一、工程背景
Unterwald隧道是一條雙線鐵路隧道，長(zhǎng)度為1076米，標(biāo)準(zhǔn)橫截面為100平方米。開(kāi)挖按照NATM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。隧道與山坡平行，覆蓋層可達(dá)90米。它位于奧地利中部，是朔伯山口的一部分，是阿爾卑斯山海拔最低的交叉口（840米）。這條從阿姆斯特滕到塔爾維西奧（意大利）的鐵路線連接著奧地利的北部和南部，是一條非常重要的運(yùn)輸路線，目前正在升級(jí)為高容量鐵路。1994年和1995年進(jìn)行了實(shí)地偵察調(diào)查，隨后制訂了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方案。1994年至1996年進(jìn)行了地下調(diào)查。共鉆了26個(gè)取心垂直、傾斜和水平井眼，總長(zhǎng)度為1600米。為了獲得可靠的巖石和圍巖參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。為補(bǔ)充地下勘探，開(kāi)展了折射地震、電阻率、電磁等地球物理調(diào)查。
二、地質(zhì)背景
項(xiàng)目區(qū)位于蘭納奇系列地層內(nèi)，這是一種二疊紀(jì)-中生代的變質(zhì)巖層，其特點(diǎn)是含有高度各向異性的巖石，含石英量不等。巖體主要由片麻巖和石英片巖組成，偶爾夾有絹云母頁(yè)巖、綠泥石頁(yè)巖和含碳頁(yè)巖。層理與隧道平行，傾角平均為25°至35°，與山坡平行。遇到兩組主要的節(jié)理，大致與隧道軸線垂直，陡傾或遠(yuǎn)離隧道面。還遇到了一些次要的斷層，與主要的節(jié)理平行。入口區(qū)域位于年輕的沉積物中，包括冰川-河流礫石和碎屑，在東部有大型巨石，在西部有由粉砂-礫石構(gòu)成的滑坡碎屑，其中夾雜著巨石和大型巖板。
三、TRT成像結(jié)果
在初始的現(xiàn)場(chǎng)勘察中，預(yù)測(cè)開(kāi)掘的前170到200米為由密實(shí)的塊狀圍巖組成的坡積物，坡積物與堅(jiān)硬基巖的接觸面沒(méi)有被具體確定。為了適當(dāng)?shù)匾?guī)劃開(kāi)掘方法，并在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備適當(dāng)?shù)闹?/span>介質(zhì)，準(zhǔn)確地了解這個(gè)接觸面將節(jié)省相當(dāng)多的成本。
這是TRT方法首次應(yīng)用于軟弱的、極度復(fù)雜的地層條件以及高度各向異性介質(zhì)的情況。結(jié)果顯示，由于塊狀圍巖和軟基質(zhì)的高衰減，最大可靠成像距離為60到70米（相比于硬質(zhì)巖中預(yù)期的100到150米）。第二次地質(zhì)預(yù)報(bào)的成像距離包括最初預(yù)測(cè)的基巖接觸區(qū)域，是在隧道里程152米處進(jìn)行的，成像范圍里程約到210到220米處。最初使用雙速度模型，底部是高速度基巖，但數(shù)據(jù)不確定。圖1結(jié)果確定了隧道面前約5米處的一個(gè)大石塊。圖2顯示了在里程161米處拍攝的隧道面照片，與成像結(jié)果相符。顯示了從第二次處理中得到的層析圖，使用與堆積層性質(zhì)相對(duì)應(yīng)的均勻速度模型。
結(jié)果還顯示，在隧道軸線右側(cè)約里程190米處有一個(gè)正異常（速度較高）。最初被解釋為基巖接觸，但實(shí)際上與成系列較小的異常連接形成一個(gè)與隧道軸線銳角相交的接觸面。后來(lái)發(fā)現(xiàn)這些較小的異常是單獨(dú)的特征，而大的異常才是基巖接觸，其與隧道軸線近乎垂直，如層析圖所示。圖3顯示了遇到的基巖接觸面，位于191到192米的里程。接觸面由的平面墻狀節(jié)理斷裂形成?；鶐r稍有風(fēng)化，廣泛分布著（約1米間隔）幾乎垂直于隧道面且陡傾的開(kāi)裂。節(jié)理填充有厚度達(dá)20厘米的砂礫大。
四、成像斷層帶和成像重復(fù)性
第七和第八次預(yù)報(bào)是TRT方法重復(fù)性和潛在準(zhǔn)確性的示例。 第七次預(yù)報(bào)的結(jié)果顯示，在開(kāi)挖前約25米處存在一個(gè)破裂帶，后面是相對(duì)均質(zhì)的地層條件。 圖4顯示了第二次處理的結(jié)果，采用了不同的衰減模型，以進(jìn)一步查看開(kāi)挖前方的情況。
在距離隧道面約150米的825到840米站附近顯示了一個(gè)異常。 初始現(xiàn)場(chǎng)勘察已經(jīng)提供了可能在該區(qū)域存在斷層帶的證據(jù)。第七次預(yù)報(bào)成像的異常與遇到的地質(zhì)條件相當(dāng)吻合。第八次預(yù)報(bào)時(shí)隧道面位于771米處，初始速度模型未顯示面前有任何異常。因此采用了第二個(gè)速度和衰減模型，并在圖5所示的785到835米站附近識(shí)別了幾個(gè)異常。
最初的異常被描述為可能是破裂帶，而從820到840米站的異常被解釋為斷層帶。遇到的地質(zhì)條件包括兩組垂直分布的不連續(xù)性，間距為0.5到1米，與隧道以60°至70°的角度相交。在820米處，隧道進(jìn)入一個(gè)8米寬的清晰切割帶，陡傾70°向東走向，與隧道面垂直。該斷層由兩組光滑面構(gòu)成的透鏡狀交織切割體形成。該斷層的位置與第七次預(yù)報(bào)成像的特征相符。兩次預(yù)報(bào)之間信息量的差異顯示了不同的衰減模型可以用于識(shí)別接近開(kāi)挖的較小特征或遠(yuǎn)距離的較大特征。本次預(yù)報(bào)中識(shí)別的異常及其解釋與遇到的地質(zhì)條件在前面的圖表中顯示得非常一致。
五、結(jié)論
從上面的兩個(gè)示例可以看出，TRT方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖體條件的變化。我們認(rèn)為需要進(jìn)一步研究TRT數(shù)據(jù)的可靠性和使用方法，以適當(dāng)?shù)仡A(yù)測(cè)在開(kāi)挖過(guò)程中可能遇到的條件，以及不斷變化的地質(zhì)條件是否會(huì)影響開(kāi)挖行為。這還包括更多關(guān)于將特征外推到適當(dāng)位置的信息。
這是TRT方法首次在開(kāi)挖的前200米遇到的地層條件中使用，一些初始困難需要克服。圍巖較軟并且呈塊狀可能導(dǎo)致地震信號(hào)的快速衰減，明顯導(dǎo)致預(yù)報(bào)距離減短。第二個(gè)問(wèn)題是如何將足夠的能量傳遞到地下，以補(bǔ)償增加的衰減。由于圍巖“較軟”，比起襯砌或大塊石頭，源頭提供的能量沒(méi)有有效地轉(zhuǎn)移到圍巖中，也導(dǎo)致了成像長(zhǎng)度的減少。這也是TRT方法首次應(yīng)用于高度各向異性介質(zhì)的情況。由于層理走向與預(yù)報(bào)方向平行，通常避免了介質(zhì)的各向異性特性，但可能對(duì)成像造成了局部影響，導(dǎo)致成像的特征比預(yù)報(bào)尺寸要大。巖體在大部分區(qū)域相當(dāng)均質(zhì)，除了入口位置。由于覆蓋較低和相對(duì)良好的巖體條件，隧道大部分區(qū)域的變形都很小，在預(yù)測(cè)的較弱介質(zhì)區(qū)域變化不大。而斷層區(qū)域?qū)е逻^(guò)挖增加，偶爾也導(dǎo)致水流增加。在斷層區(qū)域之前逐漸增加的斷裂密度通常會(huì)使反射數(shù)據(jù)平滑，使特征不那么明顯。
在Unterwald隧道中，True Reflection Tomography（TRT）地震成像方法被系統(tǒng)地應(yīng)用于識(shí)別與隧道軸線相交的潛在薄弱區(qū)。通常情況下，數(shù)據(jù)被多次處理以澄清結(jié)果并消除數(shù)據(jù)解釋的不確定性。與任何地震方法一樣，必須使用所有可用信息來(lái)解釋結(jié)果。如果從預(yù)先存在的模型中讀取太多數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致誤導(dǎo)，正如顯示基巖接觸的例子所示。將這種方法納入隧道施工時(shí)，應(yīng)量化數(shù)據(jù)的可靠性，以使工程師對(duì)結(jié)果的解釋感到有信心。這需要數(shù)據(jù)處理者、地質(zhì)學(xué)家和工程師之間的溝通和合作，不僅討論當(dāng)前的數(shù)據(jù)結(jié)果，還要討論過(guò)去的評(píng)估，以便為給定的現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行改進(jìn)的預(yù)測(cè)。
總體而言，TRT方法提供了良好的結(jié)果，因?yàn)榇蠖鄶?shù)主要特征都被成像了。該方法可以確認(rèn)一般但不是具體的特征位置，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)意外的地質(zhì)條件，但必須強(qiáng)調(diào)的是所有相關(guān)方之間必須有適當(dāng)?shù)臏贤?，以確定在給定地質(zhì)環(huán)境中系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)綜合性的工作，在不同地質(zhì)條件下獲得更多經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程中將不斷改進(jìn)。
