TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用

齊 瑩

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176 )

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TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用

齊 瑩

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176 )

摘要：結(jié)合TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在云桂鐵路中的實(shí)際應(yīng)用，著重論述了這種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的工作原理、判斷步驟及其優(yōu)缺點(diǎn)等。結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)圍巖中的裂隙、裂隙水和層理發(fā)育情況等的三維解析圖進(jìn)行了判斷。精確的探測(cè)預(yù)報(bào)在廣西云桂鐵路多座隧道的施工過程中發(fā)揮了指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；三維圖；地質(zhì)異常體；判斷

當(dāng)前最常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有地質(zhì)調(diào)查法，包括洞外的補(bǔ)充地質(zhì)勘探和洞內(nèi)的地質(zhì)素描；鉆探法，包括超長(zhǎng)水平地質(zhì)鉆探；物理勘探法，包括TSP-320探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)法、陸地聲納法、紅外線探測(cè)法、HSP水平聲波法和本文介紹的TRT6000層析掃描法等。這些超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法各異，使用的儀器、設(shè)備也各不相同。本文主要介紹TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法基本原理和應(yīng)用技術(shù)。

1 工作原理

TRT(True Reflection Tomography)為“真正反射層析成像”的簡(jiǎn)稱,是由美國(guó)NSA工程公司開發(fā)出來的一種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是采用錘擊的方法在掌子面前方的圍巖中產(chǎn)生地震波，地震波在向前傳輸?shù)倪^程中遇到巖體性質(zhì)發(fā)生改變的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，用層析掃描成像技術(shù)形成三維圖像，繪制出三維地層圖，用來判斷掌子面前方地層的地質(zhì)缺陷和含水情況，準(zhǔn)確地掌握掌子面前方的地質(zhì)狀況。這種預(yù)報(bào)方法成本低，操作方法簡(jiǎn)單，探測(cè)成果直觀、準(zhǔn)確，是當(dāng)前比較先進(jìn)的一種探測(cè)技術(shù)。

TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)由震源發(fā)生裝置(擊振點(diǎn)和錘)、地震波接收裝置(高精度傳感器)、信號(hào)接收器和處理裝置(一臺(tái)安裝有信號(hào)采集和處理軟件的筆記本)組成。主要部件有傳感器10個(gè)、無線模塊11個(gè)、無線通訊基站1個(gè)、觸發(fā)器1個(gè)、主機(jī)1臺(tái)。

TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)元件的主要技術(shù)指標(biāo)為[1]：接收器端口，9個(gè)；記錄通道，24個(gè)；采樣間隔,31 us，64 us，125 us，250 us，500 us，1 000 us，2 000 us;記錄帶寬,40～15 000 Hz；模數(shù)轉(zhuǎn)換，32位；記錄長(zhǎng)度，16 000采樣數(shù)/每通道；頻率范圍，10～7 5000 Hz；測(cè)量精度，最好10 cm；低頻過濾，25 Hz，35 Hz，50 Hz，70 Hz，100 Hz，140 Hz，200 Hz，280 Hz，400 Hz；高頻過濾，250 Hz，500 Hz，1 000 Hz；延遲，0～9 999 ms，按毫秒級(jí)調(diào)節(jié)；工作電壓，直流 12 V；外接電源，90～240 V ，50/60 Hz；探測(cè)距離，軟巖中150 m，硬巖中300 m。

2TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)[1]

(1)與TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)相比，TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)用錘擊作為引發(fā)地震波的震源，不使用耗材、操作方法簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員的技術(shù)要求不高，不但探測(cè)成本低，還減少了微型爆破對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生的破壞。

(2)用錘擊作為震源的施震方法具有可以重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，可以在同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次錘擊，能夠?qū)Ψ瓷湫盘?hào)進(jìn)行多次甄選，也可以通過信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯，得到最好的三維圖像。

(3)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用高精度的加速檢波器作為傳感器，其靈敏度較高，達(dá)到0.5V/g，能夠最大程度地保留高頻信號(hào)，提高了探測(cè)精度和探測(cè)距離。與其它的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)相比，由于它們一般使用速度傳感器，其靈敏度只有1V/g,很容易造成高頻信號(hào)損失。

(4)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的層析掃描圖像處理技術(shù)，能夠繪制出三維立體圖像；系統(tǒng)的傳感器采用立體布點(diǎn)的方式布置(在隧道兩側(cè)邊墻的不同高度布置8個(gè)傳感器，在拱頂部布置2個(gè)傳感器)，因此可以獲得更真實(shí)的三維立體圖像，能夠描繪出隧道水平和垂直方向的所有異物，能夠從多個(gè)角度直觀地顯現(xiàn)出這些異常體的位置、形態(tài)、大小，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷診斷，使成果分析更加準(zhǔn)確。

(5)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)所使用的傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用無線連接，使檢測(cè)裝備重量減小，操作更簡(jiǎn)單。

2.2 缺點(diǎn)

(1)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)所使用的儀器構(gòu)造復(fù)雜，采集數(shù)據(jù)前的準(zhǔn)備工作需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

(2)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)容易受到一些外來因素的干擾。如錘擊的力度不均勻、邊墻混凝土的強(qiáng)度不均勻、測(cè)點(diǎn)位置不妥當(dāng)?shù)龋紩?huì)影響數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，自然會(huì)影響成果的分析。

(3)由于錘擊的能量比較小，引起的地震波比較輕微，在傳導(dǎo)的過程中很容易被破碎帶等不良地質(zhì)體吸收，導(dǎo)致預(yù)報(bào)長(zhǎng)度較短。

3 實(shí)施方法

3.1 確定擊振點(diǎn)的位置

擊振點(diǎn)要選在掌子面后面噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%以上的初期支護(hù)上，要避開拱架。兩側(cè)邊墻上各布置兩排、每排3個(gè)共12個(gè)擊振點(diǎn)，第1排從距掌子面1 m開始，按0．5 m的環(huán)向間距布置2×3個(gè)擊振點(diǎn)；第2排距第1排2 m，也按0．5 m的環(huán)向間距布置2×3個(gè)擊振點(diǎn)。

3.2 安裝傳感器

從最后一個(gè)擊振點(diǎn)向后退10～20 m開始安裝傳感器，10個(gè)傳感器按5 m的縱向間距分成4排安裝。從第1排到第4排分別安裝2個(gè)、3個(gè)、2個(gè)、3個(gè)傳感器。第1排和第3排的2個(gè)傳感器分別按高出隧道地面1.5 m的高度對(duì)稱地安裝在隧道左右兩側(cè)的邊墻上；第2排和第4排3個(gè)傳感器中的1個(gè)安裝在拱頂?shù)闹芯€上，另外2個(gè)分別按高出隧道地面0.5 m的高度對(duì)稱地安裝在隧道左右兩側(cè)的邊墻上。傳感器要安裝在噴混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%的初期支護(hù)上，并要避開拱架。安裝時(shí)先要把初支表面鑿平，用8 mm鉆頭鉆60 mm深的孔，用膨脹快干水泥把固定塊粘貼在拱頂或邊墻上，傳感器用螺栓安裝在固定塊上，從而實(shí)現(xiàn)傳感器和巖體的緊密耦合。安裝傳感器時(shí)要將其接線留在隧道前進(jìn)方向的相反一側(cè)，待粘貼傳感器固定塊的快干水泥完全凝固以后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

要把隧道開挖輪廓線的尺寸數(shù)據(jù)、擊振點(diǎn)和傳感器的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、掌子面中心點(diǎn)坐標(biāo)、最后一排傳感器所在斷面的中心點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)輸入預(yù)處理軟件，先在電腦中模擬出隧道的三維立體圖形，為后續(xù)軟件分析做好準(zhǔn)備。

3.4 探測(cè)

打開電腦，連通儀器，調(diào)試接收軟件，檢查接收軟件中11個(gè)傳感器的顯示器是不是全部是綠燈(多出的1個(gè)傳感器是接收基站的)，要保證所有的傳感器和錘頭上的觸發(fā)器都能正常工作。用8磅錘(錘柄長(zhǎng)1.0 m，普通壯勞力掄錘敲打)打擊擊振點(diǎn)，每個(gè)擊振點(diǎn)錘擊3次。對(duì)錘擊頻率和錘擊產(chǎn)生振動(dòng)振幅的要求是根據(jù)接收到波形的好壞、首波有無明顯畸變或信號(hào)強(qiáng)弱來判斷擊振效果。頻率是每個(gè)擊振點(diǎn)敲擊3下，每次擊振后要等待儀器接收信號(hào)完畢以后再進(jìn)行下一次敲擊。12個(gè)擊振點(diǎn)每個(gè)敲擊3下，共采集36個(gè)信號(hào)→數(shù)據(jù)采集→記錄信號(hào)編號(hào)。探測(cè)時(shí)要停止掌子面前的施工使現(xiàn)場(chǎng)保持平靜，避免有其它震源存在。

3.5 后處理軟件數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集和分析處理工作由O-RV3D軟件完成。后處理軟件數(shù)據(jù)分析按以下工作流程進(jìn)行：下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置坐標(biāo)→設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度→設(shè)計(jì)濾波器，提取直達(dá)波→計(jì)算平均波速→構(gòu)建地震波速度模型→設(shè)定數(shù)據(jù)處理過濾參數(shù)→設(shè)定背景的比例和顏色代碼→顯示結(jié)果→分析巖層中探測(cè)到的異常體立體圖→形成報(bào)告→出探測(cè)成果。

4 實(shí)際應(yīng)用實(shí)例

4.1 裂隙及裂隙水的探測(cè)實(shí)例

在實(shí)際隧道開挖過程中，圍巖中最為常見的是構(gòu)造裂隙。而裂隙水則與構(gòu)造裂隙的分布密度、方向性、張開性、延伸性等情況有密切關(guān)系。在TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中三維立體圖像能對(duì)不同地質(zhì)體進(jìn)行判斷，如巖體的軟硬巖質(zhì)變化、裂隙的密集情況等等。而對(duì)裂隙及裂隙水不容易區(qū)分，但可以與地質(zhì)調(diào)查等相結(jié)合進(jìn)行判斷。

在云桂鐵路六聯(lián)隧道出口DK260+134斷面上的一次TRT6000數(shù)據(jù)采集實(shí)際探測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)掌子面有少量滴水、邊墻部分區(qū)域潮濕，此處探測(cè)得到的三維分析圖像如圖1所示。

圖1 六聯(lián)隧道出口裂隙及裂隙水探測(cè)三維分析圖像

從六聯(lián)隧道出口裂隙及裂隙水探測(cè)三維圖像中可以看到，在距離掌子面20 m處的隧道右側(cè)和掌子面前方60 m處的左側(cè)兩處圈定區(qū)域內(nèi)，從其反射地震波圖形可以分析得出，這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)該有裂隙發(fā)育。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的掌子面拱頂有滴水、邊墻有滲水的情況，可以推測(cè)出圖1中的兩處圈定部位有裂隙，并有裂隙水發(fā)育。由于這一段圍巖巖體為含夾層的泥巖，泥巖遇水易軟化，而夾層中更容易存有裂隙水。因此可以預(yù)報(bào)隧道在這兩處會(huì)遇到較大的裂隙水，可能會(huì)有落石、掉塊的情況發(fā)生。當(dāng)實(shí)際開挖到這兩段時(shí)，果然在隧道的左側(cè)和拱頂有裂隙水噴出，邊墻大量滲水，隨著裂隙水的噴出還有流泥和碎石涌出。由于提前得到了預(yù)報(bào)，施工中提前做好準(zhǔn)備，采取了提前進(jìn)行超前預(yù)注漿和加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)的措施進(jìn)行處置，使這兩段隧道施工得以順利通過。

4.2 層理發(fā)育情況判斷實(shí)例

在云桂鐵路達(dá)康隧道進(jìn)口DK263+311斷面上的一次TRT6000數(shù)據(jù)采集實(shí)際探測(cè)過程中，得到了如圖2所示的三維解析圖。

本處隧道圍巖以砂巖為主，顏色深淺相間處表示層理發(fā)育，層理分布情況如箭頭所示，隧道左側(cè)層理的層面隨著隧道的前進(jìn)方向逐漸向右延伸，并逐漸增多，因此隧道前方的巖體左側(cè)隨著隧道進(jìn)尺的增加可能受到偏壓。在這種情況下，由于隧道左右兩側(cè)承壓壓力不均勻，開挖過程中如果支護(hù)不當(dāng)圍巖很有可能發(fā)生掉塊、支護(hù)變形甚至塌方的危險(xiǎn)。因此建議施工過程中要縮短開挖進(jìn)尺，加強(qiáng)支護(hù)，仰拱、二襯緊跟，加強(qiáng)對(duì)圍巖的監(jiān)控量測(cè)，警惕事故的發(fā)生。

圖2　達(dá)康隧道層理發(fā)育探測(cè)情況三維分析圖像

當(dāng)隧道開挖到預(yù)定的位置時(shí)，果然是左側(cè)層理極度發(fā)育，并且呈現(xiàn)出逐漸向右延伸的情況，巖層破碎，出現(xiàn)巖層偏壓的征兆。施工中將開挖步距由原來的2.0 m調(diào)整為1.0 m，將初期支護(hù)的型鋼鋼架由原來的I18鋼架改為全環(huán)的I20b鋼架，噴射C25混凝土的厚度由250 mm調(diào)整為280 mm，加密了拱部(L=4.0 m的?25 mm中空注漿錨桿)和右側(cè)邊墻(L=4.0 m的?22 mm砂漿錨桿)的系統(tǒng)錨桿，將其環(huán)向×縱向間距由原來的1.2 m×1.2 m調(diào)整為1.0 m×1.0 m。由于施工中按照超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的建議，縮短了開挖進(jìn)尺，及時(shí)調(diào)整了施工參數(shù)，隧道施工得以順利通過，確保了施工安全和施工進(jìn)度。

5 結(jié)束語

TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求不高、地層缺陷診斷準(zhǔn)確、成果分析更加精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。精確的探測(cè)預(yù)報(bào)在廣西云桂鐵路多座隧道的施工過程中充分發(fā)揮了預(yù)報(bào)和指導(dǎo)作用，保證了隧道施工安全。實(shí)踐證明，在今后的隧道施工中，TRT6000層析掃描超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉金德.淺談TRT6000在黃土隧道中應(yīng)用技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2012(7):94-98

On the Application of the TRT6000 Advanced Geological Forecasting System to the Construction of Railway Tunnels

Qi 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

中圖分類號(hào)：U456.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0078-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.022

作者簡(jiǎn)介：齊瑩(1983—)，女，工程師，主要從事土木工程施工技術(shù)管理工作85963703@qq.com

收稿日期：2015-11-24