數(shù)值模擬在高黎貢山隧道TBM施工段斷層破碎帶TSP探測中的應用

汪文強，張新平，宋振東

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 引 言

大瑞鐵路高黎貢山隧道是亞洲在建鐵路第一長隧道，工程地質(zhì)條件復雜，施工難度大，風險高[1]。其出口段采用TBM施工，施工過程中在斷層破碎帶附近遭遇多次卡機，嚴重影響施工進度[2]。因此，在TBM隧道施工過程中開展超前地質(zhì)預報是必要的，可以為潛在的卡機段提供依據(jù)進行預處理，從而降低卡機風險。目前國內(nèi)外在TBM隧道施工時采用的超前地質(zhì)預報物探方法主要有地震負視速度法及TSP法(瑞士)、TGP法(國產(chǎn))、TRT法[3](美國)、TST法(國產(chǎn))、HSP法[4](國產(chǎn))等[5]。高黎貢山隧道采用TSP法、李術(shù)才等[6]提出的三維激發(fā)極化法主動源、被動源三維地震進行綜合物探法預報。為了研究卡機段圍巖的TSP法地震波場傳播規(guī)律及對卡機段的影響，本文基于Tesseral 2D對斷層破碎帶附近卡機段TSP法進行數(shù)值模擬[7]，并與實際卡機段TSP法預報結(jié)果相對比，旨在觀察地震波場在斷層破碎帶內(nèi)的傳播特征，分析TSP物性參數(shù)[8]，提高預報準確率，為TBM施工預報卡機可能段落提供依據(jù)。

Tesseral 2D是一個商業(yè)化的全波場模擬軟件包，可以構(gòu)建復雜地質(zhì)模型。Tesseral 2D基于FDTD有限差分法[9]，這樣可以很快地模擬非常復雜的地質(zhì)介質(zhì)，包括固體和液體聯(lián)合的介質(zhì)和各向異性介質(zhì)。本文采用Tesseral 2D建立在高黎貢山隧道TBM段采用的地震波反射法TSP模型，模擬TSP法地震波在造成TBM卡機的斷層破碎帶中的波場傳播特征。

2 卡機段TSP正演模擬

2.1 TBM卡機機理

TBM卡機包括刀盤被卡和護盾被卡。通常情況下刀盤被卡主要發(fā)生在斷層破碎帶內(nèi)，采用刀盤瞬時脫困扭矩進行脫困處理。護盾被卡的原因一般是由于圍巖大變形，導致TBM護盾被卡，且作用護盾上的圍巖應力引起的阻力超過了TBM脫困推力[2]。高黎貢山隧道TBM掘進過程中遭遇了多次刀盤和護盾卡機。截至2019年底，累計發(fā)生17次不同規(guī)模的卡機事件，卡機造成的停工時間短至8天，長達數(shù)月，同時卡機段落也從10～43 m不等，給施工造成了嚴重的損失。因此，研究TBM卡機段TSP法地震波的傳播特征，提高預報準確率，是非常必要的。

2.2 模型建立及參數(shù)設置

TSP法觀測系統(tǒng)布置為24個激發(fā)孔和2個接受孔，為“多發(fā)一收”模式，本次模擬為減少運算時長，根據(jù)“炮檢互換”理論，采用“一發(fā)多收”模式，建立24個接收器和2個激發(fā)孔。

為了模擬TBM施工過程中遭遇斷層破碎帶卡機的TSP地震波場傳播特征，本次正演模擬建立長1 000 m×寬1 000 m的均勻全空間模型模擬隧道開挖所在的圍巖介質(zhì)，巖性為花崗巖。隧道開挖從模型高度500 m處開始，掌子面位于模型566 m 處，隧道高度10 m。造成卡機的斷層破碎帶位于隧道掌子面前方20 m處，模擬高度100 m，寬度20 m，垂直于隧道走向。模型詳細物性參數(shù)見表1，軟件建立的模型見圖1。

表1 模型物性參數(shù)

圖1 模型示意圖(橫、縱坐標單位：m)Fig.1 Model diagram

圖2 不同時刻波場快照Fig.2 Snapshot of wave field at different moments

2.3 卡機段斷層地震波響應

本次正演采用聲波方程模擬[10]。圖2為不同時刻截取的地震波場快照[10]，圖3為24個檢波器的道集記錄。

選取第24個檢波器進行波場分析。讀取波場快照和道集記錄，結(jié)合模型參數(shù)：山體圍巖縱波波速VP=4 000 m/s，斷層破碎帶縱波波速VP=1 500 m/s。

圖2(a)為地震波第一次到達24#檢波器，從軟件波場快照和道集記錄上直接讀取時間值，T1=0.017 s，于是計算可得到接收器與激發(fā)孔距離為68 m，實際模擬距離為66 m，誤差為2 m。

圖2(b)為地震波第一次到達斷層前界面，從軟件波場快照和道集記錄上直接讀取時間值，T1=0.027 5 s，于是計算可得到接收器與斷層前界面距離為110 m，實際模擬距離為106 m，誤差為4 m。

圖2(c)為地震波傳播到斷層前界面后發(fā)生反射，再次傳播到24#接收器的波場快照，從軟件波場快照和道集記錄上直接讀取時間值，T1=0.037 s，于是計算可得到地震波的傳播總距離為148 m，實際模擬地震波的傳播總距離為146 m，誤差為2 m。

圖2(d)為為地震波傳播到斷層后界面的波場快照，從軟件波場快照和道集記錄上直接讀取時間值，T1=0.058 5 s，亦可得知地震波在斷層破碎帶內(nèi)傳播時間T2=0.031 s，于是計算可得到地震波的傳播總距離為156.5 m，實際模擬地震波的傳播總距離為146 m，誤差為10.5 m，計算得到斷層破碎帶寬度為46.5 m，實際模擬斷層破碎帶寬度為40 m，誤差為6.5 m。

圖2(e)為斷層后界面地震波反射傳播至24#接收器的波場快照，從軟件波場快照和道集記錄上直接讀取時間值，T1=0.092 s，于是計算可得到地震波的傳播總距離為213 m，實際模擬地震波的傳播總距離為226 m，誤差為13 m。

圖3 道集記錄Fig.3 gather records

2.4 正演結(jié)果誤差分析

根據(jù)本文第2.2節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果，得出模擬計算誤差與傳播時間(亦可為傳播距離)的關系，見圖4。從圖4中可看出，隨著地震波場傳播時間(傳播距離)增大，數(shù)值模擬的計算值與實際建模值誤差有增大趨勢。分析誤差原因，主要有以下三點：

1)在建模計算波場快照的時間步長值(Δt)偏大，導致時間讀取不精確。

2)斷層破碎帶模型建立較為簡單，山體圍巖與斷層過渡不夠線性，以致于產(chǎn)生局部邊界問題，導致地震波場傳播局部出現(xiàn)畸變。同時斷層破碎帶內(nèi)不同邊界反射波疊加，導致需要觀察的反射波相位讀取變困難。

圖4 誤差分析Fig.4 Error analysis

3)數(shù)值模擬中，山體圍巖和斷層破碎帶內(nèi)縱波速度分別為4 000 m/s、1 500 m/s，速度相差較大，導致斷層計算寬度與實際模型誤差較大。

2.5 Tesseral 2D數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5 TSP道集記錄Fig.5 TSP gather records

根據(jù)數(shù)值模擬正演模擬結(jié)果可知，波長快照可以清楚的反應地震波場在斷層破碎帶內(nèi)的傳播規(guī)律，24個接收器采集的地震道集記錄可以輕易讀取各模型界面的反射信號，從而計算得知斷層破碎帶的位置及寬度。因此，利用Tesseral 2D軟件對TSP法在斷層破碎帶內(nèi)的數(shù)值模擬是可行的，其結(jié)果可以為實際TSP數(shù)據(jù)處理中反射層提取和計算提供理論參考。

數(shù)值模擬計算斷層寬度即傳播距離時，與實際建模存在誤差，從本文第2.3節(jié)分析可知，需要調(diào)整波長快照拍攝時間步長，優(yōu)化各模型之間的邊界條件等，從而得出更精確的模擬結(jié)果。不過，有限差分及時間步長減小，隨之而來的是幾何上升的數(shù)據(jù)計算量。

在TBM隧道實際進行TSP超前預報的情況極為復雜，數(shù)值模擬參數(shù)設置始終無法做到與現(xiàn)場情況完全吻合，這就需要在做數(shù)值模擬時，盡可能選取與實際相接近的模型參數(shù)，從而得到更準確的數(shù)值模擬結(jié)果，為實際TSP數(shù)據(jù)分析提供參考。

3 實例

3.1 卡機段TSP實施概況

本次TBM卡機段為燕山期花崗巖地層，巖性為花崗巖，整體呈塊石狀構(gòu)造，弱風化。TSP實施掌子面里程為PDK221+958,TBM卡機發(fā)生里程為PDK221+918，卡機影響帶寬度為20 m。該段后期推測為斷層影響帶，圍巖破碎軟弱。

3.2 TSP預報結(jié)果分析

TSP一般采用24個激發(fā)孔激發(fā)，2個接收器接收。為了更直觀地對比實際采集的TSP道集記錄與數(shù)值模擬道集記錄的差別，對TSP采集的道集進行偏移距計算、數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)、時域濾波、帶通濾波、初至拾取處理、炮能量均衡，得到圖5處理后的道集記錄。從道集記錄中，可以讀取清晰的直達波相位，通過增益控制，亦能讀取出反射波相位(圖5)。實際采集的TSP數(shù)據(jù)由于現(xiàn)場條件復雜，施工機械震動、激發(fā)孔聲波干擾等，導致信噪比較低，直接從道集記錄上讀取反射波組較為困難。因此，運用TSPwin軟件對數(shù)據(jù)進行處理，從2D物性參數(shù)圖和3D云圖分析數(shù)據(jù)，更具有指導意義。

圖6和圖7為TSP數(shù)據(jù)處理后的速度3D云圖和2D物性參數(shù)圖，從圖中可以明顯看到，在PDZK221+926～+900段縱波速度、密度和楊氏模量均下降，推斷該段圍巖破碎，為斷層破碎帶，易造成TBM卡機。TSP預報結(jié)果與實際揭示及TBM運行狀況一致。

圖6 2D物性參數(shù)Fig.6 2D physical property parameter map

4 結(jié) 論

1)利用Tesseral 2D對TSP法進行數(shù)值模擬，觀察地震波在斷層卡機段傳播規(guī)律，證明了TSP法在TBM卡機段超前預報的實用性，對實際數(shù)據(jù)采集有一定的參考意義；

2)正演模擬中對斷層寬度計算與實際模型存在一定偏差，分析為波場快照提取精度、斷層模型邊界過渡非線性和波阻抗差異過大導致，實際TSP反演計算應適當修正。