一、工程背景

Unterwald隧道是一条双线铁路隧道，长度为1076米，标准横截面为100平方米。开挖按照NATM标准进行。隧道与山坡平行，覆盖层可达90米。它位于奥地利中部，是朔伯山口的一部分，是阿尔卑斯山海拔最低的交叉口（840米）。这条从阿姆斯特滕到塔尔维西奥（意大利）的铁路线连接着奥地利的北部和南部，是一条非常重要的运输路线，目前正在升级为高容量铁路。1994年和1995年进行了实地侦察调查，随后制订了详细的现场调查方案。1994年至1996年进行了地下调查。共钻了26个取心垂直、倾斜和水平井眼，总长度为1600米。为了获得可靠的岩石和围岩参数数据，进行了现场和实验室试验。为补充地下勘探，开展了折射地震、电阻率、电磁等地球物理调查。

二、地质背景

项目区位于兰纳奇系列地层内，这是一种二叠纪-中生代的变质岩层，其特点是含有高度各向异性的岩石，含石英量不等。岩体主要由片麻岩和石英片岩组成，偶尔夹有绢云母页岩、绿泥石页岩和含碳页岩。层理与隧道平行，倾角平均为25°至35°，与山坡平行。遇到两组主要的节理，大致与隧道轴线垂直，陡倾或远离隧道面。还遇到了一些次要的断层，与主要的节理平行。入口区域位于年轻的沉积物中，包括冰川-河流砾石和碎屑，在东部有大型巨石，在西部有由粉砂-砾石构成的滑坡碎屑，其中夹杂着巨石和大型岩板。

三、TRT成像结果

在初始的现场勘察中，预测开掘的前170到200米为由密实的块状围岩组成的坡积物，坡积物与坚硬基岩的接触面没有被具体确定。为了适当地规划开掘方法，并在现场准备适当的支撑介质，准确地了解这个接触面将节省相当多的成本。

    这是TRT方法首次应用于软弱的、极度复杂的地层条件以及高度各向异性介质的情况。结果显示，由于块状围岩和软基质的高衰减，最大可靠成像距离为60到70米（相比于硬质岩中预期的100到150米）。第二次地质预报的成像距离包括最初预测的基岩接触区域，是在隧道里程152米处进行的，成像范围里程约到210到220米处。最初使用双速度模型，底部是高速度基岩，但数据不确定。图1结果确定了隧道面前约5米处的一个大石块。图2显示了在里程161米处拍摄的隧道面照片，与成像结果相符。显示了从第二次处理中得到的层析图，使用与堆积层性质相对应的均匀速度模型。

结果还显示，在隧道轴线右侧约里程190米处有一个正异常（速度较高）。最初被解释为基岩接触，但实际上与成系列较小的异常连接形成一个与隧道轴线锐角相交的接触面。后来发现这些较小的异常是单独的特征，而大的异常才是基岩接触，其与隧道轴线近乎垂直，如层析图所示。图3显示了遇到的基岩接触面，位于191到192米的里程。接触面由的平面墙状节理断裂形成。基岩稍有风化，广泛分布着（约1米间隔）几乎垂直于隧道面且陡倾的开裂。节理填充有厚度达20厘米的砂砾大。

四、成像断层带和成像重复性

第七和第八次预报是TRT方法重复性和潜在准确性的示例。 第七次预报的结果显示，在开挖前约25米处存在一个破裂带，后面是相对均质的地层条件。 图4显示了第二次处理的结果，采用了不同的衰减模型，以进一步查看开挖前方的情况。

在距离隧道面约150米的825到840米站附近显示了一个异常。 初始现场勘察已经提供了可能在该区域存在断层带的证据。第七次预报成像的异常与遇到的地质条件相当吻合。第八次预报时隧道面位于771米处，初始速度模型未显示面前有任何异常。因此采用了第二个速度和衰减模型，并在图5所示的785到835米站附近识别了几个异常。 

最初的异常被描述为可能是破裂带，而从820到840米站的异常被解释为断层带。遇到的地质条件包括两组垂直分布的不连续性，间距为0.5到1米，与隧道以60°至70°的角度相交。在820米处，隧道进入一个8米宽的清晰切割带，陡倾70°向东走向，与隧道面垂直。该断层由两组光滑面构成的透镜状交织切割体形成。该断层的位置与第七次预报成像的特征相符。两次预报之间信息量的差异显示了不同的衰减模型可以用于识别接近开挖的较小特征或远距离的较大特征。本次预报中识别的异常及其解释与遇到的地质条件在前面的图表中显示得非常一致。

五、结论

从上面的两个示例可以看出，TRT方法能够准确预测岩体条件的变化。我们认为需要进一步研究TRT数据的可靠性和使用方法，以适当地预测在开挖过程中可能遇到的条件，以及不断变化的地质条件是否会影响开挖行为。这还包括更多关于将特征外推到适当位置的信息。

这是TRT方法首次在开挖的前200米遇到的地层条件中使用，一些初始困难需要克服。围岩较软并且呈块状可能导致地震信号的快速衰减，明显导致预报距离减短。第二个问题是如何将足够的能量传递到地下，以补偿增加的衰减。由于围岩“较软”，比起衬砌或大块石头，源头提供的能量没有有效地转移到围岩中，也导致了成像长度的减少。这也是TRT方法首次应用于高度各向异性介质的情况。由于层理走向与预报方向平行，通常避免了介质的各向异性特性，但可能对成像造成了局部影响，导致成像的特征比预报尺寸要大。岩体在大部分区域相当均质，除了入口位置。由于覆盖较低和相对良好的岩体条件，隧道大部分区域的变形都很小，在预测的较弱介质区域变化不大。而断层区域导致过挖增加，偶尔也导致水流增加。在断层区域之前逐渐增加的断裂密度通常会使反射数据平滑，使特征不那么明显。

在Unterwald隧道中，True Reflection Tomography（TRT）地震成像方法被系统地应用于识别与隧道轴线相交的潜在薄弱区。通常情况下，数据被多次处理以澄清结果并消除数据解释的不确定性。与任何地震方法一样，必须使用所有可用信息来解释结果。如果从预先存在的模型中读取太多数据，会导致误导，正如显示基岩接触的例子所示。将这种方法纳入隧道施工时，应量化数据的可靠性，以使工程师对结果的解释感到有信心。这需要数据处理者、地质学家和工程师之间的沟通和合作，不仅讨论当前的数据结果，还要讨论过去的评估，以便为给定的现场条件进行改进的预测。

总体而言，TRT方法提供了良好的结果，因为大多数主要特征都被成像了。该方法可以确认一般但不是具体的特征位置，同时也可以发现意外的地质条件，但必须强调的是所有相关方之间必须有适当的沟通，以确定在给定地质环境中系统的优势和劣势。超前地质预报是一项综合性的工作，在不同地质条件下获得更多经验的过程中将不断改进。