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TRT6000超前地质预报系统在铁路隧道施工中的应用齐 莹 (中铁十九局集团有限公司，北京 100176 ) 摘 要：结合TRT6000超前地质预报系统在云桂铁路中的实际应用，着重论述了这种地质预报方法的工作原理、判断步骤及其优缺点等。结合实际工况，对围岩中的裂隙、裂隙水和层理发育情况等的三维解析图进行了判断。精确的探测预报在广西云桂铁路多座隧道的施工过程中发挥了指导作用。 关键词：TRT6000超前地质预报；三维图；地质异常体；判断 当前最常用的超前地质预报技术有地质调查法，包括洞外的补充地质勘探和洞内的地质素描；钻探法，包括超长水平地质钻探；物理勘探法，包括TSP-320探测法、地质雷达法、陆地声纳法、红外线探测法、HSP水平声波法和本文介绍的TRT6000层析扫描法等。这些超前地质预报技术方法各异，使用的仪器、设备也各不相同。本文主要介绍TRT6000超前地质预报法基本原理和应用技术。 1 工作原理TRT(True Reflection Tomography)为“真正反射层析成像”的简称,是由美国NSA工程公司开发出来的一种地质预报方法。 TRT6000超前地质预报是采用锤击的方法在掌子面前方的围岩中产生地震波，地震波在向前传输的过程中遇到岩体性质发生改变的界面时会产生反射信号，用层析扫描成像技术形成三维图像，绘制出三维地层图，用来判断掌子面前方地层的地质缺陷和含水情况，准确地掌握掌子面前方的地质状况。这种预报方法成本低，操作方法简单，探测成果直观、准确，是当前比较先进的一种探测技术。 TRT6000超前地质预报系统由震源发生装置(击振点和锤)、地震波接收装置(高精度传感器)、信号接收器和处理装置(一台安装有信号采集和处理软件的笔记本)组成。主要部件有传感器10个、无线模块11个、无线通讯基站1个、触发器1个、主机1台。 TRT6000超前地质预报系统元件的主要技术指标为[1]：接收器端口，9个；记录通道，24个；采样间隔,31 us，64 us，125 us，250 us，500 us，1 000 us，2 000 us;记录带宽,40～15 000 Hz；模数转换，32位；记录长度，16 000采样数/每通道；频率范围，10～7 5000 Hz；测量精度，最好10 cm；低频过滤，25 Hz，35 Hz，50 Hz，70 Hz，100 Hz，140 Hz，200 Hz，280 Hz，400 Hz；高频过滤，250 Hz，500 Hz，1 000 Hz；延迟，0～9 999 ms，按毫秒级调节；工作电压，直流 12 V；外接电源，90～240 V ，50/60 Hz；探测距离，软岩中150 m，硬岩中300 m。 2 TRT6000超前地质预报法的优缺点2.1 优点[1] (1)与TSP-203超前地质预报系统相比，TRT6000超前地质预报系统用锤击作为引发地震波的震源，不使用耗材、操作方法简单，对操作人员的技术要求不高，不但探测成本低，还减少了微型爆破对隧道围岩产生的破坏。 (2)用锤击作为震源的施震方法具有可以重复利用的优点，可以在同一测点进行多次锤击，能够对反射信号进行多次甄选，也可以通过信号叠加，使异常体反射信号更加明显，得到最好的三维图像。 (3)TRT6000超前地质预报系统采用高精度的加速检波器作为传感器，其灵敏度较高，达到0.5 V/g，能够最大程度地保留高频信号，提高了探测精度和探测距离。与其它的超前地质预报系统相比，由于它们一般使用速度传感器，其灵敏度只有1 V/g,很容易造成高频信号损失。 (4)TRT6000超前地质预报系统采用的层析扫描图像处理技术，能够绘制出三维立体图像；系统的传感器采用立体布点的方式布置(在隧道两侧边墙的不同高度布置8个传感器，在拱顶部布置2个传感器)，因此可以获得更真实的三维立体图像，能够描绘出隧道水平和垂直方向的所有异物，能够从多个角度直观地显现出这些异常体的位置、形态、大小，能够准确地进行缺陷诊断，使成果分析更加准确。 (5)TRT6000超前地质预报系统所使用的传感器和数据采集器之间采用无线连接，使检测装备重量减小，操作更简单。 2.2 缺点 (1)TRT6000超前地质预报系统所使用的仪器构造复杂，采集数据前的准备工作需要较长的时间。 (2)TRT6000超前地质预报系统所采集的数据容易受到一些外来因素的干扰。如锤击的力度不均匀、边墙混凝土的强度不均匀、测点位置不妥当等，都会影响数据的采集质量，自然会影响成果的分析。 (3)由于锤击的能量比较小，引起的地震波比较轻微，在传导的过程中很容易被破碎带等不良地质体吸收，导致预报长度较短。 3 实施方法3.1 确定击振点的位置 击振点要选在掌子面后面噴射混凝土强度达到100%以上的初期支护上，要避开拱架。两侧边墙上各布置两排、每排3个共12个击振点，第1排从距掌子面1 m开始，按0．5 m的环向间距布置2×3个击振点；第2排距第1排2 m，也按0．5 m的环向间距布置2×3个击振点。 3.2 安装传感器 从最后一个击振点向后退10～20 m开始安装传感器，10个传感器按5 m的纵向间距分成4排安装。从第1排到第4排分别安装2个、3个、2个、3个传感器。第1排和第3排的2个传感器分别按高出隧道地面1.5 m的高度对称地安装在隧道左右两侧的边墙上；第2排和第4排3个传感器中的1个安装在拱顶的中线上，另外2个分别按高出隧道地面0.5 m的高度对称地安装在隧道左右两侧的边墙上。传感器要安装在噴混凝土强度达到100%的初期支护上，并要避开拱架。安装时先要把初支表面凿平，用8 mm钻头钻60 mm深的孔，用膨胀快干水泥把固定块粘贴在拱顶或边墙上，传感器用螺栓安装在固定块上，从而实现传感器和岩体的紧密耦合。安装传感器时要将其接线留在隧道前进方向的相反一侧，待粘贴传感器固定块的快干水泥完全凝固以后才能进行数据采集。 3.3 数据预处理 要把隧道开挖轮廓线的尺寸数据、击振点和传感器的位置坐标数据、掌子面中心点坐标、最后一排传感器所在断面的中心点坐标等数据输入预处理软件，先在电脑中模拟出隧道的三维立体图形，为后续软件分析做好准备。 3.4 探测 打开电脑，连通仪器，调试接收软件，检查接收软件中11个传感器的显示器是不是全部是绿灯(多出的1个传感器是接收基站的)，要保证所有的传感器和锤头上的触发器都能正常工作。用8磅锤(锤柄长1.0 m，普通壮劳力抡锤敲打)打击击振点，每个击振点锤击3次。对锤击频率和锤击产生振动振幅的要求是根据接收到波形的好坏、首波有无明显畸变或信号强弱来判断击振效果。频率是每个击振点敲击3下，每次击振后要等待仪器接收信号完毕以后再进行下一次敲击。12个击振点每个敲击3下，共采集36个信号→数据采集→记录信号编号。探测时要停止掌子面前的施工使现场保持平静，避免有其它震源存在。 3.5 后处理软件数据分析 数据采集和分析处理工作由O-RV3D软件完成。后处理软件数据分析按以下工作流程进行：下载地震波数据和震源、传感器位置坐标→设定地层成像区域和最佳精度→设计滤波器，提取直达波→计算平均波速→构建地震波速度模型→设定数据处理过滤参数→设定背景的比例和颜色代码→显示结果→分析岩层中探测到的异常体立体图→形成报告→出探测成果。 4 实际应用实例4.1 裂隙及裂隙水的探测实例 在实际隧道开挖过程中，围岩中最为常见的是构造裂隙。而裂隙水则与构造裂隙的分布密度、方向性、张开性、延伸性等情况有密切关系。在TRT6000超前地质预报系统中三维立体图像能对不同地质体进行判断，如岩体的软硬岩质变化、裂隙的密集情况等等。而对裂隙及裂隙水不容易区分，但可以与地质调查等相结合进行判断。 在云桂铁路六联隧道出口DK260+134断面上的一次TRT6000数据采集实际探测过程中，发现掌子面有少量滴水、边墙部分区域潮湿，此处探测得到的三维分析图像如图1所示。  图1 六联隧道出口裂隙及裂隙水探测三维分析图像 从六联隧道出口裂隙及裂隙水探测三维图像中可以看到，在距离掌子面20 m处的隧道右侧和掌子面前方60 m处的左侧两处圈定区域内，从其反射地震波图形可以分析得出，这两个区域内应该有裂隙发育。结合地质调查中发现的掌子面拱顶有滴水、边墙有渗水的情况，可以推测出图1中的两处圈定部位有裂隙，并有裂隙水发育。由于这一段围岩岩体为含夹层的泥岩，泥岩遇水易软化，而夹层中更容易存有裂隙水。因此可以预报隧道在这两处会遇到较大的裂隙水，可能会有落石、掉块的情况发生。当实际开挖到这两段时，果然在隧道的左侧和拱顶有裂隙水喷出，边墙大量渗水，随着裂隙水的喷出还有流泥和碎石涌出。由于提前得到了预报，施工中提前做好准备，采取了提前进行超前预注浆和加强超前支护和初期支护的措施进行处置，使这两段隧道施工得以顺利通过。 4.2 层理发育情况判断实例 在云桂铁路达康隧道进口DK263+311断面上的一次TRT6000数据采集实际探测过程中，得到了如图2所示的三维解析图。 本处隧道围岩以砂岩为主，颜色深浅相间处表示层理发育，层理分布情况如箭头所示，隧道左侧层理的层面随着隧道的前进方向逐渐向右延伸，并逐渐增多，因此隧道前方的岩体左侧随着隧道进尺的增加可能受到偏压。在这种情况下，由于隧道左右两侧承压压力不均匀，开挖过程中如果支护不当围岩很有可能发生掉块、支护变形甚至塌方的危险。因此建议施工过程中要缩短开挖进尺，加强支护，仰拱、二衬紧跟，加强对围岩的监控量测，警惕事故的发生。  图2 达康隧道层理发育探测情况三维分析图像 当隧道开挖到预定的位置时，果然是左侧层理极度发育，并且呈现出逐渐向右延伸的情况，岩层破碎，出现岩层偏压的征兆。施工中将开挖步距由原来的2.0 m调整为1.0 m，将初期支护的型钢钢架由原来的I18钢架改为全环的I20b钢架，喷射C25混凝土的厚度由250 mm调整为280 mm，加密了拱部(L=4.0 m的?25 mm中空注浆锚杆)和右侧边墙(L=4.0 m的?22 mm砂浆锚杆)的系统锚杆，将其环向×纵向间距由原来的1.2 m×1.2 m调整为1.0 m×1.0 m。由于施工中按照超前地质预报的建议，缩短了开挖进尺，及时调整了施工参数，隧道施工得以顺利通过，确保了施工安全和施工进度。 5 结束语TRT6000超前地质预报具有检测方法简单、对操作人员的技术水平要求不高、地层缺陷诊断准确、成果分析更加精准等优点。精确的探测预报在广西云桂铁路多座隧道的施工过程中充分发挥了预报和指导作用，保证了隧道施工安全。实践证明，在今后的隧道施工中，TRT6000层析扫描超前地质预报技术会有更广阔的应用和发展前景。 参考文献 [1]刘金德.浅谈TRT6000在黄土隧道中应用技术[J].铁道建筑技术,2012(7):94-98 On the Application of the TRT6000 Advanced Geological Forecasting System to the Construction of Railway TunnelsQi Ying (19th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100176,China) Abstract: With the practical application of the advanced geological forecasting system of TRT6000 to the Yun-Gui Railway as an example, the working principle,judging steps and the merits and demerits of the geological forecasting method are chiefly dealt with in detail in the paper. Combined with real construction situations,the 3-dimensional figures aboutthecracksinthesurroundingrock,crevicewaterandthedevelopmentofthebeddingarejudgedinthepaper.TheaccurateexploringandforecastingplayafullroleinthecourseoftheconstructionofseveraltunnelsoftheYun-GuiRailwayinGuangxi. Key words: advanced geological forecasting by means of TRT6000:3-dimensional figure; geologically abnormal body;judgment 中图分类号：U456.33 文献标识码：B 文章编号：1672-3953(2016)02-0078-04 DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.022 作者简介：齐 莹(1983—)，女，工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作 85963703@qq.com 收稿日期：2015-11-24 |
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