对比

TRT7000和预报结论与实际开挖验证情况对比见图12。从图12中可以看出：

图12 TGS360Pro与TRT7000预报结论实际开挖对比

1)在洞室同一掌子面部位同时预报桩号K0+965～K0+905区段，两种仪器针对洞室存在的渗水现象、溶隙破碎带均有相应的预报；

2)TRT7000预测的围岩级别与实际开挖情况相符，以Ⅲ级为主，局部为Ⅳ级。但预报的渗水洞段和溶隙发育破碎带洞段较笼统，不够具体。

3)预报的渗水洞段和溶隙破碎带洞段更为具体，在前70 m范围也与实际开挖情况相符。但在预报的70 m以后的问题洞段(K0+895～K0+885、K0+846～K0+836)在开挖过程中未发现明显异常。

4 结 论

通过对和TRT7000两种超前地质预报系统预报成果和开挖验证对比表明：

1)两者均能探测得到隧洞开挖过程中的地质异常(如断层破碎带、渗水、溶蚀裂隙等)，预报结果与实际开挖也基本相符，均可在隧道超前地质预报工作中应用；

2)本次预报中预报的地质异常(如渗水和溶隙发育破碎带洞段)较TRT7000更为具体，在前70 m也更准确，与实际开挖吻合度高。本文的测试对比可为其他隧道工程提供一定的参考。