地震波速對(duì)于隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響分析

劉棟臣

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

地震波速對(duì)于隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響分析

劉棟臣

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

從理論和實(shí)際應(yīng)用的角度，結(jié)合國(guó)外工程實(shí)例，以TST這一具有代表性的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法為例，對(duì)比隧洞開(kāi)挖后的圍巖地質(zhì)條件,分析隧洞預(yù)測(cè)段整體平均波速的變化和分段波速的變化對(duì)TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響，表明準(zhǔn)確的地震波速是進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的前提。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào);地震波波速;TST;巴基斯坦NJ項(xiàng)目

在隧洞施工中,圍巖大變形、塌方、巖爆、突水突泥、膨脹巖等重大地質(zhì)問(wèn)題時(shí)有發(fā)生,因而分析推斷掌子面前方的地質(zhì)條件,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其規(guī)模,進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),對(duì)于保障工程的安全、質(zhì)量、進(jìn)度具有重大意義。

理論研究和實(shí)際資料證實(shí),地震波在巖層中的傳播速度與巖層的性質(zhì)、巖石的成分、密度、埋深、地質(zhì)時(shí)代、孔隙度、含水率等因素有關(guān),因而地震波速度的大小綜合反映了巖體的物理力學(xué)性質(zhì)(巖體密度、彈性模量、泊松比、巖體強(qiáng)度等),是綜合評(píng)定巖體質(zhì)量的重要參數(shù)[1]。

對(duì)于隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而言,掌子面前方圍巖的地震波速不但關(guān)系到對(duì)圍巖工程類別的判定,更重要的是直接影響到地質(zhì)異常體(如斷層、破碎帶、巖性界線等)的準(zhǔn)確定位,因而掌子面前方圍巖波速的確定是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的核心難點(diǎn)問(wèn)題之一,和直接制約著超前預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性,因而有必要從理論和實(shí)際應(yīng)用中分析和研究地震波速對(duì)隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響。本文以TST這一具有代表性的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法為例,詳細(xì)分析論證地震波速對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響。

1 TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

TST(Tunnel Seismic Tomography)是隧道散射地震成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱,本質(zhì)上是一種地震波反射法(散反結(jié)合),即利用電火花或炸藥震源產(chǎn)生地震波,當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中遇到波阻抗界面(波阻抗與巖體的密度、波速成正比,圍巖地質(zhì)條件的變化就意味著波阻抗的變化,從而形成波阻抗界面,如斷層、巖性界線、破碎帶等)時(shí),部分地震波能量被散射回來(lái),由檢波器接收,并被地震儀記錄。散射信號(hào)的傳播時(shí)間與散射界面的距離成正比,因此在準(zhǔn)確獲得圍巖波速的情況下,可以用來(lái)預(yù)報(bào)掌子面前方100 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況,探明隧道掌子面前方斷層及影響帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等情況,判定不良地質(zhì)體的位置、形態(tài)、規(guī)模[2-3]。

TST數(shù)據(jù)處理采用TSTWin軟件系統(tǒng),在空間方向?yàn)V波、圍巖波速掃描的基礎(chǔ)上,經(jīng)偏移成像,生成掌子面前方圍巖的波速分布曲線和地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像,兩者綜合分析進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2 波速對(duì)TST預(yù)測(cè)結(jié)果影響分析

從TST系統(tǒng)地震儀記錄到的信號(hào)可以讀取地震波走時(shí),如果能夠準(zhǔn)確獲得圍巖的波速值,就能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出異常地質(zhì)體的位置。

如圖1所示,假設(shè)隧洞前方有一異常地質(zhì)體為斷層構(gòu)造,當(dāng)預(yù)測(cè)使用的波速值高于真實(shí)波速時(shí),預(yù)測(cè)出的斷層將比實(shí)際位置偏遠(yuǎn)、斷層寬度偏大;反之,當(dāng)使用的波速值低于真實(shí)波速時(shí),預(yù)測(cè)出的斷層將比實(shí)際位置偏近、斷層寬度偏小。圍巖波速的誤差越大,預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性就越差,且這種不可靠性會(huì)隨著預(yù)報(bào)距離的增大而不斷累積,最終得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況將毫無(wú)可比性。因而,地震波速的準(zhǔn)確性對(duì)預(yù)報(bào)效果的好壞具有至關(guān)重要的影響,符合實(shí)際的波速是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的前提。

圖1 波速存在誤差時(shí)將會(huì)得到不同的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.1 Prediction results of errors in wave velocity

2.1 平均波速對(duì)TST預(yù)測(cè)結(jié)果影響分析

在TST數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,需要進(jìn)行速度掃描,即根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)給定波速的可能變化范圍,基于偏移疊加能量最大化原理,選取疊加能量取極值時(shí)的速度為最優(yōu)速度。

速度掃描分整體掃描和分段掃描兩個(gè)步驟,整體掃描是對(duì)整個(gè)預(yù)測(cè)段進(jìn)行速度掃描,確定整個(gè)預(yù)測(cè)段的平均波速值,為分段掃描提供依據(jù);分段掃描是依據(jù)整體掃描得到的偏移圖像對(duì)整個(gè)預(yù)測(cè)段進(jìn)行圍巖質(zhì)量分段,掃描出每個(gè)分段的波速值。

以巴基斯坦NJ項(xiàng)目引水隧洞工程的某次TST數(shù)據(jù)為例,在波速整體掃描時(shí),將波速可能的變化范圍取為2 600～5 000 m/s,掃描步長(zhǎng)300 m/s,得到了一系列不同波速下的偏移圖像(圖2),其中橫坐標(biāo)表示里程,縱坐標(biāo)表示偏移成像的寬度,不同顏色表示散射強(qiáng)度的大小正負(fù):紅色代表正散射,表示巖體波阻抗提高、巖體變得堅(jiān)硬的界面;藍(lán)色為負(fù)散射,表示波阻抗降低、巖體變軟的界面;先藍(lán)后紅條紋的組合表示存在斷裂帶或巖層相對(duì)破碎區(qū)域,線條密集表明構(gòu)造發(fā)育巖體破碎,線條稀疏表示巖體完整。

從這些偏移圖像的對(duì)比中不難看出,預(yù)測(cè)段的平均波速取值不同時(shí),對(duì)應(yīng)的偏移圖像中紅藍(lán)條紋的形態(tài)、分布、位置均有較大差異;相應(yīng)地,預(yù)測(cè)出來(lái)的異常地質(zhì)體性質(zhì)、位置、規(guī)模均會(huì)有所不同:當(dāng)平均波速介于3 200～4 400 m/s之間時(shí),偏移圖像中可見(jiàn)一組紅藍(lán)相間的條紋組合,反映出了較多的波阻抗界面和遭遇較大不良地質(zhì)體的可能性,表明該段圍巖構(gòu)造發(fā)育,巖體破碎,可能存在一構(gòu)造破碎帶;然而隨著波速的逐步增加,這一異常體的位置不斷后移(圖1淺灰色框);當(dāng)波速<3 200 m/s或>4 400 m/s時(shí),對(duì)應(yīng)的偏移圖像中條紋密集、稀疏的位置、形態(tài)均發(fā)生了變化,且看不到密集條紋組合,預(yù)測(cè)結(jié)論中則不會(huì)得出上述“可能存在一構(gòu)造破碎帶”這一結(jié)論。

上述的示例反映了波速對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要性,不同的波速會(huì)得出截然不同的預(yù)測(cè)結(jié)果和結(jié)論,而掌子面前方實(shí)際的圍巖地質(zhì)條件是唯一存在的,唯有準(zhǔn)確的波速才能給出符合實(shí)際的偏移圖像,達(dá)到理想的預(yù)測(cè)效果。因此,預(yù)測(cè)波速越接近真實(shí)波速,預(yù)測(cè)效果越好;反之預(yù)測(cè)波速的誤差越大,預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性越低,可參考性就越差。

需要強(qiáng)調(diào)的是,圖2給出的示例中整個(gè)100 m的洞段只是采用了單一的平均波速用以舉例分析,而實(shí)際情況中,圍巖波速是分段甚至連續(xù)變化的,因而真實(shí)情況下的偏移圖像遠(yuǎn)遠(yuǎn)比圖2中的偏移圖像復(fù)雜得多,在速度掃描的過(guò)程中需要對(duì)波速進(jìn)行分段,如果每個(gè)分段的波速均存在較大誤差,則最終得到的偏移圖像將會(huì)雜亂無(wú)章,與實(shí)際情況差之千里。

2.2 分段波速變化對(duì)TST預(yù)測(cè)結(jié)果的影響分析

如上所述,整個(gè)預(yù)測(cè)段平均波速的變化會(huì)影響到TST的預(yù)測(cè)結(jié)果,事實(shí)上這種影響是較為溫和的,分段波速的變化對(duì)TST預(yù)測(cè)結(jié)果的影響則更為劇烈。

同樣以巴基斯坦NJ項(xiàng)目引水隧洞工程的某次TST數(shù)據(jù)為例,采用TSTWin的波速自動(dòng)掃描和分段功能得到的波速曲線和偏移圖像如圖3和圖4所示。為了研究分段波速的變化對(duì)TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響,人為地將預(yù)測(cè)段前7 m的波速由4.2 km/s調(diào)整為3.2 km/s(圖5),得到的偏移圖像如圖6。

對(duì)比圖4和圖6發(fā)現(xiàn),雖然波速的變化只是7 m的范圍,但是構(gòu)造偏移圖像卻截然不同,得出的預(yù)測(cè)結(jié)論也大相徑庭。

115～20 m段,波速調(diào)整前的偏移圖像中紅藍(lán)條紋較為密集,表明該段圍巖較破碎,圍巖質(zhì)量較差;而波速調(diào)整后的偏移圖像則幾乎沒(méi)有條紋,表明該段圍巖完整性好。

225～50 m段,波速調(diào)整前的偏移圖像中條紋很少,表明該段圍巖完整性好,圍巖質(zhì)量好;而波速調(diào)整后的偏移圖像則條紋較多,表明該段圍巖質(zhì)量較差。

394～98 m段,波速調(diào)整后的偏移圖像中存在紅藍(lán)條紋相間的組合,表明該段圍巖極不穩(wěn)定,存在構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶的可能性較大;而波速調(diào)整前的偏移圖像則沒(méi)有反映出這一信息。

由此可見(jiàn),分段波速的微小變化,會(huì)引起整個(gè)預(yù)測(cè)段偏移圖像的巨大變化,得出完全不同甚至截然相反的結(jié)論。

圖2 不同波速下的偏移圖像Fig.2 Migration image at different wave velocity

分段波速的變化對(duì)TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響更加直接和劇烈,因而準(zhǔn)確的波速預(yù)測(cè)是進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的前提。

3 結(jié)語(yǔ)

掌子面前方圍巖波速的預(yù)測(cè)是隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的核心問(wèn)題之一,波速的準(zhǔn)確與否直接影響著圍巖工程類別的判別和地質(zhì)異常體的定位。

圖3 地震波速曲線Fig.3 Curve of seismic velocity

圖4 構(gòu)造偏移圖像Fig.4 Migration image of structure

圖5 波速調(diào)整后的波速曲線Fig.5 Wave velocity curve after wave velocity adjustment

圖6 波速調(diào)整后的偏移圖像Fig.6 Migration image after wave velocity adjustment

本文從理論上闡明了波速對(duì)于TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要性,并結(jié)合國(guó)外工程實(shí)例分別對(duì)比分析了預(yù)測(cè)段整體平均波速的變化和分段波速的變化對(duì)TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的影響,因而在進(jìn)行隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作時(shí),應(yīng)對(duì)圍巖的波速問(wèn)題予以高度重視,只有準(zhǔn)確的波速才能得到可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果。

[1] 劉康和,練余勇.深埋長(zhǎng)隧洞地球物理勘察及施工超前預(yù)報(bào)[M].天津:天津科技大學(xué)出版社,2010.

[2] 趙永貴.國(guó)內(nèi)外隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)評(píng)析與推介[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(4):1344-1352.

[3] 蔣輝,賈超,趙永貴.TST隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用[J].公路隧道,2013(3):59-62.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Effect Analysis of Seismic Wave Velocity on AdvancedGeological Forecast of Tunnel

LIU Dongcheng

(ChinaWaterResourcesBeifangInvestigationDesign&ResearchCo.Ltd.,Tianjin300222)

From theoretical and practical point of view,combined with the overseas project examples,taking the example of representative advanced geological forecast,this paper analyses variation of overall average velocity and the influence of the change of the velocity of the segment on the TST advanced geological forecast,shows that the accurate seismic velocity is the premise of advanced geological forecast.

advanced geological forecast; seismic wave velocity;TST; NJ project in Pakistan

2016-05-16;改回日期:2016-06-03

劉棟臣(1981-),男,工程師,地球物理專業(yè),從事工程物探工作。E-mail:583431528@qq.com

P631.4

A

1671-1211(2016)03-0296-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.011

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.006.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37