TRT层析扫描超前预报系统探测原理

l TRT 反射绘图 a. 理论

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：

1

1221

122V V V V R ρρρρ+−=

假设R 为反射系数，ρ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。

TRT 层析扫描超前预报系统获取岩层中结构异常边界的方法

插图1 解释了用地震波反射来获得地层地质状况三维图的概念。以每个震源和地震信号传感器组的位置为焦点，与所有可能产生回波的反射体可以确定一个椭球。足够多数量的震源和地震信号传感器组对会形成一个三维数组，每个界面/反射的地层位置可以由这些众多椭球的交汇区域所确定。实际上，反射边界每一点离散图像的计算包括由所有震源和地震信号传感器组所对应的三维岩体空间中选定的区块。离散图像中各点值是由空间叠加所有地震波形计算得来，每个波按比例地从震源经过三维岩体空间的区块到达地震信号传感器。

图1. 用地震波反射来获得地层地质状况三维图的原理

插图2是这个概念的一个示范。各个波形振幅随时间的变化由被探测岩层大小建立的波速模型来计算。所以，此技术是扫描和全息技术的结合。每个图像点再现了归一化的反射地震波的波幅，因为在该点叠加了所有从震源通过它传到地震信号传感器的反射波，并对反射波作了信号衰减的修正。发射信号（震源）的间隔和频率决定了图像的分辨率。为了防止空间混淆，记录的地震波的最短波长不能小于图像点像素对角线长度的4倍。然而，通常小于四分之一波长的异物是不能被探测到的。因此，图像点像素对角线的长度决定了能探测到的最小目标尺寸。

b. 探测设计

结合上面的理论和工地的实际应用给出了如下几条操作规范。

1． 地层图像的分辨率与震源的距离成反比，与可探测到的最短波长成正比。通常， 离隧道口最近的几米分辨率最高，随着距离增加分辨率会降低。同时，分辨率和图像点数成反比，因为能处理的最多图像点数是65536。

Source

source to grid point

Total time of travel for reflected waves:

Tsr = Tsg + Trg

Recorded seismic waveforms

Seismic waveforms match in

phase for travel times Tsr computed from source via a common grid point at reflector boundary to each sensor

Times at source

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3

Phase match at reflector

Time at source Tsr1

Tsr2

Tsr3

图2. 震源和地震信号传感器组到反射点的总时间（上），TRT 空间叠加（下）用于岩层异常成像。

3．不同震源的波速模型是不一样的。炸药爆炸产生的地震波以P-波为主，由掘进机、钻机等弹性剪切产生的地震波以S-波为主。以爆炸作为震源，图象会漏掉较小的岩层裂隙异常。

4. 地震波可以由单轴加速计收集，其灵敏轴平行于隧道轴向。加速计和震源摆放在同一隧道,并离开震源一定距离。这提高了对位于隧道前方岩层异常探测的灵敏度，但非传感器轴向上的灵敏度会变差。通过改变传感器的轴向或采用三轴传感器可以提高隧道侧面岩层异常的图象质量。

5. 为确保构建地层图象地准确性，震源和地震信号传感器的位置必须精确到(+/- 10cm)。

用TRT超前预报层析扫描系统来做地层绘图需要考虑以下几个因素: l 隧道的尺寸及挖掘的技术

l 岩层的类型，周围地层及可能的隧道口前方的地震波属性.

l 目标区域的属性，尺寸及范围

l 描绘异常体要求的分辨率

l 震源、地震信号传感器的安装，岩层表面和接近表面的地质状况

TRT超前预报的地震信号传感器组列的布置和传感器的类型如图3。隧道的尺寸和类型决定了具体采用哪种布置。地层的类型和属性决定了采用何种耦合技术来正确安装地震信号传感器。地层的地震波属性确定了最佳的异常探测范围、图象的长度、最佳分辨率。进入隧道的方式和岩层状况决定了需要采用何种额外的设备来安装地震信号传感器组，以及需要对地震信号传感器组的布置作怎样的更改（旋转或伸长）以确保获得可靠的数据。

磁致伸缩（电磁波）震源现在被TRT用做标准震源。它可以重复产生在岩层中传播的的扫描频率信号。从震源过来的直达波和从异常体反射过来的反射波都被加速器采集到，并和震源信号相联系。记录的结果很容易和震源的记录相匹配。使用电磁波震源的便利性在于应用的适应性、震源定位和地震波方向控制的简便性。

进行TRT超前预报勘测

选择震源位置

A．隧道震源组合类型（TBM -- 圆柱形，挖掘和爆炸-- 马蹄形）；

B．震源和地震信号传感器的位置如图３。通常，地震信号传感器组离最近的目标边界不能小于１０－１５米

909050507070140140140140A x i a l v i e w

P l a n v i e w

9

70o

70

o

50

o

50

o

o

o

o o

o o

o

o

o

o

9090o

o

2

3

46

7

8

11

2

3

4

56

7

8

9

1011

Drill -&-blast tunnel

图3. 马蹄形和TBM 隧道地震信号传感器组列

勘测

为每个震源记录５个好的记录（５个堆栈）。当记录不一致时，增加堆栈数量（锤击次数）；

保留所有的记录。需要记录震源位置移动后震源条件发生的变化。输入所有相关的发现。

震源和地震信号传感器的勘测点

所有地震信号传感器和震源位置的精度必须小于１０CM 。位置坐标必须与总体坐标系统一致。它可以是隧道测量链长度或者是地形学坐标，和隧道中心线的海拔高度。如果要在TRT 层析扫描系统的地层绘图中附加隧道附近已建或准备建的结构，它们的坐标也必须提供。