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摘要

TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用巖體中不均勻面的反射地震波進行超前探測，它是美國NSA工程公司開發(fā)的新方法，國外已實際應(yīng)用該法在觀測方式和資料處理方法上與TSP法及負視速度法均有很大不同，它采用空間多點激發(fā)和接收的觀測方式，其檢波點和激發(fā)點呈空間分布，以便充分獲得空間場波信息，從而使前方不良地質(zhì)現(xiàn)象的定位精度大大提高。本文主要介紹TRT產(chǎn)品本身的同時結(jié)合案列來介紹TRT技術(shù)在隧道工程勘察中的優(yōu)點。

1 探測原理

TRT-V8000采用地震波反射體三維成像技術(shù)，該技術(shù)利用錘擊（或人工掃頻震源）觸發(fā)地震波信號在巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到聲學(xué)阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，并通過多個震動傳感器接收，最后通過解析地震波反射信號來評價前方地質(zhì)情況。在探測前方出現(xiàn)巖體破碎、節(jié)理裂隙、巖性變化接觸帶、含水或空腔構(gòu)造等時，反射信號會反映出傳播介質(zhì)的變化，表現(xiàn)為從低阻抗傳播到高阻抗反射系數(shù)為正；反之，反射系數(shù)為負。

2 設(shè)備組成及觀測系統(tǒng)

TRT-V8000的硬件系統(tǒng)由1臺主機、1個基站、10個檢波器組成、額外選配一個掃頻震源，主機中包含波形采集軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件。震源點及檢波器布置如圖所示。儀器的工作過程為：在震源點上錘擊產(chǎn)生地震波，地震波在巖體中傳播，錘擊的同時觸發(fā)檢波器開始接收地 震波信號，完成數(shù)據(jù)采集后，通過基站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X主機，完成一次激發(fā)采集。

① TRT在摒棄炸藥震源的基礎(chǔ)上使用人工震源，使得在現(xiàn)場布設(shè)時更方便、更快捷、更安全。

② TRT立體布置的觀測系統(tǒng)，這是真三維成像的基礎(chǔ)也是區(qū)別于其它產(chǎn)品的特點。

③ TRT的觀測系統(tǒng)對現(xiàn)場要求很低，適應(yīng)各種條件，在隧道進洞30米左右即可布設(shè)。

應(yīng)用案例：TRT在奧地利Unterwald隧道的應(yīng)用

1 工程地質(zhì)背景

Unterwald隧道是一條雙線鐵路隧道，長度為1076米，標(biāo)準(zhǔn)橫截面為100平方米。隧道與山坡平行，覆蓋層可達90米。為了獲得可靠的巖石和圍巖參數(shù)數(shù)據(jù)，進行了現(xiàn)場和實驗室試驗。為補充地下勘探，開展了折射地震、電阻率、電磁等地球物理調(diào)查。

2 TRT鐵路隧道勘察成像結(jié)果

在初始的現(xiàn)場勘察中，預(yù)測開掘的前170到200米為由密實的塊狀圍巖組成的坡積物，坡積物與堅硬基巖的接觸面沒有被具體確定。為了適當(dāng)?shù)匾?guī)劃開掘方法，并在現(xiàn)場準(zhǔn)備適當(dāng)?shù)闹谓橘|(zhì)，準(zhǔn)確地了解這個接觸面將節(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)報的成像距離包括最初預(yù)測的基巖接觸區(qū)域，是在隧道里程152米處進行的，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)相對應(yīng)的均勻速度模型。

層析圖在隧道掌子面前方約5米處顯示出局部的黃色高阻區(qū)域（紫圈部分），結(jié)合現(xiàn)場情況推測為一個硬質(zhì)巖塊，而現(xiàn)場開挖也驗證了是大塊的石英千枚巖。圖2是在里程161米處拍攝的隧道面照片，與成像結(jié)果相符。層析圖結(jié)果還顯示，在隧道軸線右側(cè)約里程190米處（掌子面前方約40米處）有一個正負異常的交接處（紅圈部分）。結(jié)合現(xiàn)場情況推測為一個異常界面，而現(xiàn)場開挖也驗證了是一個基巖接觸面，這個局部異常特征是比較典型的基巖接觸。圖3顯示了遇到的基巖接觸面照片，位于191到192米的里程。接觸面由大的平面墻狀節(jié)理斷裂形成。基巖稍有風(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裂。節(jié)理填充有厚度達20厘米的砂礫。

152米里程的這次預(yù)報，是TRT預(yù)報準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)示例，對于掌子面前方的兩個異常都做出了完美的反應(yīng)，而且預(yù)報的位置與實際開挖驗證的位置相差無幾。

3 成像斷層帶和成像重復(fù)性

如果說單次的預(yù)報準(zhǔn)確具有偶然性，那么693米里程的第七和771米里程的第八次預(yù)報是TRT方法重復(fù)性和潛在準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)示例。第七次預(yù)報的結(jié)果顯示，在開挖前約25米處存在一個破裂帶，后面是相對均質(zhì)的地層條件。圖4顯示了第七次預(yù)報的成像結(jié)果，采用了不同的衰減模型，以進一步查看開挖前方的情況。

圖4 第七次預(yù)報的成像結(jié)果

在距離隧道面約150米的825到840米站附近顯示了一個異常。初始現(xiàn)場勘察已經(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)報時隧道面位于771米處，初始速度模型未顯示面前有任何異常。因此采用了第二個速度和衰減模型，并在圖5所示的785到835米站附近識別了幾個異常。

圖5 785到835米站附近識別了幾個異常

最初的異常被描述為可能是破裂帶，而從820到840米處的異常被解釋為斷層帶。現(xiàn)場開挖揭示為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°的角度相交的斷層。在820米處，隧道進入一個8米寬的清晰切割帶，陡傾70°向東走向，與隧道面垂直。該斷層的位置與第七次預(yù)報成像的特征相符。兩次預(yù)報之間信息量的差異顯示了不同的衰減模型可以用于識別接近開挖的較小特征或遠距離的較大特征。本次預(yù)報中識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。

小結(jié)

① TRT預(yù)報的準(zhǔn)確性很高。不管是近掌子面的異常還是距離150米以上的異常。針對不同的地質(zhì)情況可以使用不同的速度模型。

② TRT預(yù)報的準(zhǔn)確具有普遍性。對于820米到840米的斷層，兩次預(yù)報都做出了完美的成像，這說明，TRT預(yù)報準(zhǔn)度并不是偶然的。

應(yīng)用案例：TRT在高鐵山嶺隧道的應(yīng)用

1 工程地質(zhì)背景

青陽隧道是濟青高鐵唯一一座山嶺隧道，穿越長白山低山丘陵區(qū)，全長10.1 km，為單洞雙線隧道。經(jīng)過鉆探和地質(zhì)調(diào)查，查明DK43+364.6～DK43+499段落圍巖巖性為安山巖，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，硬質(zhì)巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，呈巨塊或大塊狀結(jié)構(gòu)。利用天然源音頻大地電磁法(AMT)進行探測得出，DK43+450～DK43+525段落為二類物探異常區(qū)。綜合分出:DK43+364.6～DK43+450段落圍巖分級為Ⅱ級，DK43+450～DK43+499段落圍巖分級為Ⅲ級。

2 TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

隧道開挖至DK43+364后，利用TRT6000對DK43+364.6～DK43+499段落進行超前地質(zhì)預(yù)報，得出段落縱波波速分布及三維地震反射界面分布(見圖6)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、工作面地質(zhì)素描資料以及加深炮孔資料進行綜合分析，預(yù)報結(jié)果如下。

里程DK43+364.6～DK43+427段

預(yù)報：

波速整體較穩(wěn)定，三維成像圖無明顯異常區(qū)域，推測圍巖較完整，地下水不發(fā)育，預(yù)報圍巖分級為Ⅱ級。

開完驗證結(jié)果：

揭露圍巖巖石為弱風(fēng)化安山巖，節(jié)理不發(fā)育-較發(fā)育，巖體較完整，地下水不發(fā)育，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖分級為Ⅱ級。

里程DK43+427～DK43+469段

預(yù)報：

開完驗證結(jié)果：

揭露圍巖巖石為弱風(fēng)化安山巖，節(jié)理發(fā)育-較發(fā)育，巖體較破碎，工作面濕潤，巖土呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖分級為Ⅲ級。

里程DK43+469～DK43+499段

預(yù)報：

開完驗證結(jié)果：

揭露圍巖巖石為弱風(fēng)化安山巖，節(jié)理發(fā)育，局部發(fā)育密集，巖體破碎-較破碎，工作面濕潤，巖體呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖分級為Ⅲ級。

DK43+490以后：圍巖變差，巖石為強風(fēng)化安山巖，發(fā)育兩組節(jié)理，其中一組節(jié)理發(fā)育密集，節(jié)理交 錯切割巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，工作面右側(cè)局部有軟 弱夾層，工作面滲滴水，超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果得到驗證。

高鐵山嶺隧道的這次TRT預(yù)報是一次標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)典的預(yù)報案例，也是大多數(shù)情況下的TRT預(yù)報模板，本次預(yù)報的預(yù)報距離達到了130米，并且成功預(yù)報出了100米之后的強風(fēng)化圍巖與破碎帶，證明了人工震源的能量足以探測到100米以上。

小結(jié)

① 利用人工錘擊作為震源，環(huán)境污染小、預(yù)報成本低，縮短了預(yù)報輔助作業(yè)時間，降低了對施工工序的干擾。青陽隧道TRT預(yù)報作業(yè)時間一般為30～40min。

② 利用錘擊作為震源且可以在同一點上進行重復(fù)錘擊，能夠最大限度地接收反射回來的高頻信號，提高了預(yù)測精度和預(yù)測距離。

③ 傳感器布置為三維立體方式，能充分獲取空間波場信息，可以準(zhǔn)確獲得工作面前方不良地質(zhì)體反射界面的三維特征，提高了定位精度。

結(jié)論

從上面的兩個示例可以看出，TRT方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測巖體條件的變化。TRT提供的不同的速度模型，可以適當(dāng)?shù)仡A(yù)測在開挖過程中可能遇到的條件，以及不斷變化的地質(zhì)條件是否會影響開挖行為。這還包括更多關(guān)于將特征外推到適當(dāng)位置的信息。

在Unterwald隧道中，True Reflection Tomography（TRT）地震成像方法被系統(tǒng)地應(yīng)用于識別與隧道軸線相交的潛在薄弱區(qū)。TRT在Unterwald隧道中的應(yīng)用，兩次預(yù)報均對同一個異常做出很好的響應(yīng)，充分說明TRT在預(yù)報準(zhǔn)確度上具有優(yōu)秀的表現(xiàn)。

在高鐵山嶺隧道中，TRT的高靈敏度傳感器和人工震源的配合，充分說明人工震源的能量可以傳播到至少100米以上，并且被傳感器接收。事實上預(yù)報距離的長短，除了和震源能量的大小有關(guān)系，還和圍巖情況、傳感器靈敏度、設(shè)備信噪比有關(guān)系，預(yù)報距離的遠近并不是說能量越大越好，它受多種因素影響，傳統(tǒng)炸藥的能量事實上是指數(shù)衰減的，而且會在震源周圍引起塑性形變，TRT的傳感器靈敏度非常高，中等圍巖的情況下預(yù)報距離可以預(yù)報150米左右。

總體而言，TRT方法提供了良好的結(jié)果，因為大多數(shù)主要特征和異常都能夠成像。在所有相關(guān)方之間（地質(zhì)、現(xiàn)場、監(jiān)測等部門）有適當(dāng)?shù)臏贤ǎ_定在給定地質(zhì)環(huán)境中系統(tǒng)的優(yōu)勢和劣勢的情況下，該方法可以確認一般但不是具體的特征位置，同時也可以發(fā)現(xiàn)意外的地質(zhì)條件。超前地質(zhì)預(yù)報是一項綜合性的工作，將在不同地質(zhì)條件下，在獲得更多經(jīng)驗的過程中可以不斷改進檢測的結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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