劉泉聲，蔡光磊，馮志杰，靳久寧，李偉偉，畢 晨

(1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；2.中國電建昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明 650051；3.中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和現(xiàn)代隧道技術(shù)的成熟進(jìn)步，我國隧道建設(shè)的難度和規(guī)模已在世界范圍內(nèi)首屈一指。近兩年來公路鐵路、水利水電、煤炭礦山等各領(lǐng)域的隧道數(shù)量與總長迅速增長，鐵路、公路、地鐵甚至都達(dá)到了每年上千公里的增長速度[1]，隧道建設(shè)也正在向著長線路和大規(guī)模的方向發(fā)展，交通網(wǎng)路也會由東部逐步向西部山地高原地區(qū)縱向延伸[2]。

深長隧(巷)道是大型和特大型交通、礦山、水利工程建設(shè)的關(guān)鍵控制性工程，其建設(shè)安全制約著國家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的安全和進(jìn)度。深長隧道施工過程中地質(zhì)情況更加復(fù)雜多變，工程易受到裂隙、斷層、溶洞、軟硬夾層、軟弱破碎帶、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)條件的影響，從而引發(fā)涌水、突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害[3]。因此，深長隧道不良地質(zhì)條件探查一直是隧道建設(shè)的難點問題，預(yù)測工作面前方的地質(zhì)條件，針對不良地質(zhì)條件及時采取防治措施，對于提高工程效率、減少經(jīng)濟(jì)損失具有十分重要的意義。目前常用的隧道地質(zhì)預(yù)報方法除傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查(洞內(nèi)地質(zhì)素描和洞外補(bǔ)充地質(zhì)勘探)和超前水平地質(zhì)鉆探外，還包括地震發(fā)射法、電磁法、直流電法等各類地球物理勘探方法[4]。

然而，在實際應(yīng)用過程中，深長隧道不良地質(zhì)體的隱蔽性給隧道地質(zhì)預(yù)報工作帶來了諸多困難，在實際工程中往往難以準(zhǔn)確探明隧道前方不良地質(zhì)體的賦存位置、規(guī)模、形態(tài)和性質(zhì)。近年來，國內(nèi)因地質(zhì)預(yù)報能力不足而導(dǎo)致隧道工程經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤的事故偶有發(fā)生。譬如，泛亞鐵路通道玉溪至磨憨隧道段地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜,深大活動斷裂帶發(fā)育，軟巖變形、突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[5]。地質(zhì)預(yù)報的失準(zhǔn)影響了全線建設(shè)工期，對隧道施工作業(yè)人員的人身安全也構(gòu)成了極大威脅，因此推進(jìn)隧道地質(zhì)預(yù)報技術(shù)研究工作迫在眉睫。

TRT技術(shù)是傳統(tǒng)地震波物探方法與新興三維巖石圖像技術(shù)的結(jié)合，新一代TRT7000地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在TRT6000的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)硬件和軟件均進(jìn)行了優(yōu)化和升級，代表了目前國際地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域的先進(jìn)水平。本文以新疆某TBM輸水隧洞工程中的TRT7000現(xiàn)場勘測試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，運用地質(zhì)資料比對、巖體揭露情況比對、預(yù)報準(zhǔn)確率統(tǒng)計等方法，綜合討論了其預(yù)報效果和實際應(yīng)用價值，同時分析了該技術(shù)在現(xiàn)場勘測和后期處理過程中存在的實際問題，為進(jìn)一步研究提供了可行的思路。

1 TRT7000系統(tǒng)簡介

1.1 探測原理

TRT技術(shù)基于地震波法原理，其利用地質(zhì)巖層界面或巖體不連續(xù)界面的聲學(xué)阻抗(密度和波速的乘積)差異，判別不同地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件。反射系數(shù)是地震波法的重要參數(shù)，一般情況下，地震波入射到巖層邊界的反射系數(shù)計算公式如下[6]：

(1)

式中：R為反射系數(shù)；ρ1、ρ2為入射和透射巖層的密度；V1、V2為地震波在對應(yīng)巖層中的波速。地震波法根據(jù)地震波原始數(shù)據(jù)的走時和振幅推算ρ和V，進(jìn)而計算出R。

由式(1)可知，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ傻妥杩刮镔|(zhì)(軟巖)向高阻抗物質(zhì)(硬巖)傳播時，反射系數(shù)為正，反之為負(fù)[7]。地質(zhì)體規(guī)模越大，回波也越明顯，聲學(xué)阻抗差異越容易被探測到。

巖石三維圖像技術(shù)基于地震波法，是一項結(jié)合了層析掃描成像和全息巖土成像的反演技術(shù)，其通過分析地震波信號的波形變化來推算斷層、破碎帶、軟弱帶、巖溶、富水區(qū)等常見異常地質(zhì)體信息，構(gòu)建隧道地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖。目前結(jié)合GOCAD軟件已經(jīng)可以基本實現(xiàn)針對災(zāi)害體發(fā)育部位和規(guī)模的精確預(yù)報[8]。該技術(shù)以地震波的疊加強(qiáng)度為基礎(chǔ)判定反射界面，采用地震偏移概率成像的方法進(jìn)行預(yù)報[9]，基本原理如圖1所示。在數(shù)據(jù)處理過程中，以每對傳感器點和震源點的位置為橢球焦點，以波速與記錄走時的乘積為橢球常數(shù)，可以確定一個橢球體。足夠數(shù)量的橢球體可以在空間里形成一個橢球參數(shù)的數(shù)組，反射體位置可以由眾多橢球交匯疊加來確定[10]。

圖1 地震波信號交匯疊加確定反射體位置原理圖Fig.1 The intersection and superimposition of ellipsoids to determine the reflector position

1.2 系統(tǒng)硬件組成和布置原則

TRT7000主要硬件配置列舉如下[11]：1臺主機(jī)(內(nèi)含一款地震波數(shù)據(jù)采集軟件和一款RV3D 處理與顯示軟件，用于存儲和處理地震波數(shù)據(jù))；1個基站(用于連接主機(jī)并遠(yuǎn)程控制無線模塊)；10個加速度傳感器(用于采集地震波信號)；11個無線模塊(包括1個基站模塊，用于實現(xiàn)地震波信號無線傳輸)；1套觸發(fā)器和觸發(fā)導(dǎo)線(用于啟動TRT系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集)。

TRT系統(tǒng)震源和傳感器點位的布置需要綜合考慮隧道類型、施工方法、地層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、震源信號觸發(fā)操作等因素，常見震源與傳感器布置方式如圖2所示。震源點在靠近工作面處共布置2排，排間距2 m，共計12個。傳感器點在距離第二排震源點10～20 m處開始布置，共布置4排，排間距5 m，單雙數(shù)交替布置，共計10個。

圖2 TRT7000震源與傳感器基本布置方式Fig.2 Basic display of sensors and seismic sources

1.3 數(shù)據(jù)采集信號流

TRT7000數(shù)據(jù)采集信號流如圖3所示。首先在震源點錘擊產(chǎn)生地震波，錘柄處的觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)信號經(jīng)導(dǎo)線傳輸至基站?；驹诮邮沼|發(fā)信號的同時，向無線模塊下達(dá)地震波信號采集命令。無線模塊即時將傳感器捕捉的地震波信號傳送至基站，基站通過數(shù)據(jù)線將地震波信號傳送至主機(jī)，最終完成地震波信號的顯示與記錄。

圖3 TRT7000數(shù)據(jù)采集信號流Fig.3 TRT 7000 signal stream of data collection

1.4 方法優(yōu)勢

對比其他同類方法，TRT7000系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)越性：

(1)采用可重復(fù)利用、無耗材的錘擊震源，避免了炸藥震源對工程體的不良影響，勘測期間不影響隧道施工，節(jié)約了勘測成本和時間；

(2)采用無線模塊傳輸?shù)卣鹦盘枖?shù)據(jù)，儀器攜帶方便，連接簡單，操作安全；

(4)勘測距離遠(yuǎn)，適用范圍廣，鐵路、公路、水利、礦山等領(lǐng)域均可應(yīng)用；

(3)勘測結(jié)成果立體直觀，易于解譯斷層、破碎、富水帶、巖溶及采空區(qū)等地質(zhì)體。

相較傳統(tǒng)物探方法而言，TRT方法操作便捷，勘測成本低廉，勘測距離較遠(yuǎn)，針對斷層和破碎帶預(yù)報精度高，因此更加適合深長隧道地質(zhì)預(yù)報，常見地質(zhì)預(yù)報物探方法對比見表1。

表1 常見地質(zhì)預(yù)報物探方法對比[12, 13]Tab.1 Comparison of common geophysical methods for geological prediction

2 TRT7000工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某輸水隧洞工程位于新疆境內(nèi)，累計洞長41.823 km，標(biāo)準(zhǔn)洞徑5.3 m，隧洞斷面主要為圓形，局部斷面為馬蹄形，無壓流，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。隧洞施工結(jié)合TBM和鉆爆法，其中TBM施工標(biāo)段累計洞長32.842 km，最大埋深約2 200 m。

區(qū)域地質(zhì)資料顯示，該地區(qū)為中高山臺地地貌，地層傾角中等至較陡，巖層擠壓褶皺強(qiáng)烈，次級褶皺和斷層發(fā)育。隧洞位于復(fù)雜構(gòu)造帶中，穿越多條以壓性和壓扭性為主的較大斷層，在深部還存在一些隱伏的斷層和不整合接觸面。

輸水隧洞主體工程TBM施工標(biāo)段穿過中高山區(qū)及分水嶺，地面高程1 750～3 777 m。隧洞最大埋深為2 268 m，小于500 m埋深的洞段僅占約0.5%，大于1 000 m埋深的洞段約占53.3%，大于2 000 m埋深的洞段約占14.4%。

2.2 現(xiàn)場勘測

該輸水隧洞TBM標(biāo)段工期安排緊湊，施工速度快，對斷層破碎帶探測精度要求高，綜合考慮隧道圍巖條件和勘測成本等因素，最終選用TRT法作為物探地質(zhì)預(yù)報手段。

TRT工作勘測主要在隧洞掘進(jìn)機(jī)頂部的平臺上開展，受到工作空間范圍的限制，傳感器和震源有所調(diào)整，集中安裝在了隧道上半拱位置，如圖4所示。

圖4 實際TBM隧道震源與傳感器布置方式Fig.4 Actual display of sensors and seismic sources in TBM tunnel

勘測前，測量人員需首先測量震源點和傳感器點的三維坐標(biāo)，相對坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)見表2；將主機(jī)和觸發(fā)器與基站連接，并按表3要求設(shè)置采集軟件參數(shù)，確認(rèn)連接無誤后開始勘測。

表2 震源與傳感器點位坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)Tab.2 Coordinate data for sensor points and seismic source points

表3 采集軟件主要參數(shù)設(shè)置Tab.3 Main parameter settings of acquisition software

勘測時，錘擊震源點，選擇波形明顯、信噪比高的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。12個震源點各保存3組有效數(shù)據(jù)，共計36組(360條)地震波波形數(shù)據(jù)，勘測試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 TRT勘測試驗現(xiàn)場Fig.5 testing site of TRT7000

通過現(xiàn)場勘測獲取的基本數(shù)據(jù)主要包括點位三維坐標(biāo)和地震波波形數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理成果

首先將獲取的點位坐標(biāo)和波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入RV3D和RVI2T軟件，建立隧道模型后，通過波形初至拾取、直達(dá)波波速計算、背景波速設(shè)定、濾波器設(shè)置等操作最終得到如圖6所示的相對縱波(P波)波速曲線圖，及如圖7所示的TRT三維成像成果圖。圖中不同位置的相對縱波波速值是根據(jù)地震波信號某一波形傳播的時間，參考背景波速模型推算得到的；多條地震波信號的時間和振幅信息可被TRT系統(tǒng)疊加強(qiáng)化以確定空間位置的波速變化和阻抗變化。

圖6 相對縱波波速曲線圖Fig.6 relative longitudinal wave velocity line graph

圖7 TRT三維成像成果圖Fig.7 TRT 3D imaging structural diagram

TRT成果圖采用相對解釋原理進(jìn)行，軟件設(shè)定圍巖相對背景值后，破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)等地質(zhì)體會呈藍(lán)色顯示，硬質(zhì)巖石則呈黃色顯示。對圍巖地質(zhì)條件的判斷，不能單獨參照一個斷面的圖像，需要結(jié)合工程經(jīng)驗從整體上對成像圖進(jìn)行解釋。

通過綜合分析TRT三維成像成果圖、相對縱波波速曲線圖，可以得出如下結(jié)論：測試段(K17+861～K18+033洞段)預(yù)報范圍掌子面前方0～172 m，埋深 1 161～1 234 m，推測相對縱波波速4 647～5 827 m/s。預(yù)估待開挖隧洞圍巖完整性在較差至較好之間，應(yīng)當(dāng)注意不利結(jié)構(gòu)面組合引起的塌腔。巖性以粉砂巖為主，夾少量細(xì)砂巖，以干燥巖石為主，局部富水區(qū)的巖石可能會出現(xiàn)滲水或滴水現(xiàn)象。

2.4 結(jié)果討論

2.4.1 地質(zhì)資料比對

將K17+861～K18+033洞段的地質(zhì)資料與TRT預(yù)報成果的主要信息進(jìn)行比對(見表4)，可以看出TRT勘測結(jié)果與前期各類地質(zhì)勘察結(jié)果對圍巖條件都有較明確的總體判斷。兩者的結(jié)果僅在斷層破碎帶位置的判斷上稍有不同，且三維地震 TRT探測結(jié)果在隧洞開挖后被證明更為精確。

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表4 地質(zhì)資料與TRT預(yù)報比對Tab.4 Comparison of geological data with TRT prediction

2.4.2 巖體揭露情況

根據(jù)TRT預(yù)報和前期地勘報告建議，項目部迅速制定圍巖破碎帶施工預(yù)案，包括加密鋼筋混凝土襯砌等措施。測試段開挖后，現(xiàn)場圍巖結(jié)構(gòu)為薄層狀，層理發(fā)育。取樣化驗測得該段巖性以含泥粉砂巖為主，夾有少量細(xì)砂巖和含炭泥質(zhì)粉砂巖，主要礦物成分為石英(70%)、泥質(zhì)成分(20%)和炭質(zhì)成分(10%)。將試驗洞段巖體揭露情況與TRT預(yù)報結(jié)果進(jìn)行分段比對，并按長度分段統(tǒng)計預(yù)報準(zhǔn)確率，見表5。試驗洞段整體圍巖完整性較差，其中，K17+901-K17+976洞段節(jié)理裂隙發(fā)育，典型的塌腔和掉塊如圖8所示。

表5 巖體揭露與TRT預(yù)報比對Tab.5 Comparison of rock mass exposure and TRT prediction

圖8 K17+901～K17+976洞段的典型塌腔和掉塊Fig.8 Typical collapsing and falling zones of section K17+901～K17+976

2.4.3 總 結(jié)

試驗洞段預(yù)報成果與地質(zhì)資料和隧洞開挖后的實際情況總體吻合，針對破碎帶和軟弱帶的預(yù)報準(zhǔn)確率高。TRT7000具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度和實際探測效果，在隧道地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域具有較高的實際應(yīng)用價值。

3 TRT7000優(yōu)化分析

TRT技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用于各類隧道地質(zhì)預(yù)報工作，但其在實際勘測過程中仍然存在一些漏報和失準(zhǔn)問題，提升預(yù)報精準(zhǔn)度的前提是找到影響勘測效果的主要原因并有針對性地進(jìn)行研究改進(jìn)。目前TRT7000主要應(yīng)在現(xiàn)場勘測和后期處理兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 現(xiàn)場勘測優(yōu)化

(1)震源穩(wěn)定性。錘擊震源有效避免了使用炸藥、風(fēng)鎬、挖掘機(jī)等震源對勘測環(huán)境的不良影響，但現(xiàn)場人為控制的力度不均會導(dǎo)致單次錘擊震源的能量不均勻，錘擊過程容易觸碰支護(hù)鋼筋使地震信號失效，不穩(wěn)定的地震信號也會影響后期軟件處理過程中的整波和濾波，降低地質(zhì)預(yù)報成果的準(zhǔn)確度。值得注意的是，新型超磁致伸縮震源不僅具有體積小、頻率高、穩(wěn)定性好、可重復(fù)性好、走時讀數(shù)精度高、震源定位和地震波方向控制準(zhǔn)確等優(yōu)點，而且克服了原本激發(fā)信號能量較弱、信號滯后、信噪比低等缺陷[14]，已經(jīng)成為工程巖體檢測的理想探測震源。該震源已在工程巖體的地面檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，在隧道地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。筆者建議TRT技術(shù)可將其標(biāo)準(zhǔn)震源推廣，其探測效果需在現(xiàn)場實踐中加以檢驗。

(2)傳感器耦合方法。TRT7000首次采用磁鐵緊密吸附固定塊與傳感器，簡化了傳感器安裝步驟，同時避免了固定塊與傳感器連接不緊密的問題。但當(dāng)傳感器與巖壁耦合時，傳統(tǒng)耦合方法仍存在諸多局限性。譬如，速凝劑耦合不牢會導(dǎo)致傳感器脫落損壞，磁鐵耦合無法保證傳感器緊貼巖壁。本次勘測現(xiàn)場，勘測人員采用了將二者結(jié)合的方式，既能確保緊密耦合，又防止了傳感器損壞，提升了勘測效率。

(3)震源與傳感器點位布置。在現(xiàn)場勘測過程中，TRT技術(shù)仍需要不斷建立并完善不同類型隧道各自的震源與傳感器標(biāo)準(zhǔn)點位布設(shè)規(guī)范，同時研究特殊場地條件和工況下的點位布設(shè)方法，以提高勘測精準(zhǔn)度。

3.2 后期處理問題

(1)軟件操作繁瑣。雖然TRT7000已將TRT6000中坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的兩步操作簡化為一步，后期數(shù)據(jù)處理步驟仍相當(dāng)繁瑣，需要進(jìn)行多次復(fù)制、黏貼，并在數(shù)據(jù)處理軟件RVI2T和RV3D中相互切換。采用適合的編程語言開發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理程序是解決該問題的可行思路。

(2)數(shù)據(jù)處理主觀性。TRT7000系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過程中，需要針對單個地震波信號進(jìn)行背景波速選擇、初至拾取，濾波器設(shè)置等操作。但實際操作過程中，受到操作人員經(jīng)驗以及軟件使用習(xí)慣的影響，降低了成圖質(zhì)量。基于正態(tài)分布的數(shù)據(jù)處理方法，將置信區(qū)間上下限值作為背景波波速錄入TRT系統(tǒng)，可在一定程度上克服了人為拾取背景波速的盲目性[15]。

(3)彈性波法局限性。彈性波法物探手段因其探測原理和探測精度的局限性，有時無法準(zhǔn)確客觀地預(yù)報前方地質(zhì)體情況，因故考慮將TRT7000與EH4大地電磁法、ISP、HSP等其他物探方法相結(jié)合進(jìn)行綜合預(yù)報[16]，同時運用一系列隧道施工現(xiàn)場的快速分析與科學(xué)量化設(shè)計技術(shù)[17]，在合理控制勘測成本的前提下，得出更加全面、客觀、準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報，保障施工安全。

4 結(jié) 論

(1)TRT7000具有勘測距離遠(yuǎn)，操作簡單便捷，對現(xiàn)場施工影響小，預(yù)報成果清晰直觀等優(yōu)點，在隧道地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域具有較高的實際應(yīng)用價值。

(2)新疆某輸水隧洞工程TRT7000地質(zhì)預(yù)報勘測試驗結(jié)果表明，該技術(shù)預(yù)報準(zhǔn)確率高，對發(fā)育節(jié)理、斷層破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象分辨能力突出。

(3)現(xiàn)場探測過程中,合理布置點位，優(yōu)化傳感器安裝，選用穩(wěn)定震源，對提高TRT技術(shù)勘測精準(zhǔn)度有重要作用；后期處理過程中，該技術(shù)仍然存在如何簡化軟件操作，如何消除人為因素，如何結(jié)合其他物探方法實現(xiàn)綜合地質(zhì)預(yù)報等問題。

(4)在現(xiàn)有的TRT技術(shù)條件下，主觀干擾的影響仍然存在，開展綜合分析評判研究，將是未來關(guān)注的重要方向之一。