第1章 概述
1.1 研究意义
在隧洞的开挖施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河和溶洞等不良地质体而导致塌方、地下泥石流、涌水、流砂和冒顶等地质灾害发生。这些地质灾害的发生，往往会造成人员伤亡和设备损坏，并严重影响工程施工进度，给国家和人民带来严重的损失。
随着我国建设事业的发展和不断深入，出现了越来越多的隧洞工程，并且隧洞工程的地质条件也越来越复杂，特别是一些深埋长隧洞，尽管在施工前进行了大量的地质勘察工作，但由于前期地质勘察工作受到勘察技术手段和方法以及勘察经费的限制，期望在隧洞施工前完全查明隧洞围岩的状态和特性，准确地预测隧洞施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模是十分困难的。随着隧洞施工的逐步深入，其安全隐患会逐渐暴露出来，这时需要在施工过程中采取有效的方法，对隧洞前方的不良地质体进行准确的超前预报，并针对前方存在的不良地质体进行工程地质评价，提出相应的处理、防范措施，避免地质灾害的发生。因此，超前地质预报已被列为隧洞施工必不可少的技术环节。
在国内外已进行施工或已建成的隧洞工程中，对掌子面前方待开挖的隧洞围岩、地质构造和地下水等进行较准确的预报，特别是对不良地质体（如地下水、破碎带、软岩等）的准确预报，指导隧洞开挖过程中进行有效支护，对有效防止工程事故的发生，保证工程进度，减少工程投资具有重要的意义。如宜昌—万州铁路马鹿箐隧道在施工过程中发生“1·21”涌水事故，最大涌水量达30万m3/h，此次事故造成11人死亡，事故处理长达1年多的时间，为施工人员的生命安全和工程的施工进展带来了极大的损失；2002年株六铁路复线大竹林隧道发生大规模地下水突涌灾害，突涌水总量达16000m3/d，造成隧道施工停工132d之久，直接经济损失455万元；渝怀线关键性控制工程圆梁山深埋特长隧道发生了大规模地下水突涌灾害，泥石流状物质瞬间充满了整个超前导坑，坑道内用于出渣的钢轨发生严重扭曲，造成隧道停工33d，直接经济损失201万元；云南昆明牛栏江—滇池补水工程输水隧洞大五山隧洞6号斜支洞，开挖过程中，发生涌水量约2000m3/d的大涌水，已开挖洞段被水淹没100多米，人员遇险，工期延误，并导致地表泉水疏干，严重影响了当地居民的生产、生活；牛栏江—滇池补水工程的输水隧洞大五山隧洞8号斜支洞发生涌水和大面积坍塌，已开挖洞段被淹埋100多米，开挖机具被埋，人员遇险，花费大量的资金进行处理，工期延误达半年；牛栏江—滇池补水工程输水隧洞金奎地隧洞6号支洞由于采信了超前地质预报对隧洞K0＋150～K0＋170段预报的“涌水量大，围岩稳定性极差”的结果，施工过程中采取了超前排水措施，并进行了超前管棚支护，安全穿过了该破碎带洞段；牛栏江—滇池补水工程干河泵站引水隧洞开挖过程中，同样采纳了超前地质预报结果，提前做好了人员、设施安全撤离方案，并做好强排水措施，虽然隧洞开挖至K2＋470时，揭露了涌水量达1.4m3/s的地下暗河，但对人员和设施安全未造成影响。类似的工程实例不胜枚举，可见采用和不采用超前地质预报，并积极做出相应的工程措施处理，在隧洞施工过程中带来的人员、机具、环境安全和工期的保证、资金的投入效果是大不相同的，超前地质预报的社会效益、经济效益和安全保障是显而易见的。
隧道反射层析扫描成像技术（Tunnel Reflection Tomography），简称TRT。20世纪60年代，在美国先进技术发展计划基金支持下，美国国家安全局网罗了众多资深地球物理学家应用地震波勘测技术来研究地层应力释放现象及地层结构扫描成像，在此过程中形成了TRT技术。TRT技术的基本原理是利用了地震波在岩土体传播过程中，遇到具有不同震动特性的岩土区带间的界面时，部分地震波能量将产生反射的特性，绝大多数地质结构异常及岩性变化，在地震信号可及的距离范围内，均可形成可探测的地震反射。在为美国国家安全局管辖单位及海外客户服务的过程中，TRT技术飞速发展，在震源上先后采用炸药爆炸、风镐或挖掘机、电磁波发生器、锤击等作为震源，使勘测成本越来越低，操作越来越方便；在软件上，成功实现了由2D成像到3D成像的跨越，使得勘测结果显示更为准确、全面，直观。为了更好地推广这一业界独有的先进技术，美国C-ThruGround工程有限公司从美国国家安全局继承了相关资产，进行独立的商业运作，推出了TRT6000超前地质预报系统。
TRT6000超前地质预报系统采用地震层析成像及全息岩土成像技术，该技术是常用的利用信号波形变化来估计介质性质变化的位置和范围的反演技术，其基本原理是基于地震能量在不同种类介质中以不同的衰减率和速度传播，通常，与破碎或裂隙发育的岩土体或空洞条件相比，地震波在完整坚硬的介质中传播时，具有更高的传播速度和更低的衰减。
虽然TRT技术也是基于地震波反射原理，但在观测方式和资料处理方法上与其他常规的反射地震法有很大不同，它采用的是空间多点阵列接收和激发。检波器和激发的炮点呈空间分布，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。在这方面较其他常规的地震反射法有明显的改进。TRT资料处理的主要的技术环节是速度扫描和偏移成像，不需要读走时。这种方法对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等都有较高的精度。TRT技术勘测成本低廉，操作简单，结果准确、全面、直观，代表了隧道超前地质预报领域最新领先的技术，是隧道超前地质预报技术发展的方向。
TRT6000超前地质预报系统具有以下优点：①使用锤击作为震源，安全性高，不需要炸药，在煤层、含瓦斯地层中也可以进行测试；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；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采用空间多点激发和接收观测方式，其检波器和激发的炮点呈空间阵列分布，能够获得足够的空间波场信息，从而使前方地质缺陷的定位精度大大提高；⑤数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像，对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度，具有较大的探测距离，并且可以获得3D成果图像；⑥能描绘到隧道水平和垂直方向的所有地质信息；⑦成本低廉，预报快速，准确率高。
由于TRT6000具有其他物探方法难以企及的优越性，在欧美国家获得了广阔的市场，在国内也得到广泛的应用，但由于TRT6000面世时间短，应用其进行隧洞超前地质预报尚处于探索阶段，具有较大的应用前景和超前地质预报技术水平提升空间，因此，开展TRT6000在隧洞施工中地质超前预报应用研究十分必要。
云南水院于2009年引进TRT6000超前地质预报系统，是我国水利部门以及云南省首家引进该项先进技术的使用单位。迄今为止，云南水院应用TRT6000超前地质预报系统，累计在牛栏江—滇池补水工程的输水隧洞以及相关工程进行超前地质预报350次，累计预报里程51.1km，取得了很好的应用效果，填补了我国水利部门以及云南省在应用TRT技术进行隧洞超前地质预报方面的空白。与此同时，云南水院结合云南地区地质构造复杂的具体情况，对TRT6000超前地质预报系统在云南地区的应用进行了尝试和探索，以期将该项先进技术进行消化和吸收，并转化为先进生产力。