TRT技術(shù)在高鐵山嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

在勘察設(shè)計(jì)階段，受勘察精度的限制，一般只能查明重要的工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)施工影響重大的不良地質(zhì)體，難以完整詳細(xì)地查明全隧的工程地質(zhì)條件。在施工階段，應(yīng)該做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，實(shí)施信息化施工，不斷反饋施工地質(zhì)信息并指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。高速鐵路山嶺隧道斷面大，快速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)工作面前方圍巖地質(zhì)特征尤其是不良地質(zhì)體是隧道安全施工的重要保障[1-3]，也是加快隧道掘進(jìn)和開(kāi)展隧道變更設(shè)計(jì)的重要技術(shù)支撐。

TRT技術(shù)是20世紀(jì)60年代由美國(guó)國(guó)家安全局研發(fā)的地震波發(fā)射追蹤及掃描成像技術(shù)。美國(guó)C-Thru-Ground公司利用該技術(shù)成功研發(fā)了TRT6000型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[4]，在國(guó)外Blisadona隧道首次應(yīng)用，在堅(jiān)硬的結(jié)晶巖地段可預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為100～150 m[5]。我國(guó)京滬高鐵張嘎隧道施工引進(jìn)了TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[6]，之后在鐵路、公路、水利、采礦等行業(yè)陸續(xù)采用，并取得了較好的效果[7，8]。

TRT技術(shù)作為一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，具有傳感器靈敏度高、作業(yè)方便、可準(zhǔn)確探測(cè)地質(zhì)體三維特征等優(yōu)點(diǎn)。

1 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

1.1 原理方法

TRT的英文名稱(chēng)為“Ture Reflection Tomocraphy”，是一種地震波反射層析成像技術(shù)。該技術(shù)的基本原理：

當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅接形锾讲町惖牡貙咏缑婊驇r體不連續(xù)界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，利用靈敏度較高的地震信號(hào)傳感器接收反射回來(lái)的地震信號(hào)，經(jīng)過(guò)地質(zhì)解譯，從而查明隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模[9]。

1.2 預(yù)報(bào)測(cè)試過(guò)程

TRT6000地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)震源和檢波器采用三維立體布置(見(jiàn)圖1)。預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)，在隧道圍巖布置的震源點(diǎn)上進(jìn)行人工錘擊，產(chǎn)生地震波，同時(shí)觸發(fā)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程模塊下達(dá)指令并把接收到的地震波數(shù)據(jù)傳回。系統(tǒng)儀器連接見(jiàn)圖2。

1.3 預(yù)報(bào)成果發(fā)布

通過(guò)數(shù)據(jù)處理可得到清晰的物探異常體層析掃描三維圖像，其處理過(guò)程如下：首先確定一個(gè)背景場(chǎng)，然后依據(jù)相對(duì)解釋原理進(jìn)行地質(zhì)解譯工作，根據(jù)物探異常區(qū)域偏離背景區(qū)域值的距離來(lái)判釋隧道前方的地質(zhì)情況。一般把判釋為破碎以及可能含水的區(qū)域用藍(lán)色顯示，把判釋為可能堅(jiān)硬完整的圍巖用黃色顯示，結(jié)合背景波速分析進(jìn)行進(jìn)一步判定，并與區(qū)域地質(zhì)資料、工作面地質(zhì)素描資料以及加深炮孔資料的綜合分析相結(jié)合，可基本確定隧道前方及周邊不良地質(zhì)體的分布和工程地質(zhì)特征。

圖1 震源和檢波器的三維布置

圖2 儀器連接

2 工程概況與地質(zhì)條件

2.1 工程概況

青陽(yáng)隧道是濟(jì)青高鐵唯一一座山嶺隧道，穿越長(zhǎng)白山低山丘陵區(qū)，全長(zhǎng)10.1 km，為單洞雙線(xiàn)隧道，正洞縱斷面設(shè)“人”字坡，最大埋深為473 m，設(shè)計(jì)速度為350 km/h。

2.2 地質(zhì)條件

隧址區(qū)地層主要為第四系上更新坡洪積(Q3dl+pl)黏質(zhì)新黃土、粗角礫土，以及白堊系下統(tǒng)青山組(K1q)安山巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖等。隧道洞身先后經(jīng)過(guò)2條大斷裂及12條斷層，斷層及斷層破碎帶附近容易發(fā)生涌水、涌泥現(xiàn)象，局部構(gòu)造應(yīng)力集中地段易發(fā)生巖爆，隧道斷面大，為高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

隧道圍巖主要為安山巖以及安山質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、熔結(jié)角礫凝灰?guī)r，為硬質(zhì)巖，整體圍巖工程性質(zhì)較好。受構(gòu)造影響，隧址區(qū)發(fā)育有多條斷層、斷層破碎帶以及節(jié)理密集帶，這些地段的富水部位容易發(fā)生涌水、涌泥現(xiàn)象，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)這些不良地質(zhì)體成為隧道安全和快速掘進(jìn)的重要保障。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案設(shè)計(jì)

青陽(yáng)隧道施工中，在隧道地面地質(zhì)調(diào)查、工作面素描、加深炮孔探測(cè)的基礎(chǔ)上，采用TRT6000隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)以及FLUCK56X型紅外探水設(shè)備進(jìn)行超前探測(cè)。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)地段，采用超前水平鉆進(jìn)行超前鉆探，綜合各種手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)地震法物探手段，對(duì)TRT與TSP兩種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段進(jìn)行了比選，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 TRT與TSP兩種物探方法對(duì)比情況

青陽(yáng)隧道為濟(jì)青高鐵控制性工程，工期緊張，要求超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)洞內(nèi)施工的干擾越小越好。另外，青陽(yáng)隧道以硬質(zhì)巖為主，地震波傳播速度高，能量衰減慢，錘擊產(chǎn)生的反射波信號(hào)可以滿(mǎn)足TRT接收信號(hào)要求。經(jīng)綜合考慮后，選用TRT技術(shù)作為該隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段。

4 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用

4.1 圍巖地質(zhì)特征

經(jīng)過(guò)鉆探和地質(zhì)調(diào)查，查明DK43+364.6～DK43+499段落圍巖巖性為安山巖，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，硬質(zhì)巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，呈巨塊或大塊狀結(jié)構(gòu)。利用天然源音頻大地電磁法(AMT)進(jìn)行探測(cè)得出，DK43+450～DK43+525段落為二類(lèi)物探異常區(qū)。綜合分析得出：DK43+364.6～DK43+450段落圍巖分級(jí)為Ⅱ級(jí)，DK43+450～DK43+499段落圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)。

4.2 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果

隧道開(kāi)挖至DK43+364后，利用TRT6000對(duì)DK43+364.6～DK43+499段落進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，得出段落縱波波速分布及三維地震反射界面分布(見(jiàn)圖3～圖6)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、工作面地質(zhì)素描資料以及加深炮孔資料進(jìn)行綜合分析，預(yù)報(bào)結(jié)果如下。

圖3 波速曲線(xiàn)

圖4 三維成像(側(cè)視)

圖5 三維成像(俯視)

圖6 三維成像(立體)

(1)里程DK43+364.6～DK43+427段：縱波波速約為4 100～4 200 m/s，波速整體較穩(wěn)定，三維成像圖無(wú)明顯異常區(qū)域，推測(cè)圍巖較完整，地下水不發(fā)育，預(yù)報(bào)圍巖分級(jí)為Ⅱ級(jí)。

(2)里程DK43+427～DK43+469段：縱波波速為4 200～3 800 m/s，三維成像局部呈現(xiàn)少許離散反射。推測(cè)圍巖巖體較破碎，穩(wěn)定性、完整性變差。預(yù)報(bào)圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)。

(3)里程DK43+469～DK43+499段：縱波波速為4 000～3 100 m/s，DK43+481以后波速在3 100 m/s附近震蕩變化，三維成像圖呈現(xiàn)強(qiáng)烈離散反射，黃色區(qū)域被藍(lán)色區(qū)域規(guī)律性切割，推測(cè)圍巖巖體破碎，節(jié)理密集帶發(fā)育，局部夾軟弱夾層，地下水較發(fā)育，穩(wěn)定性、完整性差，開(kāi)挖后支護(hù)不及時(shí)易發(fā)生坍塌。預(yù)報(bào)圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)。

4.3 施工掘進(jìn)后揭露圍巖地質(zhì)情況

(1)DK43+364.6～DK43+427段：揭露圍巖巖石為弱風(fēng)化安山巖，節(jié)理不發(fā)育-較發(fā)育，巖體較完整，地下水不發(fā)育，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖分級(jí)為Ⅱ級(jí)(見(jiàn)圖7)，隧道采用全斷面開(kāi)挖，初期支護(hù)措施主要為噴射混凝土。

圖7 DK43+390工作面

(2)DK43+427～DK43+469段：揭露圍巖巖石為弱風(fēng)化安山巖，節(jié)理發(fā)育-較發(fā)育，巖體較破碎，工作面濕潤(rùn)，巖土呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)，隧道開(kāi)挖采用臺(tái)階法，初期支護(hù)措施主要為施做系統(tǒng)錨桿并掛網(wǎng)噴射混凝土。

(3)DK43+469～DK43+490段：揭露圍巖巖石為弱風(fēng)化安山巖，節(jié)理發(fā)育，局部發(fā)育密集，巖體破碎-較破碎，工作面濕潤(rùn)，巖體呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)(見(jiàn)圖8)。隧道開(kāi)挖采用臺(tái)階法，但鑒于圍巖已經(jīng)開(kāi)始向差的方向轉(zhuǎn)變且與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的圍巖變化趨勢(shì)一致，決定縮短循環(huán)進(jìn)尺，加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)。

圖8 DK43+470工作面

(4)DK43+490以后：圍巖變差，巖石為強(qiáng)風(fēng)化安山巖，發(fā)育兩組節(jié)理，其中一組節(jié)理發(fā)育密集，節(jié)理交錯(cuò)切割巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，工作面右側(cè)局部有軟弱夾層，工作面滲滴水，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果得到驗(yàn)證。參建各方?jīng)Q定圍巖分級(jí)由原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)變更為Ⅳ級(jí)(見(jiàn)圖9)，隧道開(kāi)挖采用三臺(tái)階法并施作超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)措施，盡快施做仰拱并封閉成環(huán)，嚴(yán)格控制施工步距，加強(qiáng)洞內(nèi)各工序銜接。

圖9 DK43+490拱頂

5 TRT技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及注意事項(xiàng)

5.1 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)利用人工錘擊作為震源，環(huán)境污染小、預(yù)報(bào)成本低，縮短了預(yù)報(bào)輔助作業(yè)時(shí)間，降低了對(duì)施工工序的干擾。青陽(yáng)隧道TRT預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間一般為30～40 min。

(2)利用錘擊作為震源且可以在同一點(diǎn)上進(jìn)行重復(fù)錘擊，能夠最大限度地接收反射回來(lái)的高頻信號(hào)，提高了預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)距離。

(3)傳感器布置為三維立體方式，能充分獲取空間波場(chǎng)信息，可以準(zhǔn)確獲得工作面前方不良地質(zhì)體反射界面的三維特征，提高了定位精度。在青陽(yáng)隧道DK43+469～DK43+499段落預(yù)報(bào)成果的三維立體成像圖中，黃色區(qū)域被藍(lán)色區(qū)域規(guī)律性切割，真實(shí)反映了圍巖為兩組節(jié)理交錯(cuò)切割且節(jié)理中多夾有軟弱夾層的地質(zhì)特征。

5.2 注意事項(xiàng)

(1)TRT傳感器精度較高，對(duì)干擾噪聲能量的吸收也會(huì)增強(qiáng)，測(cè)試作業(yè)時(shí)必須完全停止能夠產(chǎn)生噪聲的工作面附近的洞內(nèi)施工工序。

(2)TRT需要用全站儀精確測(cè)量傳感器和震源點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)，隧道施工組織中應(yīng)為測(cè)量工作設(shè)計(jì)必要的條件，確保超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的及時(shí)發(fā)布。

[1] 荊志東.特長(zhǎng)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法研究[J].鐵道勘察，2005，31(3):46-48

[2] 宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國(guó)施工隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)述評(píng)[J] .地球物理學(xué)進(jìn)展，2006(2):605-613

[3] 中國(guó)鐵路總公司.Q/CR9217—2015 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015

[4] 喻虹霖.TRT6000在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015

[5] 趙永貴，劉浩，孫宇，等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2003，18(3):460-464

[6] 劉杰，廖春木.TRT技術(shù)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2011(4):77-79

[7] 羅宇，胡帥.王瓦水電站引水發(fā)電隧道TRT技術(shù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[J].資源環(huán)境與工程，2016，30(3):385-388

[8] 秦宏楠，張法勝，竇梅林，等.TRT技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013(11):78-82

[9] 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