許德根, 周滿兵

(1.安徽省公路工程檢測(cè)中心，安徽 合肥 230041; 2.橋梁與隧道安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230041)

0 引 言

TRT7000(Tunnel Reflection Tomagraphy 7000)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)屬于地震波反射法的一種，該技術(shù)主要利用地震波在傳播過程中所遇到的物性差異對(duì)目標(biāo)體的性質(zhì)進(jìn)行分析判斷[1]。

現(xiàn)今，TRT技術(shù)飛速發(fā)展，由錘擊震源逐漸替代了最初的炸藥震源。不僅使地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的工作效率越來越高，而且提升了其安全性。在數(shù)據(jù)處理方面，由傳統(tǒng)的2D轉(zhuǎn)變?yōu)?D成像，使預(yù)報(bào)成果更加全面、直觀[2，3]。

TRT7000與其他地震波反射技術(shù)(如TSP)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①TRT7000利用的是錘擊震源，能夠較好地減輕雜波信號(hào)的干擾，且通過多次對(duì)同一震源點(diǎn)進(jìn)行敲擊，能夠采集更多的疊加反射信號(hào)；②TRT7000所用的傳感器相對(duì)于加速度傳感器而言，靈敏度高，能夠更好地采集到高頻信號(hào)；③TRT7000所利用的是三維探測(cè)方式，能夠獲得更多的數(shù)據(jù)信息，提高了對(duì)不良地質(zhì)體的定量定性分析的準(zhǔn)確性和精度；④TRT7000成像結(jié)果較為直觀，能夠容易判斷隧道不良地質(zhì)體的類型等信息[4，5]。

1 TRT7000預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)組成

TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由無線模塊、無線通信基站、觸發(fā)器、傳感器和主機(jī)等組成。TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)模型

TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的工作過程為：①利用速凝劑將傳感器布置在隧道壁上，在布置的過程中，傳感器的方向應(yīng)朝向隧道洞口的方向以保證傳感器能夠不間斷地接收震源信號(hào)。傳感器和震源點(diǎn)布置示意圖如圖2所示；②對(duì)震源點(diǎn)進(jìn)行錘擊，在產(chǎn)生地震波信號(hào)的同時(shí)，觸發(fā)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給基站，然后基站給無線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震信號(hào)的指令，無線遠(yuǎn)程模塊將采集到的地震波信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)。

圖2 傳感器和震源布置示意圖

1.2 理論原理

TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的理論原理實(shí)質(zhì)上為地震波在介質(zhì)中的傳播過程，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩共町惖慕缑?，?huì)產(chǎn)生反射波，部分地震波信號(hào)會(huì)繼續(xù)向前傳播。將反射回來的信號(hào)利用接收傳感器進(jìn)行接收。TRT7000的震源為體震源，不僅會(huì)產(chǎn)生縱波，而且會(huì)產(chǎn)生橫波。但橫波的能量低而且衰減速度快，因此，一般不做考慮。當(dāng)?shù)卣鸩ㄐ盘?hào)(縱波)以入射角α傳播到波阻抗差異的界面時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生反射波PR和透射波PT。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：R為反射系數(shù)；ρ1、ρ2為巖層的密度；V為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(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，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傳播到硬巖時(shí)，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(shí)，回波的極性會(huì)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。通過分析回波信號(hào)，可以了解掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置、形狀、大小等信息。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某隧道位于安徽省宣城市境內(nèi)，為雙向分離式隧道，左幅全長(zhǎng)850 m，右幅全長(zhǎng)870 m。洞身以上地面地形起伏較大，總體是中部高、波狀起伏，進(jìn)出口地段地形低，海拔高程72.55～160.00 m，相對(duì)高差約 88.5 m，坡角 35°～55°，隧道最大處的埋深可達(dá) 87 m。隧道左幅出口處共發(fā)育了2組節(jié)理，其產(chǎn)狀分別是 130∠50°和 360°∠70°。隧道右幅進(jìn)洞口山頂處有一組節(jié)理發(fā)育，其走向?yàn)槲鞅?5°。隧道左幅進(jìn)洞口處有一組節(jié)理發(fā)育，節(jié)理走向 302°。隧道中部山體處發(fā)育一組節(jié)理，產(chǎn)狀 54°∠70°。遂址區(qū)的地層主要?jiǎng)澐譃榈谒南邓缮⒍逊e物和白堊系花崗巖。

2.2 預(yù)報(bào)成果分析

本次測(cè)試所采用的是TRT7000隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。掌子面樁號(hào)為ZK44+940，預(yù)報(bào)距離為110 m。本次預(yù)報(bào)成果如圖3所示。

圖3 TRT7000超前預(yù)報(bào)成果圖

根據(jù)預(yù)報(bào)成果并結(jié)合已開挖段推測(cè)的地質(zhì)情況見表1，圖4和圖5為實(shí)際開挖照片。

表1 預(yù)報(bào)成果分析

圖4 ZK45+181處破碎帶照片

圖5 ZK45+175處富水帶照片

3 結(jié)論與展望

(1)TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在對(duì)不良地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模及形態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，能夠取得較好的探測(cè)結(jié)果，對(duì)隧道施工具有十分重要的意義，具有良好的應(yīng)用前景。

(2)TRT7000超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便，探測(cè)范圍廣，預(yù)報(bào)成果可視化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有的軟件處理程序較為煩瑣，效率較低。如何有效的獲取波速數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步的研究與開發(fā)。