R在黄土隧道中的应用

PAGE第9页共9页浅谈TRT6000在黄土隧道中应用技术摘要：本文结合新建大西铁路乔家山隧道黄土围岩超前预报案例，详细阐述TRT6000超前地质预报系统适用性、原理及操作要点。根据现场检测实例，验证其在黄土隧道中的实用性。关键词：TRT6000；超前地质预报；三维地质成像，黄土隧道应用；Abstract：Inthispaper,combinedwiththenewDaxiRailwaymountaintunnelsurroundingrockgeologicaladvanceforecastQiaojiashanloesscase,elaboratedTRT6000advancegeologicalpredictionsystemsuitability,principleandoperationpoints.Accordingtofieldtestexamples,toverifythepracticabilityoftheLoesstunnel.Keywords：TRT6000；Advancegeologicalforecast；Loesstunnelapplication1.前言针对长大复杂隧道，地质条件勘察难度大，其塌方、涌水突泥等突发性地质灾害将严重危及施工安全，开展好隧道工程超前地质预测预报，做到超前预判，及时决策处理突发性地质灾害是工程建设成败的关键。超前地质预报做为隧道施工工序之一，越来越被列入业主及施工单位的主要控制项目。针对黄土隧道中，TSP203超前地质预报系统的局限性，引进TRT6000做为隧道的超前地质预报的物探检测仪器。TRT6000超前地质预报系统，采用高精度的加速计作为传感器，比其他仪器普遍使用的速度传感器灵敏度提高一倍。传感器布点采用立体布点方式，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。可以从多角度观察缺陷，图像清晰，易于理解，从而更加轻松地进行缺陷诊断。该仪器使用锤击作为震源，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。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。2.工程概况新建铁路大同到西安客运专线站前6标乔家山隧道为单洞双线隧道,全长6510m。全隧按新奥法设计及施工，地形地貌具体表现为低中山丘陵，地势起伏很大，冲沟发育，有水。隧道表覆第四系上更新统洪积层新黄土：浅黄色，坚硬～硬塑，局部汗沙砾石层，呈透镜状；第三系保德组砾岩、粉质黏土和卵石土互层、粉质黏土夹细砂薄层，局部砾岩层较厚，呈松散结构；下伏马家沟组泥灰岩。依据物探资料判释，隧址发现有断裂构造。隧道中部洞身附近有第三系新统粉质黏土，具有弱膨胀性，遇水崩解；隧道出口附近有第四系新黄土，具有湿陷性，遇水崩解。地下水类型主要为第四系、第三系空袭潜水。主要赋存于沟谷或山坡、山梁上松散堆积物中。全隧道均有分布，对隧道施工影响较大。第四系孔隙潜水量受季节性影响较大，雨季水量较大，干旱季水量较少。本隧道均为Ⅴ级围岩。3.TRT6000原理3.1设计原理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。3.2接收原理（见图1）图1TRT6000接收原理4.TRT6000优越性

TRT6000勘测成本低，操作简单，结果准确、全面、直观，代表隧道超前预报领域最新领先的技术，是隧道超前预报系统发展的方向,表现在如下几个方面:4.1TRT6000超前预报使用锤击作为震源，可重复利用，不需要耗材，而使用炸药爆炸作为震源，每次需要相当费用。4.2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。4.3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。4.4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。4.5TRT6000采用高精度的传感器，灵敏度高，最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）。4.6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。4.7TRT6000的传感器布点（如图）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。4.8TRT6000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。4.9TRT6000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第二或第三裂隙（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。5.施工要点5.1操作要点5.1.1锤击点和传感器模块点的确定5.1.1.1锤击点（如图7），距离掌子面1-2米，选择初支强度符合要求位置，必须避开拱架，纵向三个点布置，相隔0.5米，掌子面方向退后2米第二排布置与第一排要求相同，左右边墙布置相同。5.1.1.2第二排锤击点退后10-20米为传感器安装点（如图2、图3）。传感器安装点第一排为A2、A3，距离隧道地面1.5米-2米，左右边墙对称；第二排A4、A6距离隧道地面0.5米-1米，保证与A2、A3不在同一横向直线上，A5安装在隧道拱顶，与A4、A6在纵向同一平面；第三排A7、A8与第一排A2、A3布置相同，第四排A9、A10、A11与第二排A4、A5、A6布置相同。5.1.1.3传感器模块安装点必须避开拱架安装在初支表面，且在安装点确定后，需将安装点用锤子砸平，保证模块粘贴后与初支完全贴近，才能准确接收信号。5.1.1.4传感器模块点粘贴需将接线方向与掌子面前进方向相反，且要求待速凝剂完全凝固后方可锤击。5.1.2锤击指定位置采集信号5.1.2.1打开电脑，连通仪器，调试接收软件，保证接收软件中A1-A11全部为绿灯（A1为接收基站模块），锤击墙壁进行测试，保证锤头上的触发器和所有模块均正常工作，按要求每个锤击点锤击3次，接收信号，并记录信号编号。5.1.2.2保证锤击所用大锤在8kg左右，大锤太大工人锤不动，触发器不能触发；大锤太小所发出的地震波太弱，影响检测距离。TBM型隧道马蹄型隧道TBM型隧道马蹄型隧道图3TRT传感器布设横截面图图2TRT传感器布设俯瞰图5.1.2.3尽量控制大型机具设备的工作，使现场保持安静，避免产生地震波杂波，影响检测结果。5.1.3确定隧道形状及开挖尺寸确定隧道形状及开挖尺寸，输入数据预处理软件，再将锤击点和传感器模块安装点坐标输入，在电脑中模拟出隧道三维立体图形，为后续软件分析做准备。注意测量出锤击点和传感器模块安装点坐标后，需计算出掌子面中心点坐标和传感器最后一排所在断面中心点坐标，用这两点确定出隧道中心线，才能正确显示隧道三维立体图形。5.1.4后处理软件数据分析5.1.4.1数据处理流程图（见图4）下载地震波数据和震源、传感器位置的坐标下载地震波数据和震源、传感器位置的坐标设定地层成像区域和最佳精度的大小设定虑波器，提取直达波，计算平均波速构建地震波速度模型为数据处理设定过滤参数分析在岩层中探测到的异常立体图立体图形成设定背景（比例、颜色代码）来显示结果形成报告图4数据处理流程图5.1.4.2将预处理软件中整理好的地震波数据、震源和传感器位置的坐标下载到后处理软件中，预处理软件的作用在于数据的整合与简单处理，并将预判出各数据之间的对应吻合情况，防止在后处理软件中将数据处理的最后出现错误，耽误时间。5.1.4.3数据下载完成后，设定地层成像区域和最佳精度的大小。一般情况下，设定地层成像区域的大小为隧道中心线为中心半径20米范围内的地层情况，也可以根据不同现场情况设定更大，以方便分析。精度的大小根据围岩的情况不同而设置，一般选取经验值，也可根据不同地质情况而改变。5.1.4.4设定滤波器，提取直达波，计算平均波速。这是真个后处理软件的核心处理工作，一般采用手动，根据平时的经验设定滤波器，依据现场的情况和数据接收情况提取直达波，直达波提取的好坏，直接影响结果的分析，需要经验的积累，细心的分析。波速的计算为软件的三维成像提供前提。5.1.4.5构建地震波波速模型。根据平均波速和直达波提取后显示的反射点位置，计算出波速的上限和下限，构建地震波波速模型，为三维成像划定区域。5.1.4.6为数据处理设定过滤参数。以上步骤完成后，我们可以预览检测结果的三维成像，这是在计算机默认的过滤参数的基础上，未必会显示出应有的反射结果，需要经过不断的调整，根据现场经验和地质资料选择出最佳的过滤参数，显示三维结果图。5.1.4.7设定背景主要是根据习惯，设定明显的对比颜色、最佳的视觉比例。5.1.4.8分析在岩层中探测到的异常立体图，这是结果分析重要步骤，需要分析者有足够的现场经验和专业地质知识，最好分析者亲自参与现场检测，研究掌子面围岩情况，并根据地质资料和经验进行分析。最后形成报告。5.2施工注意事项5.2.1注意施工现场环境，尽量在信号接收时停止现场大型机具设备的运行，减少震动干扰。5.2.2注意锤击点和传感器模块安装点布置，一定要避开钢拱架，布置在与隧道围岩接触的初支面上，减少信号接收的干扰。5.2.2锤击点的初支强度需要得到保证，不能布置在新喷射的初支表面，影响震源。5.2.3注意调试仪器，保证仪器一切正常的情况下进行检测。5.3TRT6000超前地质预报系统技术指标（见表1）。表1TRT6000超前地质预报系统技术指标项次项目内容1接收器端口9个2记录通道24个3采样间隔31，64，125，250，500，1000，或2000μs4记录带宽40～15000Hg5模数转换32位6记录长度16000采样数数每通道7频率范围10Hg—750000Hgg8测量精度最好10cm9低频过滤25，35，50，70，100，140，200，280，400HHg10高频过滤250，500，1000Hg（降低风噪噪）11延迟0～9999ms，每每毫秒每毫秒秒调节12工作电压直流12伏13温度范围存放环境温度-1100—＋60014相对湿度30-90%15电源外接电源90-2240伏交流流，50/600Hg16探测距离软岩一般150米米硬岩一般300米6.应用实例新建铁路大同到西安客运专线站前6标乔家山隧道2号斜井，应用TRT6000超前地质预报系统进行信号采集和结果分析。分析结果的地质三维图中的颜色代表了不同岩体间的波阻抗的差别，当地震波从软粗岩传播到硬岩时，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。成果解译就是把波阻抗的分布、形态等特征和代表的可能的地质异常情况对应起来。经分析，乔家山2#斜井里程2斜6+76～6+56段从俯视图上看，两侧有明显的错断现象，可初步判译为断层带，经过现场开挖验证，确实有一条断层构造带存在，围岩节理、裂隙特别发育，结构松散，开挖时掉块。现场技术人员根据报告提示，提前做好准备，超前支护施做及时，初期支护快速、准确；安全快速的通过了此构造破碎带，保证了施工安全，确保了施工进度与质量。7结束语通过该系统的应用，减少隧道施工过程中的盲目性，避免隧道施工过程中可能诱发的重大的不良地质或灾害地质的发生，并根据现场预报结果，实施动态信息的施工方法，及时调整或修正围岩分级、设计参数及施工方法，正确指导施工，使施工快速、安全、经济、合理。同时，