TRT地震波三维成像技术在隧道施工地质超前预报中的应用

刘兆勇，杨威，王羿磊

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072)



TRT地震波三维成像技术在隧道施工地质超前预报中的应用

刘兆勇*，杨威，王羿磊

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072)

隧道地质超前预报在隧道施工开挖中起着关键性作用，同时也是工程地球物理学界所面临的一大技术难题。本文通过介绍TRT6000隧道地质超前预报系统的方法原理以及成功应用实例，说明TRT地震波三维成像技术在隧道超前地质预报中的先进性和有效性，探讨其在隧道超前探测中的应用前景。

隧道；超前地质预报；TRT；三维

1 引 言

近年来，随着我国大中型水电工程以及其他一些大型基础设施的建设，隧道工程逐渐向着埋深大、里程长的方向发展，存在的地质问题也越来越复杂，穿越的地质单元也越来越多。为了在隧洞施工过程中能够提供及时准确的工程地质资料，预知前方开挖洞段可能存在的地质灾害，对隧洞超前地质预报工作的要求越来越高，不仅要求能够准确提供异常位置的波阻抗信息，而且要能够清楚直观地反映出异常的结构信息，包括空间位置以及规模大小等空间信息。

目前，常用的超前地质预报方法除常规的地质分析法以及超前钻孔以外，还有各种物探方法。比如，探地雷达、TSP203预报系统、TVSP法、聚焦电流法(BEAM)以及TRT地震波三维成像技术等。在以上这些超前地质预报方法中，只有TRT地震波三维成像技术能够对于异常位置的波阻抗信息采用三维结构图的方式展现，清楚直观地反映出异常的结构信息，预报精度较高。本文通过介绍TRT6000地质超前预报系统在某水电站中的实际应用，展示TRT地震波三维成像技术在隧道超前预报中的应用前景。

2 预报方法与原理

2.1 预报原理

TRT是隧道地震波反射层析成像技术的简称，该技术采用空间分布震源和检波器，采集空间波场信息，被用来构建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地质状况(如异常岩体、岩性和喀斯特特征等)的三维结构图。它的基本原理在于当地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)，位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

假设R为反射系数，ρ1、ρ2为岩层的密度，V等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。通过分析，被用来了解隧道工作面前方垂直和横向面的不同地质状况，用于发现岩体、裂隙、断层和地下水等的空间信息，包括位置、形状和大小。

2.2 布置方法

TRT的震源和检波器采用分布式的立体布置方式，具体方法如图1所示。

2.3 测试原理

仪器的工作过程为： 在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到笔记本电脑，完成地震波数据采集。仪器连接如图2所示：

图1 震源和检波器的布置方法

图2 TRT6000地震波采集系统模型

2.4 成果解析方法和原则

TRT成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少解释隧道前方的地质情况。

判断围岩地质情况原则：

一般来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区、裂隙、岩溶、采空区域呈蓝色显示，相对背景值硬质岩石呈黄色显示；

从整体上对成像图进行解释，不能单独参照一个断面的图像。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

3.2 预报成果分析

本次测试采用美国生产的TRT6000隧道地质超前预报系统。掌子面桩号为K1+731，预报段为K1+731～K1+621，预报距离为110m。预报成果如图3～图6所示。

图3 三维成像-俯视色谱图

图4 三维成像-侧视色谱图

图5 三维成像-立体色谱图

图6 地震波速度图(X轴-桩号、Y轴-速度m/s)

根据以上预报成果图并结合已开挖洞段揭露的地质现象推测：

(1)K1+731～K1+666段：从色谱图中可以看出，该段地震波反射强烈，呈现黄蓝相间分布，并且分布范围较广，覆盖整个开挖面，表明围岩裂隙在整个开挖面均发育，造成多次反射，局部可能含有破碎带或软弱层，岩体完整性差，以Ⅲ-2类围岩为主。因此在开挖过程中需要谨慎掘进，及时支护，注意塌方和掉块。

(2)K1+666～K1+641段：该段地震波反射微弱，色谱图中几乎没有地震波反射，表明岩体中结构面不发育，岩体完整性好，以Ⅲ-1类围岩为主。

(3)K1+641～K1+621段：从图上可以看出，在K1+641以及K1+621处开挖面的中部和右侧部位地震波反射较强，呈密集条带状分布，可以推测此处有结构面或软弱带发育，岩体完整性较差，以Ⅲ-2类围岩为主。并且，在K1+641～K1+621段，有零星的蓝色点状分布在整个开挖面，可以预测，该段围岩层面裂隙水发育。因此在开挖过程中，需要谨慎掘进，及时支护和排水。3.3 开挖对比

为了验证TRT6000隧道地质超前预报系统的预报效果，对于预报段在开挖过程中进行了全程跟踪。预报情况与实际开挖地质情况对比如表1所示，从表1可以看出，预报情况和实际开挖揭露的地质情况吻合度高，预报效果理想。

TRT6000地质超前预报与实际开挖揭露地质现象对比表 表1

4 结 语

通过以上实例说明TRT地震波三维成像技术对于隧道前方进行超前地质预报，可以对隧道工作面前方围岩工程地质和水文地质的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报。由于预报成果以三维视图的形式进行展现，能够直观的反映异常的结构信息和空间信息，因此对于指导隧道施工具有重要意义。

[1] 谭元，张伟. 隧道超前地质预报综合预报技术[C]. 水利水电工程物探技术应用与研究，郑州：黄河水利出版社，2010：381，388.

[2] 吴国晓. 深埋长隧洞超前地质预报技术研究[C]. 水利水电工程物探技术应用与研究，郑州：黄河水利出版社，2010：374，380.

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[4] 沙椿. 工程物探手册[M]. 北京：中国水利水电出版社，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

刘兆勇(1986—)，男，工程师，主要从事工程物探与检测的研究和应用工作。