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歐美大地 工程物探
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TRT隧道地震波三維成像超前預報系統在雙線鐵路隧道勘察中的應用
發布時間:2023-12-06 瀏覽次數:11393 來源:歐美大地


摘要

TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用巖體中不均勻面的反射地震波進行超前探測,它是美國NSA工程公司開發的新方法,國外已實際應用該法在觀測方式和資料處理方法上與TSP法及負視速度法均有很大不同,它采用空間多點激發和接收的觀測方式,其檢波點和激發點呈空間分布,以便充分獲得空間場波信息,從而使前方不良地質現象的定位精度大大提高。本文主要介紹TRT產品本身的同時結合案列來介紹TRT技術在隧道工程勘察中的優點。



勘查方法:TRT真地震反射成像預報技術

1 探測原理

TRT-V8000采用地震波反射體三維成像技術,該技術利用錘擊(或人工掃頻震源)觸發地震波信號在巖體內傳播,當遇到聲學阻抗差異界面時,一部分信號被反射回來,并通過多個震動傳感器接收,最后通過解析地震波反射信號來評價前方地質情況。在探測前方出現巖體破碎、節理裂隙、巖性變化接觸帶、含水或空腔構造等時,反射信號會反映出傳播介質的變化,表現為從低阻抗傳播到高阻抗反射系數為正;反之,反射系數為負。



通過不同位置的多個震動傳感器接收到反射信號的時程差異可計算異常體的空間位置和大小。正常入射到邊界的反射系數計算公式如下:
式中R代表反射系數,ρ1、ρ2 分別代表反射 界面兩側介質的密度,V1、V2 分別代表地震波在反 射界面兩側介質中的傳播速度。


2 設備組成及觀測系統

TRT-V8000的硬件系統由1臺主機、1個基站、10個檢波器組成、額外選配一個掃頻震源,主機中包含波形采集軟件和數據后處理軟件。震源點及檢波器布置如圖所示。儀器的工作過程為:在震源點上錘擊產生地震波,地震波在巖體中傳播,錘擊的同時觸發檢波器開始接收地 震波信號,完成數據采集后,通過基站將數據傳輸到電腦主機,完成一次激發采集。


設備組成

掃頻震源

TRT-V8000的觀測系統由10個檢波器布置點、12個震源點組成。整個觀測系統的傳感器布設要求盡可能對稱布設。震源間距的2米是硬性要求,不得更改。震源與傳感器的距離、傳感器之間的距離可以成比例縮小。

傳感器布設俯視圖                                             傳感器布設橫截面

小結

① TRT在摒棄炸藥震源的基礎上使用人工震源,使得在現場布設時更方便、更快捷、更安全。

② TRT立體布置的觀測系統,這是真三維成像的基礎也是區別于其它產品的特點。

③ TRT的觀測系統對現場要求很低,適應各種條件,在隧道進洞30米左右即可布設。


應用案例:TRT在奧地利Unterwald隧道的應用

1 工程地質背景

Unterwald隧道是一條雙線鐵路隧道,長度為1076米,標準橫截面為100平方米。隧道與山坡平行,覆蓋層可達90米。為了獲得可靠的巖石和圍巖參數數據,進行了現場和實驗室試驗。為補充地下勘探,開展了折射地震、電阻率、電磁等地球物理調查。

項目區其特點是含有高度各向異性的巖石,含石英量不等。巖體主要由片麻巖和石英片巖組成,偶爾夾有絹云母頁巖、綠泥石頁巖和含碳頁巖。層理與隧道平行,傾角平均為25°至35°,與山坡平行。

2 TRT鐵路隧道勘察成像結果

在初始的現場勘察中,預測開掘的前170到200米為由密實的塊狀圍巖組成的坡積物,坡積物與堅硬基巖的接觸面沒有被具體確定。為了適當地規劃開掘方法,并在現場準備適當的支撐介質,準確地了解這個接觸面將節省相當多的成本。

這是TRT方法首次應用于軟弱的、極度復雜的地層條件以及高度各向異性介質的情況。結果顯示,由于塊狀圍巖和軟基質的高衰減,最大可靠成像距離為60到70米(相比于硬質巖中預期的100到150米)。第二次地質預報的成像距離包括最初預測的基巖接觸區域,是在隧道里程152米處進行的,成像范圍里程約到210到220米處。最初使用雙速度模型,底部是高速度基巖,但數據不確定。圖1顯示了從第二次處理中得到的層析圖,使用與堆積層性質相對應的均勻速度模型。

層析圖在隧道掌子面前方約5米處顯示出局部的黃色高阻區域(紫圈部分),結合現場情況推測為一個硬質巖塊,而現場開挖也驗證了是大塊的石英千枚巖。圖2是在里程161米處拍攝的隧道面照片,與成像結果相符。層析圖結果還顯示,在隧道軸線右側約里程190米處(掌子面前方約40米處)有一個正負異常的交接處(紅圈部分)。結合現場情況推測為一個異常界面,而現場開挖也驗證了是一個基巖接觸面,這個局部異常特征是比較典型的基巖接觸。圖3顯示了遇到的基巖接觸面照片,位于191到192米的里程。接觸面由大的平面墻狀節理斷裂形成?;鶐r稍有風化,廣泛分布著(約1米間隔)幾乎垂直于隧道面且陡傾的開裂。節理填充有厚度達20厘米的砂礫。

152米里程的這次預報,是TRT預報準確性的標準示例,對于掌子面前方的兩個異常都做出了完美的反應,而且預報的位置與實際開挖驗證的位置相差無幾。


3 成像斷層帶和成像重復性

如果說單次的預報準確具有偶然性,那么693米里程的第七和771米里程的第八次預報是TRT方法重復性和潛在準確性的標準示例。第七次預報的結果顯示,在開挖前約25米處存在一個破裂帶,后面是相對均質的地層條件。圖4顯示了第七次預報的成像結果,采用了不同的衰減模型,以進一步查看開挖前方的情況。


圖4 第七次預報的成像結果


在距離隧道面約150米的825到840米站附近顯示了一個異常。初始現場勘察已經提供了可能在該區域存在斷層帶的證據。第七次預報成像的異常與遇到的地質條件相當吻合。第八次預報時隧道面位于771米處,初始速度模型未顯示面前有任何異常。因此采用了第二個速度和衰減模型,并在圖5所示的785到835米站附近識別了幾個異常。


圖5 785到835米站附近識別了幾個異常


最初的異常被描述為可能是破裂帶,而從820到840米處的異常被解釋為斷層帶?,F場開挖揭示為包括兩組垂直分布的不連續性,間距為0.5到1米,與隧道以60°至70°的角度相交的斷層。在820米處,隧道進入一個8米寬的清晰切割帶,陡傾70°向東走向,與隧道面垂直。該斷層的位置與第七次預報成像的特征相符。兩次預報之間信息量的差異顯示了不同的衰減模型可以用于識別接近開挖的較小特征或遠距離的較大特征。本次預報中識別的異常及其解釋與遇到的地質條件在前面的圖表中顯示得非常一致。


小結

① TRT預報的準確性很高。不管是近掌子面的異常還是距離150米以上的異常。針對不同的地質情況可以使用不同的速度模型。

② TRT預報的準確具有普遍性。對于820米到840米的斷層,兩次預報都做出了完美的成像,這說明,TRT預報準度并不是偶然的。


應用案例:TRT在高鐵山嶺隧道的應用

1 工程地質背景

青陽隧道是濟青高鐵唯一一座山嶺隧道,穿越長白山低山丘陵區,全長10.1 km,為單洞雙線隧道。經過鉆探和地質調查,查明DK43+364.6~DK43+499段落圍巖巖性為安山巖,斑狀結構,塊狀構造,硬質巖,弱風化,節理裂隙較發育,巖體較完整,呈巨塊或大塊狀結構。利用天然源音頻大地電磁法(AMT)進行探測得出,DK43+450~DK43+525段落為二類物探異常區。綜合分出:DK43+364.6~DK43+450段落圍巖分級為Ⅱ級,DK43+450~DK43+499段落圍巖分級為Ⅲ級。


2 TRT超前地質預報結果

隧道開挖至DK43+364后,利用TRT6000對DK43+364.6~DK43+499段落進行超前地質預報,得出段落縱波波速分布及三維地震反射界面分布(見圖6),結合區域地質資料、工作面地質素描資料以及加深炮孔資料進行綜合分析,預報結果如下。



里程DK43+364.6~DK43+427段

預報:

波速整體較穩定,三維成像圖無明顯異常區域,推測圍巖較完整,地下水不發育,預報圍巖分級為Ⅱ級。

開完驗證結果:

揭露圍巖巖石為弱風化安山巖,節理不發育-較發育,巖體較完整,地下水不發育,巖體呈塊狀結構,圍巖分級為Ⅱ級。



里程DK43+427~DK43+469段

預報:

三維成像局部呈現少許離散反射。推測圍巖巖體較破碎,穩定性、完整性變差。預報圍巖分級為Ⅲ級。

開完驗證結果:

揭露圍巖巖石為弱風化安山巖,節理發育-較發育,巖體較破碎,工作面濕潤,巖土呈塊石狀鑲嵌結構,圍巖分級為Ⅲ級。



里程DK43+469~DK43+499段

預報:

縱波波速為4000~3100m/s,DK43+481以后波速在3100m/s附近震蕩變化,三維成像圖呈現強烈離散反射,黃色區域被藍色區域規律性切割,推測圍巖巖體破碎,節理密集帶發育,局部夾軟弱夾層,地下水較發育,穩定性、完整性差,開挖后支護不及時易發生坍塌。預報圍巖分級為Ⅳ級。

開完驗證結果:

揭露圍巖巖石為弱風化安山巖,節理發育,局部發育密集,巖體破碎-較破碎,工作面濕潤,巖體呈塊碎狀鑲嵌結構,圍巖分級為Ⅲ級。

DK43+490以后:圍巖變差,巖石為強風化安山巖,發育兩組節理,其中一組節理發育密集,節理交 錯切割巖體呈碎石狀壓碎結構,工作面右側局部有軟 弱夾層,工作面滲滴水,超前地質預報結果得到驗證。

高鐵山嶺隧道的這次TRT預報是一次標準且經典的預報案例,也是大多數情況下的TRT預報模板,本次預報的預報距離達到了130米,并且成功預報出了100米之后的強風化圍巖與破碎帶,證明了人工震源的能量足以探測到100米以上。



小結

① 利用人工錘擊作為震源,環境污染小、預報成本低,縮短了預報輔助作業時間,降低了對施工工序的干擾。青陽隧道TRT預報作業時間一般為30~40min。

② 利用錘擊作為震源且可以在同一點上進行重復錘擊,能夠最大限度地接收反射回來的高頻信號,提高了預測精度和預測距離。

③ 傳感器布置為三維立體方式,能充分獲取空間波場信息,可以準確獲得工作面前方不良地質體反射界面的三維特征,提高了定位精度。


結論

從上面的兩個示例可以看出,TRT方法能夠準確預測巖體條件的變化。TRT提供的不同的速度模型,可以適當地預測在開挖過程中可能遇到的條件,以及不斷變化的地質條件是否會影響開挖行為。這還包括更多關于將特征外推到適當位置的信息。

在Unterwald隧道中,True Reflection Tomography(TRT)地震成像方法被系統地應用于識別與隧道軸線相交的潛在薄弱區。TRT在Unterwald隧道中的應用,兩次預報均對同一個異常做出很好的響應,充分說明TRT在預報準確度上具有優秀的表現。

在高鐵山嶺隧道中,TRT的高靈敏度傳感器和人工震源的配合,充分說明人工震源的能量可以傳播到至少100米以上,并且被傳感器接收。事實上預報距離的長短,除了和震源能量的大小有關系,還和圍巖情況、傳感器靈敏度、設備信噪比有關系,預報距離的遠近并不是說能量越大越好,它受多種因素影響,傳統炸藥的能量事實上是指數衰減的,而且會在震源周圍引起塑性形變,TRT的傳感器靈敏度非常高,中等圍巖的情況下預報距離可以預報150米左右。

總體而言,TRT方法提供了良好的結果,因為大多數主要特征和異常都能夠成像。在所有相關方之間(地質、現場、監測等部門)有適當的溝通,確定在給定地質環境中系統的優勢和劣勢的情況下,該方法可以確認一般但不是具體的特征位置,同時也可以發現意外的地質條件。超前地質預報是一項綜合性的工作,將在不同地質條件下,在獲得更多經驗的過程中可以不斷改進檢測的結果的準確性。


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