隧道超前预报系统

TRT（True Reflection Tomography）TRT6000隧道超前预报系统采用层析扫描成像技术获得隧道前方的全息图，代表国际上隧道超前预报域的水平。

• 采用隧道反射层析扫描成像技术，生成隧道前方地层结构的全息三维图
• 勘测结果准确、整体的、直观
• 无耗材、勘测费用低
• 操作简单、稳妥
• 系统采用无线连接，携带方便
• 勘测范围广（300米）

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，影响稳妥生产，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，在美国技术发展计划基金支持下，美局网罗了众多地球物理学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、整体的，直观。为更好地推广这业界有的先进技术，美C-ThruGround工程有限公司从局继承了相关资产,进行立的商业运作,推出了TRT6000隧道超前预报系统。上海劳瑞仪器设备有限公司负责该产品中区服务。

TRT6000隧道超前预报系统介绍

TRT6000隧道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、整体的、直观，代表隧道超前预报域新的技术，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。

2.   使用锤击作为震源，可在同点作多次锤击，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。而其他仪器般在左右边墙各布置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，部分信号被反射回来，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。地震波从种低阻抗物质传播到个高阻抗物质时，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，回波的偏转性和波源是致的。当岩体内部有破裂带时，回波的性会反转。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个椭球。足够多数量的震源和地震信号传感器组对会形成个三维数组，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  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。

b.        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：

• 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。
• 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。
• 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隧道,并离开震源定距离。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。
• 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准确到(+/-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：

• 隧道的尺寸及挖掘的技术
•  岩层的类型，周围地层及可能的隧道口前方的地震波属性
• 目标区域的属性，尺寸及范围
• 描绘异常体要求的分辨率
• 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

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--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

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

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