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TRT-V8000型超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

一、TRT-V8000型隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)介紹

     TRT-V8000型隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用隧道地震波反射三維成像技術(shù)，該技術(shù)的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置及規(guī)模。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

假設(shè)R 為反射系數(shù)，ρ1、ρ2為巖層的密度，V 等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置、形狀、大小TRT-V8000勘測成本低，操作簡單，結(jié)果準(zhǔn)確、全面、直觀，代表隧道超前預(yù)報(bào)領(lǐng)域的技術(shù)，是隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的方向，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
  

       1.TRT-V8000超前預(yù)報(bào)使用錘擊或激振震源作為的震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，而使用炸藥爆炸作為震源每次需要相當(dāng)費(fèi)用。

       2.使用錘擊或激振震源作為震源，可在同一點(diǎn)做多次錘擊，通過信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯。

       3.用錘擊或激振作為震源克服了爆炸產(chǎn)生的能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，從而保證接收到真實(shí)的地震波信號(hào)。

       4.由人控制產(chǎn)生地震波，重復(fù)性好，操作簡單，而爆炸產(chǎn)生地震波時(shí)高頻信號(hào)迅速衰減，對(duì)操作人員的要求比較高。

       5. TRT-V8000采用高精度的加速計(jì)作為傳感器，靈敏度高（1V/g），大程度地保留了高頻信號(hào)，提高了精度及探測距離（硬質(zhì)巖中為300米，軟質(zhì)巖中為150米,黃土地層100米）。

       6.傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，簡化了裝備（只有兩個(gè)箱子，尺寸見設(shè)備配置）。兩個(gè)箱子的重量僅為16Kg，攜帶方便。

       7.TRT-V8000的傳感器布點(diǎn)（圖1）采用立體布點(diǎn)方式，在隧道兩邊分別布置4個(gè)傳感器，隧道頂上布置兩個(gè)傳感器，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)及大小。而其他儀器一般在左右邊墻各布置一個(gè)地震波信息接收器接收地震波，這樣的布置方式只能獲得異常體的位置信息，而不能獲得形狀、大小等信息，同時(shí)對(duì)于大角度斜交隧道的裂隙可能沒有反映。

圖１.TRT-V8000超前預(yù)報(bào)震源及傳感器的典型布置

     8. TRT-V8000還采用了掃描圖像處理方式，繪制三維視圖，并可以從多個(gè)角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而輕松地進(jìn)行缺陷診斷。

     9.TRT-V8000能描繪到隧道水平和垂直方向的所有異物。而其他儀器只能描繪幾乎垂直于隧道的充滿空氣或水的裂隙及近距的垂直裂隙，不能描繪稍遠(yuǎn)距離的二或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對(duì)于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙沒有反映。對(duì)于所描繪的傾斜裂隙，會(huì)低估它們的距離。

二、TRT技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用

TRT采用了業(yè)內(nèi)眾多先進(jìn)技術(shù)，成為地下工程地質(zhì)界的一顆璀璨的明珠，獲得了廣泛的認(rèn)同，在鐵路、公路、水利、鐵礦、煤礦等領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了豐碩的成果。下面是TRT在國內(nèi)的一些應(yīng)用實(shí)例。

1、斷層破碎帶檢測

     萊蕪谷家臺(tái)鐵礦32-2線處涌水量較大，為弄清前方地質(zhì)構(gòu)造，2008年10月11日萊蕪鐵礦使用TRT進(jìn)行檢測，獲得如下的成果圖，從圖中的異常上看，前方存在斷層構(gòu)造。

2007年11月在貴州沾益線上進(jìn)行了檢測，探測結(jié)果顯示，掌子面前方存在30米左右的破碎帶。

    2、煤層頂、底巖體地質(zhì)情況的檢測為了安全掘進(jìn)，2009年11月8、9日山西潞安煤礦使用TRT對(duì)掘進(jìn)面前方的煤層頂、底板巖體地質(zhì)情況進(jìn)行了檢測。檢測結(jié)果顯示，在挖掘面前方45米處煤層頂板的巖性發(fā)生變化。

3、采空區(qū)檢測

2011年4月8日在南充-大竹-梁平公路銅鑼山隧道檢測，成果中顯示掌子面前方45米處有一空區(qū)，經(jīng)驗(yàn)證是先前采煤留下的豎井。

三、TRT-V8000參數(shù)

一體化主機(jī)：集成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集顯示功能、實(shí)時(shí)波形顯示、采集數(shù)據(jù)疊加、防護(hù)等級(jí)IP66

真三維成像：10個(gè)檢波器立體式布置

掃頻震源：數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，預(yù)報(bào)距離更遠(yuǎn)、更準(zhǔn)確

簡單便捷：兩個(gè)運(yùn)輸箱，攜帶便捷，無線數(shù)據(jù)傳輸、無需打孔，現(xiàn)場安裝方便

四、可控震源和沖擊震源（大錘）對(duì)比

TRT-V8000系統(tǒng)有兩種震源可供選擇：可控震源和沖擊震源?？煽卣鹪赐ㄟ^工業(yè)振動(dòng)器產(chǎn)生能量，該振動(dòng)器發(fā)出100Hz至3000Hz的掃頻正弦波。沖擊震源通過錘擊產(chǎn)生能量。兩者都是確定地下結(jié)構(gòu)的震源，但可控震源能夠在更短的時(shí)間內(nèi)生成更高分辨率的圖像。

這是由于信號(hào)的疊加帶來的好處。使用可控震源，能量隨著時(shí)間積累。更易于疊加，因?yàn)檎駝?dòng)能量是可重復(fù)的，每次都可以施加在相同的位置、力和角度，并且較低的能量輸入不會(huì)使巖石破裂。震源的高重復(fù)性與計(jì)時(shí)相結(jié)合，允許疊加多（5至7）條記錄。

錘擊在短時(shí)間內(nèi)向巖石中釋放出相對(duì)較大的能量。相較于可控震源，錘擊疊加效果稍遜，因?yàn)楹茈y在相同的位置、力和角度重復(fù)錘擊，并且每次敲擊后巖石都會(huì)變形和破裂。

疊加增強(qiáng)了有用的信號(hào)，同時(shí)減少了不必要的地震噪聲。此外，掃頻震源信號(hào)的一性以及與加速度計(jì)接收的信號(hào)的互相關(guān)聯(lián)進(jìn)一步過濾了地震噪聲。疊加還可以減少地震記錄的數(shù)量，使數(shù)據(jù)處理更容易、更快。

掃頻震源已成功應(yīng)用于新奧法隧道和TBM隧道以及采礦巷道，應(yīng)用于包括日本、英國、中國和南美的多個(gè)隧道工程。在巴西某項(xiàng)目中，在3km長的 TBM隧道中進(jìn)行了40次測試，每個(gè)測試預(yù)報(bào)范圍為隧道面前方200m，得到隧道面前方的異常，準(zhǔn)確率約為90%。上述測試專門用于探測花崗巖中的主要含水區(qū)域，第一次含水異常在TBM前方約175m處，第二次在工作面前方51m處。開挖驗(yàn)證，它產(chǎn)生了大約3000升/分鐘的水流。