TRT7000超前地质预报系统在岩溶发育隧道中的应用

胡小强

摘要：贵州省碳酸盐岩分布广泛，隧道开挖过程中常见岩溶发育地质，具有较高的安全风险和施工难度。TRT7000超前地质预报系统的预报原理属于地震波反射法，已在部分隧道开展应用。本文探讨了TRT7000预报系统在贵州某岩溶发育隧道中的应用情况，对其预报准确性进行验证，并对优化该预报技术进行探讨，可为今后岩溶发育隧道的预报工作提供借鉴。

关键词：隧道超前地质预报；TRT7000；地震波反射法；岩溶发育隧道

中图分类号：TV221．2文献标识码：A    文章编号：

0 前言

贵州省地处云贵高原东部，石灰岩大面分布，碳酸盐岩占贵州省土地总面积的62.13 %，是喀斯特地貌广泛发育的地区[1]。溶蚀发育一直是贵州省隧道修建过程中的常见不良地质。受地质结构的影响，岩溶地区通常具有高压、富水、断层、溶洞的特征，因此在岩溶地区修建隧道时，很容易突发大范围突水、突泥、突砂等地质灾害[2]。另一方面，溶腔发育尤其是大型溶洞对隧道成洞以及结构安全造成极大威胁。因此，超前地质预报对岩溶发育情况的探测显得尤为重要。

1 TRT7000预报技术

1.1探测原理

 TRT7000采用地震波反射体三维成像技术，该技术利用地震波信号在岩体内传播，当遇到声学阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，反射信号反映的是传播介质的变化，在探测前方表现为岩体破碎、节理裂隙、岩性变化接触带、含水或空腔构造等[3]。类似于电磁波法，地震波反射信号同样具有偏转极性，从低阻抗传播到高阻抗反射系数为正；反之，反射系数为负[4]，通过解析地震波反射信号来评价前方地质情况。

1.2设备部件及测点布置

 TRT7000系统由1台主机、1个基站、10个检波器组成，主机中包含波形采集软件和数据后处理软件。震源点及检波器布置参照图1，仪器的工作过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到笔记本电脑，完成地震波数据采集。

图1 震源点及检波器布置图

2 岩溶探测案例

2.1工程概况

秀山（黔渝界）至印江高速公路大太林隧道地处贵州省铜仁市印江县木黄镇镇驻地西侧，属长隧道，隧道起止桩号为：左线ZK23+596～ZK25+182，长1586m；右线K23+587～K25+184，长1597m。隧址区主要的不良地质为岩溶，岩溶洞穴发育，隧道穿越奥陶系桐梓组-红花园组灰岩，溶蚀严重，岩溶发育。以下介绍ZK23+751～ZK23+871区段的TRT探测结果。

2.2探测图像及成果

对原始数据进行处理分析得到波速分布图（图2）、三维成像图（图3、图4）。

图2波速分布图

图3 TRT三维成像—俯视图

图4TRT三维成像—立体图

2.3开挖揭露

ZK23+751~ZK23+770开挖揭露为中风化灰岩，中厚层状构造，裂隙较发育；开挖至ZK23+770，在掌子面右侧开始揭露夹土溶腔（图5），灰岩岩体较破碎；ZK23+770至ZK23+825揭露不规则大型溶腔（图6），无填充，高度约18m，纵向长55m，宽约13m，已超出隧道开挖轮廓。溶腔上部灰岩呈倾斜状，有较大的坍塌风险，成洞困难。

图5 ZK23+770揭露填充型溶腔	图6 ZK23+770~ZK23+825揭露大型溶洞

2.4探测结果与开挖对比

TRT预报结果判释主要依据波速和三维反射图像，波速值及其波动表征穿透介质的变化，完整岩体表现为波速值稳定；三维反射图像体现地震波在声学阻抗差异界面的反射波强度和波速偏转极性，正反射（蓝色）为传播介质波速值由高变低，可能存在不良地质情况。该区段设计为Ⅳ级围岩，设计图纸和前期开挖揭露未见溶蚀发育现象，地下水不发育，埋深约53~76m，靠近洞口段。根据项目前期的地质调查，隧址区地层岩性为灰岩、页岩、砂岩，大太林隧道周边有大量裸露灰岩，坡脚有多处小型溶洞，深部岩溶发育情况不详。结合掌子面揭露情况和前期的地质调查资料，推测本次TRT探测区段（ ZK23+770~ZK23+851）存在溶洞。本次预报结果与实际开挖揭露对比见表1。

表1 预报结果与开挖揭露对比

预报段落	TRT波速	TRT三维图像特征	预报结果	开挖揭露情况	预报准确性
ZK23+751～ZK23+770	波速值稳定，2650m/s	无明显反射	较完整灰岩，无明显不良地质	较完整灰岩	准确
ZK23+770～ZK23+788	波速有轻微变化，2630m/s	反射明显，右侧振幅较大，反射不连续有倾斜	以灰岩为主，洞身右侧溶蚀发育，可能夹泥或土	洞身右侧为夹土溶腔	准确
ZK23+788～ZK23+825	波速值剧烈变化，平均波速2510m/s	反射明显，振幅较大，反射面积大，右侧以蓝色正反射为主，反射不连续有倾斜	以灰岩为主，推测为大型溶腔，不规则，可能含水	大型溶腔，不含水，倾斜状，从右侧发育至整个隧道洞身	准确
ZK23+825～ZK23+851	波速值变化较剧烈，平均波速2630m/s	反射明显，振幅较小，反射较连续	以灰岩为主，洞身右侧溶蚀发育，可能夹泥或土	过渡为破碎灰岩，结构面发育	不准确
ZK23+851～ZK23+871	波速值稳定，2650m/s	无明显反射	较完整灰岩，无明显不良地质	较完整灰岩	准确

2.5预报准确性分析

本次预报除ZK23+825～ZK23+851区段不准确外，其余区段预报结果与开挖揭露较为吻合，成功预报了ZK23+770～ZK23+825区段的溶腔发育情况。ZK23+825～ZK23+851区段位于溶腔的后方，地震波无法穿透溶腔，在溶腔背后形成探测盲区。因此，当TRT预报显示可能存在重大不良地质的区段应缩短预报长度。从本次预报可以看出，TRT7000预报系统对大型岩溶发育地质的预报具有较高的准确性，但是对不良地质体（岩溶）的定性尚要结合前期的现场勘察资料。

3 优化建议

（1）检波器耦合采用快干水泥或速凝剂将固定块粘贴于隧道壁，在现场使用过程中常出现检波器松动的问题，导致波形采集不理想，影响预报准确性。建议将固定块替换为楔形铁块，在钻孔后直接楔入隧道壁，更为牢固。

（2）由锤击触发地震波虽然操作简便，速度更快，但是震动弱，在初支强度较低的情况下，触发的震动更弱，考虑到地震波在围岩中的衰减，TRT法的有效探测长度一直受到质疑。建议将锤击触发方式替换为微型炸药触发。

（3）不仅限于TRT法，单一的预报手段对不良地质体的定性、定量预报都存在一定的难度。建议采用多种预报手段相结合的综合预报法来提高预报的准确性，比如在TRT法预报显示有重大不良地质的区段采用地质雷达法或者超前地质钻探加以印证，从而提高预报准确性。

4 结语

（1）贵州某隧道的预报案例表明，TRT7000超前地质预报系统对岩溶发育地质的预报准确性较高，因其具有操作简单、耗时短的特点，能同时兼顾时间和成本。贵州省的岩溶地质分布广泛，TRT7000具有很高的适用性。

（2）地震波无法穿透溶腔、含水层等大型不良地质体，在异常体后方存在探测盲区，当TRT预报显示可能存在重大不良地质的区段应缩短预报长度，同时采用地质雷达法或者超前地质钻探加以印证，减少误报概率。

（3）检波器耦合可改用楔形铁块，以解决检波器松动的问题；建议将锤击触发方式替换为微型炸药触发，可以保证地震波强度，增加探测长度。

参考文献：

[1] 李瑞玲，王世杰，周德全等. 贵州岩溶地区岩性与土地石漠化的相关分析[J]．地理学报，2003，58 (2) :314-320.

[2] 刘丽. 岩溶隧道修建风险评估及关键参数研究[D]．重庆：重庆交通大学，2014:49-55.

[3] 赵学恭. 隧道超前地质预报地震波反射TSP203法与TRT7000法的应用及比较[J]．力学进展，1998，28 (4) :488-498.

[4] 原先凡，廖 丹．基于GOCAD的TRT测试成果解译方法研究[J]．视觉研究，2021，2( 中) : 178-180．