超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)TRT

TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

鐵科院鐵建所

TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

①是一種全新的地質(zhì)超前預(yù)報設(shè)備②采用的是美國國家安全局研發(fā)的最新地震波反射追蹤技術(shù)

一種全新的地質(zhì)超前預(yù)報設(shè)備。二十世紀(jì)六十年代，在美國先進技術(shù)發(fā)展計劃基金支持下，美國國家安全局網(wǎng)羅了眾多資深地球物理學(xué)家應(yīng)用地震波勘測技術(shù)來研究地層應(yīng)力消除現(xiàn)象及地層結(jié)構(gòu)掃描成像，簡稱TRT技術(shù)。2006年，為推廣這一先進技術(shù)，美國C-Thru公司從國家安全局繼承了相關(guān)資產(chǎn)，與中國鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合推出了TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)。1、工作原理地震波反射在于當(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。Reflectionofvisuallight Blocadeoflight(shadow)(similartoseismicreflectortracing)(similartoseismictomography)ImagingfeaturesinanyuniverseSeismicwavesinthegroundP-waves(dilatationalparticlemotion)ViewalongtrajectorySideviewS-waves(lateralmotion)SHSVS-wavesurfacerelatives:Raileighwaves&LovewavesorSeismicimpactsources:Blast

SignificantinelasticdeformationLower,no-controlfrequency spectrum 3Dradiation-mostlyP-wavesFastersignaldecayTriggerrepeatabilityproblemRequireddrillingDealingw.explosivesETimeCrushedrockFracturedrockElasticstrain;P-waveradiationChargeInelasticenergylossSeismicenergy

outputTriggerSeismicimpactsources:Hammerstrike

Limitedinelasticdeformation; dependsonrockstrengthNo-controlfrequencyspectrumDirectionalP-andS-wavesModeratewavedecayMoreconsistenttriggerNodrillingandexplosivesProblemsintightspacesETimeInelasticenergylossSeismicenergy

outputTriggerCrushedrockFracturedrockElasticstrainP-wavesS-wavesS-wavesSweptfrequenysource

Near0inelasticdeformation- energylossatanygroundVeryhightriggerrepeatabilityControlledsourcespectrumDirectionalP-andS-waves

OperationalintightspotsApplicableattherocksurface andindrilledholesRequiresadditionalsignal processingtogenerate impact-likerecordsAFrequencyTimeFsFeTriggerTriggerTtTimeElasticstrainP-wavesSourceS-wavesS-wavesSpectrumSourceReflectionImpact-likerecord反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，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。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、形狀、大小。Totaltraveltimeforreflectedwaves(Tt=Ti+Tr)definesellipsoidinthree-dimensionalspaceforeachsource-receiverpairTraveltime"Tr"fromReflectortoreceiverTraveltime"Ti"fromsourcetoreflector反射階段傳播時間“Tr”入射傳播時間“Ti”反射波總傳播時間:每對震源和傳感器的反射波總傳播時間在三維空間定義了一個橢球Reflector反射物傳感器震源SourceReceiverTiTrTruereflectorlocationrequiresanumberofellipsoidsfordifferentsource-receiverpairsSourceReflectorReceiverReceiver反射物傳感器傳感器震源實際上反射物位置的確定需要很多震源-傳感器定義的橢球Tunnel2、主要部分組成①主機②基站③無線模塊④傳感器⑤觸發(fā)器---無線數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)---TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)儀器運輸箱儀器運輸箱，總重28kg,可由一人長距離搬運，尺寸：55cm*43Cm*22Cm，47cm*36cm*22cm.TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)---無線數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)---無線模塊主要部件運輸箱主機基站布置方式和數(shù)據(jù)采集A2A5A10A3A8A2A7A6A11A4A9A3A4A5A6A7A8A9A10A112.TRT6000的特點①操作簡單②成本低，實現(xiàn)“零”成本測試③設(shè)備可靠度高和適應(yīng)性強④

采集信息量大，形象的繪制三維立體圖，對于多種不良地質(zhì)體反應(yīng)敏感。⑤可提供優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)。①操作簡單現(xiàn)場布置“簡單”測試過程“簡單”彌補失誤“簡單”現(xiàn)場布置“簡單”用6毫米的鉆頭打3.5厘米深的孔。在固定塊上抹上膨脹性快干水泥，把固定塊固定在隧道邊墻和洞頂表面。傳感器通過螺絲安裝在固定塊上，從而實現(xiàn)傳感器和巖體的緊密耦合。Couplingaccelerometerstosoftergroundsurface(e.g.salt).–Approach2ToolsSectionMountedaccelerometerTunnelplanviewStandardpatternofsourceandreceiverlocationsforTRTseismicsurveysintunnelsA25m10to20m5m5m2mSourcepointsAccelerometersA5A10A3A8A2A7A6A11A4A9A3A4A5A6A7A8A9A10A11Tunnelcross-sectionA5A10A3A8A2A7A6A11A4A9TBMtunnelD&Btunnel震源點傳感器隧道橫斷面圖隧道平面圖TBM隧道應(yīng)用TRT地震儀勘測時震源和傳感器標(biāo)準(zhǔn)的位置傳感器傳感器TriggerCh.1Ch-s13-24SeismographSeismographpowersupplyPowergeneratororcommercialACpower110VACPowerCh-s(1)2-12SignallinesDCpowerACpowerPowerstripSeismographAmplifierArrayofaccelerometersHammerBlock-schematicforwiredTRT?surveysusinghammerassource.用鐵錘作為震源TRT系統(tǒng)的單元結(jié)構(gòu)圖EnabletheHammerTrigger開啟鐵錘觸發(fā)器TRT6000WirelessSeismicSystemisEasytoUseTurnontheRemoteModules

無線模塊上電3.StriketheHammer錘擊Block-schematicforwirelessTRT?surveysusinghammerassource.TriggersignalArrayofaccelerometersconnectedtoremotewirelessmodulesHammerBasestationLaptopforwirelessTRTdataacquisitionandprocessingNocommercialpower;Noexpensiveseismograph;Nocablelines;Lesstotalweightandvolume;BetterresolutionofseismicsignalsADVANTAGESWirelessseismicdataacquisitionUserInterface測試過程“簡單”震源只需要用8磅的錘錘擊表面的巖體或固結(jié)的混凝土。準(zhǔn)備時間短,對施工擾動小采集時間僅需10分鐘。Usinghammerasimpactsource

用錘擊作為振源彌補失誤“簡單”由人控制錘擊產(chǎn)生地震波、對周圍巖體沒有產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，對于接收不好的測試信號，可簡單重復(fù)測試，操作簡單。Andthedataiscollected采集到的地震波數(shù)據(jù)Comparisonofseismicdatafrom

wired

(red),and

wireless

(blue)TRTsurveyinrealtunnel.0 TIME,ms65Source@S2A2A3A4A5A6A7A8A9Source@S5A2A3A4A5A6A7A8A90 TIME,ms65Comparisonofseismicrecordforthesamegainrecordedbywiredseismograph(top)andwirelesssystem(bottom)相同增益下地震波記錄比較：有線（上）和無線（下）TRT6000系統(tǒng)實現(xiàn)“零”成本測試TRT6000超前預(yù)報使用錘擊作為的震源，可重復(fù)利用，不需要耗材

設(shè)備可靠度高和適應(yīng)性強這種方法非常適合于煤礦、TBM掘進工程等施工場地狹小、嚴(yán)禁明火的現(xiàn)場。

例如：含瓦斯地層、煤礦、傾斜度大的斜井、軟弱的危險地層

接收頻率范圍為0.7-3900Hz，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)報.

安全性非常高、震源可重復(fù)利用、通過多次錘擊，獲得疊加信號，使異常體反射更加明顯Remote

wireless

modulesconnectedtoaccelerometers

信息處理采集信息量大，形象的繪制三維立體圖，對于多種不良地質(zhì)體反應(yīng)敏感。震源和傳感器采用矩陣排列，獲得真實的三維立體圖，直觀再現(xiàn)異常體的形態(tài)、大小。斷層破碎帶不良地質(zhì)體接觸界限含水構(gòu)造大管徑的管狀巖溶構(gòu)造Dataprocessingflow1.下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置的坐標(biāo)2.設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度(節(jié)點數(shù)目)的大小3.設(shè)定慮波器，選取每個記錄的直達波，并計算地震波的平均波速4.為所選區(qū)塊構(gòu)建地震波速度模型5.為數(shù)據(jù)處理設(shè)定過濾參數(shù)6.重復(fù)步驟3,4,5處理數(shù)據(jù)，直到處理結(jié)果達到平衡，噪音干擾衰減到足夠小。7.設(shè)定背景（比例、顏色代碼）來顯示結(jié)果8.審查和分析在巖層中探測到的異常的平面（二維）和立體（三維）繪圖數(shù)據(jù)處理流程SeismicdatafromwiredTRTsurvey0 TIME,ms60Source@S5A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11Source@S9A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11Signalaverageamplitude0.22VppSignalaverageamplitude0.16VppSr0 TIME,ms60信號平均振幅為0.16Vpp信號平均振幅為0.22VppUsinglinearregressiontomeasureaverageseismicwavevelocityVp=5,850m/sVsr=3,000m/sVs=3,300m/sVsr-velocityofsurfacewavesVs–velocityofSwaves(assessed)Vp–velocityofPwaves表面波波速S波波速用線性遞歸方法測量平均地震波的波速P波波速距離時間SeismicvelocitymodelSoundvelocityintunnel=350m/sAveragevelocity=3,300m/sFaceTunnelSourceReceiverP-wavevelocitym/s3503,300隧道中聲波的傳輸速度=350m/s隧道平均速度＝3300m/s地震波波速模型隧道面震源傳感器修正地震波的衰減240-840Hz濾波器，消除噪音信號干擾Correctionforattenuationofseismicwaves修正地震波的衰減512ms0msSubduedirectwaves抑制直達波Filtersfordataprocessing數(shù)據(jù)濾波處理0 TIME,ms 120SourceA2A3A4A5A6A7A8A9A10A11SourceA2A3A4A5A6A7A8A9A10A11Rawseismicwaveforms(top),andwaveformsfilteredfordataprocessing(bottom).原始的地震波形（上）和過濾后的波形（下）1.鐵路2.公路3.礦山4.水利水電5.煤炭2006年引入我國以來，在多個領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用斷層破碎帶

谷家臺32線斷層圖斷層走向從俯視圖上看，紅線標(biāo)示處兩側(cè)有明顯的錯斷現(xiàn)象，可初步判譯紅色線為斷層走向線。從立體圖上看，紅色線標(biāo)示的面左側(cè)異常斷開，可初步判斷為斷裂面破碎帶2006年10月21日在武廣客運專線湖北赤壁行將山隧道檢測結(jié)果：2008年04月24日山東蓬萊中鐵四局龍煙隧道25-47米處存在一個斜向相交的破碎帶

吐庫二線中天山隧道變質(zhì)砂巖與英安巖的不整合接觸面

從俯視圖上看，紅線位置節(jié)里裂隙發(fā)育，經(jīng)開挖結(jié)果驗證，此處為變質(zhì)砂巖與英安巖的不整合接觸面?zhèn)纫晥D（280米）立體圖瑞士公路隧道－2002

挖掘至此處，發(fā)現(xiàn)較大的水量涌出GeneralalignmentofpossiblesystemofvoidsPlannedtunnelalignmentElevation,m706050403020100-10-20