基于隧道施工中的地质环境影响预报分析及TRT技术应用研究

贾良　张宇　杨泽

摘 要：超前地质预报能弥补隧道勘察工作深度的不足，及时发现潜在的不良地质现象，是隧道施工安全的保证，是隧道成功建设的关键之一。对隧道施工中的不良地质现象进行分析，讨论了超前地质预报的方法，介绍了TRT层析扫描成像预报系统，将隧道地震波反射层析成像（TRT）技术应用于L隧道，对隧道施工中所遇到的断层破碎带进行了准确预报，能够减少和预防隧道施工中地质灾害的发生，该技术具有重要的理论意义和工程实用价值。

关键词：隧道施工；超前地质预报；TRT技术；断层破碎带

中图分类号：U456.3；TP391文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0158-04

Application of TRT technology and advanced geological prediction in tunnel construction

JIA Liang1，ZHANG Yu2，YANG Ze1

（1.College of Urban Rail Engineering，Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China；2.Inner Mongolia North United Power Energy Development Co.，Ltd.，Ordos 014316，Inner Mongolia China）

Abstract：Advance geological prediction can make up for the lack of depth of tunnel investigation and discover potential adverse geological phenomena in time.It is not only the guarantee of tunnel safety，but also one of the keys to successful tunnel construction.In this paper，the adverse geological phenomena in tunnel construction are analyzed，the advanced geological prediction method is discussed，and the TRT tomography prediction system is introduced in detail.TRT technology is applied to L tunnel of Longyan Railway，and the fault fracture zone encountered in tunnel construction is accurately predicted，which can reduce and prevent the occurrence of geological disasters in tunnel construction.This technology has important theoretical significance and engineering practical value.

Key words：tunnel construction;advanced geological prediction;TRT technology;fault fracture zone

超前地质预报是工程勘察工作的延续，能弥补勘察工作深度的不足，通过地质及物探等方法，对隧道掌子面前方岩体的地质特征进行提前预测，进而提出隧道开挖及支护的建议，避免地质灾害发生，是保证隧道建设中工程质量、施工安全、工程设计优化以及施工信息化的重要基础［1］。本文对隧道施工中的不良地质现象进行分析，对超前地质预报的技术方法进行讨论，以TRT层析扫描成像技术为例，介绍了TRT的基本原理、数据采集以及数据分析，对龙烟铁路L隧道的掌子面前方地质情况进行了探测，准确预报了掌子面前方的断层破碎带，为隧道施工方案与安全措施的制定提供理论支撑。

1 隧道施工不良地质现象

隧道工程的顺利施工主要受限于2个因素：一是隧道施工技术；二是隧道施工中地质灾害的预报与防治。目前的隧道施工技术可以满足各种地质条件的隧道施工要求，而地质灾害问题成为影响施工进度的关键因素。

1.1 断层引发地质灾害

断层是一种常见的地质现象，是地壳应力释放的一种方式。断层改变了岩体本身的物理性质与力学性质，进而影响到隧道围岩的稳定性，断层破碎带极易引发隧道塌方问题。断层又能成为地下水、瓦斯等地层流体运移的通道，隧道开挖会破坏地层原有的压力平衡，地层流体沿着断层进入隧道中，引发地质灾害。

1.2 隧道突水突泥

在地下水、岩溶水发育的围岩中施工时，隧道掘进会破坏含水层结构，水动力条件和地层压力发生改变，地下水快速涌出，会造成严重的经济损失，甚至出现人员伤亡事故。当地下水中携带大量泥砂时称为突泥。岩溶地区的水文地质条件非常复杂，隧道施工时应严防含水溶洞与地下暗河的影响。

1.3 岩爆

隧道开挖至高地应力地区的硬质岩石时，围岩原有应力平衡受到破壞，岩体中积聚的能量猛然释放并发生爆裂，岩石碎片从岩体上剥离、抛出，即为岩爆现象。应力集中是岩爆发生的必要条件，地应力超过岩石本身强度值，脆性岩石便会发生岩爆，岩爆会造成开挖作业面严重破坏，乃至设备损坏及人员伤亡［2］。

1.4 软岩工程地质灾害

软弱围岩具有强度低、裂隙发育、易变形等特点，是一种不良工程岩体，自稳性差，浅埋隧道遇到软弱围岩易发生坍塌与冒顶。泥岩、片岩、千枚岩等代表性软岩遇水易软化和膨胀，高地应力时会发生塑性变形、洞室内挤。软岩易发育软弱结构面，隧道开挖后周边岩体易沿着结构面产生松弛和滑移等现象。

2 超前地质预报方法

超前地质预报能有效避免和控制地质灾害的发生，从而减少施工过程中不必要的经济损失与人员伤亡。基于隧道围岩的地质与地球物理特性，预报方法主要有地质法与物探法2大类，具体常用的有地质调查法、超前钻探法、地质雷达法、红外探水法、TRT地震波法等。

2.1 地质及地球物理原理

超前地质预报是对隧道掌子面前方未知地质环境的探索与预测，这一复杂工作涉及到较多地质及地球物理知识［3］。这些相关理论知识是指导超前地质预报工作的基石，预报人员只有掌握足够的地质及地球物理知识，才能保证不会漏报或错报不良地质问题，从而确保隧道工程的顺利施工。

隧道工程是建设于岩土体内部的构筑物，隧道围岩的岩性决定了施工工艺，尤其是遇到软岩、煤层、特殊岩土等不良地质体时必须及时调整施工方案。褶皱、断层、节理等地质构造是评价隧道围岩等级的依据，并且是引发地质灾害的导火索，如向斜底部可形成储水构造，断层诱发隧道崩塌等。一般隧道施工的整个过程几乎都会遇到涌水现象，不同涌水量对隧道施工有着截然不同的影响，地质预报时必须对隧道围岩的水文地质进行分析。岩石的岩性特征可以用密度、磁性、导电性、弹性等参数进行定性定量的描述，利用工程地球物理勘探可以探测不同岩性地层的地球物理特征响应。

2.2 地质法

地质法主要依据矿物岩石学、构造地质学等理论，依靠地质测绘、勘探工程等手段对隧道围岩地质环境进行直观认识，主要有地质调查、赤平投影、超前钻探等方法。

2.2.1 地质调查法

地质调查法主要有地表补充地质调查、洞内地质素描、地下和地表相关性分析等手段，能预判隧道围岩性质和可能发生的地质灾害，各种地质条件下的隧道施工均可采用。隧道施工图纸是设计单位在宏观地质调查后的成果图，后期施工时可根据实际情况对岩性地层、构造地质、水文地质、瓦斯地质等方面进行重点复查或全面调查。

2.2.2 赤平投影法

隧道岩体中大量的结构面（层理、节理、断层等）给围岩稳定性分析带来了巨大困难，赤平投影法将岩体三维空间要素（线、面）反映在投影平面上进行研究处理，能准确表示线、面的方位及空间展布，该方法能解决地质构造的几何形态和应力分析等诸多问题。

2.2.3 超前钻探法

超前钻探法主要指超前水平钻探，即在隧道内水平钻进，钻孔录井资料能推断指示掌子面开挖前方的地质信息，预报准确度较高，观察比较直观。可在软弱断层破碎带、岩溶发育区、重大物探异常区等地质条件比较复杂时采用，缺点是难以预报与隧道轴线平行的结构面。且超前水平钻探对施工有干扰，成本较高，在一般地段不宜采用。

2.3 物探法

作为一种间接的勘测方法，物探工作时不会破坏隧道内的地质环境，并且具有高效准确、成本低廉、不影响施工进度等优点，主要应用方法有弹性波法、电磁波法、红外探测法等。

2.3.1 弹性波法

弹性波传播时，遇到波阻抗不同的地层界面会发生发射现象，地层间波阻抗差异越大，反射信号越强烈，主要包括地震反射波法（TSP）、水平声波剖面法（HSP）、真反射层析扫描成像法（TRT）等。TSP是在隧道側壁激发震点，地震波信号在传播中遇到断层或岩性变化，部分信号返回即为反射波，反射波和直达波在记录图像上为负视速度，二者延长线的交点处为反射界面位置。HSP是在隧道两侧壁分别布置震源和检波器，激发点与接收点为相错斜交方式设置，反射波不受直达波与面波的干扰，记录更清晰。TRT利用多种震源产生沿隧道传播的信号，当这些信号在岩性发生改变的地方反射，可用来探测开挖工作面前方的围岩地质情况，发现不良岩体、断层、地下水等不良地质信息，并对大角度斜较隧道裂隙也能很好的探测［4］。综合地勘资料进行解释分析后，可用来构建描述隧道工作面前方异常地质体的三维结构图。

2.3.2 电磁波法

不同岩石的导电性、导磁性及电化学性质等电性特征不同，因此可通过研究天然电磁场或人工电磁场的时空分布规律来进行地质预报。较为常见的为地质雷达法，定向发射高频短脉冲电磁波，令其在隧道掌子面前方岩体中传播与反射，检测通过地质体的反射和透射信号，进行分析计算，从而探测目标地质体。地质雷达法亦属于电磁波法的一种，为目前分辨率最高的物探方法之一［5］，但它的预报距离较短，极易受其他设备干扰，目前多用于隐伏岩溶洞穴、含水带的探测预报。

2.3.3 红外探测法

该法主要用于探水，单一介质的红外场为正常场，当含水构造存在时，水所产生的场强会使正常场畸变。红外探水仪可通过接收隧道围岩岩体的红外辐射强度探测掌子面前方的地湿场变化，进而判析前方是否有隐伏含水构造，防止隧道突涌水的发生。

3 TRT技术应用

塌方是隧道施工中最为常见的地质灾害现象，约占各类重大地质灾害的80％，而绝大部分塌方是由断层破碎带引起的，断层又能成为地下流体的运移通道，是隧道突水的诱发条件之一，因此准确识别断层破碎带是超前地质预报的重点［6］。本文以TRT层析扫描成像预报系统为例，对山东某铁路L隧道标段进行超前地质预报。

在众多超前地质预报技术中，TRT技术以其成本较低廉、操作简单、安全性高等优点受到广泛的关注与应用。对TRT超前地质预报技术的基本原理、仪器布置进行了介绍，对地震波数据进行采集、处理后，得到L隧道地质层析扫描成像的俯视图、侧视图和立体图，并以回波信号理论为基础，对隧道超前预报资料进行分析，结合地质勘测资料对现象进行解释，对该隧道可能发生的地质灾害进行预报，从而为山东某铁路L隧道施工方案与安全措施的制定提供理论支撑。

3.1 TRT基本原理

TRT技术遵循地震波反射原理，当地震波遇到声阻抗差异的地质界面时，会发生反射与投射现象。反射信号被传感器接收后，经分析处理，可判定掌子面前方特殊地质体的位置与性质［7］。当岩体内有破碎带时，回波的极性会反转，异常地质体的尺寸越大，声阻抗差别越大，回波越明显，探测效果越佳［8］。

以每个震源和传感器的位置为焦点，所有可能产生回波的反射体均可确定一个椭球，多个震源和传感器会形成多个椭球，地层界面位置可由这些椭球的交汇区所确定，如图1所示。

3.2 TRT数据采集

TRT层析扫描成像采集系统主要包括震源激发装置、传感器、基站3大部分。现场数据采集时先在震源点上锤击岩体产生地震波，触发器产生触发信号传给基站，基站下达地震波采集指令，再把地震波数据传输到电脑上，则完成一次数据采集。如图2为TRT震源与传感器布置图。TRT预报系统有10个检波器和12个震源点，并且呈空间分布，这样可获得更丰富的空间波场信息，能提高异常地质体的定位精度，还实现了地质体的三维成像。

3.3 数据分析

設定地层成像区域为长250 m，宽40 m，高40 m。设定滤波器，选取每个直达波并计算其平均波速，建立S波波速模型，已挖掘区域设定为10 m/s，其余部分采用计算得到的平均速度。最后选择滤波参数及背景颜色，获得地质异常的二维平面图（如图3、图4）和三维立体图（如图5）。

根据某铁路L隧道的区域地质资料分析结合以上反射地震波分析图可以看出，在掌子面前方5～20 m处存在一个与隧道走向斜交的含水破碎带，应及时调整施工方案。在掌子面前方120～160 m处可能存在断层，也可能是由于空气噪音的影响，可增加预报的频次，或结合其他地质预报技术进行验证。通过对TRT成果图的特征分析，可以获得隧道开挖面前方的灾害类型，并指导隧道施工和优化设计，避免隧道施工地质灾害的发生。

4 结语

（1）超前地质预报能有效印证和及时纠正勘察设计资料的地质问题，本文对隧道施工不良地质问题、超前地质预报的基本原理和基本方法进行了详细介绍，并针对山东某铁路L隧道标段的断层破碎带，利用TRT层析扫描成像技术进行地质预报；

（2）TRT根据地震波遇到不同地质体得到的回波信号，处理分析后能得到围岩岩性与地质构造的物探成果图，结合区域地质资料，TRT预报出龙烟铁路L隧道前方的断层破碎带，从而能够根据隧道掌子面前方的地质构造情况，及时优化施工工艺，最终达到减少和预防地质灾害发生的目的；

（3）每种预报方法都有一定的适用性与局限性，在断层破碎带、岩溶发育等这类的复杂地质条件下，可适当增加预报的频次，或结合其他物探技术和水平钻探等手段，提高隧道施工中不良地质体预报的准确性。

【参考文献】

［1］孟表柱，朱金富，赵淑兰，等.隧道施工超前地质预报方法技术［M］.北京：地质出版社，2017.

［2］冯夏庭，肖亚勋，丰光亮，等.岩爆孕育过程研究［J］.岩石力学与工程学报，2019，38（4）：649-673.

［3］李芒原，马泽骋，郎志军，等.富水岩溶隧道涌、积、排水过程结构稳定性分析［J］.粘接，2022，49（2）：169-180.

［4］相兴华，邓小鹏，王鹏.TRT在隧道地质超前预报中的应用［J］.地下空间与工程学报，2012，8（6）：1282-1286.

［5］董钊，缪强，刘跃成，等.隧道岩溶发育区地质雷达信号特征分析与应用［J］.矿业安全与环保，2015，42（6）：90-92.

［6］陈章.基于瑞利面波椭圆极化特征的隧道超前地质预报技术研究［D］.成都：四川农业大学，2019.

［7］颜英军，李钰强，王海涛.TGS360Pro和TRT7000在某隧道施工超前地质预报中的应用对比［J］.工程地球物理学报，2021，18（1）：59-66.

［8］原先凡，廖丹.基于GOCAD的TRT测试成果解译方法研究［J］.现代隧道技术，2019，56（3）：18-24.

收稿日期：2022-09-16；修回日期：2023-05-06

作者简介：贾 良（ 1982-） ，男，硕士，副教授，主要从事岩土与隧道工程的教学研究;E-mail：      styjialiang@163.com。

基金项目：陕西铁路工程职业技术学院项目（项目编号：KY2021-32）。

引文格式：贾 良，张 宇，杨 泽.基于隧道施工中的地质环境影响预报分析及TRT技术应用研究[J].粘接，2023，50（6）：158-161.