張雷 高春娥

【摘要】 TRT6000型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是美國(guó)C-Thru Ground工程有限公司生產(chǎn)的一種隧道反射層析掃描成像系統(tǒng)。C-Thru Ground工程有限公司從國(guó)家安全局繼承了相關(guān)資產(chǎn)，進(jìn)行獨(dú)立的商業(yè)運(yùn)作，推出了TRT6000型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用錘擊做震源，使勘測(cè)成本越來(lái)越低，操作越來(lái)越方便；在軟件上，成功實(shí)現(xiàn)由2D成像到3D全息成像的跨越，使得勘測(cè)結(jié)果顯示更為準(zhǔn)確、全面、直觀。

【關(guān)鍵詞】 TRT6000，隧道，掌子面，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

Abstract The TRT6000 type system for the geological advanced prediction in the tunnel is one kind of seismic reflection tomography system which is produced by C - Thru Ground engineering Co.， LTD . C - Thru Ground engineering Co.， LTD inherited the relevant asset from the national security agency， conducts independent business operation， launched TRT6000 type system. ，this system by using hammering as source， makes survey costs lower， make operating more and more convenient， On software， the successful implementation from2D imaging to 3D holographic imaging across， makes the survey result more accurate， comprehensive and intuitive.

Keywords tunnel， Environmental constraints， Advance geological forecast

1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，新建隧道工程規(guī)模越來(lái)越宏大，面臨的地質(zhì)情況更為復(fù)雜多變。隧道施工的過(guò)程中，防護(hù)措施不足將會(huì)帶來(lái)很嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害和工程問(wèn)題，不僅影響安全生產(chǎn)，而且會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，過(guò)多防護(hù)又會(huì)大大加重成本負(fù)擔(dān)，安全事故更是國(guó)家一直重點(diǎn)關(guān)注的。這促使國(guó)家對(duì)地下巖土工程地質(zhì)條件超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行深入、廣泛的研究。

TRT6000系統(tǒng)就是專門為隧道隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)所設(shè)計(jì)的，它能長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)隧道隧洞施工前方的地質(zhì)變化，如（地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)、地下水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)），其準(zhǔn)確預(yù)報(bào)范圍根據(jù)圍巖級(jí)別的不同為前方100-200m左右，為隧道隧洞施工提供可靠的地質(zhì)資料，對(duì)施工安全起到積極作用。

2、TRT6000系統(tǒng)的工作原理

TRT6000型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測(cè)的基本原理是應(yīng)用了地震波反射原理。地震波是由特定位置（震源點(diǎn)）進(jìn)行錘擊所產(chǎn)生，布局一般是在距掌子面8-10m左右邊墻的位置各布置6個(gè)點(diǎn)。地震波由通過(guò)8-10磅大錘錘擊震源點(diǎn)所產(chǎn)生的。這些震源發(fā)出的地震波遇到聲學(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì).聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面（如軟弱夾層、破碎地層、煤層、斷層、巖溶、人為坑洞、富水地層等不良地質(zhì)）產(chǎn)生反射波。

地震波反射信號(hào)由布置在隧道兩邊墻各布置4個(gè)接收器、拱頂布置2個(gè)接收器所接收，并將接收的數(shù)據(jù)傳遞給記錄單元，由于反射時(shí)間與地質(zhì)界面成正比，反射信號(hào)的強(qiáng)度與相應(yīng)界面的性質(zhì)、界面產(chǎn)狀密切相關(guān)。從而通過(guò)反射波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，得出相關(guān)隧道剖面及圍巖相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

3、TRT6000系統(tǒng)系統(tǒng)組成及技術(shù)性能

儀器系統(tǒng)主要由記錄單元和接收單元兩大部分組成。

記錄單元：記錄單元的作用是對(duì)地質(zhì)信號(hào)記錄和信號(hào)質(zhì)量控制，其基本組成為完成地震信號(hào)A/ D轉(zhuǎn)換的電子元件和一臺(tái)電腦（ Panasonic） ，電腦控制記錄單元的地震數(shù)據(jù)記錄、儲(chǔ)存以及評(píng)估. ①11 通道；②24位A/ D 轉(zhuǎn)換； ③采樣間隔： 31，64，125，250，500，1000，2000μs ； ④帶寬：0.7-3900 Hz ； ⑤記錄長(zhǎng)度：最長(zhǎng)2048mm。

接收單元：接收單元用來(lái)接受地質(zhì)信號(hào)，安置在一個(gè)特殊的金屬固定塊中，金屬固定塊和圍巖或初噴混凝土之間采用速硬水泥或錨固劑牢固的結(jié)合。接收單元由一個(gè)極靈敏的單分量的地震加速度檢波器組成，頻寬10-10000Hz ，包含了所需的動(dòng)態(tài)范圍，能夠?qū)⒌卣鹦盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào). ①單分量加速度地震檢波器； ②靈敏度：1V/ g； ③工作環(huán)境溫度0～60 ℃

產(chǎn)生地震波的錘擊設(shè)備：由8-10磅大錘和高靈敏度的觸發(fā)器組成。

4、TRT6000系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1）、TRT 6000超前預(yù)報(bào)使用錘擊作為震源，可重復(fù)利用、可多次錘擊，通過(guò)信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯。不需要耗材，而使用炸藥爆炸作為震源，每次需要相當(dāng)費(fèi)用。

2）、用錘擊作為震源克服了爆炸產(chǎn)生的高能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，克服爆炸產(chǎn)生地震波時(shí)高頻信號(hào)迅速衰減，從而保證能接收到真實(shí)的地震波信號(hào)。

3）、TRT 6000采用高精度的傳感器，靈敏度高，最大程度地保留了高頻信號(hào)，提高了精度及探測(cè)距離。

4）、傳感器和地震波采集、處理器之間采用無(wú)線連接，大大簡(jiǎn)化了裝備，攜帶方便。

5）、TRT6000震源點(diǎn)不需要鉆孔，直接錘擊邊墻巖體或固結(jié)的混凝土表面，傳感器安裝只需要鉆直徑6-8毫米，深5厘米的孔，測(cè)試快捷，方便，從測(cè)試準(zhǔn)備到數(shù)據(jù)采集完成只需要1個(gè)小時(shí)；其它同類儀器需要鉆24個(gè)1.5米深的炮孔，1-2個(gè)2米深的接收孔，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。

6）、TRT6000接收頻率范圍為0.7-3900Hz，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在軟巖、硬巖、黃土、松散堆積物等多種地質(zhì)環(huán)境里進(jìn)行的超前地質(zhì)預(yù)其他同類設(shè)備如遇黃土、松散泥土結(jié)構(gòu)，無(wú)法成孔，從而無(wú)法放入炸藥。

7）、安全性高，不需要炸藥，不需要交流電，在煤層、含瓦斯地層中也可以進(jìn)行測(cè)試。

8）、TRT 6000的傳感器布點(diǎn)采用立體布點(diǎn)方式，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，TRT 6000還采用了層析掃描的圖像處理方式，并可以從多個(gè)角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。

9）、TRT 6000能描繪到隧道水平和垂直方向的所有異物。而其他儀器用于描繪幾乎垂直于隧道的充滿空氣或水的裂隙，而且只能描繪靠近的垂直裂隙，不能描繪稍遠(yuǎn)距離的第二或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對(duì)于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能沒有反映。對(duì)于所描繪的傾斜裂隙，會(huì)低估它們的距離。

5、TRT6000隧道工程實(shí)例

5.1工程概況和地質(zhì)條件

大頂山隧道位于遼寧省本溪市境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)6275m，為雙線隧道；隧道內(nèi)最大埋深約263m。隧道內(nèi)最小埋深約，埋深約23m。隧道范圍內(nèi)丘間溝谷內(nèi)表層多為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+el）粉質(zhì)粘土、碎石土覆蓋，隧道洞身通過(guò)地層較為復(fù)雜。洞身地層為青白口系南芬組（Qnn）泥灰?guī)r、頁(yè)巖；青白口系釣魚臺(tái)組（Qnd）石英砂巖。

5.2 檢測(cè)結(jié)果

2010年8月29日采用美國(guó)生產(chǎn)的TRT6000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)大頂山隧道1#斜井進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掌子面的情況，傳感器布置在左右邊墻及拱頂，震源點(diǎn)布置在左右邊墻上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的地震波信號(hào)，通過(guò)專門的O-RV3D軟件進(jìn)行分析處理，生成三維圖像（圖形顯示隧道中心線左右20米，上下20米的空間范圍），對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況預(yù)測(cè)，得出以下結(jié)論：

1、 里程大1斜3+28.2-大1斜2+78.2（長(zhǎng)度：50m）該段圍巖節(jié)理裂隙帶很發(fā)育、層理構(gòu)造、含有裂隙水、為裂隙發(fā)育帶。

2、 里程大1斜2+58.2-大1斜2+28.2（長(zhǎng)度：30m）段，該段圍巖節(jié)理裂隙很發(fā)育、裂隙水發(fā)育，（大1斜2+48.2-大1斜2+28.2）段有條含水裂隙帶（特別是隧道開挖方向的右側(cè)），開挖時(shí)容易坍塌、突水和涌泥現(xiàn)象。

5.3地質(zhì)雷達(dá)和施工對(duì)檢測(cè)成果的驗(yàn)證

1）2010年9月17日采用意大利生產(chǎn)的IDS-K2型地質(zhì)雷達(dá)（50MHZ天線）對(duì)大頂山隧道1#斜井進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，通過(guò)對(duì)所采集圖像進(jìn)行分析。（大1斜2+48-大1斜2+28）段電磁波能量成規(guī)律性衰減、波形基本均一，推測(cè)裂隙水對(duì)電磁波強(qiáng)吸收，該段為含水裂隙帶。

2）施工過(guò)程中，在不良地質(zhì)發(fā)育帶提前做好防護(hù)措施，給施工提供了指導(dǎo)意見，極大地加快了掘進(jìn)速度。在跟蹤現(xiàn)場(chǎng)反饋的意見中，驗(yàn)證結(jié)果如下：

a、里程：大1斜3+29-大1斜2+78段圍巖較破碎、呈層理構(gòu)造，為裂隙發(fā)育帶。

b、里程：大1斜2+48-大1斜2+28段在隧道開挖方向的右側(cè)有水滴出，呈線狀。

6、結(jié)論

本次采用TRT6000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)掌子面前方的異常地質(zhì)情況進(jìn)行了探測(cè)和描述，給工程施工提出施工建議。作為當(dāng)前最先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)檢測(cè)方法，相比其它長(zhǎng)距離探測(cè)技術(shù)，可以快捷、有效的進(jìn)行隧道工程的地質(zhì)預(yù)報(bào)。在隨后的地質(zhì)雷達(dá)、開挖驗(yàn)證過(guò)程中，證明TRT6000的探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠性。TRT6000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在美國(guó)、歐洲、日本、新西蘭、澳大利亞等國(guó)家獲得廣闊的市場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)我們較早使用這臺(tái)儀器并且積累了經(jīng)驗(yàn)，但在不良地質(zhì)條件較為發(fā)育的巖體中，如何準(zhǔn)確的辨別巖體的工程類別還有局限性。特別是隧道施工過(guò)程中噪音，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有明顯的影響。在發(fā)現(xiàn)前方存在不良地質(zhì)較發(fā)育條件下還需采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法進(jìn)行驗(yàn)證。在以后的工作中還需進(jìn)一步研究，擴(kuò)寬使用范圍。

參 考 文 獻(xiàn)

1、 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南 鐵建設(shè) [2008] 105號(hào)

2、 劉志剛等 隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù) 中國(guó)鐵道出版社

3、 汪成兵等 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)與應(yīng)用 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù)

4、 何發(fā)量等 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào) 西南交通大學(xué)出版社

5、 戴前偉 TSP2203 在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 地球物理學(xué)進(jìn)展