TRT与快速钻探技术在隧道地质预报中的应用

【摘要】以三峡翻坝高速公路项目天鹅岭隧道工程为例，介绍层析扫描成像技术（TRT）与快速钻探技术（采用RPD-150C多功能钻机）的综合地质预报应用，并对预报成果与应用效果进行分析。结果表明，两种技术的结合应用，可以更准确地预报岩溶隧道前方的不良地质体，并对围岩级别进行有效的划分，以指导安全施工的进行。

【Abstract】Taking Swan Mountain Tunnel of Fanba Expressway Project as example, the application of TRT and fast drilling（multi■functional drilling rig model RPD-150C） technology are expounded with the analysis of predic■

tion effects. The results show that the two technologies predicted the harmful geologic bodies in front of the tun■nel face and the surrounding rock grades can be classified effectively, which can guide the safety construction.

【关键词】岩溶隧道；地质预报；TRT；RPD-150C钻机

【Key words】 karst tunnel; geological prediction; TRT; drilling rig model RPD-150C

中图分类号：U452.1 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)02-0064-03

0 引言

在隧道施工中，如果无法获知开挖面前方地质情况时就贸然施工将会对隧道工程的安全带来严重影响［1］。

国内广泛应用的地质预报技术包括地质分析法、弹性反射波法、红外探测法、超前钻探等［2-3］。层析扫描成像（TRT）技术作为弹性反射波法的一种，具有无损、便捷、无需炸药触发等诸多特点，但在国内应用较少。RPD-150C快速钻机则可在钻进时全过程地记录各种参数，与国内多数超前钻探需由司钻手凭个人经验判断相比，更具客观性与准确性［4］。本文以三峡翻坝高速公路隧道工程为例，对TRT与快速钻探技术在地质预报中的应用进行介绍与分析。

1 层析扫描成像技术原理

TRT技术的突出特点是在观测方式上实现了空间观测，在资料处理方法上采用地震偏移成像。检波器和激发炮点布置在隧道两侧和掌子面上，可最大限度地扩展横向展布，以充分获得空间波场信息，提高波速分析和不良地质体的定位精度，较TSP、TGP技术有明显的改进。TRT技术的理论预报长度可达100～150 m，在软弱土层和破碎岩体地段也可预报60～90 m［5-6］。

1.1 系统技术原理

层析扫描成像技术的原理在于：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。

1.2 传感器布设与信号接收

TRT技术要求在三维空间内布置传感器，接收由震源产生的地震波信号，图1为TRT传感器在隧道内的传感器布设示意图。

TRT在隧道内的工作如图2所示，通过重锤（或激震器）产生地震波，使用带有无线模块的传感器组接收在围岩中传播的地震波振动信号，传感器通过无线传感器基站把信号存贮在计算机中，获得地震信号数据。

1.3 数据处理方法

（1） 确定地震波传播速度及距离的方法。TRT技术假定一个波速模型，根据传感器或者检波器接收到的地震波信号得到某一波形传播的时间，运用波速初始模型得到运算后的不良地质体的推测距离。然后根据实际情况修改模型参数，以求得到一个最大程度上符合实际的结果。TRT技术通过读取初至波（横波、纵波）的时间，建立传播时间与距离散点图，找到一条合适的拟合曲线，该曲线的斜率即为初始横波或者纵波速度。

（2） 数据反演及滤波处理。TRT传感器采集全波段的地震信号数据。在室内进行首波切除，滤波降噪，区分P波和S波处理。然后使用初始地震波速度模型参数计算目标地质体位置。

2 RPD-150C快速钻机技术原理

RPD-150C快速钻机为旋转冲击式钻机，采用高压水清洗钻孔，水平最大钻孔深度可达150 m，钻孔直径为65～225 mm，并且可根据安全施工要求选用取芯或不取芯两种钻进方式。钻机为履带式行走，推进方式为液压-链条组合式，钻进动力可根据现场需要采用内燃或电。在不取芯的情况下，钻进速度最高可达12 m·h-1（石灰岩），一般情况下为10 m·h-1（0～40 m）、8 m·h-1（40～80 m）、6 m·h-1（80～110 m）、5 m·h-1（大于110 m）。完成150 m的钻孔工作，在正常情况下需要24 h。钻机的施工流程如图3所示。

3 工程实例

3.1 工程概况

三峡翻坝公路位于湖北省宜昌市境内，全长59.428 km，共包括13座隧道。其中天鹅岭隧道进口处位于宜昌市点军区小河口附近，出口处位于长岭，为分离式隧道，全长3 455 m，走向135°。隧址区内岩性主要为寒武系上统三游洞组灰色厚层块状白云岩、硅质白云岩夹少量同生角砾岩、页岩、含燧石结核或条带，岩层产状128°～135°∠8°～13°。隧址区内地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水，其中岩溶水分布不均衡，局部水量大，且具承压性。

3.2 地质分析结论

天鹅岭隧道右洞掘进至YK24+923，围岩为寒武系上统三游洞组弱风化中～厚层状青灰色（局部夹浅肉红色）白云岩，岩层平缓，层理发育，层间结合较好，岩层产状为158°∠10°。节理、裂隙较发育，主要有三组：345°∠80°，间距0.1～0.5 m，迹长2～3 m，面平直、光滑，微张，无充填，结合差；走向65°，近直立，间距0.2～0.3 m，迹长约2 m，面平直、光滑，微张，无充填，结合差；145°∠85°，间距0.1～0.3 m，迹长0.5～1 m，多呈闭合状，面较平、稍粗糙，结合一般。此外，掌子面中上部还发育一条节理，其产状为265°∠65°，面平直、光滑，微张，无充填。受结构面切割，岩体较破碎，多呈裂隙块状结构。掌子面存在少量裂隙水，掌子面及左侧壁偶见微量渗水；掌子面上加长炮孔孔口见小股状水流出。综合判断围岩级别为Ⅳ级。

3.3 TRT预报结论

TRT探测范围为YK24+923～YK25+040，长117 m。根据TRT探测成果图件（图4、5），结合现场地质调查，综合推断YK24+923～YK25+040段围岩地质情况分述如下。

（1） YK24+923～YK25+005段，长82 m，围岩为弱风化中～厚层状白云岩、白云质灰岩，硬质岩石。岩层平缓，层理发育，层间结合较好。围岩纵波速度较高，变化不大，围岩强度高，质地均一。推测该段节理、裂隙较发育，岩体较破碎。裂隙水不甚发育，施工中局部渗水或滴水。综合判断，该段围岩级别为Ⅲ级偏弱。

（2） YK25+005～YK25+040段，长35 m，围岩为弱风化中～厚层状白云岩、白云质灰岩，硬质岩石。岩层平缓，层理发育，层间结合较好。围岩纵波速度总体较上段低，且变化无常，异常体多呈透镜体状分布，不具连续性及规律性，仅在YK25+010及YK25+015附近相对集中，并以右侧为甚。推测该段节理、裂隙较上段发育，岩体破碎，存在少量裂隙水。综合判断，该段围岩级别为Ⅳ级。

3.4 超前钻探结论

由于地质分析与TRT预报所得的围岩级别结果存在一定差异，为保证隧道安全施工，采用RPD-150C快速钻机对YK24+923掌子面进行超前钻探，对前方围岩情况进行预报分析。钻探结果如下。

（1） YK24+923～YK24+945段，长22 m。钻进速度为0.1～0.2 m·min-1，波动不大，进尺速度较慢。表明该段围岩质地坚硬均一，结合现场分析，推测该段岩性为白云岩。停止往孔内送水后，孔口有水流出，水量较大，无色，属裂隙水。预测该段围岩级别为Ⅲ级偏弱。

（2） YK24+945～YK24+987.2段，长42.2 m。钻进速度为0.1～0.2 m·min-1，进尺速度缓慢，且波动不大。表明该段围岩质地坚硬均一，结合现场分析，推测该段岩性为白云岩。裂隙水量并无明显增加趋势，表明裂隙水不甚发育。预测该段围岩级别为Ⅲ级偏弱。

由此可见，快速超前钻探的结果与TRT预报结果基本吻合。综合预报成果与实际开挖情况进行对比分析，如表1所示。通过分析TRT与快速钻探技术综合预报成果与实际开挖情况可知，两者基本吻合，对围岩级别的划分也基本一致，预报精度可以满足安全施工的需求。

4 结语

现场应用表明，从TRT与快速钻探技术的综合预报结果可以准确地反映隧道掌子面前方围岩的基本情况，对不良地质体进行定位，并有效地划分围岩级别，从而为隧道安全施工措施的制订提供依据。

参考文献：

［1］ 王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见［J］.铁道勘察，2004（1）：7-9，18.

［2］ 赵玉成，隋传毅，张艳东.TSP203超前地质预报系统在田坝岭隧道中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2010，27（7）：70-72.

［3］ 何兆益，韩振中.探地雷达及其在道路工程中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2005，22（7）：5-7.

［4］ 骆文学，刘丽花.RPD-150C多功能钻机在齐岳山隧道中的应用［J］.现代隧道技术，2006，43（2）：72-76.

［5］ 闫高翔.TRT层析扫描成像预报系统的应用［J］.铁道勘察，2009（2）：40-43.

［6］ 陈刚毅.TRT地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的

应用［J］.资源环境与工程，2009，23（3）：304-307.

收稿日期：2011-06-30

［责任编辑：王玉玲］

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