基于TRT系统的地质构造三维成像技术及其改进方法

白明洲， 田岗*， 王成亮， 师海， 聂一聪， 沈宇鹏

1 北京交通大学 土木建筑工程学院, 北京　100044　2 北京市轨道交通线路安全与防灾工程技术研究中心, 北京　100044



基于TRT系统的地质构造三维成像技术及其改进方法

白明洲1,2， 田岗1,2*， 王成亮1， 师海1， 聂一聪1， 沈宇鹏1

1 北京交通大学 土木建筑工程学院, 北京1000442 北京市轨道交通线路安全与防灾工程技术研究中心, 北京100044

摘要TRT技术是利用地震波反射原理来实现对灾害体的辨识，利用震源点与接收点共同组成的随时间变化的共焦椭球体来实现对灾害体的定位.根据TRT成果图像异常区域与隧道实际灾害的对应情况，将TRT图像异常区域划分为集群异常区、单体异常区、错断异常区、互层异常区四种类型.针对TRT技术自身存在的直达波速计算不准确、背景波速取定不合理等问题，提出了相应的改进方法，一方面通过计算出直达波在隧道洞身的实际传播的最小轨迹，求得震源点到接收点的实际直达波速；另一方面根据实际直达波速的分布特征，求出正态分布条件下，实际直达波速在置信水平为1-a的置信区间，并将置信区间的上下限值作为背景波速录入TRT系统，得出两组TRT成果图像，这样就改变了人工取定背景波速所存在的单一性与盲目性，使得改进后的灾害预测有了一定的区间考量.通过实例验证，发现改进后的预测效果明显优于改进前采用人工取定背景波速时的预测效果，并在一定程度上避免了灾害漏报的可能.

关键词隧道； TRT技术； 地震波； 椭球体； 异常区； 背景波速

1引言

近年来，随着我国公路、铁路交通事业不断向中西部地区发展，山区隧道工程越来越多，由此带来隧道工程地质灾害问题正逐年显现(钱七虎，2012;李术才等，2014).为了全面掌握施工隧道前方的地质情况，一些基于地球物理原理的隧道地质探测手段应运而生，诸如：基于热成像原理的红外探水技术(王鹰等，2003)；基于电磁原理的地质雷达技术与瞬变电磁技术(薛国强和李貅，2008; 刘澜波和钱荣毅，2015)；基于核磁原理的核磁共振技术(易晓峰等，2013)；以及基于地震波原理的负视速度技术、陆地声纳技术、TSP技术、TGP技术、HSP技术、TST技术与TRT技术等手段(何振起等，2000；刘志刚和刘秀峰，2003；钟世航等，2007；刘云祯，2009；肖启航和谢朝娟，2012；胡庸，2013；利奕年和王国斌，2014)，正大量涌现并开始广泛应用于地质灾害探测领域.其中，TRT探测技术以其独特的技术特点正逐渐为业内人员所熟知.

TRT隧道超前预报系统英文为True Reflection Tomography，译为“真正的反射层析成像”，是由美国C-Thru Ground西斯陆地地质设备公司研制而成的.该技术的突出特点是：

(1) 观测方式上实现了三维空间观测，检波器和激震点布置在隧道两侧或掌子面上，可以最大限度地扩展横向展布，从而充分获得空间波场信息.

(2) 资料处理上采用地震层析成像技术，即通过对隧道地质体进行速度扫描和偏移成像，提高波速分析和不良地质体的定位精度，较负视速度法、TSP、TGP和HSP等技术有着明显的改进，且与TST技术相类似(赵永贵，2007).

(3) 成果评价上TRT技术通过接收和处理人工震源在不良地质段产生的反射地震波信号，解释和定位不良地质体(如节理裂隙带、断层破碎带、软弱岩层、岩溶等)，进而实现真正的三维立体成像，使成果图像更为直观.

(4) 成本控制上基本实现了隧道探测的零成本，几乎不需耗材，操作简便，耗时较短，对施工影响小，有利于施工方现场配合.

TRT超前地质预报技术自出现以来，已在美国、日本、新西兰、奥地利、瑞士以及澳大利亚等国家有着广泛的应用，我国也于2006年引进了该系统，并已成功应用于众多已建和在建隧道工程中，取得了一些相对较为满意的探测效果.但同时， TRT技术与其他超前预报技术一样，应用时也存在一些亟待解决的问题：一方面是TRT成果图像解译并不系统，对灾害类型的划定还没有形成统一的认识，从而导致在对成果图像解译时常常存在一些偏差或错误；另一方面是TRT系统自身算法存在一些不足与缺陷，需要对其进行必要的优化与处理，以求提高其预报精度，而目前还鲜有对该系统的改进研究.

2TRT技术特点

2.1基本原理

TRT技术是利用地震波在隧道各层地质体之间的传播，对各层地质体进行扫描分析，找出隧道中的地质灾害异常区.其原理可简单理解为：地震波在穿越相邻两层地质分界面时，由于地质体之间波阻抗的差异而产生反射与透射现象(Tarantola，1984，2005；王华忠等，2015)，其中反射回来的地震波被TRT系统接收，透射出去的地震波进入前方地质体继续传播，直到再次遇到地质交界面发生反射与透射现象，如此地震波便可在隧道各层地质交界面形成多层反射信号，TRT系统就是通过采集多层反射信号，对隧道内各层介质体进行三维反演计算，得出隧道三维地质图像.

反射与透射系数计算公式为

(1)

式中，R为反射系数；T为透射系数；v1、v2分别为地震波在交界面前后岩土体介质内的传播速度；ρ1、ρ2分别为交界面前后岩土体介质的密度.

从式中可以看出(张玉芬，2007)，地震波的反射与透射的强弱，与交界面前后地质体的岩土性质直接相关(张勇慧等，2012；胡勇等，2014)，即：当地震波由软质岩层进入硬质岩层时，反射系数为正，反之，反射系数为负；当交界面处岩体之间波阻抗相差很大时，则反射较强，透射较弱，反之，则反射较弱，透射较强.这些规律的研究有助于综合判断隧道探测区内的岩性特征.

2.2观测方式

2.2.1锤击震源点的选择与布置

TRT系统主要采用人工锤击作为激发震源的方式，而其震源点的布设可分为隧道边墙布设与隧道掌子面布设两种形式，它们的区别在于：当锤击岩面时，垂直于岩面方向主要受到锤面的挤压作用，从而产生纵波，其主要传播方向与作用面相垂直；而对于锤面两侧岩体主要受到剪切作用，从而产生横波，其主要传播方向与作用面相平行(图1).因而，当锤击隧道两侧边墙时，TRT系统能够更好地接受横波反射信号；当锤击隧道掌子面时，TRT系统能够更好地接收纵波反射信号.

图1　锤击地震波中纵波与横波的主要传播方向Fig.1　The main propagation direction of longitudinal and transverse waves in seismic waves hammered

然而，由公式(2)可知(马中高和解吉高，2005；戴俊，2013)，影响纵波与横波在介质中传播速度的参数因素有所不同.纵波波速与介质的体积模量、剪切模量以及密度有关，而横波波速只与介质的剪切模量和密度有关.

(2)

式中，vp、vs为纵、横波在介质中的传播速度；K为介质的体积模量；G为介质的剪切模量；ρ为介质的密度.

将式(2)中纵波与横波的波速公式分别代入式(1)，则得到

(3)

(4)

由式(3)与式(4)可以看出，当交界面后方介质为水(G水=0)时，纵波可以透射进去继续传播，而横波则会被反射回来，无法在水体中继续传播.因此，相比而言横波对隧道水灾害的探测更为明显(张霄等，2011).

另外，还考虑到在隧道掌子面上进行锤击操作风险性较大，因此TRT系统震源点多采用隧道边墙布设的形式.具体如下：在离掌子面附近5～10 m处的边墙布置震源点，两侧各布置两组，每组沿竖向布置3个震源点，每个震源点相差大约1 m，两组间隔2 m左右(见图2).

图2　震源点与接收点的分布示意图Fig.2　The distribution sketch map of hypocenter and receiving point

2.2.2传感器的空间布置

在探测时，TRT系统一般需要在隧道内安装10个传感器，用于接收隧道前方地质体的反射信号.具体形式为(图2)：在隧道掌子面方后且距离最后一组震源点断面10 m处开始布置传感器,采用2个或3个传感器为一个断面组的形式进行空间布设，其断面间隔为5 m，由此形成了左右边墙各4个传感器、拱顶处2个传感器的分布形式，实现了对反射体的空间观测.各震源点与各接收点之间组成随时间变化的共焦椭球体(见图3)，通过这些椭球体的组合定位，来实现对异常体的三维成像.计算公式表述为

图3　TRT系统观测原理示意图Fig.3　The sketch map about observation principle of TRT system

(5)

式中，x反k、y反k、z反k为反射点坐标；x震i、y震i、z震i为震源点坐标；x接j、y接j、z接j为接收点坐标；v为地震波传播速度；tikj为地震波从震源点到反射点再到接收点的传播时间；i、j、k分别为震源点、接收点与反射点的编号.

2.3成果图像特征

TRT成果图像可以选择多种色谱进行组合，而目前最为常用的色谱组合形式为黄蓝组合.在黄蓝色谱图像中，黄色区域表明该处岩体相对坚硬，波速相对较高；蓝色区域表明该处岩体相对软弱，波速相对较低.根据TRT系统的实例应用，通过分析TRT成果图像与实际灾害类型的对应情况，总结发现其成果图像大体上可划分为四类异常区类型，即：集群异常区、单体异常区、错断异常区和互层异常区，而这些异常区均具有各自的图像特征.

(1) 集群异常区：主要特征是黄蓝区域杂乱相交，呈集群特征且无明显分布规律，单个异常体多呈片状或条状，且反射系数绝对值较大.当该区域异常体为片状时，灾害特征一般表现为含水溶槽带或含水裂隙带(图4a)；当异常体为条状时，灾害特征多表现为软弱破碎带或岩溶夹泥带(图4b).

图4　集群异常区典型图像 (a) 含水溶槽带或含水裂隙带; (b) 软弱破碎带或岩溶夹泥带.Fig.4　Typical images of anomaly area located in cluster zone (a) Watery-cave zone or watery-fissure zone; (b) Weak fracture zone or cave filled mud zone.

(2) 单体异常区：主要特征是在黄色区域附近出现或单独出现一个或几个蓝色异常区，一般多呈块状或条状.当为块状时，其蓝色边界较为明显，一般表现为无充填型溶洞(图5a)；当为条状时，其蓝色边界较为模糊，一般表现为岩溶夹泥现象(图5b).

图5　单体异常区典型图像 (a) 无充填型溶洞; (b) 充填型溶洞.Fig.5　Typical images of anomaly area located in single rock mass (a) Non-filled type cave; (b) Filled type cave.

(3) 错断异常区：主要特征是图像中黄色、蓝色或黄蓝组合区域有明显的位置错动断开现象，即同类性质的反射区域在里程分布上有所差别.如图6a所示，该反射区域表现为断层构造.同时，由于断层区域附近岩层之间的相对运动，常常造成其周围岩体相对破碎，极易受到雨水侵蚀，逐步形成断层破碎区域(图6b)，围岩稳定性相对较差.

图6　错断异常区典型图像 (a) 断层; (b) 断层破碎带.Fig.6　Typical images of anomaly area located in faults disrupt strats (a) Fault rocks; (b) Fault rupture zone.

(4) 互层异常区：主要特征是黄蓝区域成层状交错出现，反射系数绝对值相对较小.当互层异常区出现在图像中前部时，主要表现为硬岩之间存在软弱岩层(图7a)；当互层异常区出现在图像后部时，除可能存在软弱岩层外，还有可能是受到其他杂波的干扰，这主要是由于锤击地震波随着距离的增加，能量衰减较快，杂波对其后部干扰相对较大，导致后部探测异常(图7b).

图7　互层异常区典型图像 (a) 软弱岩层; (b) 杂波干扰.Fig.7　Typical images of anomaly area located in interbed (a) Weak rock; (b) Cluttered wave interference.

通过对TRT成果图像特征的划分，可以明确所探隧道的灾害类型，并指导隧道设计与施工方案的改进和优化，避免因隧道设计或施工方案不合理而造成灾害损失.

3TRT技术的改进优化方法

3.1存在的问题

需要指出的是，目前TRT系统的成像技术采用的是相对解释原理，即当采集完地震波信号后，首先截取直达波速，根据众多离散的直达波速信息设定出一个背景速度场；而后以该背景波速场对未知地质体进行扫描分析，同时结合反射波信息计算出地质异常区位置及其偏离背景波速的程度；最后参考相关地质资料，综合判断与解释隧道前方的围岩地质情况.由此可见，背景波速的合理选定对TRT超前预报技术的准确与否就显得十分重要.然而，目前TRT技术对于背景波速的选定还存在一些问题.

问题一：TRT技术对直达波速的计算存在错误.目前，TRT技术对直达波速的计算是通过震源点与接收点的直线距离作为传播路径，并除以传播时间得出的.而这种直线传播路径是在空气介质中，原有岩石介质已被挖除，因而在这种路径上直达波是难以到达的，直达波的实际传播路径应是沿洞身围岩介质的最短曲线(张美根等，2006；Fischer and Lees，1993)，即min[SAED,SABCD](图8).

图8　直达波实际传播最短轨迹示意图Fig.8　The shortest path of the actual propagation of direct waves

问题二：背景波速的选取存在一定的盲目性.TRT系统采集数据时，为了增加检测的精度，常在每个震源点锤击3次(震源点12个，接收点10个)，由此TRT系统在隧道探测时一般可以截取360道直达波速.由于隧道围岩并非均质，因而得到的直达波速在时间—位移坐标图中是由众多离散速度点组成的.目前TRT系统主要是利用人工方法选定经原点并穿过离散波速点最多的直线处的波速作为TRT系统的背景波速，这样的背景波速取值方法在一定程度上存在很大的主观性，往往导致预测结果不够准确.

3.2改进方法

3.2.1针对问题一的改进方法

关于直达波速的计算，首先应将原空间坐标系o-xyz进行适当的转换，建立起新的空间坐标系o′-x′y′z′(图9)，具体转换方法可由公式(6)得出(Hofmann et al.，2001；陈义等，2004)：

图9　坐标转换示意图Fig.9　Sketch of coordinate transformation

(6)式中,x0、y0、z0为新坐标原点在原坐标系中的坐标；α1、β1、γ1为o′x′轴与ox、oy、oz轴的正向夹角；α2、β2、γ2为o′y′轴与ox、oy、oz轴的正向夹角；α3、

β3、γ3为o′z′轴与ox、oy、oz轴的正向夹角.

图10　隧道断面轮廓示意图Fig.10　Sketch of tunnel section

(7)

过隧底的直达波传播距离可表示为

(8)

(9)

3.2.2针对问题二的改进方法

根据统计学理论，研究发现TRT系统截取的直达波速常呈现出正态分布特征，因而在此考虑对其采用正态分布原理加以处理(杨圣奇等，2003；王惠文和李楠，2012)，求取置信水平1-a的置信区间，将置信区间上下限波速值分别录入TRT系统进行计算分析，由此便可以分别得到以上下限波速为背景值的TRT三维图像.

以上处理在一定程度上可以避免人工选取背景波速的盲目性，降低采用单一背景波速进行预测的误差风险，使TRT预测结果有一定的区间考量.同时需要注意的是，在进行数据处理时，还应对失真的波速数据进行合理地滤除.

4实例分析

为了更好地反映出TRT系统波速改进前后的预测效果，现取两条典型实例隧道进行分析，具体实例隧道工程分别为和平隧道(ZK74+626～ZK74+476)与修文隧道(D2K313+611～D2K313+761).

对于上述两条隧道，TRT系统建模尺寸均为x×y×z=40 m×200 m×40 m，两隧道掌子面位置均在模型中45 m处，有效探测距离为隧道掌子面前方155 m范围内，主要探测隧道围岩地质构造与灾害分布情况.另外，同时记录和分析所探隧道的岩石种类、围岩等级、隧道尺寸、反射主频、频率范围以及波速改进前后的速度变化与分布情况(表1与图11—12)，综合判断所探隧道地质构造的类型特征及灾害的分布范围，并对比分析波速改进前后TRT成果图像的差异特征(图13—14).(注：改进前后的直达波速置信区间均采用置信水平为1-0.05进行计算).

图11　和平隧道波速改进前后的分布对比Fig.11　Comparison of wave velocity before and after improvement in the Heping tunnel

图12　修文隧道波速改进前后的分布对比Fig.12　Comparison of wave velocity before and after improvement in the Xiuwen tunnel

图13　和平隧道背景波速改进前后TRT成果图 (a—改进前图像；b、c—改进后的图像) (a) 背景波速为2300 m·s-1时的TRT图像； (b) 背景波速为2095 m·s-1时的TRT图像； (c) 背景波速为2270 m·s-1时 的TRT图像.Fig.13　TRT results of the background velocity before and after improvement in the Heping tunnel (a—befort improving； b、c—after improving) (a) TRT images of the background wave velocity is 2300 m·s-1； (b)TRT images of the background wave velocity is 2095 m·s-1； (c) TRT images of the background wave velocity is 2270 m·s-1.

通过对表1中两条隧道波速改进前后相关参数的分析，以及结合图11—12中改进前后波速的分布对比情况，可以看出改进后的直达波速整体分布比原TRT直达波速整体分布有了一定程度的提高，其提高程度主要受到隧道开挖轮廓尺寸、震源点与接收点布设位置以及隧道围岩性质等因素的影响.对比改进前后两条隧道波速均值提高率，可以看出和平隧道与修文隧道波速均值提高率分别为13.46%和3.34%，并且表现出直达波速离散性越大，其改进前后的波速均值变化越明显的特征.

表1　实例隧道检测参数及波速改进前后对比表

另外，比较两条隧道波速改进前后的TRT成果图像(图13—14)，可以看出两条隧道波速改进前后的成果图像特征并无明显变化，只是模型中灾害点在位置上有了一定距离的改变.结合表1中所列隧道灾害点的预测位置与实际位置的比较情况，研究发现：当采用原有人工方法确定TRT背景波速时，预测结果与实际情况存在明显的偏差，这种偏差随着预报距离的增加有增大的趋势，使得对所探隧道中后部区域灾害点的定位常常不准，这是由于对于中前部灾害点波的传播时间相对较短，累积的误差较小，而对于中后部灾害点波的传播时间相对较长，累积的误差更为明显；而当采用改进后的方法选定TRT背景波速时，由于其背景波速是直达波速相应置信水平上置信区间波速的上下界值，这样就可以在TRT成果图像中对灾害体起止点位置划定相应的预报区间，虽然这种预测形式有时可能会相对保守一些，但却可以有效避免对灾害体的漏报现象，降低灾害风险.

5结语

5.1以TRT系统的特点及其存在的问题为切入点，阐述了该系统的基本原理、布设方式与观测形式，论述了横波在隧道地质探测中的优势(即对隧道水体检测较为敏感)，并指出TRT系统对地质异常体的定位是利用震源点与接收点共同组成的随时间变化的共焦椭球体来实现的.

5.2通过参考TRT技术在隧道中应用的大量研究成果，总结了各典型地质灾害对应的TRT图谱特征，将TRT图谱异常区域划分为四种类型，即：集群异常、单体异常、错断异常以及互层异常，并对这些异常区进行了相应的特征描述.

5.3针对TRT技术自身存在的问题，即：直达波速计算不准确；背景波速的取定不太合理.提出了相应的改进方法，一方面通过计算出直达波在隧道洞身的实际传播的最短轨迹，从而求得震源点到接收点的实际直达波速；另一方面根据实际直达波速的分布特征，求出正态分布条件下，实际直达波速在置信水平为1-a的置信区间，并将置信区间的上下限值作为背景波速录入TRT系统，得出两组TRT成果图像，这样就改变了人工取定背景波速所存在的单一性与盲目性，使得改进后的灾害预测有了一定的区间考量.

5.4通过实例对比波速改进前后的隧道预报结果，发现改进后的预测效果明显优于改进前采用人工取定背景波速时的预测效果，虽然有时可能会相对保守一些，但能够有效的避免人工选定背景波速时产生的漏报现象.

5.5隧道的物理探测技术发展至今虽然取得了一定的进步，但希望通过一种方法或手段达到精确预报的目的，目前还难以做到.因此，对于一些隧道地质较为复杂的地段，如TRT成果图像显示存在多段灾害点或TRT系统的直达波速离散性较大时，可适当增加预报频次，或结合其他一些预报方法，以求达到提高对隧道灾害预报的准确解译和精确定位的目的，从而降低隧道灾害发生的风险.

致谢感谢审稿专家和编辑部的支持和帮助.

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(本文编辑刘少华)

基金项目国家自然科学基金资助项目(41372351),中央高校基本科研业务费专项资金(2015YJS121, 2015JBM064)资助.

作者简介白明洲，男，1967年生，教授，博士生导师，主要从事公路、铁路与地铁等沿线地质灾害的研究工作.E-mail：mzhbai@bjtu.edu.cn *通讯作者田岗，男，1986年生，在读博士，攻读道路与铁道工程.E-mail：tiangang08009x@163.com

doi:10.6038/cjg20160731 中图分类号P631

收稿日期2015-11-18，2016-02-11收修定稿

The three-dimensional imaging technology and its improvementfor geological structure based on the TRT system

BAI Ming-Zhou1,2, TIAN Gang1,2*, WANG Cheng-Liang1, SHI Hai1, NIE Yi-Cong1, SHEN Yu-Peng1

1SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China2Beijingengineeringandtechnologyresearchcenterofrailtransitlinesafetyanddisasterprevention,Beijing100044,China

AbstractThe TRT technology is used to achieve recognition of the disaster body with the help of seismic wave reflection principle. It can locate the disaster body using a confocal ellipsoid changing with time composed by seismic focus and the receiving focus. According to the comparing the abnormal image area formed by TRT technology with the tunnel disaster area caused by the earthquake, the TRT anomaly area is divided into four types, which are cluster abnormal area, single abnormal area, faulted abnormal area and interbedded abnormal area. Aiming at TRT technology′s own problems that the calculation of direct wave velocity is not enough accurate and the setting of background wave velocity is unreasonable, a corresponding improvement method is proposed. On one hand, to get the actual direct wave velocity between seismic focus and the receiving focus, through calculating the minimum actually spreading track of the direct waves in the tunnel is obtained. On the other hand, 1-a confidence interval of actual direct wave velocity in the condition of Gaussian distribution is calculated, based on the distribution of direct wave velocity. To entry the upper and lower limits of the confidence interval as the background velocity into the TRT system, two sets TRT′s images, are obtained which gets rid of the singleness and aimless on setting the background wave velocity, and makes a certain confidence interval consideration for the improved geological hazard forecasting. The result of the living example shows that the effect of improved geological hazard forecasting is much better than the forecasting effect of setting the background wave velocity to a certain degree, that avoids the possibility of the omission in disaster prediction.

KeywordsTunnel; TRT technology; Seismic wave; Ellipsoid; Abnormal areas; Background velocity

白明洲， 田岗， 王成亮等. 2016. 基于TRT系统的地质构造三维成像技术及其改进方法.地球物理学报，59(7):2684-2693,doi:10.6038/cjg20160731.

Bai M Z, Tian G, Wang C L, et al. 2016. The three-dimensional imaging technology and its improvement for geological structure based on the TRT system. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2684-2693,doi:10.6038/cjg20160731.