劉兆勇，楊威，王羿磊

(四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

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TRT地震波三維成像技術(shù)在隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

劉兆勇*，楊威，王羿磊

(四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在隧道施工開挖中起著關(guān)鍵性作用，同時也是工程地球物理學(xué)界所面臨的一大技術(shù)難題。本文通過介紹TRT6000隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的方法原理以及成功應(yīng)用實(shí)例，說明TRT地震波三維成像技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的先進(jìn)性和有效性，探討其在隧道超前探測中的應(yīng)用前景。

隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；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(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，隧道工程逐漸向著埋深大、里程長的方向發(fā)展，存在的地質(zhì)問題也越來越復(fù)雜，穿越的地質(zhì)單元也越來越多。為了在隧洞施工過程中能夠提供及時準(zhǔn)確的工程地質(zhì)資料，預(yù)知前方開挖洞段可能存在的地質(zhì)災(zāi)害，對隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的要求越來越高，不僅要求能夠準(zhǔn)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(jié)構(gòu)信息，包括空間位置以及規(guī)模大小等空間信息。

目前，常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法除常規(guī)的地質(zhì)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(dá)、TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)、TVSP法、聚焦電流法(BEAM)以及TRT地震波三維成像技術(shù)等。在以上這些超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中，只有TRT地震波三維成像技術(shù)能夠?qū)τ诋惓Ｎ恢玫牟ㄗ杩剐畔⒉捎萌S結(jié)構(gòu)圖的方式展現(xiàn)，清楚直觀地反映出異常的結(jié)構(gòu)信息，預(yù)報(bào)精度較高。本文通過介紹TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在某水電站中的實(shí)際應(yīng)用，展示TRT地震波三維成像技術(shù)在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用前景。

2 預(yù)報(bào)方法與原理

2.1 預(yù)報(bào)原理

TRT是隧道地震波反射層析成像技術(shù)的簡稱，該技術(shù)采用空間分布震源和檢波器，采集空間波場信息，被用來構(gòu)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(zhì)狀況(如異常巖體、巖性和喀斯特特征等)的三維結(jié)構(gòu)圖。它的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)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(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。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(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)，位置及規(guī)模。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

假設(shè)R為反射系數(shù)，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(zhì)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)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(zhì)狀況，用于發(fā)現(xiàn)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(diǎn)上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時，觸發(fā)器產(chǎn)生一個觸發(fā)信號給基站，然后基站給無線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令，并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦，完成地震波數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jìn)行，異常區(qū)域會偏離背景區(qū)域值，根據(jù)偏離與分布多少解釋隧道前方的地質(zhì)情況。

判斷圍巖地質(zhì)情況原則：

一般來說，軟件設(shè)定圍巖相對背景值破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)域呈藍(lán)色顯示，相對背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示；

從整體上對成像圖進(jìn)行解釋，不能單獨(dú)參照一個斷面的圖像。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

3.2 預(yù)報(bào)成果分析

本次測試采用美國生產(chǎn)的TRT6000隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。掌子面樁號為K1+731，預(yù)報(bào)段為K1+731～K1+621，預(yù)報(bào)距離為110m。預(yù)報(bào)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(cè)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(jù)以上預(yù)報(bào)成果圖并結(jié)合已開挖洞段揭露的地質(zhì)現(xiàn)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(qiáng)烈，呈現(xiàn)黃藍(lán)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(fā)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(jǐn)慎掘進(jìn)，及時支護(hù)，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(jié)構(gòu)面不發(fā)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(cè)部位地震波反射較強(qiáng)，呈密集條帶狀分布，可以推測此處有結(jié)構(gòu)面或軟弱帶發(fā)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(lán)色點(diǎn)狀分布在整個開挖面，可以預(yù)測，該段圍巖層面裂隙水發(fā)育。因此在開挖過程中，需要謹(jǐn)慎掘進(jìn)，及時支護(hù)和排水。3.3 開挖對比

為了驗(yàn)證TRT6000隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果，對于預(yù)報(bào)段在開挖過程中進(jìn)行了全程跟蹤。預(yù)報(bào)情況與實(shí)際開挖地質(zhì)情況對比如表1所示，從表1可以看出，預(yù)報(bào)情況和實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況吻合度高，預(yù)報(bào)效果理想。

TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與實(shí)際開挖揭露地質(zhì)現(xiàn)象對比表 表1

4 結(jié) 語

通過以上實(shí)例說明TRT地震波三維成像技術(shù)對于隧道前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以對隧道工作面前方圍巖工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的性質(zhì)、位置和規(guī)模進(jìn)行比較準(zhǔn)確的探測和預(yù)報(bào)。由于預(yù)報(bào)成果以三維視圖的形式進(jìn)行展現(xiàn)，能夠直觀的反映異常的結(jié)構(gòu)信息和空間信息，因此對于指導(dǎo)隧道施工具有重要意義。

[1] 譚元，張偉. 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合預(yù)報(bào)技術(shù)[C]. 水利水電工程物探技術(shù)應(yīng)用與研究，鄭州：黃河水利出版社，2010：381，388.

[2] 吳國曉. 深埋長隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究[C]. 水利水電工程物探技術(shù)應(yīng)用與研究，鄭州：黃河水利出版社，2010：374，380.

[3] DL/T 5010-2005. 水電水利工程物探規(guī)范[S].

[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(yīng)用工作。