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(jìn)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(shí)際應(yīng)用該法在觀測方式和資料處理方法上與TSP法及負(fù)視速度法均有很大不同，它采用空間多點(diǎn)激發(fā)和接收的觀測方式，其檢波點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)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(shí)結(jié)合案列來介紹TRT技術(shù)在隧道工程勘察中的優(yōu)點(diǎn)。
勘查方法：TRT真地震反射成像預(yù)報(bào)技術(shù)
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(hào)在巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到聲學(xué)阻抗差異界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來，并通過多個(gè)震動(dòng)傳感器接收，最后通過解析地震波反射信號(hào)來評價(jià)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(shí)，反射信號(hào)會(huì)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(fù)。
通過不同位置的多個(gè)震動(dòng)傳感器接收到反射信號(hào)的時(shí)程差異可計(jì)算異常體的空間位置和大小。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：
式中R代表反射系數(shù)，ρ1、ρ2 分別代表反射 界面兩側(cè)介質(zhì)的密度，V1、V2 分別代表地震波在反 射界面兩側(cè)介質(zhì)中的傳播速度。
2 設(shè)備組成及觀測系統(tǒng)
TRT-V8000的硬件系統(tǒng)由1臺(tái)主機(jī)、1個(gè)基站、10個(gè)檢波器組成、額外選配一個(gè)掃頻震源，主機(jī)中包含波形采集軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件。震源點(diǎn)及檢波器布置如圖所示。儀器的工作過程為：在震源點(diǎn)上錘擊產(chǎn)生地震波，地震波在巖體中傳播，錘擊的同時(shí)觸發(fā)檢波器開始接收地 震波信號(hào)，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(jī)，完成一次激發(fā)采集。
設(shè)備組成
掃頻震源
TRT-V8000的觀測系統(tǒng)由10個(gè)檢波器布置點(diǎn)、12個(gè)震源點(diǎn)組成。整個(gè)觀測系統(tǒng)的傳感器布設(shè)要求盡可能對稱布設(shè)。震源間距的2米是硬性要求,不得更改。震源與傳感器的距離、傳感器之間的距離可以成比例縮小。
傳感器布設(shè)俯視圖 傳感器布設(shè)橫截面
小結(jié)
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(shí)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(diǎn)。
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(jìn)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(dá)90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)場和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。為補(bǔ)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。
項(xiàng)目區(qū)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，偶爾夾有絹云母頁巖、綠泥石頁巖和含碳頁巖。層理與隧道平行，傾角平均為25°至35°，與山坡平行。
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(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(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(gè)硬質(zhì)巖塊，而現(xiàn)場開挖也驗(yàn)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(gè)正負(fù)異常的交接處（紅圈部分）。結(jié)合現(xiàn)場情況推測為一個(gè)異常界面，而現(xiàn)場開挖也驗(yàn)證了是一個(gè)基巖接觸面，這個(gè)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(dá)20厘米的砂礫。
152米里程的這次預(yù)報(bào)，是TRT預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)示例，對于掌子面前方的兩個(gè)異常都做出了完美的反應(yīng)，而且預(yù)報(bào)的位置與實(shí)際開挖驗(yàn)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(bào)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(bào)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(bào)的結(jié)果顯示，在開挖前約25米處存在一個(gè)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(bào)的成像結(jié)果，采用了不同的衰減模型，以進(jìn)一步查看開挖前方的情況。
圖4 第七次預(yù)報(bào)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(gè)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(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。
圖5 785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米處的異常被解釋為斷層帶?，F(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(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。
小結(jié)
① TRT預(yù)報(bào)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(bào)的準(zhǔn)確具有普遍性。對于820米到840米的斷層，兩次預(yù)報(bào)都做出了完美的成像，這說明，TRT預(yù)報(bào)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(jì)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(jìn)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(jí)為Ⅱ級(jí)，DK43+450～DK43+499段落圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)。
2 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果
隧道開挖至DK43+364后，利用TRT6000對DK43+364.6～DK43+499段落進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，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(jìn)行綜合分析，預(yù)報(bào)結(jié)果如下。
里程DK43+364.6～DK43+427段
預(yù)報(bào)：
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(bào)圍巖分級(jí)為Ⅱ級(jí)。
開完驗(yàn)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(jí)為Ⅱ級(jí)。
里程DK43+427～DK43+469段
預(yù)報(bào)：
三維成像局部呈現(xiàn)少許離散反射。推測圍巖巖體較破碎，穩(wěn)定性、完整性變差。預(yù)報(bào)圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)。
開完驗(yàn)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(jí)為Ⅲ級(jí)。
里程DK43+469～DK43+499段
預(yù)報(bào)：
縱波波速為4000～3100m/s，DK43+481以后波速在3100m/s附近震蕩變化，三維成像圖呈現(xiàn)強(qiáng)烈離散反射，黃色區(qū)域被藍(lán)色區(qū)域規(guī)律性切割，推測圍巖巖體破碎，節(jié)理密集帶發(fā)育，局部夾軟弱夾層，地下水較發(fā)育，穩(wěn)定性、完整性差，開挖后支護(hù)不及時(shí)易發(fā)生坍塌。預(yù)報(bào)圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)。
開完驗(yàn)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(jí)為Ⅲ級(jí)。
DK43+490以后：圍巖變差，巖石為強(qiáng)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(cuò)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(bào)結(jié)果得到驗(yàn)證。
高鐵山嶺隧道的這次TRT預(yù)報(bào)是一次標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)典的預(yù)報(bào)案例，也是大多數(shù)情況下的TRT預(yù)報(bào)模板，本次預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)距離達(dá)到了130米，并且成功預(yù)報(bào)出了100米之后的強(qiáng)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(bào)成本低，縮短了預(yù)報(bào)輔助作業(yè)時(shí)間，降低了對施工工序的干擾。青陽隧道TRT預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間一般為30～40min。
② 利用錘擊作為震源且可以在同一點(diǎn)上進(jìn)行重復(fù)錘擊，能夠最大限度地接收反射回來的高頻信號(hào)，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(gè)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(huì)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(shí)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(bào)均對同一個(gè)異常做出很好的響應(yīng)，充分說明TRT在預(yù)報(bào)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(shí)上預(yù)報(bào)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(bào)距離的遠(yuǎn)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(shí)上是指數(shù)衰減的，而且會(huì)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(bào)距離可以預(yù)報(bào)150米左右。
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?，確定在給定地質(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(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。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)綜合性的工作，將在不同地質(zhì)條件下，在獲得更多經(jīng)驗(yàn)的過程中可以不斷改進(jìn)檢測的結(jié)果的準(zhǔn)確性。
如果您想了解更多TRT-V8000地震波反射三維掃描成像隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，請聯(lián)系歐美大地。
