TRT隧道地震波三维成像超前预报系统在双线铁路隧道勘察中的应用

摘要

TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测，它是美国NSA工程公司开发的新方法，国外已实际应用该法在观测方式和资料处理方法上与TSP法及负视速度法均有很大不同，它采用空间多点激发和接收的观测方式，其检波点和激发点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使前方不良地质现象的定位精度大大提高。本文主要介绍TRT产品本身的同时结合案列来介绍TRT技术在隧道工程勘察中的优点。

勘查方法：TRT真地震反射成像预报技术

1 探测原理

TRT-V8000采用地震波反射体三维成像技术，该技术利用锤击（或人工扫频震源）触发地震波信号在岩体内传播，当遇到声学阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，并通过多个震动传感器接收，最后通过解析地震波反射信号来评价前方地质情况。在探测前方出现岩体破碎、节理裂隙、岩性变化接触带、含水或空腔构造等时，反射信号会反映出传播介质的变化，表现为从低阻抗传播到高阻抗反射系数为正；反之，反射系数为负。

通过不同位置的多个震动传感器接收到反射信号的时程差异可计算异常体的空间位置和大小。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

式中R代表反射系数，ρ1、ρ2 分别代表反射 界面两侧介质的密度，V1、V2 分别代表地震波在反 射界面两侧介质中的传播速度。

2 设备组成及观测系统

TRT-V8000的硬件系统由1台主机、1个基站、10个检波器组成、额外选配一个扫频震源，主机中包含波形采集软件和数据后处理软件。震源点及检波器布置如图所示。仪器的工作过程为：在震源点上锤击产生地震波，地震波在岩体中传播，锤击的同时触发检波器开始接收地 震波信号，完成数据采集后，通过基站将数据传输到电脑主机，完成一次激发采集。

设备组成

扫频震源

TRT-V8000的观测系统由10个检波器布置点、12个震源点组成。整个观测系统的传感器布设要求尽可能对称布设。震源间距的2米是硬性要求,不得更改。震源与传感器的距离、传感器之间的距离可以成比例缩小。

传感器布设俯视图

传感器布设横截面

小结

① TRT在摒弃炸药震源的基础上使用人工震源，使得在现场布设时更方便、更快捷、更安全。

② TRT立体布置的观测系统，这是真三维成像的基础也是区别于其它产品的特点。

③ TRT的观测系统对现场要求很低，适应各种条件，在隧道进洞30米左右即可布设。

应用案例：TRT在奥地利Unterwald隧道的应用

1 工程地质背景

Unterwald隧道是一条双线铁路隧道，长度为1076米，标准横截面为100平方米。隧道与山坡平行，覆盖层可达90米。为了获得可靠的岩石和围岩参数数据，进行了现场和实验室试验。为补充地下勘探，开展了折射地震、电阻率、电磁等地球物理调查。

项目区其特点是含有高度各向异性的岩石，含石英量不等。岩体主要由片麻岩和石英片岩组成，偶尔夹有绢云母页岩、绿泥石页岩和含碳页岩。层理与隧道平行，倾角平均为25°至35°，与山坡平行。

2 TRT铁路隧道勘察成像结果

在初始的现场勘察中，预测开掘的前170到200米为由密实的块状围岩组成的坡积物，坡积物与坚硬基岩的接触面没有被具体确定。为了适当地规划开掘方法，并在现场准备适当的支撑介质，准确地了解这个接触面将节省相当多的成本。

这是TRT方法首次应用于软弱的、极度复杂的地层条件以及高度各向异性介质的情况。结果显示，由于块状围岩和软基质的高衰减，最大可靠成像距离为60到70米（相比于硬质岩中预期的100到150米）。第二次地质预报的成像距离包括最初预测的基岩接触区域，是在隧道里程152米处进行的，成像范围里程约到210到220米处。最初使用双速度模型，底部是高速度基岩，但数据不确定。图1显示了从第二次处理中得到的层析图，使用与堆积层性质相对应的均匀速度模型。

层析图在隧道掌子面前方约5米处显示出局部的黄色高阻区域（紫圈部分），结合现场情况推测为一个硬质岩块，而现场开挖也验证了是大块的石英千枚岩。图2是在里程161米处拍摄的隧道面照片，与成像结果相符。层析图结果还显示，在隧道轴线右侧约里程190米处（掌子面前方约40米处）有一个正负异常的交接处（红圈部分）。结合现场情况推测为一个异常界面，而现场开挖也验证了是一个基岩接触面，这个局部异常特征是比较典型的基岩接触。图3显示了遇到的基岩接触面照片，位于191到192米的里程。接触面由大的平面墙状节理断裂形成。基岩稍有风化，广泛分布着（约1米间隔）几乎垂直于隧道面且陡倾的开裂。节理填充有厚度达20厘米的砂砾。

152米里程的这次预报，是TRT预报准确性的标准示例，对于掌子面前方的两个异常都做出了完美的反应，而且预报的位置与实际开挖验证的位置相差无几。

3 成像断层带和成像重复性

如果说单次的预报准确具有偶然性，那么693米里程的第七和771米里程的第八次预报是TRT方法重复性和潜在准确性的标准示例。第七次预报的结果显示，在开挖前约25米处存在一个破裂带，后面是相对均质的地层条件。图4显示了第七次预报的成像结果，采用了不同的衰减模型，以进一步查看开挖前方的情况。

图4 第七次预报的成像结果

在距离隧道面约150米的825到840米站附近显示了一个异常。初始现场勘察已经提供了可能在该区域存在断层带的证据。第七次预报成像的异常与遇到的地质条件相当吻合。第八次预报时隧道面位于771米处，初始速度模型未显示面前有任何异常。因此采用了第二个速度和衰减模型，并在图5所示的785到835米站附近识别了几个异常。

图5 785到835米站附近识别了几个异常

最初的异常被描述为可能是破裂带，而从820到840米处的异常被解释为断层带。现场开挖揭示为包括两组垂直分布的不连续性，间距为0.5到1米，与隧道以60°至70°的角度相交的断层。在820米处，隧道进入一个8米宽的清晰切割带，陡倾70°向东走向，与隧道面垂直。该断层的位置与第七次预报成像的特征相符。两次预报之间信息量的差异显示了不同的衰减模型可以用于识别接近开挖的较小特征或远距离的较大特征。本次预报中识别的异常及其解释与遇到的地质条件在前面的图表中显示得非常一致。

小结

① TRT预报的准确性很高。不管是近掌子面的异常还是距离150米以上的异常。针对不同的地质情况可以使用不同的速度模型。

② TRT预报的准确具有普遍性。对于820米到840米的断层，两次预报都做出了完美的成像，这说明，TRT预报准度并不是偶然的。

应用案例：TRT在高铁山岭隧道的应用

1 工程地质背景

青阳隧道是济青高铁唯一一座山岭隧道，穿越长白山低山丘陵区，全长10.1 km，为单洞双线隧道。经过钻探和地质调查，查明DK43+364.6～DK43+499段落围岩岩性为安山岩，斑状结构，块状构造，硬质岩，弱风化，节理裂隙较发育，岩体较完整，呈巨块或大块状结构。利用天然源音频大地电磁法(AMT)进行探测得出，DK43+450～DK43+525段落为二类物探异常区。综合分出:DK43+364.6～DK43+450段落围岩分级为Ⅱ级，DK43+450～DK43+499段落围岩分级为Ⅲ级。

2 TRT超前地质预报结果

隧道开挖至DK43+364后，利用TRT6000对DK43+364.6～DK43+499段落进行超前地质预报，得出段落纵波波速分布及三维地震反射界面分布(见图6)，结合区域地质资料、工作面地质素描资料以及加深炮孔资料进行综合分析，预报结果如下。

里程DK43+364.6～DK43+427段

预报：

波速整体较稳定，三维成像图无明显异常区域，推测围岩较完整，地下水不发育，预报围岩分级为Ⅱ级。

开完验证结果：

揭露围岩岩石为弱风化安山岩，节理不发育-较发育，岩体较完整，地下水不发育，岩体呈块状结构，围岩分级为Ⅱ级。

里程DK43+427～DK43+469段

预报：

三维成像局部呈现少许离散反射。推测围岩岩体较破碎，稳定性、完整性变差。预报围岩分级为Ⅲ级。

开完验证结果：

揭露围岩岩石为弱风化安山岩，节理发育-较发育，岩体较破碎，工作面湿润，岩土呈块石状镶嵌结构，围岩分级为Ⅲ级。

里程DK43+469～DK43+499段

预报：

纵波波速为4000～3100m/s，DK43+481以后波速在3100m/s附近震荡变化，三维成像图呈现强烈离散反射，黄色区域被蓝色区域规律性切割，推测围岩岩体破碎，节理密集带发育，局部夹软弱夹层，地下水较发育，稳定性、完整性差，开挖后支护不及时易发生坍塌。预报围岩分级为Ⅳ级。

开完验证结果：

揭露围岩岩石为弱风化安山岩，节理发育，局部发育密集，岩体破碎-较破碎，工作面湿润，岩体呈块碎状镶嵌结构，围岩分级为Ⅲ级。

DK43+490以后：围岩变差，岩石为强风化安山岩，发育两组节理，其中一组节理发育密集，节理交 错切割岩体呈碎石状压碎结构，工作面右侧局部有软 弱夹层，工作面渗滴水，超前地质预报结果得到验证。

高铁山岭隧道的这次TRT预报是一次标准且经典的预报案例，也是大多数情况下的TRT预报模板，本次预报的预报距离达到了130米，并且成功预报出了100米之后的强风化围岩与破碎带，证明了人工震源的能量足以探测到100米以上。

小结

① 利用人工锤击作为震源，环境污染小、预报成本低，缩短了预报辅助作业时间，降低了对施工工序的干扰。青阳隧道TRT预报作业时间一般为30～40min。

② 利用锤击作为震源且可以在同一点上进行重复锤击，能够最大限度地接收反射回来的高频信号，提高了预测精度和预测距离。

③ 传感器布置为三维立体方式，能充分获取空间波场信息，可以准确获得工作面前方不良地质体反射界面的三维特征，提高了定位精度。

结论

从上面的两个示例可以看出，TRT方法能够准确预测岩体条件的变化。TRT提供的不同的速度模型，可以适当地预测在开挖过程中可能遇到的条件，以及不断变化的地质条件是否会影响开挖行为。这还包括更多关于将特征外推到适当位置的信息。

在Unterwald隧道中，True Reflection Tomography（TRT）地震成像方法被系统地应用于识别与隧道轴线相交的潜在薄弱区。TRT在Unterwald隧道中的应用，两次预报均对同一个异常做出很好的响应，充分说明TRT在预报准确度上具有优秀的表现。

在高铁山岭隧道中，TRT的高灵敏度传感器和人工震源的配合，充分说明人工震源的能量可以传播到至少100米以上，并且被传感器接收。事实上预报距离的长短，除了和震源能量的大小有关系，还和围岩情况、传感器灵敏度、设备信噪比有关系，预报距离的远近并不是说能量越大越好，它受多种因素影响，传统炸药的能量事实上是指数衰减的，而且会在震源周围引起塑性形变，TRT的传感器灵敏度非常高，中等围岩的情况下预报距离可以预报150米左右。

总体而言，TRT方法提供了良好的结果，因为大多数主要特征和异常都能够成像。在所有相关方之间（地质、现场、监测等部门）有适当的沟通，确定在给定地质环境中系统的优势和劣势的情况下，该方法可以确认一般但不是具体的特征位置，同时也可以发现意外的地质条件。超前地质预报是一项综合性的工作，将在不同地质条件下，在获得更多经验的过程中可以不断改进检测的结果的准确性。

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