TSP隧道地震預(yù)報空洞模型的數(shù)值模擬研究

王朝令 楊 茜 陳 章 楊 文

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，都江堰市建設(shè)路288號，611830

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TSP隧道地震預(yù)報空洞模型的數(shù)值模擬研究

王朝令1楊 茜1陳 章1楊 文1

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，都江堰市建設(shè)路288號，611830

采用有限元方法模擬隧道地震波場，采用波場快照與時間記錄相結(jié)合的方法，研究空洞對隧道地震波場傳播的影響，并對含空洞模型的時間記錄進(jìn)行處理，得到數(shù)值模型的速度云圖和反射層位圖。經(jīng)數(shù)據(jù)處理表明，采用TSPwin設(shè)定默認(rèn)值處理得到的速度云圖與模型設(shè)定的空洞位置比較一致，在提取反射層位圖上，空洞反射層呈現(xiàn)條帶狀特征，需要結(jié)合速度云圖來確定空洞位置，且P波預(yù)報的準(zhǔn)確性相對較高。對TSP系統(tǒng)的抗噪性進(jìn)行研究，表明其具有良好的抗噪性能。最后通過對工程實例的處理，驗證了數(shù)值模擬所得的結(jié)論。

TSP；TSPwin；空洞；波場快照；隧道地震預(yù)報

溶洞內(nèi)填充物與周圍巖體具有明顯的波阻抗差異，當(dāng)?shù)卣鸩▓鰝鞑サ讲ㄗ杩菇缑鏁r，會產(chǎn)生明顯的反射，因此其具有良好的地球物理特征。鐘世航[1]指出，TSP預(yù)報失誤的主要原因在于對探測對象的地質(zhì)特征及地球物理特征認(rèn)識不清。李術(shù)才等[2]對巖溶裂隙水和不良地質(zhì)情況在超前預(yù)報中存在的主要問題進(jìn)行了總結(jié)。孫克國等[3]采用TSP預(yù)報方法對多個巖溶隧道進(jìn)行預(yù)報，總結(jié)出洞穴和暗河的判別規(guī)律。許振浩等[4]研究巖溶隧道內(nèi)斷層破碎帶、地下水充填和無充填型溶洞的地震波反射特性。王朝令[5]基于有限元方法，應(yīng)用數(shù)值模擬研究隧道地震波場的數(shù)值模擬、分離和反演。林義等[6]應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了圍巖松動圈對隧道地震預(yù)報系統(tǒng)的影響。

本文基于有限元方法模擬空洞存在情形下隧道地震波場的傳播過程，并用TSPwin軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行處理分析，得到速度分布云圖和反射層提取圖，將兩者與模型圖進(jìn)行比較，分析TSP預(yù)報的準(zhǔn)確性。然后在數(shù)據(jù)中加入噪聲進(jìn)行分析，研究TSPwin的抗噪性能。最后以實例驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 空洞模型的數(shù)值模擬

為模擬空洞模型的隧道地震波場傳播情形，建立模型時需要結(jié)合計算能力，并能滿足分析需要。若模型太大，計算時間長，不利于進(jìn)行修改模擬。為此，建立如圖1所示的模型，模型長135 m，高75 m，在隧道模型的前方設(shè)置一個圓形空洞，其圓心坐標(biāo)為(87,5)，半徑為20 m，內(nèi)部填充P波為0，S波為0。檢波器設(shè)置與上述兩個模型相同，都位于隧道的邊壁上，震源激發(fā)采用主頻為300 Hz的零相位Ricker子波。當(dāng)主頻為300 Hz時，網(wǎng)格劃分長度為0.5 m，可以最大程度地減小頻散效應(yīng)[1]。采樣間隔為62.5 μs，點數(shù)為7 128，與TSP的設(shè)置相同。

圖1 模型圖Fig.1 Model diagram

TSP數(shù)據(jù)采集時，采用單個三分量接收，24炮激發(fā)，根據(jù)炮檢互換原理，相當(dāng)于單炮激發(fā)，24道三分量檢波器接收。為方便計算，在數(shù)值模擬時，采用單炮激發(fā)多道接收，使得計算模型的觀測系統(tǒng)與TSP實際采集時的相同。需要說明的是，在模型數(shù)據(jù)處理過程中，速度云圖和提取反射層圖都是從震源位置起算。此模型中，空洞左邊緣距離震源67 m，右邊緣距離震源107 m。

由于模擬是在二維中進(jìn)行的，只能取到x、y兩個分量。圖2是提取的時間記錄，圖中的直達(dá)縱波、直達(dá)橫波都比較清晰，第一個同相軸的反射橫波是RSSR現(xiàn)象引起的，第二個反射同相軸是前方界面的反射橫波。隧道內(nèi)沿邊壁傳播的Rayleigh面波在工作面角點位置轉(zhuǎn)換為S波，以體波的形式向前傳播，遇到界面反射回到角點后，轉(zhuǎn)換為Rayleigh面波，此即為RSSR現(xiàn)象[2]。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅娇斩磿r，x分量相對于y分量來說要復(fù)雜一些。由于半徑為20m的空洞，其直徑大于第一Fresnel帶，因此整個時間剖面存在反射縱橫波，其中直達(dá)橫波和反射橫波能量強(qiáng)，所以比較明顯。

圖2 數(shù)值模擬的時間剖面Fig.2 Time recording of numerical simulation

圖3為空洞模型提取的波場快照，T=7 ms顯示震源所激發(fā)的P波、S波開始分離；T=10 ms、15 ms時，波場傳播到接收排列上；T=20 ms、25 ms、30 ms過程中，波場傳播過接收排列，并到達(dá)工作面位置，在角點上產(chǎn)生RSSR現(xiàn)象；T=33 ms、35 ms，經(jīng)RSSR轉(zhuǎn)換出來的橫波與原來的波場產(chǎn)生疊加一起向外傳播，產(chǎn)生新的波場；T=37 ms、40 ms過程中，橫波傳播到空洞位置，此時P波已經(jīng)到達(dá)下邊界；T=42 ms、45 ms，由于空洞的存在，產(chǎn)生繞射現(xiàn)象；T=49 ms、52 ms、55 ms、59 ms時反射波由空洞反射到工作面，可以觀察到明顯的繞射現(xiàn)象；T=63 ms、68 ms，經(jīng)過RSSR轉(zhuǎn)化的Rayleigh面波繼續(xù)沿排列方向傳播；T=72 ms、78 ms時，可以觀察到左邊界有波反射回來，這是由繞射現(xiàn)象產(chǎn)生的波場，同時反射波繼續(xù)沿排列傳播，此現(xiàn)象可以與圖2的時間剖面進(jìn)行對比，形成對應(yīng)關(guān)系，此時波場已經(jīng)變得非常復(fù)雜。

圖3 模擬y分量的波場快照Fig.3 Y-component snapshot of simulation

2 模型數(shù)據(jù)處理

按照TSP的處理流程，應(yīng)用TSPwin對得到的時間記錄進(jìn)行處理，各處理步驟均采用TSPwin默認(rèn)值進(jìn)行，得到如圖4所示的速度云圖。圖4中，橫坐標(biāo)表示預(yù)報距離(以震源位置起算)，縱坐標(biāo)表示以隧道向兩邊展布半徑，兩者的單位均為m。在計算地震波傳播過程中，如果所建立的速率模型與巖層中的傳播速度一樣，那么任何反射界面的位置都與其傳播距離無關(guān)。與模型進(jìn)行對比可知，低速異常區(qū)的P波速在2 000 m/s左右，S波在1 000 m/s左右，且所在位置與模型設(shè)定的位置非常接近，表明對空洞模型而言，速度分析云圖可以提供比較準(zhǔn)確的定位。

圖4 空洞模型的速度圖Fig.4 Velocity contours of cave model

圖5是20 m半徑空洞模型經(jīng)過偏移后處理得到的反射層位分布。可以發(fā)現(xiàn)，圖中反射層位分布比較明顯，模型中的分布位置相符，說明TSP在探測空洞時，反射層所呈現(xiàn)的形態(tài)是以前后界面來表示的，這增加了空洞在提取反射層圖上的設(shè)定難度。此時，結(jié)合速度分布云圖，可以提高準(zhǔn)確性。相比于P波，S波的反射層能量較弱，在提取反射層圖上不太明顯，因此P波的預(yù)報效果更好。

圖5 提取反射層Fig.5 Layers of extracting reflection

3 TSP抗噪性分析

為研究TSP的抗干擾能力，對數(shù)值模擬所提取的時間記錄加入隨機(jī)噪聲，得到圖6所示的低信噪比信號。從圖6可以看到，信號湮沒在隨機(jī)噪聲中，整個剖面不容易辨識，x分量中除了直達(dá)波比較明顯外，反射波幾乎被噪聲所掩蓋，y分量信噪比稍高。

圖6 加噪聲的時間記錄Fig.6 Time recording with additive noise

對加噪聲信號采用TSPwin進(jìn)行處理，經(jīng)過帶通濾波、初至拾取、反射波提取、P-S波分離、深度偏移和反射層提取，得到圖7所示的速度云圖和圖8的反射層提取圖。比較圖7的加噪聲速度云圖與未加噪聲的速度云圖，P波的速度為2 000 m/s，S波的速度為1 000 m/s左右；P波的速度云圖與設(shè)定的位置非常相近，而S波速度云圖相差較大，故P波的抗干擾能力更強(qiáng)，精度更高。

圖7 加噪聲的速度云圖Fig.7 Velocity contours with additive noise

圖8 加噪聲的反射層提取Fig.8 Layers of extracting reflection with additive noise

圖8為加噪聲數(shù)據(jù)所提取的反射層。對比模型圖1可以看到，在70～100 m區(qū)間內(nèi)， P波反射界面所處位置與模型設(shè)置相近，且形態(tài)也較一致，但是相比于圖8未加噪聲的P波反射層提取，對應(yīng)性有所降低，且反射層強(qiáng)度也有所下降。圖8(b)為提取的S波反射層，可以看到，在70～100 m之間存在反射層，接近模型的設(shè)定位置，與圖7未加噪聲的S波提取反射層相比，相差較大。因此，就預(yù)報精度而言，P波更好。

通過對加噪聲的數(shù)據(jù)處理表明，TSP具有良好的抗噪性能。TSP在數(shù)據(jù)采集時會采用在隧道邊壁打孔，用環(huán)氧樹脂將套管固定在接收孔中，然后將傳感器與套管緊密耦合，以此接收地震信號，使得原始時間記錄具有很高的信噪比，因此TSP系統(tǒng)所具有的抗噪性能可以滿足實際工程需要。

4 工程實例

考慮到隧道超前預(yù)報方法的施工特點，若要驗證預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，則只能選取已經(jīng)開挖完的隧道，比較開挖之前的預(yù)報結(jié)果和開挖后揭示的地質(zhì)情況，對比兩者的差異。依據(jù)常規(guī)TSP觀測排列的布置方法，在隧道邊墻布置地震波信息接收孔，孔深2 m，按約1.5 m的間距布置24個激發(fā)孔，孔深1.5 m左右，向下傾斜約10°，每個激發(fā)孔裝填藥量為100 g，激發(fā)孔和接收孔基本保持在同一個高度。采用上文所述處理流程中設(shè)定的參數(shù)對此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖9所示的速度云圖和反射層提取圖。

圖9 P波速度云圖和反射層圖Fig.9 Velocity contours and extracted reflection of P wave

圖9(b)反射層圖顯示，在110～140 m段反射層密集，且正負(fù)反射交錯出現(xiàn)，推測發(fā)育有溶洞或是破碎帶。根據(jù)圖9(a)速度云圖，由于低速區(qū)呈區(qū)塊狀分布，推測為空洞；隧道開挖結(jié)果顯示，在110 m處溶洞覆蓋掌子面左側(cè)拱腰處有溶洞，溶洞規(guī)模長33.7 m、寬32.4 m、高24 m，溶洞深度超過隧底高程，整個溶洞靠線路右側(cè)，并超過右邊墻8 m以上。這說明預(yù)報結(jié)果與開挖結(jié)果非常一致，采用文中的參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以比較準(zhǔn)確地預(yù)報前方的地質(zhì)災(zāi)害。隧道地震超前預(yù)報作為一種地球物理勘探方法，其結(jié)果存在多解性，在參照速度云圖和反射層圖時，需要結(jié)合兩者作出判斷，并在施工時進(jìn)行多種準(zhǔn)備，應(yīng)對可能發(fā)生的施工事故。

5 結(jié) 語

TSP在工程中應(yīng)用非常廣泛，但目前國內(nèi)外都將其作為一種工程方法進(jìn)行實例預(yù)報研究，采用正演模擬并進(jìn)行處理分析的研究相對較少。本文建立溶洞模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過波場快照研究隧道地震波場的傳播特征，對得到的時間剖面按照TSP的常規(guī)流程進(jìn)行處理，分析空洞模型速度云圖和提取反射層圖的特征。在速度分布云圖中，空洞的速度呈現(xiàn)比周圍速度低的特征，在提取的反射層圖中空洞呈現(xiàn)豎向條狀包圍的特征，因此需要結(jié)合速度分析空洞的位置和形態(tài)。分析表明，P波的準(zhǔn)確度較高。對數(shù)值模擬所得的時間記錄添加噪聲，研究表明，TSP具有良好的抗噪性能。最后通過工程實例表明，P波預(yù)報是比較準(zhǔn)確的。

本文以空洞模型為例，采用有限元數(shù)值計算模擬了隧道的地震波場，經(jīng)過對時間剖面的反演處理，分析空洞在速度分布云圖和反射層圖中呈現(xiàn)的特征，并研究了TSP系統(tǒng)的抗噪性能，為工程中應(yīng)用TSP進(jìn)行隧道地震預(yù)報的數(shù)據(jù)處理和資料解釋提供理論依據(jù)。

[1] 鐘世航.TSP作隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報幾例失誤原因分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003，22(增1): 2 443-2 446(Zhong Shihang.Analysis of the Failure Reasons in Survey Forward from Working Face of Tunnels by Means of TSP[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(S1):2 443-2 446)

[2] 李術(shù)才, 李樹忱, 張慶松,等. 巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(2):217-225(Li Shucai, Li Shuchen, Zhang Qingsong, et al.Forecast of Karst-Fractured Groundwater and Defective Geological Conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechenics and Engineering, 2007,26(2):217-225)

[3] 孫克國, 李術(shù)才, 張慶松,等.TSP在巖溶區(qū)山嶺隧道預(yù)報中的應(yīng)用研究[J]. 山東大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2008,38(1): 74-79(Sun Keguo, Li Shucai, Zhang Qingsong, et al. Application of the TSP Geological Forecast Method of a Mountain Tunnel in a Karst Zone[J]. Journal of Shandong University:Engineering Science,2008,38(1):74-79)

[4] 許振浩, 李術(shù)才, 張慶松,等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報地震波反射特性研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報,2008,4(4): 640-644(Xu Zhenhao, Li Shucai, Zhang Qingsong, et al. Reflection Characteristic of Seismic Wave in TSP Advance Geological Predicion[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008,4(4): 640-644)

[5] 王朝令.隧道地震超前預(yù)報中波場分離與反演方法的數(shù)值模擬研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué)，2012(Wang Zhaoling. The Numerical Simulation Research on Separation of Wave Field and Inversion Method in Tunnel Seismic Prediction[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University，2012)

[6] 林義，劉爭平，王朝令.圍巖松動圈對TSP預(yù)報的影響研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2015，30(2): 912-919(Lin Yi, Liu Zhengping, Wang Zhaoling, et.al Effects of Loosing Circle in Surrounding Rock of TSP[J].Progress in Geophysics, 2015, 30(2):912-919)

About the first author:WANG Zhaoling, PhD, associate professor, majors in tunnel seismic prediction, E-mail：wong8010@gmail.com.

Numerical Simulation of TSP Tunnel Cave Model of Seismic Prediction

WANGZhaoling1YANGQian1CHENZhang1YANGWen1

1 College of Civil Engineering, Sichuan Agriculture University, 288 Jianshe Road, Dujiangyan 611830, China

Tunnel excavation encounters a variety of geological challenges, such as faults, caves, etc. Currently tunnel seismic prediction adopts TSP, which is used widely, but research about TSP is currently focused on its engineering application examples. In this paper, we use the finite element method to simulate the tunnel seismic wave field, employing wave field snapshots and combined time recording methods to study the impact of caves on the characteristics of the propagation of seismic wave field tunnel. We also employ inversion processing of the time record of the model containing the cave. We compare our method with the velocity scattered image and reflection interface position, velocity processing with the default values set by using TSPwin. The results are good for tunnel seismic velocity cave layered model with single prediction, and have a higher prediction accuracy of the P-wave. Finally, we process and analyze engineering examples to verify the numerical simulation the conclusions.

TSP；TSPwin; cave；snapshot；tunnel seismic prediction

National Natural Science Foundation of China, No.5150835.

2015-12-14

項目來源：國家自然科學(xué)基金(51508358)。

王朝令，博士，副教授，主要研究方向為隧道地震超前預(yù)報，E-mail：wong8010@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.012

1671-5942(2016)011-0998-05

P315

A