TRT（True Reflection Tomography）7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)采用層析掃描成像技術(shù)獲得隧道前方的全息圖，代表國際上隧道超前預(yù)報領(lǐng)域***的水平。

*采用隧道反射層析掃描成像技術(shù)，生成隧道前方地層結(jié)構(gòu)的全息三維圖

*勘測結(jié)果準確、**、直觀檢測成果易于解譯、斷層、破碎、富水帶、巖溶及采空區(qū)特征明顯無耗材、勘測費用低

*系統(tǒng)采用無線連接，操作簡單、**，攜帶方便

*勘試時間短，不影響隧道施工

*適用范圍廣：鐵路、公路、水利、礦山等領(lǐng)域均可應(yīng)用，探測勘測距離遠（150-300 米）

TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，新建隧道工程規(guī)模越來越宏大，面臨的地質(zhì)情況更為復(fù)雜多變。隧道施工的過程中，防護措施不足將會帶來很嚴重的地質(zhì)災(zāi)害和工程問題，不僅延誤工期，影響**生產(chǎn)，而且會帶來巨大的經(jīng)濟損失，過多防護又會大大加重成本負擔(dān)，這促使發(fā)達國家對地下巖土工程地質(zhì)條件超前預(yù)報技術(shù)進行深入、廣泛的研究。二十世紀六十年代，在美國先進技術(shù)發(fā)展計劃基金支持下，美國國家**局網(wǎng)羅了眾多**地球物理學(xué)家應(yīng)用地震波勘測技術(shù)來研究地層應(yīng)力釋放現(xiàn)象及地層結(jié)構(gòu)掃描成像。在此過程中形成了隧道反射層析掃描成像超前預(yù)報技術(shù)(True Reflection Tomography)，簡稱TRT 技術(shù)。在為美國國家**局管轄單位及海外客戶服務(wù)的過程中，TRT 技術(shù)飛速發(fā)展，在震源上先后采用爆炸、風(fēng)鎬或挖掘機、電磁波發(fā)生器、錘擊作為震源，使勘測成本越來越低，操作越來越方便；在軟件上，成功實現(xiàn)由2D 成像到3D 全息成像的跨越，使得勘測結(jié)果顯示更為準確、**，直觀。為更好地推廣這一業(yè)界獨有的先進技術(shù)，美國C‐ThruGround 工程有限公司從國家**局繼承了相關(guān)資產(chǎn),進行獨立的商業(yè)運作,推出TRT‐7000 型隧道反射層析掃描成像隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。

隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)介紹

TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)采用地震層析成像及全息巖土成像技術(shù)。經(jīng)復(fù)雜介質(zhì)傳播記錄的地震信號是由折射、反射、散射、彌散等多類波形所組成，層析成像和全息成像是常用的利用信號波形變化來估計介質(zhì)性質(zhì)變化的位置和范圍的反演技術(shù)。巖石三維圖像(Rock Vision 3D TM)技術(shù)的基本原理是基于地震能量在不同種類介質(zhì)中以不同的衰減率和速度傳播。通常，與破碎或裂隙發(fā)育的巖土體或空洞條件相比，地震波在完整堅硬的介質(zhì)中傳播時，具有更高的傳播速度和更低的衰減。TRT TM 技術(shù)的基本原理是利用了地震波在巖土體中傳播過程中，遇到具有不同震動特性的巖土區(qū)帶間的界面時，部分地震波能量將產(chǎn)生反射的特性。絕大多數(shù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常及巖性變化，在地震信號可及的距離范圍內(nèi)，均可形成可探測的地震反射。TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)勘測成本低，操作簡單，結(jié)果準確、**、直觀，代表隧道超前預(yù)報領(lǐng)域*新**的技術(shù)，是隧道超前預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展的方向,

表現(xiàn)在如下幾個方面：

1. TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)使用錘擊作為震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，而使用爆炸作為震源，每次需要相當(dāng)費用。

2. 使用錘擊作為震源，可在同一點作多次錘擊，通過信號疊加，使異常體反射信號更加明顯。

3. 用錘擊作為震源克服了爆炸產(chǎn)生的高能量對周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，從而保證能接收到真實的地震波信號。

4. 由人控制錘擊產(chǎn)生地震波、可簡單重復(fù)，操作簡單，而爆炸產(chǎn)生地震波時高頻信號迅速衰減，對操作人員的要求比較高。

5. TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)采用高精度的傳感器，靈敏度高（1V/g），*大程度地保留了高頻信號，提高了精度及探測距離（硬質(zhì)巖中為300 米，軟質(zhì)巖中為150 米）。

6. 傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，大大簡化了裝備（只有兩個箱子，尺寸見設(shè)備配置），兩個箱子的重量僅為29Kg，攜帶方便。

7. TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的傳感器布點（圖1）采用立體布點方式，在隧道兩邊分別布置４個傳感器，然后在隧道頂上布置兩個傳感器，從而獲得真實的三維立體圖，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，同時對于大角度斜交隧道的裂隙可能沒有反映。

8. TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)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，從而更加輕松地進行缺陷診斷。

9. TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)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，不能描繪稍遠距離的**或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能沒有反映。對于所描繪的傾斜裂隙，會低估它們的距離。

TRT-7000層析掃描隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)探測原理及操作

TRT 反射繪圖

a. 理論

地震波反射探測的方法很早就已經(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，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(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)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來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)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能洿謳r傳播到硬的白云石時，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，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。

TRT 層析掃描隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)獲取巖層中結(jié)構(gòu)異常邊界的方法

圖1 用地震波反射來獲得地層地質(zhì)狀況三維圖的原理示意圖

圖1 解釋了用地震波反射來獲得地層地質(zhì)狀況三維圖的概念。以每個震源和地震信號傳感器組的位置為焦點，與所有可能產(chǎn)生回波的反射體可以確定一個橢球。足夠多數(shù)量的震源和地震信號傳感器組對會形成一個三維數(shù)組，每個界面/反射的地層位置可以由這些眾多橢球的交匯區(qū)域所確定。實際上，反射邊界每 一點離散圖像的計算包括由所有震源和地震信號傳感器組所對應(yīng)的三維巖體空間中選定的區(qū)塊。離散圖像中各點值是由空間疊加所有地震波形計算得來，每個波按比例地從震源經(jīng)過三維巖體空間的區(qū)塊到達地震信號傳感器。

圖1. 用地震波反射來獲得地層地質(zhì)狀況三維圖的原理插圖2 是這個概念的一個示范。各個波形振幅隨時間的變化由被探測巖層大小建立的波速模型來計算。所以，此技術(shù)是掃描和全息技術(shù)的結(jié)合。每個圖像點再現(xiàn)了歸一化的反射地震波的波幅，因為在該點疊加了所有從震源通過它傳到地震信號傳感器的反射波，并對反射波作了信號衰減的修正。發(fā)射信號（震源）的間隔和頻率決定了圖像的分辨率。為了防止空間混淆，記錄的地震波的*短波長不能小于圖像點像素對角線長度的4倍。然而，通常小于四分之一波長的異物是不能被探測到的。因此，圖像點像素對角線的長度決定了能探測到的*小目標尺寸。

b. 探測設(shè)計

結(jié)合上面的理論和工地的實際應(yīng)用給出了如下幾條操作規(guī)范：

*地層圖像的分辨率與震源的距離成反比，與可探測到的*短波長成正比。通常，離隧道口*近的幾米分辨率*高，隨著距離增加分辨率會降低。同時，分辨率和圖像點數(shù)成反比，因為能處理的*多圖像點數(shù)是65536。

*巖體異常距離測量的**誤差由異常回波波速模型的精度決定。波速模型可以隨隧道前移而得到更新，包括隧道地質(zhì)性質(zhì)和機械屬性的變化。

*不同震源的波速模型是不一樣的。爆炸產(chǎn)生的地震波以P-波為主，由掘進機、鉆機等彈性剪切產(chǎn)生的地震波以S-波為主。以爆炸作為震源，圖象會漏掉較小的巖層裂隙異常。

*地震波可以由單軸加速計收集，其靈敏軸平行于隧道軸向。加速計和震源擺放在同一隧道,并離開震源一定距離。這提高了對位于隧道前方巖層異常探測的靈敏度，但非傳感器軸向上的靈敏度會變差。通過改變傳感器的軸向或采用三軸傳感器可以提高隧道側(cè)面巖層異常的圖象質(zhì)量。

*為確保構(gòu)建地層圖象地準確性，震源和地震信號傳感器的位置必須**到(+/-10cm)。

用TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)層析掃描系統(tǒng)來做地層繪圖需要考慮以下幾個因素：

*隧道的尺寸及挖掘的技術(shù)

*巖層的類型，周圍地層及可能的隧道口前方的地震波屬性

*目標區(qū)域的屬性，尺寸及范圍

*描繪異常體要求的分辨率

*震源、地震信號傳感器的安裝，巖層表面和接近表面的地質(zhì)狀況

TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的地震信號傳感器組列的布置和傳感器的類型如圖2、3。隧道的尺寸和類型決定了具體采用哪種布置。地層的類型和屬性決定了采用何種耦合技術(shù)來正確安裝地震信號傳感器。地層的地震波屬性確定了*佳的異常探測范圍、圖象的長度、*佳分辨率。進入隧道的方式和巖層狀況決定了需要采用何種額外的設(shè)備來安裝地震信號傳感器組，以及需要對地震信號傳感器組的布置作怎樣的更改（旋轉(zhuǎn)或伸長）以確保獲得可靠的數(shù)據(jù)。磁致伸縮（電磁波）震源現(xiàn)在被TRT 用做標準震源。它可以重復(fù)產(chǎn)生在巖層中傳播的的掃描頻率信號。從震源過來的直達波和從異常體反射過來的反射波都被加速器采集到，并和震源信號相聯(lián)系。記錄的結(jié)果很容易和震源的記錄相匹配。

使用電磁波震源的便利性在于應(yīng)用的適應(yīng)性、震源定位和地震波方向控制的簡便性。

用TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)進行超前預(yù)報勘測

選擇震源位置

A．隧道震源組合類型（TBM ‐‐ 圓柱形，挖掘和爆炸‐‐馬蹄形）；

B．震源和地震信號傳感器的位置如圖2、3。通常，地震信號傳感器組離*近的目標邊界不能小于10‐15 米。

勘測

?*為每個震源記錄５個好的記錄（５個堆棧）。當(dāng)記錄不一致時，增加堆棧數(shù)量（錘擊次數(shù)）。

?*保留所有的記錄，需要記錄震源位置移動后震源條件發(fā)生的變化，輸入所有相關(guān)的發(fā)現(xiàn)。

震源和地震信號傳感器的勘測點

所有地震信號傳感器和震源位置的精度必須小于10CM。位置坐標必須與總體坐標系統(tǒng)一致。它可以是隧道測量鏈長度或者是地形學(xué)坐標，和隧道中心線的海拔高度。如果要在TRT 層析掃描系統(tǒng)的地層繪圖中附加 隧道附近已建或準備建的結(jié)構(gòu)，它們的坐標也必須提供。

TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的一些隧道工程項目實例

TRT 軟件生成一個全息圖像，描述地下狀況就像一束閃光，能夠使你直接“看到”隧道工作面前方400英尺（120m）。典型的應(yīng)用包括，在隧道工作面后面一定距離的隧道周邊安裝3 分量檢波器，由錘擊、掘進機或風(fēng)鎬產(chǎn)生地震信號。在掘進循環(huán)里記錄信號。整個數(shù)據(jù)的采集和處理需要一到兩小時，并且隧道每掘進200～300ft（61～90m）執(zhí)行一次操作。

國外的項目

NSA 工程公司和Kajima 集團已經(jīng)在一起使用TRT 方法描述日本一些隧道的不同巖石特征。在Fujikawa導(dǎo)硐和TBM 主隧道，TRT 被應(yīng)用于描繪隧道上方安山石和凝灰角礫巖層上沉積形成的砂礫層的界限。圖１顯示3 維的導(dǎo)硐和主隧道的聯(lián)合圖像，描繪出了砂礫層的底部形狀和邊界。平坦的邊界在主隧道上方約121英尺（37m），輕微侵入了導(dǎo)硐。

隧道上方異常輪廓反射及向東（左）和北（右）的垂直和水平投影。 在日本的Kamaishi 附近的另一個高速公路雙硐隧道工程，采用NATM 和鉆眼爆破技術(shù)，隧道開挖通過偶爾有花崗巖的破碎的、軟弱的喀斯特石灰?guī)r層。采用沖擊破碎機產(chǎn)生震源，探測到一個在工作面前方279 英尺（85m）的橫在主隧道上的花崗巖體。該體與工作面的低波速粘土（圖２中的藍色部分）相區(qū)別，已被掘進所證實。

隧道上方異常輪廓反射及向東（左）和北（右）的垂直和水平投影。 在日本的Kamaishi 附近的另一個高速公路雙硐隧道工程，采用NATM 和鉆眼爆破技術(shù)，隧道開挖通過偶爾有花崗巖的破碎的、軟弱的喀斯特石灰?guī)r層。采用沖擊破碎機產(chǎn)生震源，探測到一個在工作面前方279 英尺（85m）的橫在主隧道上的花崗巖體。該體與工作面的低波速粘土（圖２中的藍色部分）相區(qū)別，已被掘進所證實。

TRT 也被用于澳大利亞的一些隧道工程，包括一個采用TRT 探測隧道前方破碎區(qū)的應(yīng)用例子，該隧道正要穿越充滿喀斯特石灰?guī)r的山谷。圖３顯示在隧道工作面的前方98 英尺（30m）和180 英尺（55m）有兩個軟弱裂隙區(qū)域，它們已被隨后的鉆孔檢查和掘進所證實。

TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)對比其他同類產(chǎn)品的優(yōu)越性

1) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)使用錘擊作為的震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，而使用爆炸作為震源每次需要相當(dāng)費用。

2) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)震源不需要鉆孔，直接錘擊邊墻巖體或固結(jié)的混凝土表面，傳感器安裝只需要鉆直徑6 毫米，深5 厘米的孔，測試快捷，方便，從測試準備到數(shù)據(jù)采集完成只需要1 個小時；其它同類儀器需要鉆24 個1.5 米深的炮孔，1-2 個2 米深的接收孔，準備時間長。

3) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，大大簡化了裝備，儀器兩個箱子（體積：55cm*43*22,47cm*36cm*22cm) 的重量僅為29Kg，攜帶方便，操作也更加簡便。

4) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的傳感器布點（圖1）采用立體布點方式，在隧道兩邊分別布置４個傳感器，然后在隧道頂上布置兩個傳感器，從而獲得真實的三維立體圖，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，同時對于大角度斜交隧道的裂隙可能沒有反映。

5) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)采用高精度的加速計作為傳感器，*大程度地保留了高頻信號，提高了精度及探測距離（硬質(zhì)巖中為300 米，軟質(zhì)巖中為150 米）。

6) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)接收頻率范圍為0.7-3900Hz，適應(yīng)性強，能夠在軟巖、硬巖、黃土、松散堆積物等多種地質(zhì)環(huán)境里進行的超前地質(zhì)預(yù)其他同類設(shè)備如遇黃土、松散泥土結(jié)構(gòu)，無法成孔，從而無法放入耗材。

7) **性高，不需要耗材，不需要交流電，在煤層，含瓦斯地層中也可以進行測試。

8) TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)繪制三維視圖，并可以從多個角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而更加輕松地進行缺陷診斷。

9) 信息量大，對于斷層破碎帶、**地質(zhì)接觸界面、含水構(gòu)造、大管徑的管狀巖溶能提供準確預(yù)報TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)在美國、歐洲、日本、新西蘭、澳大利亞等國家獲得廣闊的市場，在國內(nèi)目前已被山東鐵正工程試驗檢測中心有限公司、山東廣信工程檢測有限責(zé)任公司、萊蕪鐵礦萊蕪鋼鐵集團萊蕪礦業(yè)有限公司、湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院、中鐵八局集團建筑工程有限公司、中鐵八局集團正成鐵路工程質(zhì)量檢測有限公司、中鐵九局集團工程檢測試驗有限公司、云南省水利水電勘測設(shè)計研究院、中國水電三局大西客運專線指揮部、中鐵十八局集團有限公司科研設(shè)計院、中鐵十九局集團有限公司計量測試中心、北京交通大學(xué)、中國水電六局、中國**科學(xué)研究院、五礦邯邢礦業(yè)邯鄲地質(zhì)勘查設(shè)計有限公司、四川路橋勘測設(shè)計院、中國建筑總公司技術(shù)服務(wù)中心、中南大學(xué)、河北鋼鐵集團石人溝鐵礦、河北鋼鐵集團司家營鐵礦、河北鋼鐵集團龍煙鐵礦、北京建筑工程學(xué)院、重慶交通大學(xué)、中鐵十七局、中鐵四局、中國鐵路第三勘察設(shè)計院、山東大學(xué)、中國建筑第五工程公司、中國電建成都勘察設(shè)計院、中國電建中水八局、中國鋁業(yè)河南分公司、吉林省水利水電勘察設(shè)計院、等單位使用，并獲得用戶高度評價。

TRT‐7000 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)配置及參數(shù)

A 配置：

1 臺主機、1 份地震波數(shù)據(jù)采集軟件、1 份RV3D 處理（顯示軟件）、10 個加速度傳感器、11 個無線觸發(fā)模塊、1 個觸發(fā)器、1 個基站（用來連接主機，控制遠程模塊收集數(shù)據(jù)）、基站模塊（向無線模塊發(fā)送采集命令，接收無線模塊采集的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C）

B 參數(shù)：

1、數(shù)據(jù)采集（采用無線數(shù)據(jù)傳輸和通信，立體布置震源和傳感器，采集立體空間的波場信息

2、震源及觸發(fā)方式

  錘擊震源，使用觸發(fā)開關(guān)回路觸發(fā)

3、傳感器

  靈敏度1V/g，單位量傳感器；頻率范圍：10‐10000Hz

4、無線模塊

  記錄地震波，向基站無線發(fā)送記錄到的地震波，頻率范圍：0.7‐3900Hz，采集記錄長度：64‐8192ms,采樣頻率：250‐32000 道/秒，模數(shù)轉(zhuǎn)換：24 位

5、主機

專用工業(yè)級筆記本電腦，松下CF‐31，windows 中文操作系統(tǒng)。屏幕尺寸：13.3 英寸，CPU 型號：Intel酷睿雙核 L2400CPU\主頻：1.66GHz\內(nèi)在容量：512MB\硬盤容量：80GB\顯卡芯片：Intel GMA 950，USB端口：4 個

6、主機分析軟件

分析軟件基于地震波反射的原理，通過時間濾波器，頻率濾波器，速度濾波器反演預(yù)報區(qū)域三維空間中的地震波波阻信息，可以2D 和3D 圖形和圖表形式輸出結(jié)果，能生成地質(zhì)不連續(xù)界面，傾角和走向以及與隧道軸交點的一維成像圖，可對結(jié)果進行任意切片。

7、預(yù)報范圍

隧道中心線左右、上下50 米，掌子面前方150‐300 米。