TRT地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的应用

第23卷第3期2009年　6月资源环境与工程R e s o u r c e s E n v i r o n m e n t ＆E n g i n e e r i n gV o l .23,N o .3J u n e .,2009收稿日期:2009-06-08;改回日期:2009-06-09作者简介:陈刚毅(1963-),男,高级工程师,公路勘察设计专业,从事公路勘察、设计、施工、管理等工作。

T R T 地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的应用陈刚毅(湖北省交通规划设计院,湖北武汉　430051)摘　要:主要介绍三维弹性波反射法地质超前预报(T R T )技术原理与工作方法,结合三峡翻坝高速公路的隧道地质超前预报,探讨了T R T 技术在野外工作与数据处理中遇到的问题与解决办法,并与其它地质超前预报技术进行对比,总结了T R T 技术优缺点。

关键词:T R T ;地质超前预报;隧道中图分类号:U 412;U 452.1+1 文献标识码:A 文章编号:1671-1211(2009)03-0304-040　引言隧道地质超前预报的方法技术很多,但是能达到预报掌子面前方100～150m 的超前预报方法只有地震勘探。

因为地震波(弹性波)在岩石中传播远,所获得的地质信息也最丰富。

目前能达到100～150m 预报距离的地震勘探方法技术主要有负视速度法、水平剖面法(H S P )、T S P 、T R T 、T S T 及T G P 等[1],在观测系统上除了T R T 外都是大同小异,主要区别在于设备的制造工艺、数据后期处理等方面。

本文主要论述的是国际上最新的超前预报勘探技术———隧道地质层析成像(T R T )超前预报技术。

T R T 在本文解释为:T u n n e lR e f l e c t i o n T o m o -g r a p h y 。

T R T 技术的突出特点是在观测方式上实现了三维空间观测。

资料处理方法上采用地震层析成像技术。

检波器和激震点布置在隧道两侧和掌子面上,最大限度地扩展横向展布,以充分获得空间波场信息,提高波速分析和目标地质体的定位精度。

1　T R T 技术与其它地震超前预报技术的区别1.1　观测系统的不同T R T 技术与其它隧道地质超前预报技术的区别在于T S P 、T S T 及T G P 等方法主要采用的是二维排列布置,炮检互换原则,在隧道的侧壁上布置呈直线的一排炮孔,分别激发,采用速度型或者加速度型传感器接收地震信号;T R T 技术则采用在三维空间内布置传感器,多点激发,三维空间接收地震信号。

其区别如图1、2所示。

图1　T S P 、T S T 、T G P 等勘探方法数据采集装置[1]F i g .1　D a t ac o l l e c t i n g d e v i c e o f T S P ,T S T ,TG Pe x p l o r a t i o nm e t h o d s图2　T R T 采集装置示意F i g .2　S k e t c hm a p o f T R Tc o l l e c t i n gd e v i c e1.2　震源的不同T S P 等地质超前预报技术采用炸药震源,顺序激发的方式,T R T 技术采用锤击震源,多次激发叠加运算的方式。

DOI :10.16536/j .cn ki .issn .1671-1211.2009.03.0311.3　传感器(检波器)的不同T S P 等地质超前预报技术一般采用三分量传感器,当震源激发时,从X Y Z 三个方向接受弹性波信号,一般只使用1～2个传感器。

T R T 技术采用加速度传感器,分多个传感模块布设在隧道内部不同的位置,形成三维空间布置。

2　T R T 技术原理这种技术的原理在于当地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时,一部分信号被反射回来,一部分信号透射进入前方介质。

声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。

反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收,通过分析,被用来了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模。

正常入射到边界的反射系数计算公式如下:R =ρ2V 2-ρ1V 1ρ2V 2+ρ1V 1假设R 为反射系数;ρ为岩层的密度;V 为地震波在岩层中的传播速度。

地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时,反射系数是正的;反之,反射系数是负的。

因此,当地震波从软性地质体传播到硬质地质体时,回波的偏转极性和波源是一致的。

当岩体内部有破裂带时,回波的极性会反转。

反射体的尺寸越大,声学阻抗差别越大,回波就越明显,越容易被探测到。

这是一种全新的勘察技术,将电子信号学中的电阻抗概念引入地震勘探中,采用反射物质阻抗探测地质体异常。

2.1　T R T 激发地震波的种类T R T 技术可以选择在隧道的任何位置激发,以使得某一类型的地震波传播能更好的被传感器接收,相当于可选择不同的地震波类型来解决不同的地质构造解释问题。

当选择在隧道靠近掌子面附近,隧道洞身边墙位置激发地震波,由于隧道边墙与掌子面接近垂直,因此地震横波的能量传播更明显,传感器接收到的信号中,横波的能量更强,而地震横波对隧道前方含水区域的反射信号最强,进而根据其特性来判断隧道掌子面前方含水区域的位置与大小。

当选择在隧道的掌子面上激发地震波时,地震纵波的能量传播更明显,信号相对于横波强,能更好地判断隧道掌子面前方的围岩级别及其它地质结构特征。

2.2　确定地震波传播速度及距离的方法T R T 技术假定一个波速模型,根据传感器或者检波器接收到的地震波信号得到某一波形传播的时间,运用波速初始模型得到运算后的不良地质体的推测距离。

然后根据实际情况修改模型参数,以求得到一个最大程度上符合实际的结果。

T R T 技术通过读取初至波(横波、纵波)的时间建立传播时间与距离散点图,找到一条合适的拟合曲线,如图3所示,该曲线的斜率即为初始横波或者初始纵波速度。

图3　各传感器纵波、横波传播散点图F i g .3　S c a t t e r d i a g n a mo f P -w a v e a n d S -w a v et r a n s m i s s i o n o f s e n s o r s305第3期陈刚毅:T R T 地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的应用3　T R T 野外工作方法及工程应用三峡翻坝高速公路起于秭归曲溪桥,经过秭归县、夷陵区、点军区,止于宜昌长江公路大桥南岸,连接沪渝高速公路,全长57.378k m 。

其中桥梁25座、隧道12座,桥隧占路线总长53.8%。

建设工期48个月。

三峡翻坝高速公路的建设标志着三峡库区水陆联运翻坝体系建设取得重大突破,对于提高三峡枢纽综合通过能力,充分发挥长江黄金水道的“黄金效益”,促进三峡库区经济社会发展有着重大意义。

为了保证隧道施工的安全,湖北省交通规划设计院利用引进的美国西斯陆公司的T R T 6000型地质超前预报技术首次在三峡翻坝高速公路的隧道开展了地质超前预报工作。

以下介绍的工程实例即为在翻坝高速公路某隧道中的工程技术应用。

3.1　传感器布设T R T 超前预报在隧道中采用三维空间布置传感器,一点激发,多点接收。

然后多次重复该过程,在不同的位置激发地震波,得到多组地震波传播数据,运用专业运算程序对其进行数据处理,得到三维空间分布的反射能量图像。

T R T 工作原理与传感器的布置如图4、5所示。

图4　T R T 6000超前预报系统工作原理示意图F i g .4　W o r k i n g p r i n c i p l eo f T R T 6000a d v a n c e d f o r e c a s t s y s t e m地震波采集采用加速度传感器接收地震信号,传感器布置在隧道洞身的三维空间内,采用无线信号传输模式。

采用全站仪测量传感器布置点与震源激发点的大地坐标,精确到10c m 内。

3.2　震源激发震源激发方法采用锤击,敲击隧道掌子面附近边墙处,激发地震波。

在不同的位置锤击,获得多组地震传播数据,确保数据处理软件得到最丰富的地震信号图5　T R T 6000震源及传感器布置图F i g .5　L a y o u t o f T R T 6000s e i s m i c s o u r e a n ds e n s o r s信息。

3.3　数据处理获得的地震波数据,导入专业数据处理软件,进行数据处理,处理流程如图6所示。

图6　数据处理流程图F i g .6　F l o wo f d a t a p r o c e s s i n g3.4　数据成果经过数据处理后,得到三维反射层析成像图,如图7所示。

图7　T R T 隧道三维反射层析成像效果图F i g .7　D r a w i n g s h o w i n g 3Dr e f l e c t e dt o m o g r a p h y o f t u n n e l a f t e rd a t a p r o ce s s i n gb y T R T通过软件图像显示程序,可以任意角度的旋转观306资源环境与工程2009年　察反射区域的形态,能最大限度地对地质构造异常进行分析解释。

由三维反射层析成像图7可见:隧道在约72～80m 存在着一组围岩相对较破碎区域,反射面较多,从图区上观察破碎异常区域三维图像呈垂直隧道走向分布,但是这并不代表反射介面是直立的,因为软件处理是按照一组组的切面进行运算处理,因此必须考虑软件计算对异常形态的影响,要根据整个异常形态来分析解释。

4　T R T 技术的优点及存在的问题T R T 超前预报系统由美国西斯陆公司制造,T R T 的优点在于其采用三维数据处理,清楚直观的反映地质体异常情况,能更有效地对反射异常区域进行识别与解释。

其次T R T 在地震数据采集上实现无线传输,更有效和便捷;T R T 不使用炸药作为激发震源,减少对隧道本身的损坏,降低了现场作业的风险。

但是据作者了解,T R T 地质超前预报系统也存在一些问题。

T R T 系统要在三维空间内布置传感器,因此必须使用升降设备将传感器安装在隧道的拱顶、拱腰等位置,而且必须测量出T R T 的三维大地坐标(精确到10c m 以内),这给预报作业又增加了一定的难度。

另外,T R T 采用锤击震源激发地震波,要求传感器灵敏度高以便更好地接受地震波信号,但是传感器接收到的外界干扰噪声的能量与采集信号的灵敏度高低是成正比的,如何消除干扰是有待解决的问题。

5　T R T 技术的发展前景T R T 技术是中国最新引进的一项三维地质超前预报地质技术,采用锤击震源,其安全性较其它的长距离超前预报技术要高,因此,T R T 技术能应用于一些禁止明火的隧道工程(煤矿等)、城市地下轨道交通、海底隧道等,在中国的应用前景非常广泛。