TRT地震波三維成像技術在隧道施工地質超前預報中的應用

劉兆勇，楊威，王羿磊

(四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川 成都 610072)

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TRT地震波三維成像技術在隧道施工地質超前預報中的應用

劉兆勇*，楊威，王羿磊

(四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川 成都 610072)

隧道地質超前預報在隧道施工開挖中起著關鍵性作用，同時也是工程地球物理學界所面臨的一大技術難題。本文通過介紹TRT6000隧道地質超前預報系統的方法原理以及成功應用實例，說明TRT地震波三維成像技術在隧道超前地質預報中的先進性和有效性，探討其在隧道超前探測中的應用前景。

隧道；超前地質預報；TRT；三維

1 引 言

近年來，隨著我國大中型水電工程以及其他一些大型基礎設施的建設，隧道工程逐漸向著埋深大、里程長的方向發展，存在的地質問題也越來越復雜，穿越的地質單元也越來越多。為了在隧洞施工過程中能夠提供及時準確的工程地質資料，預知前方開挖洞段可能存在的地質災害，對隧洞超前地質預報工作的要求越來越高，不僅要求能夠準確提供異常位置的波阻抗信息，而且要能夠清楚直觀地反映出異常的結構信息，包括空間位置以及規模大小等空間信息。

目前，常用的超前地質預報方法除常規的地質分析法以及超前鉆孔以外，還有各種物探方法。比如，探地雷達、TSP203預報系統、TVSP法、聚焦電流法(BEAM)以及TRT地震波三維成像技術等。在以上這些超前地質預報方法中，只有TRT地震波三維成像技術能夠對于異常位置的波阻抗信息采用三維結構圖的方式展現，清楚直觀地反映出異常的結構信息，預報精度較高。本文通過介紹TRT6000地質超前預報系統在某水電站中的實際應用，展示TRT地震波三維成像技術在隧道超前預報中的應用前景。

2 預報方法與原理

2.1 預報原理

TRT是隧道地震波反射層析成像技術的簡稱，該技術采用空間分布震源和檢波器，采集空間波場信息，被用來構建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地質狀況(如異常巖體、巖性和喀斯特特征等)的三維結構圖。它的基本原理在于當地震波遇到聲學阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質。聲學阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)，位置及規模。正常入射到邊界的反射系數計算公式如下：

假設R為反射系數，ρ1、ρ2為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質傳播到一個高阻抗物質時，反射系數是正的；反之，反射系數是負的。因此，當地震波從軟巖傳播到硬的圍巖時，回波的偏轉極性和波源是一致的。當巖體內部有破裂帶時，回波的極性會反轉。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。通過分析，被用來了解隧道工作面前方垂直和橫向面的不同地質狀況，用于發現巖體、裂隙、斷層和地下水等的空間信息，包括位置、形狀和大小。

2.2 布置方法

TRT的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，具體方法如圖1所示。

2.3 測試原理

儀器的工作過程為： 在震源點上錘擊，在錘擊巖體產生地震波的同時，觸發器產生一個觸發信號給基站，然后基站給無線遠程模塊下達采集地震波指令，并把遠程模塊傳回的地震波數據傳輸到筆記本電腦，完成地震波數據采集。儀器連接如圖2所示：

圖1 震源和檢波器的布置方法

圖2 TRT6000地震波采集系統模型

2.4 成果解析方法和原則

TRT成像圖采用的是相對解釋原理，即確定一個背景場，所有解釋相對背景值進行，異常區域會偏離背景區域值，根據偏離與分布多少解釋隧道前方的地質情況。

判斷圍巖地質情況原則：

一般來說，軟件設定圍巖相對背景值破碎、含水區、裂隙、巖溶、采空區域呈藍色顯示，相對背景值硬質巖石呈黃色顯示；

從整體上對成像圖進行解釋，不能單獨參照一個斷面的圖像。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

3.2 預報成果分析

本次測試采用美國生產的TRT6000隧道地質超前預報系統。掌子面樁號為K1+731，預報段為K1+731～K1+621，預報距離為110m。預報成果如圖3～圖6所示。

圖3 三維成像-俯視色譜圖

圖4 三維成像-側視色譜圖

圖5 三維成像-立體色譜圖

圖6 地震波速度圖(X軸-樁號、Y軸-速度m/s)

根據以上預報成果圖并結合已開挖洞段揭露的地質現象推測：

(1)K1+731～K1+666段：從色譜圖中可以看出，該段地震波反射強烈，呈現黃藍相間分布，并且分布范圍較廣，覆蓋整個開挖面，表明圍巖裂隙在整個開挖面均發育，造成多次反射，局部可能含有破碎帶或軟弱層，巖體完整性差，以Ⅲ-2類圍巖為主。因此在開挖過程中需要謹慎掘進，及時支護，注意塌方和掉塊。

(2)K1+666～K1+641段：該段地震波反射微弱，色譜圖中幾乎沒有地震波反射，表明巖體中結構面不發育，巖體完整性好，以Ⅲ-1類圍巖為主。

(3)K1+641～K1+621段：從圖上可以看出，在K1+641以及K1+621處開挖面的中部和右側部位地震波反射較強，呈密集條帶狀分布，可以推測此處有結構面或軟弱帶發育，巖體完整性較差，以Ⅲ-2類圍巖為主。并且，在K1+641～K1+621段，有零星的藍色點狀分布在整個開挖面，可以預測，該段圍巖層面裂隙水發育。因此在開挖過程中，需要謹慎掘進，及時支護和排水。3.3 開挖對比

為了驗證TRT6000隧道地質超前預報系統的預報效果，對于預報段在開挖過程中進行了全程跟蹤。預報情況與實際開挖地質情況對比如表1所示，從表1可以看出，預報情況和實際開挖揭露的地質情況吻合度高，預報效果理想。

TRT6000地質超前預報與實際開挖揭露地質現象對比表 表1

4 結 語

通過以上實例說明TRT地震波三維成像技術對于隧道前方進行超前地質預報，可以對隧道工作面前方圍巖工程地質和水文地質的性質、位置和規模進行比較準確的探測和預報。由于預報成果以三維視圖的形式進行展現，能夠直觀的反映異常的結構信息和空間信息，因此對于指導隧道施工具有重要意義。

[1] 譚元，張偉. 隧道超前地質預報綜合預報技術[C]. 水利水電工程物探技術應用與研究，鄭州：黃河水利出版社，2010：381，388.

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[4] 沙椿. 工程物探手冊[M]. 北京：中國水利水電出版社，2011.

TRT Seismic Wave 3D Imaging Technology Application in Advance Geological Forecast in Tunnel Construction

Liu Zhaoyong，Yang Wei，Wang Yilei

(Sichuan Hydropower Engineering Investigation Co.，Ltd.，Chengdu 610072，China)

Tunnel geological prediction plays a key role in the tunnel construction，and is also a major technical problem in the field of engineering geophysics. In this paper，through the introduction of trt6000 tunnel geological prediction system principle and successful application examples that TRT 3-D seismic imaging technology in Tunnel Advance Geological Forecast in the advanced and effective，explore the in tunnel advanced detection application prospects.

the tunnel；advance geological forecast；TRT；3D

1672-8262(2016)05-167-04

P631.4

B

2016—01—21

劉兆勇(1986—)，男，工程師，主要從事工程物探與檢測的研究和應用工作。