劉泉聲，蔡光磊，馮志杰，靳久寧，李偉偉，畢 晨

(1.武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072；2.中國電建昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051；3.中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024)

隨著中國經濟的高速發(fā)展和現代隧道技術的成熟進步，我國隧道建設的難度和規(guī)模已在世界范圍內首屈一指。近兩年來公路鐵路、水利水電、煤炭礦山等各領域的隧道數量與總長迅速增長，鐵路、公路、地鐵甚至都達到了每年上千公里的增長速度[1]，隧道建設也正在向著長線路和大規(guī)模的方向發(fā)展，交通網路也會由東部逐步向西部山地高原地區(qū)縱向延伸[2]。

深長隧(巷)道是大型和特大型交通、礦山、水利工程建設的關鍵控制性工程，其建設安全制約著國家重大基礎設施建設的安全和進度。深長隧道施工過程中地質情況更加復雜多變，工程易受到裂隙、斷層、溶洞、軟硬夾層、軟弱破碎帶、高地應力等不良地質條件的影響，從而引發(fā)涌水、突泥、塌方等地質災害[3]。因此，深長隧道不良地質條件探查一直是隧道建設的難點問題，預測工作面前方的地質條件，針對不良地質條件及時采取防治措施，對于提高工程效率、減少經濟損失具有十分重要的意義。目前常用的隧道地質預報方法除傳統的地質調查(洞內地質素描和洞外補充地質勘探)和超前水平地質鉆探外，還包括地震發(fā)射法、電磁法、直流電法等各類地球物理勘探方法[4]。

然而，在實際應用過程中，深長隧道不良地質體的隱蔽性給隧道地質預報工作帶來了諸多困難，在實際工程中往往難以準確探明隧道前方不良地質體的賦存位置、規(guī)模、形態(tài)和性質。近年來，國內因地質預報能力不足而導致隧道工程經濟損失和工期延誤的事故偶有發(fā)生。譬如，泛亞鐵路通道玉溪至磨憨隧道段地質構造十分復雜,深大活動斷裂帶發(fā)育，軟巖變形、突泥涌水等地質災害頻發(fā)[5]。地質預報的失準影響了全線建設工期，對隧道施工作業(yè)人員的人身安全也構成了極大威脅，因此推進隧道地質預報技術研究工作迫在眉睫。

TRT技術是傳統地震波物探方法與新興三維巖石圖像技術的結合，新一代TRT7000地質預報系統在TRT6000的基礎上，對系統硬件和軟件均進行了優(yōu)化和升級，代表了目前國際地質預報領域的先進水平。本文以新疆某TBM輸水隧洞工程中的TRT7000現場勘測試驗結果為基礎，運用地質資料比對、巖體揭露情況比對、預報準確率統計等方法，綜合討論了其預報效果和實際應用價值，同時分析了該技術在現場勘測和后期處理過程中存在的實際問題，為進一步研究提供了可行的思路。

1 TRT7000系統簡介

1.1 探測原理

TRT技術基于地震波法原理，其利用地質巖層界面或巖體不連續(xù)界面的聲學阻抗(密度和波速的乘積)差異，判別不同地層結構和地質條件。反射系數是地震波法的重要參數，一般情況下，地震波入射到巖層邊界的反射系數計算公式如下[6]：

(1)

式中：R為反射系數；ρ1、ρ2為入射和透射巖層的密度；V1、V2為地震波在對應巖層中的波速。地震波法根據地震波原始數據的走時和振幅推算ρ和V，進而計算出R。

由式(1)可知，當地震波由低阻抗物質(軟巖)向高阻抗物質(硬巖)傳播時，反射系數為正，反之為負[7]。地質體規(guī)模越大，回波也越明顯，聲學阻抗差異越容易被探測到。

巖石三維圖像技術基于地震波法，是一項結合了層析掃描成像和全息巖土成像的反演技術，其通過分析地震波信號的波形變化來推算斷層、破碎帶、軟弱帶、巖溶、富水區(qū)等常見異常地質體信息，構建隧道地質三維結構圖。目前結合GOCAD軟件已經可以基本實現針對災害體發(fā)育部位和規(guī)模的精確預報[8]。該技術以地震波的疊加強度為基礎判定反射界面，采用地震偏移概率成像的方法進行預報[9]，基本原理如圖1所示。在數據處理過程中，以每對傳感器點和震源點的位置為橢球焦點，以波速與記錄走時的乘積為橢球常數，可以確定一個橢球體。足夠數量的橢球體可以在空間里形成一個橢球參數的數組，反射體位置可以由眾多橢球交匯疊加來確定[10]。

圖1 地震波信號交匯疊加確定反射體位置原理圖Fig.1 The intersection and superimposition of ellipsoids to determine the reflector position

1.2 系統硬件組成和布置原則

TRT7000主要硬件配置列舉如下[11]：1臺主機(內含一款地震波數據采集軟件和一款RV3D 處理與顯示軟件，用于存儲和處理地震波數據)；1個基站(用于連接主機并遠程控制無線模塊)；10個加速度傳感器(用于采集地震波信號)；11個無線模塊(包括1個基站模塊，用于實現地震波信號無線傳輸)；1套觸發(fā)器和觸發(fā)導線(用于啟動TRT系統進行數據采集)。

TRT系統震源和傳感器點位的布置需要綜合考慮隧道類型、施工方法、地層結構與性質、震源信號觸發(fā)操作等因素，常見震源與傳感器布置方式如圖2所示。震源點在靠近工作面處共布置2排，排間距2 m，共計12個。傳感器點在距離第二排震源點10～20 m處開始布置，共布置4排，排間距5 m，單雙數交替布置，共計10個。

圖2 TRT7000震源與傳感器基本布置方式Fig.2 Basic display of sensors and seismic sources

1.3 數據采集信號流

TRT7000數據采集信號流如圖3所示。首先在震源點錘擊產生地震波，錘柄處的觸發(fā)器產生觸發(fā)信號經導線傳輸至基站?；驹诮邮沼|發(fā)信號的同時，向無線模塊下達地震波信號采集命令。無線模塊即時將傳感器捕捉的地震波信號傳送至基站，基站通過數據線將地震波信號傳送至主機，最終完成地震波信號的顯示與記錄。

圖3 TRT7000數據采集信號流Fig.3 TRT 7000 signal stream of data collection

1.4 方法優(yōu)勢

對比其他同類方法，TRT7000系統主要具有以下優(yōu)越性：

(1)采用可重復利用、無耗材的錘擊震源，避免了炸藥震源對工程體的不良影響，勘測期間不影響隧道施工，節(jié)約了勘測成本和時間；

(2)采用無線模塊傳輸地震信號數據，儀器攜帶方便，連接簡單，操作安全；

(4)勘測距離遠，適用范圍廣，鐵路、公路、水利、礦山等領域均可應用；

(3)勘測結成果立體直觀，易于解譯斷層、破碎、富水帶、巖溶及采空區(qū)等地質體。

相較傳統物探方法而言，TRT方法操作便捷，勘測成本低廉，勘測距離較遠，針對斷層和破碎帶預報精度高，因此更加適合深長隧道地質預報，常見地質預報物探方法對比見表1。

表1 常見地質預報物探方法對比[12, 13]Tab.1 Comparison of common geophysical methods for geological prediction

2 TRT7000工程應用

2.1 工程概況

某輸水隧洞工程位于新疆境內，累計洞長41.823 km，標準洞徑5.3 m，隧洞斷面主要為圓形，局部斷面為馬蹄形，無壓流，采用現澆鋼筋混凝土襯砌。隧洞施工結合TBM和鉆爆法，其中TBM施工標段累計洞長32.842 km，最大埋深約2 200 m。

區(qū)域地質資料顯示，該地區(qū)為中高山臺地地貌，地層傾角中等至較陡，巖層擠壓褶皺強烈，次級褶皺和斷層發(fā)育。隧洞位于復雜構造帶中，穿越多條以壓性和壓扭性為主的較大斷層，在深部還存在一些隱伏的斷層和不整合接觸面。

輸水隧洞主體工程TBM施工標段穿過中高山區(qū)及分水嶺，地面高程1 750～3 777 m。隧洞最大埋深為2 268 m，小于500 m埋深的洞段僅占約0.5%，大于1 000 m埋深的洞段約占53.3%，大于2 000 m埋深的洞段約占14.4%。

2.2 現場勘測

該輸水隧洞TBM標段工期安排緊湊，施工速度快，對斷層破碎帶探測精度要求高，綜合考慮隧道圍巖條件和勘測成本等因素，最終選用TRT法作為物探地質預報手段。

TRT工作勘測主要在隧洞掘進機頂部的平臺上開展，受到工作空間范圍的限制，傳感器和震源有所調整，集中安裝在了隧道上半拱位置，如圖4所示。

圖4 實際TBM隧道震源與傳感器布置方式Fig.4 Actual display of sensors and seismic sources in TBM tunnel

勘測前，測量人員需首先測量震源點和傳感器點的三維坐標，相對坐標測量數據見表2；將主機和觸發(fā)器與基站連接，并按表3要求設置采集軟件參數，確認連接無誤后開始勘測。

表2 震源與傳感器點位坐標測量數據Tab.2 Coordinate data for sensor points and seismic source points

表3 采集軟件主要參數設置Tab.3 Main parameter settings of acquisition software

勘測時，錘擊震源點，選擇波形明顯、信噪比高的地震波數據進行保存。12個震源點各保存3組有效數據，共計36組(360條)地震波波形數據，勘測試驗現場如圖5所示。

圖5 TRT勘測試驗現場Fig.5 testing site of TRT7000

通過現場勘測獲取的基本數據主要包括點位三維坐標和地震波波形數據。

2.3 數據處理成果

首先將獲取的點位坐標和波形數據導入RV3D和RVI2T軟件，建立隧道模型后，通過波形初至拾取、直達波波速計算、背景波速設定、濾波器設置等操作最終得到如圖6所示的相對縱波(P波)波速曲線圖，及如圖7所示的TRT三維成像成果圖。圖中不同位置的相對縱波波速值是根據地震波信號某一波形傳播的時間，參考背景波速模型推算得到的；多條地震波信號的時間和振幅信息可被TRT系統疊加強化以確定空間位置的波速變化和阻抗變化。

圖6 相對縱波波速曲線圖Fig.6 relative longitudinal wave velocity line graph

圖7 TRT三維成像成果圖Fig.7 TRT 3D imaging structural diagram

TRT成果圖采用相對解釋原理進行，軟件設定圍巖相對背景值后，破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)等地質體會呈藍色顯示，硬質巖石則呈黃色顯示。對圍巖地質條件的判斷，不能單獨參照一個斷面的圖像，需要結合工程經驗從整體上對成像圖進行解釋。

通過綜合分析TRT三維成像成果圖、相對縱波波速曲線圖，可以得出如下結論：測試段(K17+861～K18+033洞段)預報范圍掌子面前方0～172 m，埋深 1 161～1 234 m，推測相對縱波波速4 647～5 827 m/s。預估待開挖隧洞圍巖完整性在較差至較好之間，應當注意不利結構面組合引起的塌腔。巖性以粉砂巖為主，夾少量細砂巖，以干燥巖石為主，局部富水區(qū)的巖石可能會出現滲水或滴水現象。

2.4 結果討論

2.4.1 地質資料比對

將K17+861～K18+033洞段的地質資料與TRT預報成果的主要信息進行比對(見表4)，可以看出TRT勘測結果與前期各類地質勘察結果對圍巖條件都有較明確的總體判斷。兩者的結果僅在斷層破碎帶位置的判斷上稍有不同，且三維地震 TRT探測結果在隧洞開挖后被證明更為精確。

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表4 地質資料與TRT預報比對Tab.4 Comparison of geological data with TRT prediction

2.4.2 巖體揭露情況

根據TRT預報和前期地勘報告建議，項目部迅速制定圍巖破碎帶施工預案，包括加密鋼筋混凝土襯砌等措施。測試段開挖后，現場圍巖結構為薄層狀，層理發(fā)育。取樣化驗測得該段巖性以含泥粉砂巖為主，夾有少量細砂巖和含炭泥質粉砂巖，主要礦物成分為石英(70%)、泥質成分(20%)和炭質成分(10%)。將試驗洞段巖體揭露情況與TRT預報結果進行分段比對，并按長度分段統計預報準確率，見表5。試驗洞段整體圍巖完整性較差，其中，K17+901-K17+976洞段節(jié)理裂隙發(fā)育，典型的塌腔和掉塊如圖8所示。

表5 巖體揭露與TRT預報比對Tab.5 Comparison of rock mass exposure and TRT prediction

圖8 K17+901～K17+976洞段的典型塌腔和掉塊Fig.8 Typical collapsing and falling zones of section K17+901～K17+976

2.4.3 總 結

試驗洞段預報成果與地質資料和隧洞開挖后的實際情況總體吻合，針對破碎帶和軟弱帶的預報準確率高。TRT7000具有優(yōu)良的數據精準度和實際探測效果，在隧道地質預報領域具有較高的實際應用價值。

3 TRT7000優(yōu)化分析

TRT技術雖已廣泛應用于各類隧道地質預報工作，但其在實際勘測過程中仍然存在一些漏報和失準問題，提升預報精準度的前提是找到影響勘測效果的主要原因并有針對性地進行研究改進。目前TRT7000主要應在現場勘測和后期處理兩個方面進行優(yōu)化。

3.1 現場勘測優(yōu)化

(1)震源穩(wěn)定性。錘擊震源有效避免了使用炸藥、風鎬、挖掘機等震源對勘測環(huán)境的不良影響，但現場人為控制的力度不均會導致單次錘擊震源的能量不均勻，錘擊過程容易觸碰支護鋼筋使地震信號失效，不穩(wěn)定的地震信號也會影響后期軟件處理過程中的整波和濾波，降低地質預報成果的準確度。值得注意的是，新型超磁致伸縮震源不僅具有體積小、頻率高、穩(wěn)定性好、可重復性好、走時讀數精度高、震源定位和地震波方向控制準確等優(yōu)點，而且克服了原本激發(fā)信號能量較弱、信號滯后、信噪比低等缺陷[14]，已經成為工程巖體檢測的理想探測震源。該震源已在工程巖體的地面檢測領域有廣泛的應用，在隧道地質預報領域也具有廣闊的應用前景。筆者建議TRT技術可將其標準震源推廣，其探測效果需在現場實踐中加以檢驗。

(2)傳感器耦合方法。TRT7000首次采用磁鐵緊密吸附固定塊與傳感器，簡化了傳感器安裝步驟，同時避免了固定塊與傳感器連接不緊密的問題。但當傳感器與巖壁耦合時，傳統耦合方法仍存在諸多局限性。譬如，速凝劑耦合不牢會導致傳感器脫落損壞，磁鐵耦合無法保證傳感器緊貼巖壁。本次勘測現場，勘測人員采用了將二者結合的方式，既能確保緊密耦合，又防止了傳感器損壞，提升了勘測效率。

(3)震源與傳感器點位布置。在現場勘測過程中，TRT技術仍需要不斷建立并完善不同類型隧道各自的震源與傳感器標準點位布設規(guī)范，同時研究特殊場地條件和工況下的點位布設方法，以提高勘測精準度。

3.2 后期處理問題

(1)軟件操作繁瑣。雖然TRT7000已將TRT6000中坐標轉化的兩步操作簡化為一步，后期數據處理步驟仍相當繁瑣，需要進行多次復制、黏貼，并在數據處理軟件RVI2T和RV3D中相互切換。采用適合的編程語言開發(fā)相關的數據預處理程序是解決該問題的可行思路。

(2)數據處理主觀性。TRT7000系統在數據處理過程中，需要針對單個地震波信號進行背景波速選擇、初至拾取，濾波器設置等操作。但實際操作過程中，受到操作人員經驗以及軟件使用習慣的影響，降低了成圖質量?；谡龖B(tài)分布的數據處理方法，將置信區(qū)間上下限值作為背景波波速錄入TRT系統，可在一定程度上克服了人為拾取背景波速的盲目性[15]。

(3)彈性波法局限性。彈性波法物探手段因其探測原理和探測精度的局限性，有時無法準確客觀地預報前方地質體情況，因故考慮將TRT7000與EH4大地電磁法、ISP、HSP等其他物探方法相結合進行綜合預報[16]，同時運用一系列隧道施工現場的快速分析與科學量化設計技術[17]，在合理控制勘測成本的前提下，得出更加全面、客觀、準確的地質預報，保障施工安全。

4 結 論

(1)TRT7000具有勘測距離遠，操作簡單便捷，對現場施工影響小，預報成果清晰直觀等優(yōu)點，在隧道地質預報領域具有較高的實際應用價值。

(2)新疆某輸水隧洞工程TRT7000地質預報勘測試驗結果表明，該技術預報準確率高，對發(fā)育節(jié)理、斷層破碎帶等不良地質現象分辨能力突出。

(3)現場探測過程中,合理布置點位，優(yōu)化傳感器安裝，選用穩(wěn)定震源，對提高TRT技術勘測精準度有重要作用；后期處理過程中，該技術仍然存在如何簡化軟件操作，如何消除人為因素，如何結合其他物探方法實現綜合地質預報等問題。

(4)在現有的TRT技術條件下，主觀干擾的影響仍然存在，開展綜合分析評判研究，將是未來關注的重要方向之一。