TRT6000隧道超前预报系统（产地:美国） TRT6000

典型成像图

TRT技术发展历程

随着经济的飞速发展，新建隧道工程规模越来越宏大，面临的地质情况更为复杂多变。隧道施工的过程中，防护措施不足将会带来很严重的地质灾害和工程问题，不仅延误工期，影响**生产，而且会带来巨大的经济损失，过多防护又会大大加重成本负担，这促使发达国家对地下岩土工程地质条件超前预报技术进行深入、广泛的研究。二十世纪六十年代，在美国先进技术发展计划基金支持下，美国国家**局网罗了众多**地球物理学家应用地震波勘测技术来研究地层应力释放现象及地层结构扫描成像。在此过程中形成了隧道反射层析扫描成像超前预报技术(True Reflection Tomography)，简称TRT技术。在为美国国家**局管辖单位及海外客户服务的过程中，TRT技术飞速发展，在震源上先后采用**爆炸、风镐或挖掘机、电磁波发生器、锤击作为震源，使勘测成本越来越低，操作越来越方便；在软件上，成功实现由2D成像到3D全息成像的跨越，使得勘测结果显示更为准确、**，直观。为更好地推广这一业界独有的先进技术，美国C-ThruGround工程有限公司从国家**局继承了相关资产,进行独立的商业运作,推出了TRT6000型隧道反射层析扫描成像超前预报系统。上海劳瑞仪器设备有限公司负责该产品中国区服务。

TRT6000型隧道地质超前预报系统介绍

TRT6000型隧道地质超前预报系统采用地震层析成像及全息岩土成像技术。经复杂介质传播记录的地震信号是由折射、反射、散射、弥散等多类波形所组成，层析成像和全息成像是常用的利用信号波形变化来估计介质性质变化的位置和范围的反演技术。岩石三维图像(Rock Vision 3D TM)技术的基本原理是基于地震能量在不同种类介质中以不同的衰减率和速度传播。通常，与破碎或裂隙发育的岩土体或空洞条件相比，地震波在完整坚硬的介质中传播时，具有更高的传播速度和更低的衰减。 TRT TM技术的基本原理是利用了地震波在岩土体中传播过程中，遇到具有不同震动特性的岩土区带间的界面时，部分地震波能量将产生反射的特性。绝大多数地质结构异常及岩性变化，在地震信号可及的距离范围内，均可形成可探测的地震反射。TRT 6000勘测成本低，操作简单，结果准确、**、直观，代表隧道超前预报领域*新**的技术，是隧道超前预报系统发展的方向, 表现在如下几个方面：

1.         TRT 6000超前预报使用锤击作为震源，可重复利用，不需要耗材，而使用**爆炸作为震源，每次需要相当费用。

2.         使用锤击作为震源，可在同一点作多次锤击，通过信号叠加，使异常体反射信号更加明显。

3.         用锤击作为震源克服了爆炸产生的高能量对周围岩体产生挤压、破坏现象，从而保证能接收到真实的地震波信号。

4.         由人控制锤击产生地震波、可简单重复，操作简单，而爆炸产生地震波时高频信号迅速衰减，对操作人员的要求比较高。

5.         TRT 6000采用高精度的传感器，灵敏度高，*大程度地保留了高频信号，提高了精度及探测距离（硬质岩中为300米，软质岩中为150米）。

6.         传感器和地震波采集、处理器之间采用无线连接，大大简化了装备（只有两个箱子，尺寸见设备配置），两个箱子的重量仅为29Kg，携带方便。

7.         TRT 6000的传感器布点（图1）采用立体布点方式，在隧道两边分别布置４个传感器，然后在隧道顶上布置两个传感器，从而获得真实的三维立体图，直观的再现了异常体的位置、形态、大小。而其他仪器一般在左右边墙各布置一个地震波信息接收器接收地震波，这样的布置方式只能获得异常体的位置信息，而不能获得形状、大小等信息，同时对于大角度斜交隧道的裂隙可能没有反映。

8.         TRT 6000还采用了层析扫描的图像处理方式，绘制三维视图，并可以从多个角度观察缺陷，使得图像更加清晰，易于理解，从而更加轻松地进行缺陷诊断。

9.         TRT 6000能描绘到隧道水平和垂直方向的所有异物。而其他仪器用于描绘几乎垂直于隧道的充满空气或水的裂隙，而且只能描绘靠近的垂直裂隙，不能描绘稍远距离的**或第三裂隙（尤其是充气裂隙）。对于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能没有反映。对于所描绘的倾斜裂隙，会低估它们的距离。

TRT 层析扫描超前预报系统探测原理及操作

a.       理论

地震波反射探测的方法很早就已经在土木工程和采矿作业等许多方面得到利用。这种技术的原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质．声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下： 假设R为反射系数， 为岩层的密度，V等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软粗岩传播到硬的白云石时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。

TRT 层析扫描超前预报系统获取岩层中结构异常边界的方法

图1 解释了用地震波反射来获得地层地质状况三维图的概念。以每个震源和地震信号传感器组的位置为焦点，与所有可能产生回波的反射体可以确定一个椭球。足够多数量的震源和地震信号传感器组对会形成一个三维数组，每个界面/反射的地层位置可以由这些众多椭球的交汇区域所确定。实际上，反射边界每   一点离散图像的计算包括由所有震源和地震信号传感器组所对应的三维岩体空间中选定的区块。离散图像中各点值是由空间叠加所有地震波形计算得来，每个波按比例地从震源经过三维岩体空间的区块到达地震信号传感器。

图1. 用地震波反射来获得地层地质状况三维图的原理插图2 是这个概念的一个示范。各个波形振幅随时间的变化由被探测岩层大小建立的波速模型来计算。所以，此技术是扫描和全息技术的结合。每个图像点再现了归一化的反射地震波的波幅，因为在该点叠加了所有从震源通过它传到地震信号传感器的反射波，并对反射波作了信号衰减的修正。发射信号（震源）的间隔和频率决定了图像的分辨率。为了防止空间混淆，记录的地震波的*短波长不能小于图像点像素对角线长度的4 倍。然而，通常小于四分之一波长的异物是不能被探测到的。因此，图像点像素对角线的长度决定了能探测到的*小目标尺寸。

a.        探测设计

结合上面的理论和工地的实际应用给出了如下几条操作规范：

l         地层图像的分辨率与震源的距离成反比，与可探测到的*短波长成正比。通常，离隧道口*近的几米分辨率*高，随着距离增加分辨率会降低。同时，分辨率和图像点数成反比，因为能处理的*多图像点数是65536。

l         岩体异常距离测量的**误差由异常回波波速模型的精度决定。波速模型可以随隧道前移而得到更新，包括隧道地质性质和机械属性的变化。

l         不同震源的波速模型是不一样的。**爆炸产生的地震波以P-波为主，由掘进机、钻机等弹性剪切产生的地震波以S-波为主。以爆炸作为震源，图象会漏掉较小的岩层裂隙异常。

l         地震波可以由单轴加速计收集，其灵敏轴平行于隧道轴向。加速计和震源摆放在同一隧道,并离开震源一定距离。这提高了对位于隧道前方岩层异常探测的灵敏度，但非传感器轴向上的灵敏度会变差。通过改变传感器的轴向或采用三轴传感器可以提高隧道侧面岩层异常的图象质量。

l         为确保构建地层图象地准确性，震源和地震信号传感器的位置必须**到(+/-10cm) 。

用TRT 超前预报层析扫描系统来做地层绘图需要考虑以下几个因素：

l         隧道的尺寸及挖掘的技术

l         岩层的类型，周围地层及可能的隧道口前方的地震波属性

l         目标区域的属性，尺寸及范围

l         描绘异常体要求的分辨率

l         震源、地震信号传感器的安装，岩层表面和接近表面的地质状况

TRT 超前预报的地震信号传感器组列的布置和传感器的类型如图2、3。隧道的尺寸和类型决定了具体采用哪种布置。地层的类型和属性决定了采用何种耦合技术来正确安装地震信号传感器。地层的地震波属性确定了*佳的异常探测范围、图象的长度、*佳分辨率。进入隧道的方式和岩层状况决定了需要采用何种额外的设备来安装地震信号传感器组，以及需要对地震信号传感器组的布置作怎样的更改（旋转或伸长）以确保获得可靠的数据。磁致伸缩（电磁波）震源现在被TRT 用做标准震源。它可以重复产生在岩层中传播的的扫描频率信号。从震源过来的直达波和从异常体反射过来的反射波都被加速器采集到，并和震源信号相联系。记录的结果很容易和震源的记录相匹配。使用电磁波震源的便利性在于应用的适应性、震源定位和地震波方向控制的简便性。

用TRT进行 超前预报勘测
选择震源位置

      

A．隧道震源组合类型（TBM -- 圆柱形，挖掘和爆炸--马蹄形）；

B．震源和地震信号传感器的位置如图2、３。通常，地震信号传感器组离*近的目标边界不能小于10-15米

勘测

l         为每个震源记录５个好的记录（５个堆栈）。当记录不一致时，增加堆栈数量（锤击次数）。

l         保留所有的记录，需要记录震源位置移动后震源条件发生的变化，输入所有相关的发现。

震源和地震信号传感器的勘测点

所有地震信号传感器和震源位置的精度必须小于10CM。位置坐标必须与总体坐标系统一致。它可以是隧道测量链长度或者是地形学坐标，和隧道中心线的海拔高度。如果要在TRT 层析扫描系统的地层绘图中附加    隧道附近已建或准备建的结构，它们的坐标也必须提供。

TRT的一些隧道工程项目实例

TRT软件生成一个全息图像，描述地下状况就像一束闪光，能够使你直接“看到”隧道工作面前方400英尺（120m）。典型的应用包括，在隧道工作面后面一定距离的隧道周边安装3分量检波器，由锤击、掘进机或风镐产生地震信号。在掘进循环里记录信号。整个数据的采集和处理需要一到两小时，并且隧道每掘进200～

300ft（61～90m）执行一次操作。  

１） 国外的项目

NSA工程公司和Kajima集团已经在一起使用TRT方法描述日本一些隧道的不同岩石特征。在Fujikawa导硐和TBM主隧道，TRT被应用于描绘隧道上方安山石和凝灰角砾岩层上沉积形成的砂砾层的界限。图１显示3维的导硐和主隧道的联合图像，描绘出了砂砾层的底部形状和边界。平坦的边界在主隧道上方约121英尺（37m），轻微侵入了导硐。

    隧道上方异常轮廓反射及向东（左）和北（右）的垂直和水平投影。 在日本的Kamaishi附近的另一个高速公路双硐隧道工程，采用NATM和钻眼爆破技术，隧道开挖通过偶尔有花岗岩的破碎的、软弱的喀斯特石灰岩层。采用冲击破碎机产生震源，探测到一个在工作面前方279英尺（85m）的横在主隧道上的花岗岩体。该体与工作面的低波速粘土（图２中的蓝色部分）相区别，已被掘进所证实。

隧道上方异常轮廓反射及向东（左）和北（右）的垂直和水平投影。 在日本的Kamaishi附近的另一个高速公路双硐隧道工程，采用NATM和钻眼爆破技术，隧道开挖通过偶尔有花岗岩的破碎的、软弱的喀斯特石灰岩层。采用冲击破碎机产生震源，探测到一个在工作面前方279英尺（85m）的横在主隧道上的花岗岩体。该体与工作面的低波速粘土（图２中的蓝色部分）相区别，已被掘进所证实。

TRT也被用于澳大利亚的一些隧道工程，包括一个采用TRT探测隧道前方破碎区的应用例子，该隧道正要穿越充满喀斯特石灰岩的山谷。图３显示在隧道工作面的前方98英尺（30m）和180英尺（55m）有两个软弱裂隙区域，它们已被随后的钻孔检查和掘进所证实。 

TRT6000对比其他同类产品的优越性

1)        TRT6000超前预报使用锤击作为的震源，可重复利用，不需要耗材，而使用**爆炸作为震源每次需要相当费用。

2)        TRT6000震源不需要钻孔，直接锤击边墙岩体或固结的混凝土表面，传感器安装只需要钻直径6毫米，深5厘米的孔，测试快捷，方便，从测试准备到数据采集完成只需要1个小时；其它同类仪器需要钻24个1.5米深的炮孔，1-2个2米深的接收孔，准备时间长。

3)        TRT6000的传感器和地震波采集、处理器之间采用无线连接，大大简化了装备，仪器两个箱子（体积：55cm*43*22,47cm*36cm*22cm) 的重量仅为29Kg，携带方便，操作也更加简便。

4)        TRT6000的传感器布点（图1）采用立体布点方式，在隧道两边分别布置４个传感器，然后在隧道顶上布置两个传感器，从而获得真实的三维立体图，直观的再现了异常体的位置、形态、大小。而其他仪器一般在左右边墙各布置一个地震波信息接收器接收地震波，这样的布置方式只能获得异常体的位置信息，而不能获得形状、大小等信息，同时对于大角度斜交隧道的裂隙可能没有反映。

5)        TRT6000采用高精度的加速计作为传感器，*大程度地保留了高频信号，提高了精度及探测距离（硬质岩中为300米，软质岩中为150米）。

6)        TRT6000接收频率范围为0.7-3900Hz，适应性强，能够在软岩、硬岩、黄土、松散堆积物等多种地质环境里进行的超前地质预其他同类设备如遇黄土、松散泥土结构，无法成孔，从而无法放入**。

7)        **性高，不需要**，不需要交流电，在煤层，含瓦斯地层中也可以进行测试。

8)        TRT6000绘制三维视图，并可以从多个角度观察缺陷，使得图像更加清晰，易于理解，从而更加轻松地进行缺陷诊断。

9)        信息量大，对于断层破碎带、**地质接触界面、含水构造、大管径的管状岩溶能提供准确预报   TRT6000在美国、欧洲、日本、新西兰、澳大利亚等国家获得广阔的市场，在国内目前已被中铁八局、中铁九局、中铁十四局、山东广信工程试验检测有限公司、莱芜铁矿有限公司、湖北省公路规划设计院、云南水利水电勘察设计院等单位使用，并获得用户高度评价。

订货编号：LR-200272