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一、工程背景

Unterwald隧道是一條雙線鐵路隧道，長度為1076米，標準橫截面為100平方米。開挖按照NATM標準進行。隧道與山坡平行，覆蓋層可達90米。它位于奧地利中部，是朔伯山口的一部分，是阿爾卑斯山海拔最低的交叉口（840米）。這條從阿姆斯特滕到塔爾維西奧（意大利）的鐵路線連接著奧地利的北部和南部，是一條非常重要的運輸路線，目前正在升級為高容量鐵路。1994年和1995年進行了實地偵察調查，隨后制訂了詳細的現場調查方案。1994年至1996年進行了地下調查。共鉆了26個取心垂直、傾斜和水平井眼，總長度為1600米。為了獲得可靠的巖石和圍巖參數數據，進行了現場和實驗室試驗。為補充地下勘探，開展了折射地震、電阻率、電磁等地球物理調查。

二、地質背景

項目區位于蘭納奇系列地層內，這是一種二疊紀-中生代的變質巖層，其特點是含有高度各向異性的巖石，含石英量不等。巖體主要由片麻巖和石英片巖組成，偶爾夾有絹云母頁巖、綠泥石頁巖和含碳頁巖。層理與隧道平行，傾角平均為25°至35°，與山坡平行。遇到兩組主要的節理，大致與隧道軸線垂直，陡傾或遠離隧道面。還遇到了一些次要的斷層，與主要的節理平行。入口區域位于年輕的沉積物中，包括冰川-河流礫石和碎屑，在東部有大型巨石，在西部有由粉砂-礫石構成的滑坡碎屑，其中夾雜著巨石和大型巖板。

三、TRT成像結果

在初始的現場勘察中，預測開掘的前170到200米為由密實的塊狀圍巖組成的坡積物，坡積物與堅硬基巖的接觸面沒有被具體確定。為了適當地規劃開掘方法，并在現場準備適當的支撐介質，準確地了解這個接觸面將節省相當多的成本。

    這是TRT方法首次應用于軟弱的、極度復雜的地層條件以及高度各向異性介質的情況。結果顯示，由于塊狀圍巖和軟基質的高衰減，最大可靠成像距離為60到70米（相比于硬質巖中預期的100到150米）。第二次地質預報的成像距離包括最初預測的基巖接觸區域，是在隧道里程152米處進行的，成像范圍里程約到210到220米處。最初使用雙速度模型，底部是高速度基巖，但數據不確定。圖1結果確定了隧道面前約5米處的一個大石塊。圖2顯示了在里程161米處拍攝的隧道面照片，與成像結果相符。顯示了從第二次處理中得到的層析圖，使用與堆積層性質相對應的均勻速度模型。

結果還顯示，在隧道軸線右側約里程190米處有一個正異常（速度較高）。最初被解釋為基巖接觸，但實際上與成系列較小的異常連接形成一個與隧道軸線銳角相交的接觸面。后來發現這些較小的異常是單獨的特征，而大的異常才是基巖接觸，其與隧道軸線近乎垂直，如層析圖所示。圖3顯示了遇到的基巖接觸面，位于191到192米的里程。接觸面由的平面墻狀節理斷裂形成。基巖稍有風化，廣泛分布著（約1米間隔）幾乎垂直于隧道面且陡傾的開裂。節理填充有厚度達20厘米的砂礫大。

四、成像斷層帶和成像重復性

第七和第八次預報是TRT方法重復性和潛在準確性的示例。 第七次預報的結果顯示，在開挖前約25米處存在一個破裂帶，后面是相對均質的地層條件。 圖4顯示了第二次處理的結果，采用了不同的衰減模型，以進一步查看開挖前方的情況。

在距離隧道面約150米的825到840米站附近顯示了一個異常。 初始現場勘察已經提供了可能在該區域存在斷層帶的證據。第七次預報成像的異常與遇到的地質條件相當吻合。第八次預報時隧道面位于771米處，初始速度模型未顯示面前有任何異常。因此采用了第二個速度和衰減模型，并在圖5所示的785到835米站附近識別了幾個異常。 

最初的異常被描述為可能是破裂帶，而從820到840米站的異常被解釋為斷層帶。遇到的地質條件包括兩組垂直分布的不連續性，間距為0.5到1米，與隧道以60°至70°的角度相交。在820米處，隧道進入一個8米寬的清晰切割帶，陡傾70°向東走向，與隧道面垂直。該斷層由兩組光滑面構成的透鏡狀交織切割體形成。該斷層的位置與第七次預報成像的特征相符。兩次預報之間信息量的差異顯示了不同的衰減模型可以用于識別接近開挖的較小特征或遠距離的較大特征。本次預報中識別的異常及其解釋與遇到的地質條件在前面的圖表中顯示得非常一致。

五、結論

從上面的兩個示例可以看出，TRT方法能夠準確預測巖體條件的變化。我們認為需要進一步研究TRT數據的可靠性和使用方法，以適當地預測在開挖過程中可能遇到的條件，以及不斷變化的地質條件是否會影響開挖行為。這還包括更多關于將特征外推到適當位置的信息。

這是TRT方法首次在開挖的前200米遇到的地層條件中使用，一些初始困難需要克服。圍巖較軟并且呈塊狀可能導致地震信號的快速衰減，明顯導致預報距離減短。第二個問題是如何將足夠的能量傳遞到地下，以補償增加的衰減。由于圍巖“較軟”，比起襯砌或大塊石頭，源頭提供的能量沒有有效地轉移到圍巖中，也導致了成像長度的減少。這也是TRT方法首次應用于高度各向異性介質的情況。由于層理走向與預報方向平行，通常避免了介質的各向異性特性，但可能對成像造成了局部影響，導致成像的特征比預報尺寸要大。巖體在大部分區域相當均質，除了入口位置。由于覆蓋較低和相對良好的巖體條件，隧道大部分區域的變形都很小，在預測的較弱介質區域變化不大。而斷層區域導致過挖增加，偶爾也導致水流增加。在斷層區域之前逐漸增加的斷裂密度通常會使反射數據平滑，使特征不那么明顯。

在Unterwald隧道中，True Reflection Tomography（TRT）地震成像方法被系統地應用于識別與隧道軸線相交的潛在薄弱區。通常情況下，數據被多次處理以澄清結果并消除數據解釋的不確定性。與任何地震方法一樣，必須使用所有可用信息來解釋結果。如果從預先存在的模型中讀取太多數據，會導致誤導，正如顯示基巖接觸的例子所示。將這種方法納入隧道施工時，應量化數據的可靠性，以使工程師對結果的解釋感到有信心。這需要數據處理者、地質學家和工程師之間的溝通和合作，不僅討論當前的數據結果，還要討論過去的評估，以便為給定的現場條件進行改進的預測。

總體而言，TRT方法提供了良好的結果，因為大多數主要特征都被成像了。該方法可以確認一般但不是具體的特征位置，同時也可以發現意外的地質條件，但必須強調的是所有相關方之間必須有適當的溝通，以確定在給定地質環境中系統的優勢和劣勢。超前地質預報是一項綜合性的工作，在不同地質條件下獲得更多經驗的過程中將不斷改進。