TRT（True Reflection Tomography）TRT6000隧道超前預(yù)報(bào)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(guó)際上隧道超前預(yù)報(bào)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(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、整體的、直觀
• 無(wú)耗材、勘測(cè)費(fèi)用低
• 操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)妥
• 系統(tǒng)采用無(wú)線連接，攜帶方便
• 勘測(cè)范圍廣（300米）

典型成像圖

TRT技術(shù)發(fā)展歷程

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，新建隧道工程規(guī)模越來(lái)越宏大，面臨的地質(zhì)情況更為復(fù)雜多變。隧道施工的過(guò)程中，防護(hù)措施不足將會(huì)帶來(lái)很?chē)?yán)重的地質(zhì)災(zāi)害和工程問(wèn)題，不僅延誤工期，影響穩(wěn)妥生產(chǎn)，而且會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，過(guò)多防護(hù)又會(huì)大大加重成本負(fù)擔(dān)，這促使發(fā)達(dá)對(duì)地下巖土工程地質(zhì)條件超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行深入、廣泛的研究。二十世紀(jì)六十年代，在發(fā)展計(jì)劃基金支持下，美局網(wǎng)羅了眾多地球物理學(xué)應(yīng)用地震波勘測(cè)技術(shù)來(lái)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(guò)程中形成了隧道反射層析掃描成像超前預(yù)報(bào)技術(shù)(True Reflection Tomography)，簡(jiǎn)稱(chēng)TRT技術(shù)。在為美局管轄單位及海外客戶服務(wù)的過(guò)程中，TRT技術(shù)飛速發(fā)展，在震源上先后采用風(fēng)鎬或挖掘機(jī)、電磁波發(fā)生器、錘擊作為震源，使勘測(cè)成本越來(lái)越低，操作越來(lái)越方便；在軟件上，成功實(shí)現(xiàn)由2D成像到3D全息成像的跨越，使得勘測(cè)結(jié)果顯示更為準(zhǔn)確、整體的，直觀。為更好地推廣這業(yè)界有的*技術(shù)，美C-ThruGround工程有限公司從局繼承了相關(guān)資產(chǎn),進(jìn)行立的商業(yè)運(yùn)作,推出了TRT6000隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。上海勞瑞儀器設(shè)備有限公司負(fù)責(zé)該產(chǎn)品中區(qū)服務(wù)。

TRT6000隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)介紹

TRT6000隧道超前預(yù)報(bào)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(hào)是由折射、反射、散射、彌散等多類(lèi)波形所組成，層析成像和全息成像是常用的利用信號(hào)波形變化來(lái)估計(jì)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(lèi)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(jiān)硬的介質(zhì)中傳播時(shí)，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(guò)程中，遇到具有不同震動(dòng)特性的巖土區(qū)帶間的界面時(shí)，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(hào)可及的距離范圍內(nèi)，均可形成可探測(cè)的地震反射。TRT 6000勘測(cè)成本低，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確、整體的、直觀，代表隧道超前預(yù)報(bào)域新的技術(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：

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。

2. 使用錘擊作為震源，可在同點(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。

3. 用錘擊作為震源克服了產(chǎn)生的高能量對(duì)周?chē)鷰r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. 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。

5. TRT 6000采用高精度的傳感器，靈敏度高，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）。

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(jiàn)設(shè)備配置），兩個(gè)箱子的重量?jī)H為29Kg，攜帶方便。

7. TRT 6000的傳感器布點(diǎn)（圖1）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。而其他儀器般在左右邊墻各布置個(gè)地震波接收地震波，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)有反映。

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。

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**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。

TRT層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測(cè)原理及操作

a. 理論

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)，部分信號(hào)被反射回來(lái)，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)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。地震波從種低阻抗物質(zhì)傳播到個(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)性和波源是致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的性會(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。

TRT層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)獲取巖層中結(jié)構(gòu)異常邊界的方法

圖1解釋了用地震波反射來(lái)獲得地層地質(zhì)狀況三維圖的概念。以每個(gè)震源和地震信號(hào)傳感器組的位置為焦點(diǎn)，與所有可能產(chǎn)生回波的反射體可以確定個(gè)橢球。足夠多數(shù)量的震源和地震信號(hào)傳感器組對(duì)會(huì)形成個(gè)三維數(shù)組，每個(gè)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(shí)際上，反射邊界每 點(diǎn)離散圖像的計(jì)算包括由所有震源和地震信號(hào)傳感器組所對(duì)應(yīng)的三維巖體空間中選定的區(qū)塊。離散圖像中各點(diǎn)值是由空間疊加所有地震波形計(jì)算得來(lái)，每個(gè)波按比例地從震源經(jīng)過(guò)三維巖體空間的區(qū)塊到達(dá)地震信號(hào)傳感器。

圖1.用地震波反射來(lái)獲得地層地質(zhì)狀況三維圖的原理插圖2是這個(gè)概念的個(gè)示范。各個(gè)波形振幅隨時(shí)間的變化由被探測(cè)巖層大小建立的波速模型來(lái)計(jì)算。所以，此技術(shù)是掃描和全息技術(shù)的結(jié)合。每個(gè)圖像點(diǎn)再現(xiàn)了歸化的反射地震波的波幅，因?yàn)樵谠擖c(diǎn)疊加了所有從震源通過(guò)它傳到地震信號(hào)傳感器的反射波，并對(duì)反射波作了信號(hào)衰減的修正。發(fā)射信號(hào)（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(zhǎng)不能小于圖像點(diǎn)像素對(duì)角線長(zhǎng)度的4倍。然而，通常小于四分之波長(zhǎng)的異物是不能被探測(cè)到的。因此，圖像點(diǎn)像素對(duì)角線的長(zhǎng)度決定了能探測(cè)到的小目標(biāo)尺寸。

b. 探測(cè)設(shè)計(jì)

結(jié)合上面的理論和工地的實(shí)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(cè)到的短波長(zhǎng)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(huì)降低。同時(shí)，分辨率和圖像點(diǎn)數(shù)成反比，因?yàn)槟芴幚淼亩鄨D像點(diǎn)數(shù)是65536。
• 巖體異常距離測(cè)量的誤差由異?；夭úㄋ倌Ｐ偷木葲Q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(jī)械屬性的變化。
• 地震波可以由單軸加速計(jì)收集，其靈敏軸平行于隧道軸向。加速計(jì)和震源擺放在同隧道,并離開(kāi)震源定距離。這提高了對(duì)位于隧道前方巖層異常探測(cè)的靈敏度，但非傳感器軸向上的靈敏度會(huì)變差。通過(guò)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(zhǔn)確性，震源和地震信號(hào)傳感器的位置必須準(zhǔn)確到(+/-10cm)。

用TRT超前預(yù)報(bào)層析掃描系統(tǒng)來(lái)做地層繪圖需要考慮以下幾個(gè)因素：

• 隧道的尺寸及挖掘的技術(shù)
• 巖層的類(lèi)型，周?chē)貙蛹翱赡艿乃淼揽谇胺降牡卣鸩▽傩?/span>
• 目標(biāo)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(hào)傳感器的安裝，巖層表面和接近表面的地質(zhì)狀況

用TRT進(jìn)行超前預(yù)報(bào)勘測(cè)

選擇震源位置

A．隧道震源組合類(lèi)型（TBM --圓柱形，挖掘和--馬蹄形）；

B．震源和地震信號(hào)傳感器的位置如圖2、３。通常，地震信號(hào)傳感器組離近的目標(biāo)邊界不能小于10-15米

勘測(cè)

• 為每個(gè)震源記錄５個(gè)好的記錄（５個(gè)堆棧）。當(dāng)記錄不致時(shí)，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(dòng)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(hào)傳感器的勘測(cè)點(diǎn)

所有地震信號(hào)傳感器和震源位置的精度必須小于10CM。位置坐標(biāo)必須與總體坐標(biāo)系統(tǒng)致。它可以是隧道測(cè)量鏈長(zhǎng)度或者是地形學(xué)坐標(biāo)，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(zhǔn)備建的結(jié)構(gòu)，它們的坐標(biāo)也必須提供。