超前地质预报系统TRT

1、 是一种全新的地质超前预报设备 采用的是美国国家安全局研发的最新地震波反射追踪技术 二十世纪六十年代，在美国先进技术发展计划基金支持下，美国国家安全局网罗了众多资深地球物理学家应用地震波勘测技术来研究地层应力消除现象及地层结构扫描成像，简称TRT技术。 2006年，为推广这一先进技术，美国C-Thru公司从国家安全局继承了相关资产，与中国铁道科学研究院联合推出了TRT6000超前地质预报系统。地震波反射 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。Reflection of v

2、isual light Blocade of light (shadow)(similar to seismic reflector tracing) (similar to seismic tomography)Imaging features in any universeSeismic waves in the groundP-waves (dilatational particle motion)View along trajectorySide viewS-waves (lateral motion)SHSVS-wave surface relatives:Raileigh wave

3、s& Love wavesorSeismic impact sources: Blast Significant inelastic deformation Lower, no-control frequency spectrum 3D radiation - mostly P-waves Faster signal decay Trigger repeatability problem Required drilling Dealing w. explosivesETimeCrushed rockFractured rockElastic strain;P-wave radiatio

4、nChargeInelastic energy lossSeismic energy outputTriggerSeismic impact sources:Hammer strike Limited inelastic deformation;depends on rock strength No-control frequency spectrum Directional P- and S-waves Moderate wave decay More consistent trigger No drilling and explosives Problems in tight spaces

5、ETimeInelastic energy lossSeismic energy outputTriggerCrushed rockFractured rockElastic strainP-wavesS-wavesS-wavesSwept frequeny source Near 0 inelastic deformation - energy loss at any ground Very high trigger repeatability Controlled source spectrum Directional P- and S-waves Operational in tight

6、 spots Applicable at the rock surface and in drilled holes Requires additional signal processing to generate impact-like recordsAFrequencyTimeFsFeTriggerTriggerTtTimeElastic strainP-wavesSourceS-wavesS-wavesSpectrumSourceReflectionImpact-like record 反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，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

7、测到。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、形状、大小。 Travel time Tr fromReflector to receiverTravel time Ti fromsource to reflectorReflectorSourceReceiverTiTrSourceReflectorReceiverReceiver实际上反射物位置的确定需要很多椭球Tunnel 主机主机 基站基站 无线模块无线模块 传感器传感器 触发器触发器-无线数据采集的硬件系统无线数据采集的硬件系统-TRT6000超前地质预报系统TRT6000超前地质预报系统仪

8、器运输箱仪器运输箱，总重28kg,可由一人长距离搬运，尺寸：55cm*43Cm*22Cm，47cm*36cm*22cm.TRT6000超前地质预报系统-无线数据采集的硬件系统-无线模块主要部件运输箱主机基站A2A5A10A3A8A2A7A6A11A4A9A3A4A5A6A7A8A9A10A11 操作简单操作简单 成本低，实现成本低，实现“零零”成本测试成本测试 设备可靠度高和适应性强设备可靠度高和适应性强 采集信息量大，形象的绘制三维采集信息量大，形象的绘制三维立体图，对于多种不良地质体反应立体图，对于多种不良地质体反应敏感。敏感。 可提供优质的售后服务。可提供优质的售后服务。 现场布置“简单

9、” 测试过程“简单” 弥补失误“简单” 用6毫米的钻头打3.5厘米深的孔。 在固定块上抹上膨胀性快干水泥，把固定块固定在隧道边墙和洞顶表面。 传感器通过螺丝安装在固定块上，从而实现传感器和岩体的紧密耦合。ToolsSectionMounted accelerometerTunnel plan viewStandard pattern of source and receiver locations for TRT seismic surveys in tunnels A25m10 to20m5m5 m2mSource pointsAccelerometersA5A10A3A8A2A7A6A11

10、A4A9A3A4A5A6A7A8A9A10A11Tunnel cross-sectionA5A10A3A8A2A7A6A11A4A9TBM tunnelD&B tunnel震源点传感器隧道横断面图隧道平面图TBM隧道应用TRT地震仪勘测时震源和传感器标准的位置传感器TriggerCh. 1Ch-s 13-24SeismographSeismographpower supplyPower generatoror commercial ACpower110V ACPowerCh-s (1)2-12Signal linesDC powerAC powerPower stripSeismogr

11、aphAmplifierArray of accelerometersHammerBlock-schematic for TRT surveys using hammer as source.用铁锤作为震源TRT系统的单元结构图Enable the Hammer Trigger 开启铁锤触发器开启铁锤触发器TRT6000 Seismic System is Easy to UseTurn on the Remote Modules 无线模块上电无线模块上电SAMPLINGERRORONCHARGING59 Mesa St. (PO Box 85)Jamestown, CO, USA 80455

12、(303) 449-1999WIRELESS SENSORS, LLCAWTOOTHSAMPLINGERRORONCHARGING59 Mesa St. (PO Box 85)Jamestown, CO, USA 80455(303) 449-1999WIRELESS SENSORS, LLCAWTOOTHSAMPLINGERRORONCHARGING59 Mesa St. (PO Box 85)Jamestown, CO, USA 80455(303) 449-1999WIRELESS SENSORS, LLCAWTOOTHSAMPLINGERRORONCHARGING59 Mesa St.

13、 (PO Box 85)Jamestown, CO, USA 80455(303) 449-1999WIRELESS SENSORS, LLCAWTOOTHSAMPLINGERRORONCHARGING59 Mesa St. (PO Box 85)Jamestown, CO, USA 80455(303) 449-1999WIRELESS SENSORS, LLCAWTOOTHSAMPLINGERRORONCHARGING59 Mesa St. (PO Box 85)Jamestown, CO, USA 80455(303) 449-1999WIRELESS SENSORS, LLCAWTOO

14、TH3. Strike the Hammer 锤击锤击 Block-schematic for TRT surveys using hammer as source.Trigger signalArray of accelerometers connected to remote wireless modulesHammerBase stationLaptop for wireless TRT data acquisition and processingNo commercial power;No expensive seismograph;No cable lines;Less total

15、 weight and volume; Better resolution of seismic signalsADVANTAGES seismic data acquisition User Interface 震源只需要用8磅的锤锤击表面的岩体或固结的混凝土。 准备时间短,对施工扰动小采集时间仅需10分钟。Using hammer as impact source 用锤击作为振源 由人控制锤击产生地震波、对周围岩体没有产生挤压、破坏现象 ，对于接收不好的测试信号，可简单重复测试，操作简单。And the data is collected采集到的地震波数据Comparison of sei

16、smic data from (red), and (blue) TRT survey in real tunnel.0 TIME, ms 65Source S2 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9Source S5 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A90 TIME, ms 65Comparison of seismic record for the same gain recorded by seismograph (top) and system (bottom)相同增益下地震波记录比较：有线（上）和无线（下）TRT6000系统 TRT6000超前预报使用锤击作为的震

17、源，可重复利用，不需要耗材 这种方法非常适合于煤矿、TBM掘进工程等施工场地狭小、严禁明火的现场。 例如：含瓦斯地层、煤矿、倾斜度大的斜井、软弱的危险地层 接收频率范围为0.7-3900Hz，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报. 安全性非常高、震源可重复利用、通过多次锤击，获得叠加信号，使异常体反射更加明显Remote modules connected to accelerometers 采集信息量大，形象的绘制三采集信息量大，形象的绘制三维立体图，对于多种不良地质维立体图，对于多种不良地质体反应敏感。体反应敏感。 震源和传感器采用矩阵排列，获得真实的三维立

18、体图，直观再现异常体的形态、大小。 断层破碎带 不良地质体接触界限 含水构造 大管径的管状岩溶构造Data processing flow 1.下载地震波数据和震源、传感器位置的坐标2. 设定地层成像区域和最佳精度(节点数目)的大小3. 设定虑波器，选取每个记录的直达波，并计算地震波的平均波速4. 为所选区块构建地震波速度模型5. 为数据处理设定过滤参数6. 重复步骤 3,4,5 处理数据，直到处理结果达到平衡，噪音干扰衰减到足够小。7. 设定背景（比例、颜色代码）来显示结果8. 审查和分析在岩层中探测到的异常的平面（二维）和立体（三维）绘图数据处理流程Seismic data from TR

19、T survey 0 TIME, ms 60Source S5 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9A10A11Source S9 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9A10A11Signal average amplitude 0.22VppSignal average amplitude 0.16VppSr0 TIME, ms 60信号平均振幅为0.16Vpp信号平均振幅为0.22VppUsing linear regression to measure average seismic wave velocity Vp = 5,850 m/sVsr = 3,000 m/

20、sVs = 3,300 m/sVsr - velocity of surface wavesVs velocity of S waves (assessed)Vp velocity of P waves表面波波速S 波波速用线性递归方法测量平均地震波的波速P 波波速距离时间Seismic velocity model Sound velocity in tunnel = 350 m/sAverage velocity = 3,300 m/sFaceTunnel Source ReceiverP-wave velocity m/s3503,300隧道中声波的传输速度隧道中声波的传输速度=350m

21、/s隧道隧道平均速度平均速度3300m/s地震波波速模型隧道面隧道面震源震源传感器传感器修正地震波的衰减修正地震波的衰减240-840Hz 滤波器，消除噪音信号干扰滤波器，消除噪音信号干扰Correction for attenuation of seismic waves 修正地震波的衰减修正地震波的衰减512 ms0 msSubdue direct waves 抑制直达波抑制直达波Filters for data processing 数据滤波处理0 TIME, ms 120SourceA2A3A4A5A6A7A8A9A10A11SourceA2A3A4A5A6A7A8A9A10A11Ra

22、w seismic waveforms(top), and waveforms filtered for data processing(bottom). 原始的地震波形（上）和过滤后的波形（下）1.铁路2.公路3.矿山4.水利水电5.煤炭 谷家台32线断层图断层走向从俯视图上看，红线标示处两侧有明显的错断现象，可初步判译红色线为断层走向线。 从立体图上看，红色线标示的面左侧异常断开，可初步判断为断裂面25-47米处存在一个斜向相交的破碎带 吐库二线中天山隧道变质砂岩与英安岩的不整合接触面 从俯视图上看，红线位置节里裂隙发育，经开挖结果验证，此处为变质砂岩与英安岩的不整合接触面侧视图（280米）立体图挖掘至此处，发现较大的水量涌出General ali