TRT超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用研究

何　云　金亞坤　鐘涌芳

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081；　2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院　長沙　410083)

TRT超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用研究

何云1金亞坤1鐘涌芳2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院長沙410083)

摘要TRT超前地質(zhì)預(yù)報方法具有操作簡便、測試速度快、成果直觀可靠等特點。以某地下工程為例，介紹TRT超前地質(zhì)探測系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用，通過對比圍巖實際開挖情況，驗證了該法良好的超前地質(zhì)預(yù)報效果。

關(guān)鍵詞超前地質(zhì)預(yù)報TRT地質(zhì)分析工程應(yīng)用

對于地下工程而言，其工程地質(zhì)條件是影響施工安全和工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。由于勘察設(shè)計的局限性，有時很難準(zhǔn)確掌握地下工程復(fù)雜的地質(zhì)條件，對于巖溶、斷層、斷裂破碎帶等不良地質(zhì)不能及時地制定有針對性的設(shè)計方案和施工措施。由于工程預(yù)防準(zhǔn)備措施的不足可能導(dǎo)致工程地質(zhì)災(zāi)害和問題的頻發(fā)，不僅嚴(yán)重影響了工程施工進(jìn)度，拖延施工工期，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時還會導(dǎo)致人員的傷亡，造成嚴(yán)重的社會影響。為了預(yù)防及降低不良地質(zhì)條件對地下工程產(chǎn)生的不利影響，在地下工程施工過程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作以指導(dǎo)工程施工是十分必要的[1-3]。

超前地質(zhì)預(yù)報能對掌子面前方的工程地質(zhì)條件進(jìn)行探測，查明掌子面前方是否存在斷層、斷裂破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)狀況，其對于提高地下工程施工效率，避免隧道突水、突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有十分重要的作用。地下工程超前地質(zhì)預(yù)報方法主要有地質(zhì)分析法、物探法、超前水平鉆探法及超前導(dǎo)洞法。目前，工程界常用的是物探法中的地震波法，其中TSP法[4-5]和TRT法[6-7]是地震波法中2種較為成熟的超前地質(zhì)預(yù)報方法。TRT超前地質(zhì)探測系統(tǒng)是由美國國家安全局研發(fā)，后經(jīng)美國C-Thru公司完善后推出的一種新的超前地質(zhì)探測系統(tǒng)。TRT超前地質(zhì)探測系統(tǒng)具有儀器便于攜帶和安裝，測試速度快；采用人工錘擊的方式觸發(fā)地震波信號，測試工作相比TSP法采用爆破振動而言既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)簡便；運(yùn)用層析掃描成像技術(shù)實現(xiàn)了對地質(zhì)體的空間觀測，圖像清晰便于理解等特點。因此，將TRT超前地質(zhì)探測系統(tǒng)運(yùn)用到地下工程的超前地質(zhì)預(yù)報中具有非常良好的實用價值。本文以某地下工程為例，具體介紹TRT超前地質(zhì)探測系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用，通過對比圍巖實際開挖情況，驗證了該法的使用效果。

1TRT超前地質(zhì)探測系統(tǒng)

TRT(truereflectiontomography)技術(shù)稱為真實反射層析掃描成像技術(shù)，其以地震波在介質(zhì)中的傳播特性為基礎(chǔ)而建立的超前探測技術(shù)，其主要由信號觸發(fā)模塊、信號接收模塊及信號分析模塊3大模塊組成。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r體中傳播若遭遇到不同波阻抗的界面時，地震波將會產(chǎn)生反射，以此可對聲學(xué)阻抗變化的界面進(jìn)行定位和分析。波阻抗變化的界面一般為巖層的分界面或者巖體中的不連續(xù)面，通過對反射地震波信號進(jìn)行分析，可探測出巷道前方是否存在軟弱破碎帶、斷層，以及掌握它們的位置和規(guī)模，以此實現(xiàn)地下工程的超前地質(zhì)預(yù)報。定義反射系數(shù)R為被反射的能量與總能量的比，其計算公式為

(1)

式中：ρ1和ρ2分別為地震波入射及地震波反射的巖層密度；V1和V2分別為地震波在信號入射及信號反射的巖體重的傳播速度；ρ1V1和ρ2V2分別為信號入射及信號反射的巖體的波阻抗。反射系數(shù)為正，表明地震波從低阻抗巖層傳播到高阻抗巖層；反射系數(shù)為負(fù)，表明地震波從高阻抗巖層傳播到低阻抗巖層。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ绍浶缘刭|(zhì)體傳播到硬性地質(zhì)體時，入射波和反射波的偏轉(zhuǎn)極性是一致的。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ捎残缘刭|(zhì)體傳播到軟性地質(zhì)體時，反射系數(shù)為負(fù)，表明入射波和反射波之間存在著180°的相位差，反射波的極性會發(fā)生反轉(zhuǎn)。若地質(zhì)界面規(guī)模越大，兩側(cè)巖體波阻抗差異越大，反射波就越明顯，地質(zhì)界面就越容易探測到。基于反射波能量的大小，TRT在巖質(zhì)隧道中有效探測距離可達(dá)100～150m，在軟弱土層及破碎巖體中其有效探測距離為60～100m。

2工程應(yīng)用實例

某巷道工程圍巖主要為石炭系灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r，巷道掌子面巖體完整性較差。為了了解掌子面前方圍巖情況，制定有效的施工方案及避免突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生，運(yùn)用TRT6000超前地質(zhì)探測系統(tǒng)對該巷道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果見圖1。

圖1　TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果圖

通過TRT6000超前地質(zhì)探測系統(tǒng)的圖像顯示程序，可以實現(xiàn)以任意角度旋轉(zhuǎn)觀察探測結(jié)果，從而全方面地對探測結(jié)果作出解讀。圖1所示為不同視角下TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，圖中所示拱圈部分表示現(xiàn)有巷道，圖中最右邊的拱圈為巷道掌子面位置，掌子面左側(cè)前2列點為錘擊震源點位，后4列點表示傳感器布置點位；圖中深色塊體表示軟弱地質(zhì)體，淺色塊體為較完整巖體；圖中每個方格的邊長為10m。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料對TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進(jìn)行分析可知：巷道掌子面前方35m范圍內(nèi)，巷道圍巖與掌子面裸露圍巖情況相似，即以石炭系灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，裂隙發(fā)育并呈層狀分布；35～45m范圍內(nèi)，巷道施工將會遇到零星分布的更為堅硬的地質(zhì)體，根據(jù)掌子面圍巖情況，以少裂隙發(fā)育的石炭系灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主；45～47m范圍內(nèi)，將會出現(xiàn)破碎帶，圍巖穩(wěn)定性逐漸降低有可能遇到裂隙地下水區(qū)域；47～60m范圍內(nèi)，巷道將穿越破碎帶后重新進(jìn)入以裂隙不發(fā)育石炭系灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主、質(zhì)量較為優(yōu)良的圍巖地質(zhì)體中。60～75m范圍內(nèi)，將會出現(xiàn)零星分布的小體積軟弱破碎帶，綜合圍巖情況初步估計其對施工影響較小，危險性不大；75～85m范圍內(nèi)，將會出現(xiàn)體積和密度稍大的軟弱破碎帶，但其規(guī)模不大，對巷道施工影響不大。

對探測巷道在開挖后揭露的巖層工況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，并對揭露巖層進(jìn)行記錄，以對比探測預(yù)報的地質(zhì)巖層與真實的地質(zhì)巖層情況。真實巖層揭露情況見圖2。

圖2　巷道真實巖層揭露情況圖

結(jié)合圖2所示巷道巖層揭露情況，以探測掌子面為起點，開挖后真實地質(zhì)巖層情況為：0～35m范圍內(nèi)，巖層為灰?guī)r為主，夾層少量泥質(zhì)巖，整體性能較好，節(jié)理發(fā)育，無大型破碎區(qū)域；35～45m范圍內(nèi)，巖層以灰?guī)r為主，基本沒有其他夾層，節(jié)理方向一致，且有利于開挖施工，質(zhì)量較好；45～47m范圍內(nèi)，巖層屬于破碎地段，巖性主要為泥質(zhì)頁巖，強(qiáng)度低，泥質(zhì)風(fēng)化現(xiàn)象均較為普遍，支護(hù)難度大；47～60m范圍內(nèi)，圍巖強(qiáng)度較好，全部為灰?guī)r區(qū)域，基本完整無缺，成塊優(yōu)良，施工后可不支護(hù)，施工進(jìn)度快；60～75m范圍內(nèi)，圍巖整體性較好，但存在局部區(qū)域的破碎巖塊，分布較分散，產(chǎn)狀不明顯，對施工影響較??；75～85m范圍內(nèi)，基巖為灰?guī)r，局部夾雜泥化頁巖，但規(guī)模非常小，層狀分布明顯，圍巖質(zhì)量穩(wěn)固。

通過對比分析TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果和實際開挖揭露的巖層真實情況可知，TRT超前地質(zhì)探測結(jié)果與實際圍巖地質(zhì)情況基本吻合，TRT超前地質(zhì)預(yù)報效果良好，基本無偏差。

3結(jié)論

(1) 超前地質(zhì)預(yù)報在地下工程施工過程中的災(zāi)害防治及安全保障方面起到了十分重要的作用，是地下工程施工過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

(2)TRT超前地質(zhì)預(yù)報方法預(yù)測距離較長，采用錘擊的方式作為震源對隧道損壞小，運(yùn)用地震層析成像技術(shù)實現(xiàn)了預(yù)報結(jié)果的三維觀測，具有操作簡便、測試速度快、成果直觀可靠等特點。

(3) 通過將TRT運(yùn)用于某地下工程的超前地質(zhì)預(yù)報工作中，結(jié)合圍巖實際開挖情況對TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了TRT良好的超前地質(zhì)預(yù)報效果，對于類似工程具有一定的參考與借鑒價值。

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收稿日期：2014-09-30

ACombinedModelofRichardsModelandBPNeuralNetworkModelto
PredicttheSurfaceSubsidenceCharacteristics

Ren Yunzhi, Zhou Fei, Lu Pengyu

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Ground subsidence caused by mining is almost growth in an s-shaped curve, which tends to be stable at last, and it can be predicted and analyzed by applying Richards function curve. Because there will be uncertainty and randomness along with the measurement and external environment, which makes the characteristics of surface subsidence also be dynamic. According to the similarity of two curves which caused by underground rock ore mining and Richards prediction model curve, the applicability of the Richards model is analyzed to predict the surface subsidence in this paper. It is suggested that Richards model can be used to predict the trend parts deformation of the surface in the mining area, and BP neural network model can be used to re-correct random effect parts of it. The empirical results demonstrate that the proposed method has high prediction accuracy, and its feasibility and applicability in surface subsidence prediction is proved.

Key words:surface subsidence; predicting model; Richards-BP neural network model

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.033