TRT超前地質預報技術應用研究

何　云　金亞坤　鐘涌芳

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081；　2.中南大學資源與安全工程學院　長沙　410083)

TRT超前地質預報技術應用研究

何云1金亞坤1鐘涌芳2

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081；2.中南大學資源與安全工程學院長沙410083)

摘要TRT超前地質預報方法具有操作簡便、測試速度快、成果直觀可靠等特點。以某地下工程為例，介紹TRT超前地質探測系統在實際工程中的應用，通過對比圍巖實際開挖情況，驗證了該法良好的超前地質預報效果。

關鍵詞超前地質預報TRT地質分析工程應用

對于地下工程而言，其工程地質條件是影響施工安全和工程穩定性的關鍵因素。由于勘察設計的局限性，有時很難準確掌握地下工程復雜的地質條件，對于巖溶、斷層、斷裂破碎帶等不良地質不能及時地制定有針對性的設計方案和施工措施。由于工程預防準備措施的不足可能導致工程地質災害和問題的頻發，不僅嚴重影響了工程施工進度，拖延施工工期，產生巨大的經濟損失，同時還會導致人員的傷亡，造成嚴重的社會影響。為了預防及降低不良地質條件對地下工程產生的不利影響，在地下工程施工過程中進行超前地質預報工作以指導工程施工是十分必要的[1-3]。

超前地質預報能對掌子面前方的工程地質條件進行探測，查明掌子面前方是否存在斷層、斷裂破碎帶、溶洞等不良地質狀況，其對于提高地下工程施工效率，避免隧道突水、突泥、塌方等地質災害的發生具有十分重要的作用。地下工程超前地質預報方法主要有地質分析法、物探法、超前水平鉆探法及超前導洞法。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種較為成熟的超前地質預報方法。TRT超前地質探測系統是由美國國家安全局研發，后經美國C-Thru公司完善后推出的一種新的超前地質探測系統。TRT超前地質探測系統具有儀器便于攜帶和安裝，測試速度快；采用人工錘擊的方式觸發地震波信號，測試工作相比TSP法采用爆破振動而言既安全可靠，又經濟簡便；運用層析掃描成像技術實現了對地質體的空間觀測，圖像清晰便于理解等特點。因此，將TRT超前地質探測系統運用到地下工程的超前地質預報中具有非常良好的實用價值。本文以某地下工程為例，具體介紹TRT超前地質探測系統在實際工程中的應用，通過對比圍巖實際開挖情況，驗證了該法的使用效果。

1TRT超前地質探測系統

TRT(truereflectiontomography)技術稱為真實反射層析掃描成像技術，其以地震波在介質中的傳播特性為基礎而建立的超前探測技術，其主要由信號觸發模塊、信號接收模塊及信號分析模塊3大模塊組成。當地震波在巖體中傳播若遭遇到不同波阻抗的界面時，地震波將會產生反射，以此可對聲學阻抗變化的界面進行定位和分析。波阻抗變化的界面一般為巖層的分界面或者巖體中的不連續面，通過對反射地震波信號進行分析，可探測出巷道前方是否存在軟弱破碎帶、斷層，以及掌握它們的位置和規模，以此實現地下工程的超前地質預報。定義反射系數R為被反射的能量與總能量的比，其計算公式為

(1)

式中：ρ1和ρ2分別為地震波入射及地震波反射的巖層密度；V1和V2分別為地震波在信號入射及信號反射的巖體重的傳播速度；ρ1V1和ρ2V2分別為信號入射及信號反射的巖體的波阻抗。反射系數為正，表明地震波從低阻抗巖層傳播到高阻抗巖層；反射系數為負，表明地震波從高阻抗巖層傳播到低阻抗巖層。當地震波由軟性地質體傳播到硬性地質體時，入射波和反射波的偏轉極性是一致的。當地震波由硬性地質體傳播到軟性地質體時，反射系數為負，表明入射波和反射波之間存在著180°的相位差，反射波的極性會發生反轉。若地質界面規模越大，兩側巖體波阻抗差異越大，反射波就越明顯，地質界面就越容易探測到?；诜瓷洳芰康拇笮。琓RT在巖質隧道中有效探測距離可達100～150m，在軟弱土層及破碎巖體中其有效探測距離為60～100m。

2工程應用實例

某巷道工程圍巖主要為石炭系灰巖與泥質灰巖，巷道掌子面巖體完整性較差。為了了解掌子面前方圍巖情況，制定有效的施工方案及避免突水、突泥等地質災害事故的發生，運用TRT6000超前地質探測系統對該巷道進行超前地質預報。超前地質預報結果見圖1。

圖1　TRT超前地質預報結果圖

通過TRT6000超前地質探測系統的圖像顯示程序，可以實現以任意角度旋轉觀察探測結果，從而全方面地對探測結果作出解讀。圖1所示為不同視角下TRT超前地質預報結果，圖中所示拱圈部分表示現有巷道，圖中最右邊的拱圈為巷道掌子面位置，掌子面左側前2列點為錘擊震源點位，后4列點表示傳感器布置點位；圖中深色塊體表示軟弱地質體，淺色塊體為較完整巖體；圖中每個方格的邊長為10m。結合相關地質資料對TRT超前地質預報結果進行分析可知：巷道掌子面前方35m范圍內，巷道圍巖與掌子面裸露圍巖情況相似，即以石炭系灰巖、泥質灰巖為主，裂隙發育并呈層狀分布；35～45m范圍內，巷道施工將會遇到零星分布的更為堅硬的地質體，根據掌子面圍巖情況，以少裂隙發育的石炭系灰巖和泥質灰巖為主；45～47m范圍內，將會出現破碎帶，圍巖穩定性逐漸降低有可能遇到裂隙地下水區域；47～60m范圍內，巷道將穿越破碎帶后重新進入以裂隙不發育石炭系灰巖和泥質灰巖為主、質量較為優良的圍巖地質體中。60～75m范圍內，將會出現零星分布的小體積軟弱破碎帶，綜合圍巖情況初步估計其對施工影響較小，危險性不大；75～85m范圍內，將會出現體積和密度稍大的軟弱破碎帶，但其規模不大，對巷道施工影響不大。

對探測巷道在開挖后揭露的巖層工況進行跟蹤調查，并對揭露巖層進行記錄，以對比探測預報的地質巖層與真實的地質巖層情況。真實巖層揭露情況見圖2。

圖2　巷道真實巖層揭露情況圖

結合圖2所示巷道巖層揭露情況，以探測掌子面為起點，開挖后真實地質巖層情況為：0～35m范圍內，巖層為灰巖為主，夾層少量泥質巖，整體性能較好，節理發育，無大型破碎區域；35～45m范圍內，巖層以灰巖為主，基本沒有其他夾層，節理方向一致，且有利于開挖施工，質量較好；45～47m范圍內，巖層屬于破碎地段，巖性主要為泥質頁巖，強度低，泥質風化現象均較為普遍，支護難度大；47～60m范圍內，圍巖強度較好，全部為灰巖區域，基本完整無缺，成塊優良，施工后可不支護，施工進度快；60～75m范圍內，圍巖整體性較好，但存在局部區域的破碎巖塊，分布較分散，產狀不明顯，對施工影響較??；75～85m范圍內，基巖為灰巖，局部夾雜泥化頁巖，但規模非常小，層狀分布明顯，圍巖質量穩固。

通過對比分析TRT超前地質預報結果和實際開挖揭露的巖層真實情況可知，TRT超前地質探測結果與實際圍巖地質情況基本吻合，TRT超前地質預報效果良好，基本無偏差。

3結論

(1) 超前地質預報在地下工程施工過程中的災害防治及安全保障方面起到了十分重要的作用，是地下工程施工過程中必不可少的一個環節。

(2)TRT超前地質預報方法預測距離較長，采用錘擊的方式作為震源對隧道損壞小，運用地震層析成像技術實現了預報結果的三維觀測，具有操作簡便、測試速度快、成果直觀可靠等特點。

(3) 通過將TRT運用于某地下工程的超前地質預報工作中，結合圍巖實際開挖情況對TRT超前地質預報結果進行對比分析，驗證了TRT良好的超前地質預報效果，對于類似工程具有一定的參考與借鑒價值。

參考文獻

[1]李術才,劉斌,孫懷鳳,等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].巖石力學與工程學報,2014,33(6):1090-1113.

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[3]肖書安,吳世林.復雜地質條件下的隧道地質超前探測技術[J].工程地球物理學報,2004(2):159-165.

[4]李利平,石少帥,李術才.特長深埋隧道裂隙水綜合預測方法與應用[J].地下空間與工程學報，2013(3):603-609.

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[6]王明華,王國斌,利奕年.TRT在巖溶隧道地質超前預報中的應用研究[J]水資源與工程學報,2012(5):40-42.

[7]相興華,鄧小鵬,王鵬.TRT在隧道地質超前預報中的應用[J].地下空間與工程學報,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