[論文]TRT6000在黃土隧道中的應(yīng)用

1、PAGE 第 PAGE 5 頁(yè) 共 NUMPAGES 5 頁(yè)淺談TRT6000在黃土隧道中應(yīng)用技術(shù)摘 要：本文結(jié)合新建大西鐵路喬家山隧道黃土圍巖超前預(yù)報(bào)案例，詳細(xì)闡述TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)適用性、原理及操作要點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)例，驗(yàn)證其在黃土隧道中的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：TRT6000；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；三維地質(zhì)成像，黃土隧道應(yīng)用；Abstract：In this paper, combined with the new Daxi Railway mountain tunnel surrounding rock geological advance forecast Qiaojiashan lo

2、ess case, elaborated TRT6000 advance geological prediction system suitability, principle and operation points. According to field test examples, to verify the practicability of the Loess tunnel.Key words：TRT6000； Advance geological forecast；Loess tunnel application1.前言 針對(duì)長(zhǎng)大復(fù)雜隧道，地質(zhì)條件勘察難度大，其塌方、涌水突泥等突發(fā)

3、性地質(zhì)災(zāi)害將嚴(yán)重危及施工安全，開展好隧道工程超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，做到超前預(yù)判，及時(shí)決策處理突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)做為隧道施工工序之一，越來(lái)越被列入業(yè)主及施工單位的主要控制項(xiàng)目。針對(duì)黃土隧道中，TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的局限性，引進(jìn)TRT6000做為隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的物探檢測(cè)儀器。TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用高精度的加速計(jì)作為傳感器，比其他儀器普遍使用的速度傳感器靈敏度提高一倍。傳感器布點(diǎn)采用立體布點(diǎn)方式，在隧道兩邊分別布置4 個(gè)傳感器，然后在隧道頂上布置兩個(gè)傳感器，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)、大小?？梢詮亩嘟嵌扔^察缺陷，圖像清

4、晰，易于理解，從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。該儀器使用錘擊作為震源，可在同一點(diǎn)作多次錘擊，通過(guò)信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯?？朔吮óa(chǎn)生的高能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，從而保證能接收到真實(shí)的地震波信號(hào)。2.工程概況新建鐵路大同到西安客運(yùn)專線站前6標(biāo)喬家山隧道為單洞雙線隧道,全長(zhǎng)6510m。全隧按新奧法設(shè)計(jì)及施工，地形地貌具體表現(xiàn)為低中山丘陵，地勢(shì)起伏很大，沖溝發(fā)育，有水。隧道表覆第四系上更新統(tǒng)洪積層新黃土：淺黃色，堅(jiān)硬硬塑，局部汗沙礫石層，呈透鏡狀；第三系保德組礫巖、粉質(zhì)黏土和卵石土互層、粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂薄層，局部礫巖層較厚，呈松散結(jié)構(gòu)；下伏馬家溝組泥灰?guī)r。依據(jù)物探資料判釋，隧址發(fā)現(xiàn)

5、有斷裂構(gòu)造。隧道中部洞身附近有第三系新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，具有弱膨脹性，遇水崩解；隧道出口附近有第四系新黃土，具有濕陷性，遇水崩解。地下水類型主要為第四系、第三系空襲潛水。主要賦存于溝谷或山坡、山梁上松散堆積物中。全隧道均有分布，對(duì)隧道施工影響較大。第四系孔隙潛水量受季節(jié)性影響較大，雨季水量較大，干旱季水量較少。本隧道均為級(jí)圍巖。3.TRT6000原理3.1 設(shè)計(jì)原理地震波反射探測(cè)的方法很早就已經(jīng)在土木工程和采礦作業(yè)等許多方面得到利用。這種技術(shù)的原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)

6、界面。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收，通過(guò)分析，被用來(lái)了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置及規(guī)模。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下： 假設(shè)R為反射系數(shù)，為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能洿謳r傳播到硬的白云石時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測(cè)到。3.2 接收原理（見圖1）圖1 TRT6000接收原理4.TRT6000優(yōu)越性TRT 6000勘

7、測(cè)成本低，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確、全面、直觀，代表隧道超前預(yù)報(bào)領(lǐng)域最新領(lǐng)先的技術(shù)，是隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的方向,表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:4.1 TRT 6000超前預(yù)報(bào)使用錘擊作為震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，而使用炸藥爆炸作為震源，每次需要相當(dāng)費(fèi)用。 4.2 使用錘擊作為震源，可在同一點(diǎn)作多次錘擊，通過(guò)信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯。 4.3 用錘擊作為震源克服了爆炸產(chǎn)生的高能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，從而保證能接收到真實(shí)的地震波信號(hào)。 4.4 由人控制錘擊產(chǎn)生地震波、可簡(jiǎn)單重復(fù)，操作簡(jiǎn)單，而爆炸產(chǎn)生地震波時(shí)高頻信號(hào)迅速衰減，對(duì)操作人員的要求比較高。 4.5 TRT 6000采用高精度的傳

8、感器，靈敏度高，最大程度地保留了高頻信號(hào)，提高了精度及探測(cè)距離（硬質(zhì)巖中為300米，軟質(zhì)巖中為150米）。 4.6 傳感器和地震波采集、處理器之間采用無(wú)線連接，大大簡(jiǎn)化了裝備（只有兩個(gè)箱子，尺寸見設(shè)備配置），兩個(gè)箱子的重量?jī)H為29Kg，攜帶方便。 4.7 TRT 6000的傳感器布點(diǎn)（如圖）采用立體布點(diǎn)方式，在隧道兩邊分別布置個(gè)傳感器，然后在隧道頂上布置兩個(gè)傳感器，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)、大小。而其他儀器一般在左右邊墻各布置一個(gè)地震波信息接收器接收地震波，這樣的布置方式只能獲得異常體的位置信息，而不能獲得形狀、大小等信息，同時(shí)對(duì)于大角度斜交隧道的裂隙可能沒(méi)有反

9、映。 4.8 TRT 6000還采用了層析掃描的圖像處理方式，繪制三維視圖，并可以從多個(gè)角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。 4.9 TRT 6000能描繪到隧道水平和垂直方向的所有異物。而其他儀器用于描繪幾乎垂直于隧道的充滿空氣或水的裂隙，而且只能描繪靠近的垂直裂隙，不能描繪稍遠(yuǎn)距離的第二或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對(duì)于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能沒(méi)有反映。對(duì)于所描繪的傾斜裂隙，會(huì)低估它們的距離。5.施工要點(diǎn)5.1 操作要點(diǎn)5.1.1 錘擊點(diǎn)和傳感器模塊點(diǎn)的確定5.1.1.1 錘擊點(diǎn)（如圖7），距離掌子面1-2米，選擇初支強(qiáng)度符合要求位置，必

10、須避開拱架，縱向三個(gè)點(diǎn)布置，相隔0.5米，掌子面方向退后2米第二排布置與第一排要求相同，左右邊墻布置相同。5.1.1.2 第二排錘擊點(diǎn)退后10-20米為傳感器安裝點(diǎn)（如圖2、圖3）。傳感器安裝點(diǎn)第一排為A2、A3，距離隧道地面1.5米-2米，左右邊墻對(duì)稱；第二排A4、A6距離隧道地面0.5米-1米，保證與A2、A3不在同一橫向直線上，A5安裝在隧道拱頂，與A4、A6在縱向同一平面；第三排A7、A8 與第一排A2、A3布置相同，第四排A9、A10 、A11與第二排A4 、A5、A6布置相同。5.1.1.3 傳感器模塊安裝點(diǎn)必須避開拱架安裝在初支表面，且在安裝點(diǎn)確定后，需將安裝點(diǎn)用錘子砸平，保證模

11、塊粘貼后與初支完全貼近，才能準(zhǔn)確接收信號(hào)。5.1.1.4 傳感器模塊點(diǎn)粘貼需將接線方向與掌子面前進(jìn)方向相反，且要求待速凝劑完全凝固后方可錘擊。5.1.2 錘擊指定位置采集信號(hào)5.1.2.1 打開電腦，連通儀器，調(diào)試接收軟件，保證接收軟件中A1-A11全部為綠燈（A1為接收基站模塊），錘擊墻壁進(jìn)行測(cè)試，保證錘頭上的觸發(fā)器和所有模塊均正常工作，按要求每個(gè)錘擊點(diǎn)錘擊3次，接收信號(hào)，并記錄信號(hào)編號(hào)。5.1.2.2 保證錘擊所用大錘在8kg左右，大錘太大工人錘不動(dòng)，觸發(fā)器不能觸發(fā)；大錘太小所發(fā)出的地震波太弱，影響檢測(cè)距離。TBM 型隧道馬蹄型隧道圖3 TRT傳感器布設(shè)橫截面圖圖2 TRT傳感器布設(shè)俯瞰圖

12、5.1.2.3 盡量控制大型機(jī)具設(shè)備的工作，使現(xiàn)場(chǎng)保持安靜，避免產(chǎn)生地震波雜波，影響檢測(cè)結(jié)果。5.1.3 確定隧道形狀及開挖尺寸確定隧道形狀及開挖尺寸，輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，再將錘擊點(diǎn)和傳感器模塊安裝點(diǎn)坐標(biāo)輸入，在電腦中模擬出隧道三維立體圖形，為后續(xù)軟件分析做準(zhǔn)備。注意測(cè)量出錘擊點(diǎn)和傳感器模塊安裝點(diǎn)坐標(biāo)后，需計(jì)算出掌子面中心點(diǎn)坐標(biāo)和傳感器最后一排所在斷面中心點(diǎn)坐標(biāo)，用這兩點(diǎn)確定出隧道中心線，才能正確顯示隧道三維立體圖形。5.1.4 后處理軟件數(shù)據(jù)分析 5.1.4.1 數(shù)據(jù)處理流程圖（見圖4）下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置的坐標(biāo)設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度的大小設(shè)定慮波器，提取直達(dá)波，計(jì)算平均波速

13、構(gòu)建地震波速度模型為數(shù)據(jù)處理設(shè)定過(guò)濾參數(shù)分析在巖層中探測(cè)到的異常立體圖立體圖形成設(shè)定背景（比例、顏色代碼）來(lái)顯示結(jié)果形成報(bào)告圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖5.1.4.2將預(yù)處理軟件中整理好的地震波數(shù)據(jù)、震源和傳感器位置的坐標(biāo)下載到后處理軟件中，預(yù)處理軟件的作用在于數(shù)據(jù)的整合與簡(jiǎn)單處理，并將預(yù)判出各數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)吻合情況，防止在后處理軟件中將數(shù)據(jù)處理的最后出現(xiàn)錯(cuò)誤，耽誤時(shí)間。5.1.4.3 數(shù)據(jù)下載完成后，設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度的大小。一般情況下，設(shè)定地層成像區(qū)域的大小為隧道中心線為中心半徑20米范圍內(nèi)的地層情況，也可以根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定更大，以方便分析。精度的大小根據(jù)圍巖的情況不同而設(shè)置，一般選取

14、經(jīng)驗(yàn)值，也可根據(jù)不同地質(zhì)情況而改變。5.1.4.4 設(shè)定濾波器，提取直達(dá)波，計(jì)算平均波速。這是真?zhèn)€后處理軟件的核心處理工作，一般采用手動(dòng)，根據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定濾波器，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況和數(shù)據(jù)接收情況提取直達(dá)波，直達(dá)波提取的好壞，直接影響結(jié)果的分析，需要經(jīng)驗(yàn)的積累，細(xì)心的分析。波速的計(jì)算為軟件的三維成像提供前提。5.1.4.5 構(gòu)建地震波波速模型。根據(jù)平均波速和直達(dá)波提取后顯示的反射點(diǎn)位置，計(jì)算出波速的上限和下限，構(gòu)建地震波波速模型，為三維成像劃定區(qū)域。5.1.4.6 為數(shù)據(jù)處理設(shè)定過(guò)濾參數(shù)。以上步驟完成后，我們可以預(yù)覽檢測(cè)結(jié)果的三維成像，這是在計(jì)算機(jī)默認(rèn)的過(guò)濾參數(shù)的基礎(chǔ)上，未必會(huì)顯示出應(yīng)有的反射結(jié)果

15、，需要經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)資料選擇出最佳的過(guò)濾參數(shù)，顯示三維結(jié)果圖。5.1.4.7 設(shè)定背景主要是根據(jù)習(xí)慣，設(shè)定明顯的對(duì)比顏色、最佳的視覺(jué)比例。5.1.4.8分析在巖層中探測(cè)到的異常立體圖，這是結(jié)果分析重要步驟，需要分析者有足夠的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)地質(zhì)知識(shí)，最好分析者親自參與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，研究掌子面圍巖情況，并根據(jù)地質(zhì)資料和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析。最后形成報(bào)告。5.2 施工注意事項(xiàng)5.2.1 注意施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，盡量在信號(hào)接收時(shí)停止現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)具設(shè)備的運(yùn)行，減少震動(dòng)干擾。5.2.2 注意錘擊點(diǎn)和傳感器模塊安裝點(diǎn)布置，一定要避開鋼拱架，布置在與隧道圍巖接觸的初支面上，減少信號(hào)接收的干擾。5.2.2 錘擊

16、點(diǎn)的初支強(qiáng)度需要得到保證，不能布置在新噴射的初支表面，影響震源。5.2.3注意調(diào)試儀器，保證儀器一切正常的情況下進(jìn)行檢測(cè)。5.3 TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)（見表1）。 表1 TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng) 次項(xiàng) 目?jī)?nèi) 容1接收器端口9個(gè)2記錄通道24個(gè)3采樣間隔31，64，125，250，500，1000，或2000s4記錄帶寬4015000Hg5模數(shù)轉(zhuǎn)換32位6記錄長(zhǎng)度16000采樣數(shù)每通道7頻率范圍10Hg75000 Hg8測(cè)量精度最好10cm9低頻過(guò)濾25，35，50，70，100，140，200，280，400 Hg10高頻過(guò)濾250，500，1000 Hg（

17、降低風(fēng)噪）11延 遲09999ms，每毫秒每毫秒調(diào)節(jié)12工作電壓直流12伏13溫度范圍存放環(huán)境溫度-10060014相對(duì)濕度30-90%15電 源外接電源90-240伏交流，50/60Hg16探測(cè)距離軟巖一般150米 硬巖一般300米6.應(yīng)用實(shí)例新建鐵路大同到西安客運(yùn)專線站前6標(biāo)喬家山隧道2號(hào)斜井，應(yīng)用TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集和結(jié)果分析。分析結(jié)果的地質(zhì)三維圖中的顏色代表了不同巖體間的波阻抗的差別，當(dāng)?shù)卣鸩◤能洿謳r傳播到硬巖時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大。成果解譯就是把波阻抗的分布、形態(tài)等特征和代表的

18、可能的地質(zhì)異常情況對(duì)應(yīng)起來(lái)。經(jīng)分析，喬家山2#斜井里程2斜6+766+56段從俯視圖上看，兩側(cè)有明顯的錯(cuò)斷現(xiàn)象，可初步判譯為斷層帶，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證，確實(shí)有一條斷層構(gòu)造帶存在，圍巖節(jié)理、裂隙特別發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，開挖時(shí)掉塊?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)報(bào)告提示，提前做好準(zhǔn)備，超前支護(hù)施做及時(shí)，初期支護(hù)快速、準(zhǔn)確；安全快速的通過(guò)了此構(gòu)造破碎帶，保證了施工安全，確保了施工進(jìn)度與質(zhì)量。7結(jié)束語(yǔ)通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，減少隧道施工過(guò)程中的盲目性，避免隧道施工過(guò)程中可能誘發(fā)的重大的不良地質(zhì)或?yàn)?zāi)害地質(zhì)的發(fā)生，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)施動(dòng)態(tài)信息的施工方法，及時(shí)調(diào)整或修正圍巖分級(jí)、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工方法，正確指導(dǎo)施工，使施工快速、安全、經(jīng)濟(jì)、合理