TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081；　2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院　長(zhǎng)沙　410083)

TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院長(zhǎng)沙410083)

摘要TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試速度快、成果直觀可靠等特點(diǎn)。以某地下工程為例，介紹TRT超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)比圍巖實(shí)際開(kāi)挖情況，驗(yàn)證了該法良好的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。

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

對(duì)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(jì)的局限性，有時(shí)很難準(zhǔn)確掌握地下工程復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)于巖溶、斷層、斷裂破碎帶等不良地質(zhì)不能及時(shí)地制定有針對(duì)性的設(shè)計(jì)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(wèn)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(shí)還會(huì)導(dǎo)致人員的傷亡，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。為了預(yù)防及降低不良地質(zhì)條件對(duì)地下工程產(chǎn)生的不利影響，在地下工程施工過(guò)程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào)能對(duì)掌子面前方的工程地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)，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(duì)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(bào)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(bào)方法。TRT超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)是由美國(guó)國(guó)家安全局研發(fā)，后經(jīng)美國(guó)C-Thru公司完善后推出的一種新的超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)。TRT超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)具有儀器便于攜帶和安裝，測(cè)試速度快；采用人工錘擊的方式觸發(fā)地震波信號(hào)，測(cè)試工作相比TSP法采用爆破振動(dòng)而言既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便；運(yùn)用層析掃描成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)體的空間觀測(cè)，圖像清晰便于理解等特點(diǎn)。因此，將TRT超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用到地下工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中具有非常良好的實(shí)用價(jià)值。本文以某地下工程為例，具體介紹TRT超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)比圍巖實(shí)際開(kāi)挖情況，驗(yàn)證了該法的使用效果。

1TRT超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)

TRT(truereflectiontomography)技術(shù)稱為真實(shí)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(cè)技術(shù)，其主要由信號(hào)觸發(fā)模塊、信號(hào)接收模塊及信號(hào)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(shí)，地震波將會(huì)產(chǎn)生反射，以此可對(duì)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(guò)對(duì)反射地震波信號(hào)進(jìn)行分析，可探測(cè)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(shí)現(xiàn)地下工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。定義反射系數(shù)R為被反射的能量與總能量的比，其計(jì)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(hào)入射及信號(hào)反射的巖體重的傳播速度；ρ1V1和ρ2V2分別為信號(hào)入射及信號(hào)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(cè)到?；诜瓷洳芰康拇笮?，TRT在巖質(zhì)隧道中有效探測(cè)距離可達(dá)100～150m，在軟弱土層及破碎巖體中其有效探測(cè)距離為60～100m。

2工程應(yīng)用實(shí)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(cè)系統(tǒng)對(duì)該巷道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果圖

通過(guò)TRT6000超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)的圖像顯示程序，可以實(shí)現(xiàn)以任意角度旋轉(zhuǎn)觀察探測(cè)結(jié)果，從而全方面地對(duì)探測(cè)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(bào)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(diǎn)為錘擊震源點(diǎn)位，后4列點(diǎn)表示傳感器布置點(diǎn)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(gè)方格的邊長(zhǎng)為10m。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料對(duì)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(huì)遇到零星分布的更為堅(jiān)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(huì)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(huì)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(jì)其對(duì)施工影響較小，危險(xiǎn)性不大；75～85m范圍內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)體積和密度稍大的軟弱破碎帶，但其規(guī)模不大，對(duì)巷道施工影響不大。

對(duì)探測(cè)巷道在開(kāi)挖后揭露的巖層工況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，并對(duì)揭露巖層進(jìn)行記錄，以對(duì)比探測(cè)預(yù)報(bào)的地質(zhì)巖層與真實(shí)的地質(zhì)巖層情況。真實(shí)巖層揭露情況見(jiàn)圖2。

圖2　巷道真實(shí)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(cè)掌子面為起點(diǎn)，開(kāi)挖后真實(shí)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(wú)大型破碎區(qū)域；35～45m范圍內(nèi)，巖層以灰?guī)r為主，基本沒(méi)有其他夾層，節(jié)理方向一致，且有利于開(kāi)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(yè)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(wú)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(duì)施工影響較??；75～85m范圍內(nèi)，基巖為灰?guī)r，局部夾雜泥化頁(yè)巖，但規(guī)模非常小，層狀分布明顯，圍巖質(zhì)量穩(wěn)固。

通過(guò)對(duì)比分析TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際開(kāi)挖揭露的巖層真實(shí)情況可知，TRT超前地質(zhì)探測(cè)結(jié)果與實(shí)際圍巖地質(zhì)情況基本吻合，TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果良好，基本無(wú)偏差。

3結(jié)論

(1) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在地下工程施工過(guò)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(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

(2)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法預(yù)測(cè)距離較長(zhǎng)，采用錘擊的方式作為震源對(duì)隧道損壞小，運(yùn)用地震層析成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)結(jié)果的三維觀測(cè)，具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試速度快、成果直觀可靠等特點(diǎn)。

(3) 通過(guò)將TRT運(yùn)用于某地下工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，結(jié)合圍巖實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了TRT良好的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果，對(duì)于類似工程具有一定的參考與借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李術(shù)才,劉斌,孫懷鳳,等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(6):1090-1113.

[2]劉招偉,張民慶,王樹(shù)仁.巖溶隧道災(zāi)害預(yù)測(cè)與處治技術(shù)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2007.

[3]肖書(shū)安,吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測(cè)技術(shù)[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004(2):159-165.

[4]李利平,石少帥,李術(shù)才.特長(zhǎng)深埋隧道裂隙水綜合預(yù)測(cè)方法與應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013(3):603-609.

[5]許振浩,李術(shù)才,張慶松,等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地震波反射特性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008(4):640-644.

[6]王明華,王國(guó)斌,利奕年.TRT在巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[J]水資源與工程學(xué)報(bào),2012(5):40-42.

[7]相興華,鄧小鵬,王鵬.TRT在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012(6):1282-1286.

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