劉 杰，廖春木

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

鐵路建設(shè)受到地形、土地占用等因素的影響，隧道占線路的比例越來越大，在隧道的掘進(jìn)過程中，由于前方地質(zhì)情況不明，經(jīng)常會因遇到斷層、裂隙、破碎帶、溶洞、暗河、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)體而導(dǎo)致塌方、泥石流、涌水、巖爆冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生。若能準(zhǔn)確地提前了解掌子面前方巖體結(jié)構(gòu)的變化情況，不僅可以及時合理地安排掘進(jìn)進(jìn)度、修正施工方案、采取防護(hù)措施，還可避免許多險(xiǎn)情的發(fā)生，從而確保施工人員的生命安全。在京滬高鐵張嘎隧道超前預(yù)報(bào)中，引進(jìn)TRT6000技術(shù)，采用空間多點(diǎn)激發(fā)和接收觀測方式，獲得足夠的空間波場信息，進(jìn)行空間層析成像，達(dá)到克服其他預(yù)報(bào)方法無法解釋小構(gòu)造、小巖溶等地質(zhì)體，提高地質(zhì)缺陷的定位精度的效果。

1 TRT6000工作原理

TRT(Tunnel Reflection Tomography)系統(tǒng)隧道反射層析成像系統(tǒng)，由美國C-Thru Ground西斯陸地地質(zhì)設(shè)備公司最新研制成功的隧道地震超前探測儀器，該系統(tǒng)從探測方法、數(shù)據(jù)處理到成果評價均具有獨(dú)特的方法。TRT技術(shù)方法與其他地質(zhì)探測的方法的基本原理一樣，即彈性波反射成像。當(dāng)震源發(fā)射的地震波在傳播過程中到達(dá)波阻抗差異的界面上時(如巖層面、斷層、軟弱層、巖溶等)，發(fā)生反射和透射，一部分反射回來的信號被安裝在隧道邊墻及頂部的傳感器所接收;一部分信號通過透射繼續(xù)向前傳播。由于接收到的反射信號的時間、振幅、頻率以及衰減的性質(zhì)與工作面前方巖體性質(zhì)密切相關(guān)，通過對采集到的數(shù)據(jù)分析，可以確定探測前方巖體的反射系數(shù)、地震波在巖體中傳播的速度以及巖體的動力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而可以推斷出工作面前方是否存在地質(zhì)異常體及其位置和規(guī)模(如節(jié)理裂隙帶、軟弱帶、斷層破碎帶和含水構(gòu)造等)。TRT6000可以方便、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)工作面前方100～200 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，從而為隧道工程的施工以及變更施工工藝等提供了科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

與TSP和“負(fù)視地震法”等超前預(yù)報(bào)方法相比，TRT在測點(diǎn)布置方面進(jìn)行了較大的改進(jìn)。無論是TSP法還是“負(fù)視地震法”，其檢波器和震源均布置在同一平面內(nèi)，因此，只能從平面的角度來解譯前方的地質(zhì)體異常情況，而且只能解釋較大的、平直的地質(zhì)體，對較小的不規(guī)則的地質(zhì)體、不連貫的小地質(zhì)體解釋能力不足;而TRT技術(shù)采用三維空間全斷面多點(diǎn)激發(fā)和接收觀測方式，其檢波器和激發(fā)的炮點(diǎn)呈空間分布，以便獲得足夠的空間波場信息，從而使前方地質(zhì)缺陷的定位精度大大提高，克服其他預(yù)報(bào)方法無法解釋小構(gòu)造、小巖溶等地質(zhì)體;在異常體定位的方法上，改變其他方法采用上行波和下行波的焦點(diǎn)來確定，而是采用由震源點(diǎn)和檢波點(diǎn)為焦點(diǎn)，以入射波和反射波的總時間為距離組成的橢球體，通過多組球體可以確定異常體的位置和延伸方向(如圖1所示)。從而提高了隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的實(shí)際價值和應(yīng)用價值;TRT系統(tǒng)采用12個震源和10個傳感器，震源布置在掌子面附近的左右邊墻上，分兩斷面布置，斷面間隔為2 m;傳感器布置在距震源點(diǎn)10～20 m的隧道兩邊墻及拱頂上，分四個斷面布置，斷面間隔5 m，距離震源最近的斷面布置兩個檢波器，布置在左右拱腰部位，第二個斷面布置三個檢波器，分別布置在拱頂和邊墻的下部，第三、第四斷面布置方式分別和第一、第二斷面的布置方式相同。具體布置情況見圖2所示。

圖1 TRT探測原理示意

圖2 TRT系統(tǒng)震源和檢波器布置(單位:m)

TRT6000的數(shù)據(jù)處理主要經(jīng)過以下幾個過程:

1)有效信號的提取:在TRT系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)記錄中，不僅包含工作面前方地質(zhì)體反射回來的攜帶地質(zhì)體性質(zhì)的信號，也含有大量的干擾信號，可以通過濾波方法降低噪音信號的比例，提取有效信號。

2)分離P波和S波:P波為壓縮波(縱波)，S波為剪切波(橫波)，其中SV波表示質(zhì)點(diǎn)在垂直面內(nèi)運(yùn)動的橫波，SH波表示質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)運(yùn)動的橫波。

3)提取反射面，計(jì)算反射系數(shù)、波速，進(jìn)行圖像處理，反射系數(shù)的計(jì)算可以通過下式計(jì)算

式中，R為地震波在界面的反射系數(shù);ρ1為第一層介質(zhì)的密度;ρ2為第二層介質(zhì)的密度;V1為地震波在第一層介質(zhì)中的傳播速度;V2為地震波在第二層介質(zhì)中的傳播速度。

巖體反射界面的性質(zhì)可以通過以下幾個方面解譯判斷:①出現(xiàn)較高的反射振幅、較大的反射系數(shù)和較小的彈性阻抗，表示反射界面的巖石密度和波速較高。②波形出現(xiàn)正的反射振幅，表示反射界面的巖石是堅(jiān)硬的。如果是負(fù)的反射振幅，表示反射界面是軟弱巖石。③如果S波反射比P波反射更強(qiáng)，這表示反射界面富含水。④若隧道圍巖縱波平均速度VP下降，則表明裂隙或空隙度增大。

4)數(shù)據(jù)成像、結(jié)果輸出:地震數(shù)據(jù)處理完以后，可以從3D窗口里面察看選擇的反射體。3D窗口用事先確定的隧道剖面顯示從參考系位置到掌子面已經(jīng)開挖的隧道以及所選擇的反射面位置，并顯示接收器和發(fā)射孔的位置。

3 工程實(shí)例

張嘎隧道位于京滬高鐵 DK427+980—DK428+672段雙線隧道，全長692 m，此次僅在DK428+281—DK428+482地段進(jìn)行TRT6000、地質(zhì)雷達(dá)和開挖工作面地質(zhì)素描等地質(zhì)探測和綜合預(yù)報(bào)工作。該隧道地形起伏大，進(jìn)口坡度約為10°，出口坡度約為15°，隧道埋深較淺。

圖3 張嗄隧道縱斷面地質(zhì)(單位:m)

根據(jù)隧道圍巖情況，確定本次TRT60000預(yù)報(bào)范圍應(yīng)在掌子面前方200 m范圍內(nèi)。根據(jù)檢波器和激發(fā)點(diǎn)的距離以及直達(dá)波到達(dá)檢波器的時間反演計(jì)算:隧道圍巖縱波平均速度Vp=3 600 m/s，橫波平均速度為1 900 m/s，圖4是由不同炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)計(jì)算的縱橫波波速圖。由于圍巖密度ρ=1.96～2.66 g/cm3，推測該地段圍巖的動彈模 Ed=18～25 MPa，動泊松比 σ=0.21～0.28，由此推斷該段隧道圍巖類別屬于Ⅳ～Ⅴ類;通過對三維成果圖分析，發(fā)現(xiàn)隧道前方的結(jié)構(gòu)情況如下:①在DK428+441—DK428+482范圍內(nèi)，存在許多不規(guī)則高能量反射波，且波形以負(fù)反射為主，推測該段范圍內(nèi)為弱風(fēng)化巖、碎石狀巖層或斷層破碎帶，結(jié)構(gòu)松散，完整性較差，建議該段隧道在施工時需加強(qiáng)支護(hù);②在DK428+391—DK428+441段范圍內(nèi)，幾乎反射能量很弱，幾乎不存在什么反射體，推測該段范圍內(nèi)隧道圍巖結(jié)構(gòu)完整性較好，不存在不良地質(zhì)體;③在DK428+391—DK428+281范圍內(nèi)，存在一些零星的較弱反射體，反射系數(shù)以負(fù)數(shù)為主，推測該段巖體完整性很差，可能較為破碎，含水量較大，在DK428+321—DK428+311范圍內(nèi)，背景值相對較弱，反射系數(shù)為負(fù)，負(fù)反射能量較強(qiáng)，推斷該處巖石比較破碎，可能存在含水溶洞，開挖時容易引起坍塌，需要加強(qiáng)支護(hù)，TRT6000探測結(jié)果見圖5。后經(jīng)開挖掘進(jìn)證實(shí)了該處斷層破碎帶和溶洞的位置與預(yù)報(bào)結(jié)果相符。

圖4 P波、S波平均波速圖

圖5 TRT6000探測結(jié)果

4 結(jié)論和建議

通過對TRT的基本原理、數(shù)據(jù)采集和處理方法的研究以及在京滬高鐵張嘎隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論:

1)TRT采用三維空間全斷面多點(diǎn)激發(fā)和接收觀測方式，能夠獲得足夠的空間波場信息，提高探測的精度，改善其他探測方法對較小的不規(guī)則的地質(zhì)體、不連貫的小地質(zhì)體解釋能力不足的問題。

2)采用橢球體層析成像技術(shù)，提高計(jì)算巖體波速的精度和異常地質(zhì)體的定位準(zhǔn)確性。

與其他探測技術(shù)一樣，作為地球物理探測技術(shù)的TRT也存在一些自身不足，因此，在進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)時，如能采用以TRT技術(shù)為主，輔之以其他手段并結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)水文資料的綜合隧道超前預(yù)報(bào)，必將能取得更好的探測效果。

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