基于TRT系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造三維成像技術(shù)及其改進方法

白明洲， 田崗*， 王成亮， 師海， 聶一聰， 沈宇鵬

1 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京　100044　2 北京市軌道交通線路安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 北京　100044

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基于TRT系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造三維成像技術(shù)及其改進方法

白明洲1,2， 田崗1,2*， 王成亮1， 師海1， 聶一聰1， 沈宇鵬1

1 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京1000442 北京市軌道交通線路安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 北京100044

摘要TRT技術(shù)是利用地震波反射原理來實現(xiàn)對災(zāi)害體的辨識，利用震源點與接收點共同組成的隨時間變化的共焦橢球體來實現(xiàn)對災(zāi)害體的定位.根據(jù)TRT成果圖像異常區(qū)域與隧道實際災(zāi)害的對應(yīng)情況，將TRT圖像異常區(qū)域劃分為集群異常區(qū)、單體異常區(qū)、錯斷異常區(qū)、互層異常區(qū)四種類型.針對TRT技術(shù)自身存在的直達波速計算不準(zhǔn)確、背景波速取定不合理等問題，提出了相應(yīng)的改進方法，一方面通過計算出直達波在隧道洞身的實際傳播的最小軌跡，求得震源點到接收點的實際直達波速；另一方面根據(jù)實際直達波速的分布特征，求出正態(tài)分布條件下，實際直達波速在置信水平為1-a的置信區(qū)間，并將置信區(qū)間的上下限值作為背景波速錄入TRT系統(tǒng)，得出兩組TRT成果圖像，這樣就改變了人工取定背景波速所存在的單一性與盲目性，使得改進后的災(zāi)害預(yù)測有了一定的區(qū)間考量.通過實例驗證，發(fā)現(xiàn)改進后的預(yù)測效果明顯優(yōu)于改進前采用人工取定背景波速時的預(yù)測效果，并在一定程度上避免了災(zāi)害漏報的可能.

關(guān)鍵詞隧道； TRT技術(shù)； 地震波； 橢球體； 異常區(qū)； 背景波速

1引言

近年來，隨著我國公路、鐵路交通事業(yè)不斷向中西部地區(qū)發(fā)展，山區(qū)隧道工程越來越多，由此帶來隧道工程地質(zhì)災(zāi)害問題正逐年顯現(xiàn)(錢七虎，2012;李術(shù)才等，2014).為了全面掌握施工隧道前方的地質(zhì)情況，一些基于地球物理原理的隧道地質(zhì)探測手段應(yīng)運而生，諸如：基于熱成像原理的紅外探水技術(shù)(王鷹等，2003)；基于電磁原理的地質(zhì)雷達技術(shù)與瞬變電磁技術(shù)(薛國強和李貅，2008; 劉瀾波和錢榮毅，2015)；基于核磁原理的核磁共振技術(shù)(易曉峰等，2013)；以及基于地震波原理的負視速度技術(shù)、陸地聲納技術(shù)、TSP技術(shù)、TGP技術(shù)、HSP技術(shù)、TST技術(shù)與TRT技術(shù)等手段(何振起等，2000；劉志剛和劉秀峰，2003；鐘世航等，2007；劉云禎，2009；肖啟航和謝朝娟，2012；胡庸，2013；利奕年和王國斌，2014)，正大量涌現(xiàn)并開始廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害探測領(lǐng)域.其中，TRT探測技術(shù)以其獨特的技術(shù)特點正逐漸為業(yè)內(nèi)人員所熟知.

TRT隧道超前預(yù)報系統(tǒng)英文為True Reflection Tomography，譯為“真正的反射層析成像”，是由美國C-Thru Ground西斯陸地地質(zhì)設(shè)備公司研制而成的.該技術(shù)的突出特點是：

(1) 觀測方式上實現(xiàn)了三維空間觀測，檢波器和激震點布置在隧道兩側(cè)或掌子面上，可以最大限度地擴展橫向展布，從而充分獲得空間波場信息.

(2) 資料處理上采用地震層析成像技術(shù)，即通過對隧道地質(zhì)體進行速度掃描和偏移成像，提高波速分析和不良地質(zhì)體的定位精度，較負視速度法、TSP、TGP和HSP等技術(shù)有著明顯的改進，且與TST技術(shù)相類似(趙永貴，2007).

(3) 成果評價上TRT技術(shù)通過接收和處理人工震源在不良地質(zhì)段產(chǎn)生的反射地震波信號，解釋和定位不良地質(zhì)體(如節(jié)理裂隙帶、斷層破碎帶、軟弱巖層、巖溶等)，進而實現(xiàn)真正的三維立體成像，使成果圖像更為直觀.

(4) 成本控制上基本實現(xiàn)了隧道探測的零成本，幾乎不需耗材，操作簡便，耗時較短，對施工影響小，有利于施工方現(xiàn)場配合.

TRT超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)自出現(xiàn)以來，已在美國、日本、新西蘭、奧地利、瑞士以及澳大利亞等國家有著廣泛的應(yīng)用，我國也于2006年引進了該系統(tǒng)，并已成功應(yīng)用于眾多已建和在建隧道工程中，取得了一些相對較為滿意的探測效果.但同時， TRT技術(shù)與其他超前預(yù)報技術(shù)一樣，應(yīng)用時也存在一些亟待解決的問題：一方面是TRT成果圖像解譯并不系統(tǒng)，對災(zāi)害類型的劃定還沒有形成統(tǒng)一的認識，從而導(dǎo)致在對成果圖像解譯時常常存在一些偏差或錯誤；另一方面是TRT系統(tǒng)自身算法存在一些不足與缺陷，需要對其進行必要的優(yōu)化與處理，以求提高其預(yù)報精度，而目前還鮮有對該系統(tǒng)的改進研究.

2TRT技術(shù)特點

2.1基本原理

TRT技術(shù)是利用地震波在隧道各層地質(zhì)體之間的傳播，對各層地質(zhì)體進行掃描分析，找出隧道中的地質(zhì)災(zāi)害異常區(qū).其原理可簡單理解為：地震波在穿越相鄰兩層地質(zhì)分界面時，由于地質(zhì)體之間波阻抗的差異而產(chǎn)生反射與透射現(xiàn)象(Tarantola，1984，2005；王華忠等，2015)，其中反射回來的地震波被TRT系統(tǒng)接收，透射出去的地震波進入前方地質(zhì)體繼續(xù)傳播，直到再次遇到地質(zhì)交界面發(fā)生反射與透射現(xiàn)象，如此地震波便可在隧道各層地質(zhì)交界面形成多層反射信號，TRT系統(tǒng)就是通過采集多層反射信號，對隧道內(nèi)各層介質(zhì)體進行三維反演計算，得出隧道三維地質(zhì)圖像.

反射與透射系數(shù)計算公式為

(1)

式中，R為反射系數(shù)；T為透射系數(shù)；v1、v2分別為地震波在交界面前后巖土體介質(zhì)內(nèi)的傳播速度；ρ1、ρ2分別為交界面前后巖土體介質(zhì)的密度.

從式中可以看出(張玉芬，2007)，地震波的反射與透射的強弱，與交界面前后地質(zhì)體的巖土性質(zhì)直接相關(guān)(張勇慧等，2012；胡勇等，2014)，即：當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ绍涃|(zhì)巖層進入硬質(zhì)巖層時，反射系數(shù)為正，反之，反射系數(shù)為負；當(dāng)交界面處巖體之間波阻抗相差很大時，則反射較強，透射較弱，反之，則反射較弱，透射較強.這些規(guī)律的研究有助于綜合判斷隧道探測區(qū)內(nèi)的巖性特征.

2.2觀測方式

2.2.1錘擊震源點的選擇與布置

TRT系統(tǒng)主要采用人工錘擊作為激發(fā)震源的方式，而其震源點的布設(shè)可分為隧道邊墻布設(shè)與隧道掌子面布設(shè)兩種形式，它們的區(qū)別在于：當(dāng)錘擊巖面時，垂直于巖面方向主要受到錘面的擠壓作用，從而產(chǎn)生縱波，其主要傳播方向與作用面相垂直；而對于錘面兩側(cè)巖體主要受到剪切作用，從而產(chǎn)生橫波，其主要傳播方向與作用面相平行(圖1).因而，當(dāng)錘擊隧道兩側(cè)邊墻時，TRT系統(tǒng)能夠更好地接受橫波反射信號；當(dāng)錘擊隧道掌子面時，TRT系統(tǒng)能夠更好地接收縱波反射信號.

圖1　錘擊地震波中縱波與橫波的主要傳播方向Fig.1　The main propagation direction of longitudinal and transverse waves in seismic waves hammered

然而，由公式(2)可知(馬中高和解吉高，2005；戴俊，2013)，影響縱波與橫波在介質(zhì)中傳播速度的參數(shù)因素有所不同.縱波波速與介質(zhì)的體積模量、剪切模量以及密度有關(guān)，而橫波波速只與介質(zhì)的剪切模量和密度有關(guān).

(2)

式中，vp、vs為縱、橫波在介質(zhì)中的傳播速度；K為介質(zhì)的體積模量；G為介質(zhì)的剪切模量；ρ為介質(zhì)的密度.

將式(2)中縱波與橫波的波速公式分別代入式(1)，則得到

(3)

(4)

由式(3)與式(4)可以看出，當(dāng)交界面后方介質(zhì)為水(G水=0)時，縱波可以透射進去繼續(xù)傳播，而橫波則會被反射回來，無法在水體中繼續(xù)傳播.因此，相比而言橫波對隧道水災(zāi)害的探測更為明顯(張霄等，2011).

另外，還考慮到在隧道掌子面上進行錘擊操作風(fēng)險性較大，因此TRT系統(tǒng)震源點多采用隧道邊墻布設(shè)的形式.具體如下：在離掌子面附近5～10 m處的邊墻布置震源點，兩側(cè)各布置兩組，每組沿豎向布置3個震源點，每個震源點相差大約1 m，兩組間隔2 m左右(見圖2).

圖2　震源點與接收點的分布示意圖Fig.2　The distribution sketch map of hypocenter and receiving point

2.2.2傳感器的空間布置

在探測時，TRT系統(tǒng)一般需要在隧道內(nèi)安裝10個傳感器，用于接收隧道前方地質(zhì)體的反射信號.具體形式為(圖2)：在隧道掌子面方后且距離最后一組震源點斷面10 m處開始布置傳感器,采用2個或3個傳感器為一個斷面組的形式進行空間布設(shè)，其斷面間隔為5 m，由此形成了左右邊墻各4個傳感器、拱頂處2個傳感器的分布形式，實現(xiàn)了對反射體的空間觀測.各震源點與各接收點之間組成隨時間變化的共焦橢球體(見圖3)，通過這些橢球體的組合定位，來實現(xiàn)對異常體的三維成像.計算公式表述為

圖3　TRT系統(tǒng)觀測原理示意圖Fig.3　The sketch map about observation principle of TRT system

(5)

式中，x反k、y反k、z反k為反射點坐標(biāo)；x震i、y震i、z震i為震源點坐標(biāo)；x接j、y接j、z接j為接收點坐標(biāo)；v為地震波傳播速度；tikj為地震波從震源點到反射點再到接收點的傳播時間；i、j、k分別為震源點、接收點與反射點的編號.

2.3成果圖像特征

TRT成果圖像可以選擇多種色譜進行組合，而目前最為常用的色譜組合形式為黃藍組合.在黃藍色譜圖像中，黃色區(qū)域表明該處巖體相對堅硬，波速相對較高；藍色區(qū)域表明該處巖體相對軟弱，波速相對較低.根據(jù)TRT系統(tǒng)的實例應(yīng)用，通過分析TRT成果圖像與實際災(zāi)害類型的對應(yīng)情況，總結(jié)發(fā)現(xiàn)其成果圖像大體上可劃分為四類異常區(qū)類型，即：集群異常區(qū)、單體異常區(qū)、錯斷異常區(qū)和互層異常區(qū)，而這些異常區(qū)均具有各自的圖像特征.

(1) 集群異常區(qū)：主要特征是黃藍區(qū)域雜亂相交，呈集群特征且無明顯分布規(guī)律，單個異常體多呈片狀或條狀，且反射系數(shù)絕對值較大.當(dāng)該區(qū)域異常體為片狀時，災(zāi)害特征一般表現(xiàn)為含水溶槽帶或含水裂隙帶(圖4a)；當(dāng)異常體為條狀時，災(zāi)害特征多表現(xiàn)為軟弱破碎帶或巖溶夾泥帶(圖4b).

圖4　集群異常區(qū)典型圖像 (a) 含水溶槽帶或含水裂隙帶; (b) 軟弱破碎帶或巖溶夾泥帶.Fig.4　Typical images of anomaly area located in cluster zone (a) Watery-cave zone or watery-fissure zone; (b) Weak fracture zone or cave filled mud zone.

(2) 單體異常區(qū)：主要特征是在黃色區(qū)域附近出現(xiàn)或單獨出現(xiàn)一個或幾個藍色異常區(qū)，一般多呈塊狀或條狀.當(dāng)為塊狀時，其藍色邊界較為明顯，一般表現(xiàn)為無充填型溶洞(圖5a)；當(dāng)為條狀時，其藍色邊界較為模糊，一般表現(xiàn)為巖溶夾泥現(xiàn)象(圖5b).

圖5　單體異常區(qū)典型圖像 (a) 無充填型溶洞; (b) 充填型溶洞.Fig.5　Typical images of anomaly area located in single rock mass (a) Non-filled type cave; (b) Filled type cave.

(3) 錯斷異常區(qū)：主要特征是圖像中黃色、藍色或黃藍組合區(qū)域有明顯的位置錯動斷開現(xiàn)象，即同類性質(zhì)的反射區(qū)域在里程分布上有所差別.如圖6a所示，該反射區(qū)域表現(xiàn)為斷層構(gòu)造.同時，由于斷層區(qū)域附近巖層之間的相對運動，常常造成其周圍巖體相對破碎，極易受到雨水侵蝕，逐步形成斷層破碎區(qū)域(圖6b)，圍巖穩(wěn)定性相對較差.

圖6　錯斷異常區(qū)典型圖像 (a) 斷層; (b) 斷層破碎帶.Fig.6　Typical images of anomaly area located in faults disrupt strats (a) Fault rocks; (b) Fault rupture zone.

(4) 互層異常區(qū)：主要特征是黃藍區(qū)域成層狀交錯出現(xiàn)，反射系數(shù)絕對值相對較小.當(dāng)互層異常區(qū)出現(xiàn)在圖像中前部時，主要表現(xiàn)為硬巖之間存在軟弱巖層(圖7a)；當(dāng)互層異常區(qū)出現(xiàn)在圖像后部時，除可能存在軟弱巖層外，還有可能是受到其他雜波的干擾，這主要是由于錘擊地震波隨著距離的增加，能量衰減較快，雜波對其后部干擾相對較大，導(dǎo)致后部探測異常(圖7b).

圖7　互層異常區(qū)典型圖像 (a) 軟弱巖層; (b) 雜波干擾.Fig.7　Typical images of anomaly area located in interbed (a) Weak rock; (b) Cluttered wave interference.

通過對TRT成果圖像特征的劃分，可以明確所探隧道的災(zāi)害類型，并指導(dǎo)隧道設(shè)計與施工方案的改進和優(yōu)化，避免因隧道設(shè)計或施工方案不合理而造成災(zāi)害損失.

3TRT技術(shù)的改進優(yōu)化方法

3.1存在的問題

需要指出的是，目前TRT系統(tǒng)的成像技術(shù)采用的是相對解釋原理，即當(dāng)采集完地震波信號后，首先截取直達波速，根據(jù)眾多離散的直達波速信息設(shè)定出一個背景速度場；而后以該背景波速場對未知地質(zhì)體進行掃描分析，同時結(jié)合反射波信息計算出地質(zhì)異常區(qū)位置及其偏離背景波速的程度；最后參考相關(guān)地質(zhì)資料，綜合判斷與解釋隧道前方的圍巖地質(zhì)情況.由此可見，背景波速的合理選定對TRT超前預(yù)報技術(shù)的準(zhǔn)確與否就顯得十分重要.然而，目前TRT技術(shù)對于背景波速的選定還存在一些問題.

問題一：TRT技術(shù)對直達波速的計算存在錯誤.目前，TRT技術(shù)對直達波速的計算是通過震源點與接收點的直線距離作為傳播路徑，并除以傳播時間得出的.而這種直線傳播路徑是在空氣介質(zhì)中，原有巖石介質(zhì)已被挖除，因而在這種路徑上直達波是難以到達的，直達波的實際傳播路徑應(yīng)是沿洞身圍巖介質(zhì)的最短曲線(張美根等，2006；Fischer and Lees，1993)，即min[SAED,SABCD](圖8).

圖8　直達波實際傳播最短軌跡示意圖Fig.8　The shortest path of the actual propagation of direct waves

問題二：背景波速的選取存在一定的盲目性.TRT系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，為了增加檢測的精度，常在每個震源點錘擊3次(震源點12個，接收點10個)，由此TRT系統(tǒng)在隧道探測時一般可以截取360道直達波速.由于隧道圍巖并非均質(zhì)，因而得到的直達波速在時間—位移坐標(biāo)圖中是由眾多離散速度點組成的.目前TRT系統(tǒng)主要是利用人工方法選定經(jīng)原點并穿過離散波速點最多的直線處的波速作為TRT系統(tǒng)的背景波速，這樣的背景波速取值方法在一定程度上存在很大的主觀性，往往導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不夠準(zhǔn)確.

3.2改進方法

3.2.1針對問題一的改進方法

關(guān)于直達波速的計算，首先應(yīng)將原空間坐標(biāo)系o-xyz進行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，建立起新的空間坐標(biāo)系o′-x′y′z′(圖9)，具體轉(zhuǎn)換方法可由公式(6)得出(Hofmann et al.，2001；陳義等，2004)：

圖9　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.9　Sketch of coordinate transformation

(6)式中,x0、y0、z0為新坐標(biāo)原點在原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；α1、β1、γ1為o′x′軸與ox、oy、oz軸的正向夾角；α2、β2、γ2為o′y′軸與ox、oy、oz軸的正向夾角；α3、

β3、γ3為o′z′軸與ox、oy、oz軸的正向夾角.

圖10　隧道斷面輪廓示意圖Fig.10　Sketch of tunnel section

(7)

過隧底的直達波傳播距離可表示為

(8)

(9)

3.2.2針對問題二的改進方法

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論，研究發(fā)現(xiàn)TRT系統(tǒng)截取的直達波速常呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征，因而在此考慮對其采用正態(tài)分布原理加以處理(楊圣奇等，2003；王惠文和李楠，2012)，求取置信水平1-a的置信區(qū)間，將置信區(qū)間上下限波速值分別錄入TRT系統(tǒng)進行計算分析，由此便可以分別得到以上下限波速為背景值的TRT三維圖像.

以上處理在一定程度上可以避免人工選取背景波速的盲目性，降低采用單一背景波速進行預(yù)測的誤差風(fēng)險，使TRT預(yù)測結(jié)果有一定的區(qū)間考量.同時需要注意的是，在進行數(shù)據(jù)處理時，還應(yīng)對失真的波速數(shù)據(jù)進行合理地濾除.

4實例分析

為了更好地反映出TRT系統(tǒng)波速改進前后的預(yù)測效果，現(xiàn)取兩條典型實例隧道進行分析，具體實例隧道工程分別為和平隧道(ZK74+626～ZK74+476)與修文隧道(D2K313+611～D2K313+761).

對于上述兩條隧道，TRT系統(tǒng)建模尺寸均為x×y×z=40 m×200 m×40 m，兩隧道掌子面位置均在模型中45 m處，有效探測距離為隧道掌子面前方155 m范圍內(nèi)，主要探測隧道圍巖地質(zhì)構(gòu)造與災(zāi)害分布情況.另外，同時記錄和分析所探隧道的巖石種類、圍巖等級、隧道尺寸、反射主頻、頻率范圍以及波速改進前后的速度變化與分布情況(表1與圖11—12)，綜合判斷所探隧道地質(zhì)構(gòu)造的類型特征及災(zāi)害的分布范圍，并對比分析波速改進前后TRT成果圖像的差異特征(圖13—14).(注：改進前后的直達波速置信區(qū)間均采用置信水平為1-0.05進行計算).

圖11　和平隧道波速改進前后的分布對比Fig.11　Comparison of wave velocity before and after improvement in the Heping tunnel

圖12　修文隧道波速改進前后的分布對比Fig.12　Comparison of wave velocity before and after improvement in the Xiuwen tunnel

圖13　和平隧道背景波速改進前后TRT成果圖 (a—改進前圖像；b、c—改進后的圖像) (a) 背景波速為2300 m·s-1時的TRT圖像； (b) 背景波速為2095 m·s-1時的TRT圖像； (c) 背景波速為2270 m·s-1時 的TRT圖像.Fig.13　TRT results of the background velocity before and after improvement in the Heping tunnel (a—befort improving； b、c—after improving) (a) TRT images of the background wave velocity is 2300 m·s-1； (b)TRT images of the background wave velocity is 2095 m·s-1； (c) TRT images of the background wave velocity is 2270 m·s-1.

通過對表1中兩條隧道波速改進前后相關(guān)參數(shù)的分析，以及結(jié)合圖11—12中改進前后波速的分布對比情況，可以看出改進后的直達波速整體分布比原TRT直達波速整體分布有了一定程度的提高，其提高程度主要受到隧道開挖輪廓尺寸、震源點與接收點布設(shè)位置以及隧道圍巖性質(zhì)等因素的影響.對比改進前后兩條隧道波速均值提高率，可以看出和平隧道與修文隧道波速均值提高率分別為13.46%和3.34%，并且表現(xiàn)出直達波速離散性越大，其改進前后的波速均值變化越明顯的特征.

表1　實例隧道檢測參數(shù)及波速改進前后對比表

另外，比較兩條隧道波速改進前后的TRT成果圖像(圖13—14)，可以看出兩條隧道波速改進前后的成果圖像特征并無明顯變化，只是模型中災(zāi)害點在位置上有了一定距離的改變.結(jié)合表1中所列隧道災(zāi)害點的預(yù)測位置與實際位置的比較情況，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用原有人工方法確定TRT背景波速時，預(yù)測結(jié)果與實際情況存在明顯的偏差，這種偏差隨著預(yù)報距離的增加有增大的趨勢，使得對所探隧道中后部區(qū)域災(zāi)害點的定位常常不準(zhǔn)，這是由于對于中前部災(zāi)害點波的傳播時間相對較短，累積的誤差較小，而對于中后部災(zāi)害點波的傳播時間相對較長，累積的誤差更為明顯；而當(dāng)采用改進后的方法選定TRT背景波速時，由于其背景波速是直達波速相應(yīng)置信水平上置信區(qū)間波速的上下界值，這樣就可以在TRT成果圖像中對災(zāi)害體起止點位置劃定相應(yīng)的預(yù)報區(qū)間，雖然這種預(yù)測形式有時可能會相對保守一些，但卻可以有效避免對災(zāi)害體的漏報現(xiàn)象，降低災(zāi)害風(fēng)險.

5結(jié)語

5.1以TRT系統(tǒng)的特點及其存在的問題為切入點，闡述了該系統(tǒng)的基本原理、布設(shè)方式與觀測形式，論述了橫波在隧道地質(zhì)探測中的優(yōu)勢(即對隧道水體檢測較為敏感)，并指出TRT系統(tǒng)對地質(zhì)異常體的定位是利用震源點與接收點共同組成的隨時間變化的共焦橢球體來實現(xiàn)的.

5.2通過參考TRT技術(shù)在隧道中應(yīng)用的大量研究成果，總結(jié)了各典型地質(zhì)災(zāi)害對應(yīng)的TRT圖譜特征，將TRT圖譜異常區(qū)域劃分為四種類型，即：集群異常、單體異常、錯斷異常以及互層異常，并對這些異常區(qū)進行了相應(yīng)的特征描述.

5.3針對TRT技術(shù)自身存在的問題，即：直達波速計算不準(zhǔn)確；背景波速的取定不太合理.提出了相應(yīng)的改進方法，一方面通過計算出直達波在隧道洞身的實際傳播的最短軌跡，從而求得震源點到接收點的實際直達波速；另一方面根據(jù)實際直達波速的分布特征，求出正態(tài)分布條件下，實際直達波速在置信水平為1-a的置信區(qū)間，并將置信區(qū)間的上下限值作為背景波速錄入TRT系統(tǒng)，得出兩組TRT成果圖像，這樣就改變了人工取定背景波速所存在的單一性與盲目性，使得改進后的災(zāi)害預(yù)測有了一定的區(qū)間考量.

5.4通過實例對比波速改進前后的隧道預(yù)報結(jié)果，發(fā)現(xiàn)改進后的預(yù)測效果明顯優(yōu)于改進前采用人工取定背景波速時的預(yù)測效果，雖然有時可能會相對保守一些，但能夠有效的避免人工選定背景波速時產(chǎn)生的漏報現(xiàn)象.

5.5隧道的物理探測技術(shù)發(fā)展至今雖然取得了一定的進步，但希望通過一種方法或手段達到精確預(yù)報的目的，目前還難以做到.因此，對于一些隧道地質(zhì)較為復(fù)雜的地段，如TRT成果圖像顯示存在多段災(zāi)害點或TRT系統(tǒng)的直達波速離散性較大時，可適當(dāng)增加預(yù)報頻次，或結(jié)合其他一些預(yù)報方法，以求達到提高對隧道災(zāi)害預(yù)報的準(zhǔn)確解譯和精確定位的目的，從而降低隧道災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險.

致謝感謝審稿專家和編輯部的支持和幫助.

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(本文編輯劉少華)

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目(41372351),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2015YJS121, 2015JBM064)資助.

作者簡介白明洲，男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事公路、鐵路與地鐵等沿線地質(zhì)災(zāi)害的研究工作.E-mail：mzhbai@bjtu.edu.cn *通訊作者田崗，男，1986年生，在讀博士，攻讀道路與鐵道工程.E-mail：tiangang08009x@163.com

doi:10.6038/cjg20160731 中圖分類號P631

收稿日期2015-11-18，2016-02-11收修定稿

The three-dimensional imaging technology and its improvementfor geological structure based on the TRT system

BAI Ming-Zhou1,2, TIAN Gang1,2*, WANG Cheng-Liang1, SHI Hai1, NIE Yi-Cong1, SHEN Yu-Peng1

1SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China2Beijingengineeringandtechnologyresearchcenterofrailtransitlinesafetyanddisasterprevention,Beijing100044,China

AbstractThe TRT technology is used to achieve recognition of the disaster body with the help of seismic wave reflection principle. It can locate the disaster body using a confocal ellipsoid changing with time composed by seismic focus and the receiving focus. According to the comparing the abnormal image area formed by TRT technology with the tunnel disaster area caused by the earthquake, the TRT anomaly area is divided into four types, which are cluster abnormal area, single abnormal area, faulted abnormal area and interbedded abnormal area. Aiming at TRT technology′s own problems that the calculation of direct wave velocity is not enough accurate and the setting of background wave velocity is unreasonable, a corresponding improvement method is proposed. On one hand, to get the actual direct wave velocity between seismic focus and the receiving focus, through calculating the minimum actually spreading track of the direct waves in the tunnel is obtained. On the other hand, 1-a confidence interval of actual direct wave velocity in the condition of Gaussian distribution is calculated, based on the distribution of direct wave velocity. To entry the upper and lower limits of the confidence interval as the background velocity into the TRT system, two sets TRT′s images, are obtained which gets rid of the singleness and aimless on setting the background wave velocity, and makes a certain confidence interval consideration for the improved geological hazard forecasting. The result of the living example shows that the effect of improved geological hazard forecasting is much better than the forecasting effect of setting the background wave velocity to a certain degree, that avoids the possibility of the omission in disaster prediction.

KeywordsTunnel; TRT technology; Seismic wave; Ellipsoid; Abnormal areas; Background velocity

白明洲， 田崗， 王成亮等. 2016. 基于TRT系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造三維成像技術(shù)及其改進方法.地球物理學(xué)報，59(7):2684-2693,doi:10.6038/cjg20160731.

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