基于隧道施工中的地質(zhì)環(huán)境影響預(yù)報(bào)分析及TRT技術(shù)應(yīng)用研究

賈良　張宇　楊澤

摘 要：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能彌補(bǔ)隧道勘察工作深度的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的不良地質(zhì)現(xiàn)象，是隧道施工安全的保證，是隧道成功建設(shè)的關(guān)鍵之一。對(duì)隧道施工中的不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，討論了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，介紹了TRT層析掃描成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)，將隧道地震波反射層析成像（TRT）技術(shù)應(yīng)用于L隧道，對(duì)隧道施工中所遇到的斷層破碎帶進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，能夠減少和預(yù)防隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，該技術(shù)具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道施工；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；TRT技術(shù)；斷層破碎帶

中圖分類號(hào)：U456.3；TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）06-0158-04

Application of TRT technology and advanced geological prediction in tunnel construction

JIA Liang1，ZHANG Yu2，YANG Ze1

（1.College of Urban Rail Engineering，Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China；2.Inner Mongolia North United Power Energy Development Co.，Ltd.，Ordos 014316，Inner Mongolia China）

Abstract：Advance geological prediction can make up for the lack of depth of tunnel investigation and discover potential adverse geological phenomena in time.It is not only the guarantee of tunnel safety，but also one of the keys to successful tunnel construction.In this paper，the adverse geological phenomena in tunnel construction are analyzed，the advanced geological prediction method is discussed，and the TRT tomography prediction system is introduced in detail.TRT technology is applied to L tunnel of Longyan Railway，and the fault fracture zone encountered in tunnel construction is accurately predicted，which can reduce and prevent the occurrence of geological disasters in tunnel construction.This technology has important theoretical significance and engineering practical value.

Key words：tunnel construction;advanced geological prediction;TRT technology;fault fracture zone

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是工程勘察工作的延續(xù)，能彌補(bǔ)勘察工作深度的不足，通過地質(zhì)及物探等方法，對(duì)隧道掌子面前方巖體的地質(zhì)特征進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，進(jìn)而提出隧道開挖及支護(hù)的建議，避免地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，是保證隧道建設(shè)中工程質(zhì)量、施工安全、工程設(shè)計(jì)優(yōu)化以及施工信息化的重要基礎(chǔ)［1］。本文對(duì)隧道施工中的不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)方法進(jìn)行討論，以TRT層析掃描成像技術(shù)為例，介紹了TRT的基本原理、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析，對(duì)龍煙鐵路L隧道的掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行了探測(cè)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了掌子面前方的斷層破碎帶，為隧道施工方案與安全措施的制定提供理論支撐。

1 隧道施工不良地質(zhì)現(xiàn)象

隧道工程的順利施工主要受限于2個(gè)因素：一是隧道施工技術(shù)；二是隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)與防治。目前的隧道施工技術(shù)可以滿足各種地質(zhì)條件的隧道施工要求，而地質(zhì)災(zāi)害問題成為影響施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素。

1.1 斷層引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

斷層是一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，是地殼應(yīng)力釋放的一種方式。斷層改變了巖體本身的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響到隧道圍巖的穩(wěn)定性，斷層破碎帶極易引發(fā)隧道塌方問題。斷層又能成為地下水、瓦斯等地層流體運(yùn)移的通道，隧道開挖會(huì)破壞地層原有的壓力平衡，地層流體沿著斷層進(jìn)入隧道中，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 隧道突水突泥

在地下水、巖溶水發(fā)育的圍巖中施工時(shí)，隧道掘進(jìn)會(huì)破壞含水層結(jié)構(gòu)，水動(dòng)力條件和地層壓力發(fā)生改變，地下水快速涌出，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡事故。當(dāng)?shù)叵滤袛y帶大量泥砂時(shí)稱為突泥。巖溶地區(qū)的水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隧道施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)防含水溶洞與地下暗河的影響。

1.3 巖爆

隧道開挖至高地應(yīng)力地區(qū)的硬質(zhì)巖石時(shí)，圍巖原有應(yīng)力平衡受到破壞，巖體中積聚的能量猛然釋放并發(fā)生爆裂，巖石碎片從巖體上剝離、拋出，即為巖爆現(xiàn)象。應(yīng)力集中是巖爆發(fā)生的必要條件，地應(yīng)力超過巖石本身強(qiáng)度值，脆性巖石便會(huì)發(fā)生巖爆，巖爆會(huì)造成開挖作業(yè)面嚴(yán)重破壞，乃至設(shè)備損壞及人員傷亡［2］。

1.4 軟巖工程地質(zhì)災(zāi)害

軟弱圍巖具有強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育、易變形等特點(diǎn)，是一種不良工程巖體，自穩(wěn)性差，淺埋隧道遇到軟弱圍巖易發(fā)生坍塌與冒頂。泥巖、片巖、千枚巖等代表性軟巖遇水易軟化和膨脹，高地應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形、洞室內(nèi)擠。軟巖易發(fā)育軟弱結(jié)構(gòu)面，隧道開挖后周邊巖體易沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生松弛和滑移等現(xiàn)象。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能有效避免和控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而減少施工過程中不必要的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。基于隧道圍巖的地質(zhì)與地球物理特性，預(yù)報(bào)方法主要有地質(zhì)法與物探法2大類，具體常用的有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法、TRT地震波法等。

2.1 地質(zhì)及地球物理原理

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是對(duì)隧道掌子面前方未知地質(zhì)環(huán)境的探索與預(yù)測(cè)，這一復(fù)雜工作涉及到較多地質(zhì)及地球物理知識(shí)［3］。這些相關(guān)理論知識(shí)是指導(dǎo)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的基石，預(yù)報(bào)人員只有掌握足夠的地質(zhì)及地球物理知識(shí)，才能保證不會(huì)漏報(bào)或錯(cuò)報(bào)不良地質(zhì)問題，從而確保隧道工程的順利施工。

隧道工程是建設(shè)于巖土體內(nèi)部的構(gòu)筑物，隧道圍巖的巖性決定了施工工藝，尤其是遇到軟巖、煤層、特殊巖土等不良地質(zhì)體時(shí)必須及時(shí)調(diào)整施工方案。褶皺、斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造是評(píng)價(jià)隧道圍巖等級(jí)的依據(jù)，并且是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的導(dǎo)火索，如向斜底部可形成儲(chǔ)水構(gòu)造，斷層誘發(fā)隧道崩塌等。一般隧道施工的整個(gè)過程幾乎都會(huì)遇到涌水現(xiàn)象，不同涌水量對(duì)隧道施工有著截然不同的影響，地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)必須對(duì)隧道圍巖的水文地質(zhì)進(jìn)行分析。巖石的巖性特征可以用密度、磁性、導(dǎo)電性、彈性等參數(shù)進(jìn)行定性定量的描述，利用工程地球物理勘探可以探測(cè)不同巖性地層的地球物理特征響應(yīng)。

2.2 地質(zhì)法

地質(zhì)法主要依據(jù)礦物巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等理論，依靠地質(zhì)測(cè)繪、勘探工程等手段對(duì)隧道圍巖地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行直觀認(rèn)識(shí)，主要有地質(zhì)調(diào)查、赤平投影、超前鉆探等方法。

2.2.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法主要有地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)地質(zhì)素描、地下和地表相關(guān)性分析等手段，能預(yù)判隧道圍巖性質(zhì)和可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，各種地質(zhì)條件下的隧道施工均可采用。隧道施工圖紙是設(shè)計(jì)單位在宏觀地質(zhì)調(diào)查后的成果圖，后期施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)巖性地層、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)等方面進(jìn)行重點(diǎn)復(fù)查或全面調(diào)查。

2.2.2 赤平投影法

隧道巖體中大量的結(jié)構(gòu)面（層理、節(jié)理、斷層等）給圍巖穩(wěn)定性分析帶來了巨大困難，赤平投影法將巖體三維空間要素（線、面）反映在投影平面上進(jìn)行研究處理，能準(zhǔn)確表示線、面的方位及空間展布，該方法能解決地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)和應(yīng)力分析等諸多問題。

2.2.3 超前鉆探法

超前鉆探法主要指超前水平鉆探，即在隧道內(nèi)水平鉆進(jìn)，鉆孔錄井資料能推斷指示掌子面開挖前方的地質(zhì)信息，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高，觀察比較直觀。可在軟弱斷層破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件比較復(fù)雜時(shí)采用，缺點(diǎn)是難以預(yù)報(bào)與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面。且超前水平鉆探對(duì)施工有干擾，成本較高，在一般地段不宜采用。

2.3 物探法

作為一種間接的勘測(cè)方法，物探工作時(shí)不會(huì)破壞隧道內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境，并且具有高效準(zhǔn)確、成本低廉、不影響施工進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用方法有彈性波法、電磁波法、紅外探測(cè)法等。

2.3.1 彈性波法

彈性波傳播時(shí)，遇到波阻抗不同的地層界面會(huì)發(fā)生發(fā)射現(xiàn)象，地層間波阻抗差異越大，反射信號(hào)越強(qiáng)烈，主要包括地震反射波法（TSP）、水平聲波剖面法（HSP）、真反射層析掃描成像法（TRT）等。TSP是在隧道側(cè)壁激發(fā)震點(diǎn)，地震波信號(hào)在傳播中遇到斷層或巖性變化，部分信號(hào)返回即為反射波，反射波和直達(dá)波在記錄圖像上為負(fù)視速度，二者延長線的交點(diǎn)處為反射界面位置。HSP是在隧道兩側(cè)壁分別布置震源和檢波器，激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)為相錯(cuò)斜交方式設(shè)置，反射波不受直達(dá)波與面波的干擾，記錄更清晰。TRT利用多種震源產(chǎn)生沿隧道傳播的信號(hào)，當(dāng)這些信號(hào)在巖性發(fā)生改變的地方反射，可用來探測(cè)開挖工作面前方的圍巖地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)不良巖體、斷層、地下水等不良地質(zhì)信息，并對(duì)大角度斜較隧道裂隙也能很好的探測(cè)［4］。綜合地勘資料進(jìn)行解釋分析后，可用來構(gòu)建描述隧道工作面前方異常地質(zhì)體的三維結(jié)構(gòu)圖。

2.3.2 電磁波法

不同巖石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性及電化學(xué)性質(zhì)等電性特征不同，因此可通過研究天然電磁場(chǎng)或人工電磁場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律來進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。較為常見的為地質(zhì)雷達(dá)法，定向發(fā)射高頻短脈沖電磁波，令其在隧道掌子面前方巖體中傳播與反射，檢測(cè)通過地質(zhì)體的反射和透射信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算，從而探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體。地質(zhì)雷達(dá)法亦屬于電磁波法的一種，為目前分辨率最高的物探方法之一［5］，但它的預(yù)報(bào)距離較短，極易受其他設(shè)備干擾，目前多用于隱伏巖溶洞穴、含水帶的探測(cè)預(yù)報(bào)。

2.3.3 紅外探測(cè)法

該法主要用于探水，單一介質(zhì)的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng)，當(dāng)含水構(gòu)造存在時(shí)，水所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)使正常場(chǎng)畸變。紅外探水儀可通過接收隧道圍巖巖體的紅外輻射強(qiáng)度探測(cè)掌子面前方的地濕場(chǎng)變化，進(jìn)而判析前方是否有隱伏含水構(gòu)造，防止隧道突涌水的發(fā)生。

3 TRT技術(shù)應(yīng)用

塌方是隧道施工中最為常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，約占各類重大地質(zhì)災(zāi)害的80％，而絕大部分塌方是由斷層破碎帶引起的，斷層又能成為地下流體的運(yùn)移通道，是隧道突水的誘發(fā)條件之一，因此準(zhǔn)確識(shí)別斷層破碎帶是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)［6］。本文以TRT層析掃描成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)為例，對(duì)山東某鐵路L隧道標(biāo)段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

在眾多超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)中，TRT技術(shù)以其成本較低廉、操作簡單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。對(duì)TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的基本原理、儀器布置進(jìn)行了介紹，對(duì)地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理后，得到L隧道地質(zhì)層析掃描成像的俯視圖、側(cè)視圖和立體圖，并以回波信號(hào)理論為基礎(chǔ)，對(duì)隧道超前預(yù)報(bào)資料進(jìn)行分析，結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)資料對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，對(duì)該隧道可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而為山東某鐵路L隧道施工方案與安全措施的制定提供理論支撐。

3.1 TRT基本原理

TRT技術(shù)遵循地震波反射原理，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰曌杩共町惖牡刭|(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射與投射現(xiàn)象。反射信號(hào)被傳感器接收后，經(jīng)分析處理，可判定掌子面前方特殊地質(zhì)體的位置與性質(zhì)［7］。當(dāng)巖體內(nèi)有破碎帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)，異常地質(zhì)體的尺寸越大，聲阻抗差別越大，回波越明顯，探測(cè)效果越佳［8］。

以每個(gè)震源和傳感器的位置為焦點(diǎn)，所有可能產(chǎn)生回波的反射體均可確定一個(gè)橢球，多個(gè)震源和傳感器會(huì)形成多個(gè)橢球，地層界面位置可由這些橢球的交匯區(qū)所確定，如圖1所示。

3.2 TRT數(shù)據(jù)采集

TRT層析掃描成像采集系統(tǒng)主要包括震源激發(fā)裝置、傳感器、基站3大部分。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)先在震源點(diǎn)上錘擊巖體產(chǎn)生地震波，觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)傳給基站，基站下達(dá)地震波采集指令，再把地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，則完成一次數(shù)據(jù)采集。如圖2為TRT震源與傳感器布置圖。TRT預(yù)報(bào)系統(tǒng)有10個(gè)檢波器和12個(gè)震源點(diǎn)，并且呈空間分布，這樣可獲得更豐富的空間波場(chǎng)信息，能提高異常地質(zhì)體的定位精度，還實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體的三維成像。

3.3 數(shù)據(jù)分析

設(shè)定地層成像區(qū)域?yàn)殚L250 m，寬40 m，高40 m。設(shè)定濾波器，選取每個(gè)直達(dá)波并計(jì)算其平均波速，建立S波波速模型，已挖掘區(qū)域設(shè)定為10 m/s，其余部分采用計(jì)算得到的平均速度。最后選擇濾波參數(shù)及背景顏色，獲得地質(zhì)異常的二維平面圖（如圖3、圖4）和三維立體圖（如圖5）。

根據(jù)某鐵路L隧道的區(qū)域地質(zhì)資料分析結(jié)合以上反射地震波分析圖可以看出，在掌子面前方5～20 m處存在一個(gè)與隧道走向斜交的含水破碎帶，應(yīng)及時(shí)調(diào)整施工方案。在掌子面前方120～160 m處可能存在斷層，也可能是由于空氣噪音的影響，可增加預(yù)報(bào)的頻次，或結(jié)合其他地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)TRT成果圖的特征分析，可以獲得隧道開挖面前方的災(zāi)害類型，并指導(dǎo)隧道施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)語

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能有效印證和及時(shí)糾正勘察設(shè)計(jì)資料的地質(zhì)問題，本文對(duì)隧道施工不良地質(zhì)問題、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基本原理和基本方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并針對(duì)山東某鐵路L隧道標(biāo)段的斷層破碎帶，利用TRT層析掃描成像技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)；

（2）TRT根據(jù)地震波遇到不同地質(zhì)體得到的回波信號(hào)，處理分析后能得到圍巖巖性與地質(zhì)構(gòu)造的物探成果圖，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，TRT預(yù)報(bào)出龍煙鐵路L隧道前方的斷層破碎帶，從而能夠根據(jù)隧道掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造情況，及時(shí)優(yōu)化施工工藝，最終達(dá)到減少和預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的目的；

（3）每種預(yù)報(bào)方法都有一定的適用性與局限性，在斷層破碎帶、巖溶發(fā)育等這類的復(fù)雜地質(zhì)條件下，可適當(dāng)增加預(yù)報(bào)的頻次，或結(jié)合其他物探技術(shù)和水平鉆探等手段，提高隧道施工中不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

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收稿日期：2022-09-16；修回日期：2023-05-06

作者簡介：賈 良（ 1982-） ，男，碩士，副教授，主要從事巖土與隧道工程的教學(xué)研究;E-mail：????? styjialiang@163.com。

基金項(xiàng)目：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KY2021-32）。

引文格式：賈 良，張 宇，楊 澤.基于隧道施工中的地質(zhì)環(huán)境影響預(yù)報(bào)分析及TRT技術(shù)應(yīng)用研究[J].粘接，2023，50（6）：158-161.