地震反射波法在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

潘紀(jì)順 張?jiān)蕽? 朱葉 張嘉樂(lè) 張?chǎng)? 朱瑞

第一作者簡(jiǎn)介：潘紀(jì)順（1968-），男，博士，教授。研究方向?yàn)榈厍蛭锢矸囱荨?/p>

*通信作者：張?jiān)蕽?998-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)榈厍蛭锢砜碧健?/p>

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.038

摘? 要：該研究旨在探討隧道開(kāi)挖過(guò)程中使用地震反射波法技術(shù)的可行性，以預(yù)防不良地質(zhì)條件引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。采用地震反射波法，通過(guò)觀察地震波在隧道掌子面前方巖體內(nèi)的傳播情況，通過(guò)初至波拾取、速度分析、反射層提取等數(shù)據(jù)處理技術(shù)探測(cè)和描述巖體內(nèi)的不良地質(zhì)特征。研究結(jié)果表明，地震反射波法可有效探測(cè)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置，同時(shí)通過(guò)縱橫波波速比得到探測(cè)區(qū)內(nèi)的物性參數(shù)。因此，地震反射波法可作為一種有效的地質(zhì)勘測(cè)工具，用于隧道施工前的地質(zhì)預(yù)測(cè)。該研究針對(duì)錘擊式震源進(jìn)行探討，其能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出隧道前方巖體完整性較差的區(qū)域分布情況，相較于其他震源，可提高勘探效率并降低探測(cè)成本。

關(guān)鍵詞：隧道；地震波；錘擊震源；地球物理；超前預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：U45? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0167-04

Abstract： This study aims to explore the feasibility of using seismic reflection wave technology during tunnel excavation to prevent geological disasters caused by adverse geological conditions. By employing seismic reflection wave methods， this study examines the propagation of seismic waves within the rock mass in front of the tunnel face. Through data processing techniques such as first arrival wave picking， velocity analysis， and reflection layer extraction， the study detects and characterizes adverse geological features within the rock mass. The research findings indicate that seismic reflection wave technology can effectively detect the location of adverse geological formations in front of the tunnel face and obtain physical parameters within the survey area through the longitudinal and transverse wave velocity ratio. Therefore， seismic reflection wave technology can serve as an effective geological survey tool for geological prediction before tunnel construction. The study explores the use of a hammering seismic source， which accurately predicts the distribution of areas with poor rock integrity in front of the tunnel compared to other sources， leading to improved survey efficiency and reduced detection costs.

Keywords： tunnel; seismic wave; hammering seismic source; geophysics; advance prediction

隨著城市化進(jìn)程的不斷加速和交通需求的不斷增長(zhǎng)，隧道工程的重要性在當(dāng)今社會(huì)中變得越發(fā)突出。在這個(gè)背景下，隧道超前預(yù)報(bào)成為了一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。隧道超前預(yù)報(bào)是一種利用先進(jìn)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析手段，以提前識(shí)別和應(yīng)對(duì)可能影響隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)的方法。隧道超前預(yù)報(bào)方法有探底雷達(dá)、地震波法、高密度電法等諸多物探方法，從以往的地表探測(cè)應(yīng)用到工程實(shí)際中[1-3]，這一領(lǐng)域的發(fā)展為隧道工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)提供了新的可能性，有望減少事故風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)行效率并降低維護(hù)成本。

但由于實(shí)際中隧道工程有限，為了探究地震波傳播，應(yīng)該依靠計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，通常使用微積分求解波動(dòng)方程來(lái)得到，得到最逼近、最優(yōu)解的值。對(duì)于得到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行成像，通常正演采用有限差分法和射線追蹤法，反演采用全波形反演、正則化反演、擬合函數(shù)法等，這些方法在計(jì)算方面都有各自的優(yōu)劣，比如有限差分法計(jì)算準(zhǔn)確，但是計(jì)算消耗較大，射線追蹤計(jì)算較快[4-5]，但無(wú)法獲得能量強(qiáng)度等彈性波信息，所以在采用時(shí)應(yīng)該更多地依據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇。

1? 方法原理

地震波法是一種基于地震波在不均勻地質(zhì)層之間傳播時(shí)發(fā)生反射、折射、衍射的物理現(xiàn)象，從而得到隧道中不穩(wěn)定巖體位置的物探方法。地震波在傳播過(guò)程中，由于地下介質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致波速變化，在遇到不同地層交界面時(shí)，由于存在波阻抗，會(huì)產(chǎn)生回彈的子波，此時(shí)波前繼續(xù)擴(kuò)張，接收器將接收到回波信號(hào)。

地震反射波法主要通過(guò)激發(fā)點(diǎn)與接收器的布置，波傳播與介質(zhì)特性、數(shù)據(jù)處理與分析的結(jié)果對(duì)地下結(jié)構(gòu)解釋、模型的構(gòu)建與數(shù)值模擬，以及對(duì)隧道進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估。地震波法數(shù)據(jù)處理程序主要有12個(gè)步驟：設(shè)置觀測(cè)系統(tǒng)、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、能量均衡、Q值估計(jì)、反射波提取、Q濾波、P波和S波分離、速度分析、深度偏移及反射層提取。

首先在隧道壁上布置激發(fā)點(diǎn)和接收器，采用錘擊的方式觸發(fā)震源，接受到地震信號(hào)之后，通過(guò)去噪、時(shí)移矯正等方法獲得高質(zhì)量的地震剖面，然后對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行P、S波分離（公式（1）～（6）），最后進(jìn)行偏移得到波速圖像，根據(jù)圖像上的波速變化去判斷和預(yù)測(cè)掌子面前方對(duì)地質(zhì)條件。

通過(guò)速度分析，可以將反射信號(hào)的傳播時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離（深度），可以用與隧洞軸的交角及隧洞工作面的距離來(lái)確定反射層所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)界面的空間位置，并根據(jù)反射波的組合特征及其動(dòng)力學(xué)特征解釋地質(zhì)體特征。最終得到深度偏移剖面、P波與S波速度剖面、反射層位提取圖和物理力學(xué)參數(shù)曲線（泊松比、拉梅系數(shù)、楊氏模量、體變模量和剪切模量）。

u=up+us， （1）

？棕=？棕p+？棕s， （2）

■=V■■■+■ ， （3）

■=V■■■+■ ， （4）

■=V■■■-■， （5）

■=V■■■-■， （6）

式中：Vp、Vs分別為P波速度、S波速度；u、w分別為總縱波速度和總橫波速度；up、us、ws、wp分別為地震波中的P波、S波產(chǎn)生的縱波速度和P波、S波產(chǎn)生的橫波速度；■、■為縱波中P波、S波速度關(guān)于時(shí)間的加速度，關(guān)于時(shí)間t的縱波P、S波波速的二階導(dǎo)數(shù)；■、■為橫波中P波、S波速度關(guān)于時(shí)間的加速度，關(guān)于時(shí)間t的橫波P、S波波速的二階導(dǎo)數(shù)。

2? 工程應(yīng)用

2.1? 工程概況

某隧道起點(diǎn)里程樁號(hào)8+494終點(diǎn)里程樁號(hào)8+798，掌子面樁號(hào)8+659隧道區(qū)洞、井壁形態(tài)為無(wú)壓城門洞。其地層屬于泥盆系上統(tǒng)鐵列克提組的第六段（D3tl6），呈厚層至巨厚層的凝灰質(zhì)含礫粗砂巖，夾帶少量凝灰質(zhì)細(xì)砂巖和凝灰質(zhì)含礫細(xì)砂巖。該地層的產(chǎn)狀表現(xiàn)為50°NW∠45°，巖體相對(duì)新鮮。洞室內(nèi)部節(jié)理中等發(fā)育，主要包括2組貫穿性節(jié)理：①產(chǎn)狀為80°NW傾角，結(jié)構(gòu)面平直光滑，呈閉合狀態(tài)；②產(chǎn)狀為310～345°NE傾角，結(jié)構(gòu)面平直光滑，也是呈閉合狀態(tài)。巖體內(nèi)部的節(jié)理和裂隙呈中等發(fā)育狀態(tài)。巖體整體潮濕，但未觀察到明顯的裂隙水。圍巖巖體呈整體塊狀結(jié)構(gòu)，屬于Ⅲ類圍巖。洞室內(nèi)巖體節(jié)理中等發(fā)育，但整體上巖體完整性較高，無(wú)明顯缺陷。

2.2? 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在隧洞8+702的左邊墻布置一個(gè)地震波信息接收孔，采用孔徑為60 mm，孔深1.2 m，孔向上傾約0°的方式進(jìn)行布置。在8+687～8+664段的左側(cè)墻壁，按約1.0 m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔，激發(fā)孔孔深約1.0 m，孔徑約40 mm，孔向下傾斜約0°，采用錘擊震源激發(fā)，每個(gè)炮點(diǎn)不少于2次疊加以提高信噪比。接收孔和激發(fā)孔工作布置示意圖、現(xiàn)場(chǎng)情況分別如圖1、圖2所示。

圖1? 工作布置圖

（a）? 錘擊震源? ? ? ? ? ? ? （b）? 激發(fā)點(diǎn)布置

圖2? 隧道現(xiàn)場(chǎng)圖

2.3? 預(yù)報(bào)結(jié)果及地質(zhì)分析

反射層提取后，反射層中主要反映探測(cè)范圍內(nèi)幾何空間上的構(gòu)造物理信息（包括反射強(qiáng)度和反射極性），地震波法處理成果的解釋?xiě)?yīng)遵循下述準(zhǔn)則。

1）反射振幅越強(qiáng)，說(shuō)明反射系數(shù)越大，則彈性阻抗差越大。彈性阻抗是巖石密度與波速的乘積；正的反射振幅表明正的反射系數(shù)，也就是軟弱巖石；負(fù)的反射振幅則表明是堅(jiān)硬巖石。

2）對(duì)于同一個(gè)構(gòu)造，進(jìn)行縱波和橫波反射振幅的比較是非常必要的，如果橫波（S）反射比縱波（P）反射強(qiáng)，則表明反射巖石中含水率升高。

3）Vp/Vs 增加或泊松比突然增大，常常是由流體的存在而引起。

4）若縱波波速（Vp）下降，則表明裂隙度或孔隙度增加。巖體的動(dòng)態(tài)特性不等同于靜態(tài)條件下測(cè)得的特性，一般來(lái)說(shuō)巖體的靜態(tài)特性小于巖體的動(dòng)態(tài)特性，并且遵從下面的規(guī)律：巖體中包含的裂隙越多、巖石越軟，則靜態(tài)參數(shù)相對(duì)于動(dòng)態(tài)參數(shù)就越低。

5）根據(jù)地震波法預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合前期地震波法預(yù)報(bào)成果及工程地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，判斷掌子面前方的地質(zhì)狀況，推測(cè)不良地質(zhì)體性狀及位置，分析地下水賦存情況和圍巖完整程度，預(yù)測(cè)掌子面前方圍巖類別。

綜合以上解釋得出以下結(jié)果（表1），通過(guò)偏移成像，X、Y、Z分量的P波速度剖面如圖3—5所示；綜合的縱波速度成像如圖6所示。根據(jù)縱橫波速比與物性參數(shù)公式得出物性參數(shù)曲線如圖7所示。

圖3? X分量P波深度偏移剖面

圖4? Y分量P波深度偏移剖面

圖5? Z分量P波深度偏移剖面

根據(jù)結(jié)果顯示，利用Vp/Vs波速比可以得到相關(guān)的物性參數(shù)，推測(cè)掌子面前方巖層條件裂隙發(fā)育程度，破碎情況和基巖裂隙水發(fā)育情況。地震反射波法不僅探測(cè)不良地質(zhì)體方面表現(xiàn)出色，而且高分辨率的特點(diǎn)使相關(guān)人員能夠準(zhǔn)確地識(shí)別巖體內(nèi)的問(wèn)題區(qū)域。這有助于工程師和決策者更好地了解施工前方的地下情況，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以確保隧道工程的安全性和穩(wěn)定性。

圖6? 縱波速度剖面

通過(guò)本研究中對(duì)某隧洞工程的案例分析，了解了地震波在地下巖體中的傳播規(guī)律，尤其是在面對(duì)軟弱夾層、巖溶發(fā)育和富水等復(fù)雜地質(zhì)情況時(shí)。此外，錘擊式隧道預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用為工程建設(shè)提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)的選項(xiàng)，尤其是在時(shí)間和成本方面的節(jié)約是顯著的。對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)，這意味著更高效的施工和更可控的風(fēng)險(xiǎn)管理。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了使用錘擊系統(tǒng)，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出隧道前方巖體完整性較差的區(qū)域分布情況。為了獲得清晰的初至波和更準(zhǔn)確的波速度測(cè)量，采用每個(gè)炮點(diǎn)不少于2次疊加以提高信噪比。相比于傳統(tǒng)的炸藥爆破方式，錘擊系統(tǒng)通過(guò)敲擊隧道壁，避免了需要預(yù)先鉆孔引爆炸藥的過(guò)程。這不僅提高了勘探效率，還降低了隧道超前預(yù)報(bào)的成本。

隨著科技發(fā)展，未來(lái)將研究出更準(zhǔn)確的理論公式、可控震源和更完善的觀測(cè)系統(tǒng)，以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果，為后續(xù)工程提供可靠的地質(zhì)資料。

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