影響隧道超前預報探測距離的因素探討

寧 剛

(鐵一院 甘肅勘察院物探新技術研究所， 蘭州 730000)

0 引言

基于地震波反射原理的隧道超前地震預報技術，國內稱“地震負視速度法”[1]，國外稱TSP[3-5],即Tunnel Seismic Prediction ahead，也稱“隧道VSP”[7]。其原理是根據地震波在地層中產生的反射波特征，來預報隧道施工掘進面前方及周圍臨近區域的地質情況，包括地層巖性界面、地質結構面、地質構造破碎帶、富水帶、巖溶發育帶等不良地質體的位置、規模及大致產狀，推測其性質。該方法的主要優點，①預報距離相對較長；②成本低，資料提交快；③數據采集時間短，對施工影響小。因而也成為地質超前預報的主要方法[1-8，17,19-20]。但TSP有效預報距離到底有多長？大部分的文獻報道為掌子面前方100 m～200 m[18]，也有文獻[13]說為掌子面前方300 m～500 m, 且圍巖越硬越完整預報長度就越長；石家莊鐵道學院的李忠等[8-16]從地質構造學理論、爆破地震學理論出發，就如何增加TSP超前預報系統的探測距離進行了初步的探討，他們認為若能根據現場具體地質情況來確定傳感器最佳安裝位置、選擇合適的采樣參數以及探測炸藥種類和用量，則探測距離可有效提高。他們還對如何利用TSP超前探測系統搜索角問題進行了探討，指出當以一個比較符合實際地質情況的搜索角去處理地震記錄，不但會大大增加信息量，而且對構造體的預測精度也會大大提高。他們應用概率論數學方法，在新課納隧道地質超前預報中也取得了一定效果。合理選擇參數能提高探測長度和精度，齊傳生和張景生[18-21]也認同。上述都是在采集原始信號前對探測距離的探討，劉云禎老師[2,6]對采集到的數據中影響探測距離的“管道波”進行了較為詳細地描述[2-6]，這也是影響探測距離的一個重要因素。

那么究竟能預報多長距離，實際中又有什么因素來影響探測距離。作者以最近兩在蘭渝鐵路、包西鐵路、天平鐵路、蘭新第二雙線、蘭青線、隆百高速等工程所做的280多次TSP現場數據為基礎，進行總結分析超前預報的有效信號長度，并根據TSP的偏移疊加原理來得出TSP的有效預報距離，并分析了影響有效信號的因素和提高預報距離應采取的措施。原始信號以及有效信號長度的評價原則為正確判斷超前預報有效距離以及預報結果的準確性提供依據，通過避免影響地震信號的因素來提高隧道地質超前預報的長度。

1 TSP現場測試及影響預報距離的因素分析

作者僅對影響預報距離的主要因素和人為可控制的因素加以分析，對影響探測距離但又是常識性的因素做列舉，不做實例舉證。

1.1 TSP現場測試觀測系統及影響

超前預報現場測試的觀測系統是圖1[4-5，7，22]。在觀測系統中，需在隧道側壁設計鉆孔，包括左、右邊墻兩個接收孔和單邊墻的24個炮孔。具體的設計要求如下。

(1)接收孔的設計要求。兩個分別位于洞身兩側，φ50 mm(鉆頭鉆孔)，深度為1.9 m垂直隧道軸向，上傾5°～10°,離地面(隧底)高1 m ,距離掌子面約55 m。

(2)炮孔的設計要求。24個位于洞身同一側,φ42 mm(鉆頭鉆孔)，深度1.5 m垂直隧道軸向，下傾10°～20°，離地面(隧底)高1 m，第1個炮孔離同側接收器孔20 m，炮孔距1.5 m，原則上要求炮孔和接收孔在平行與隧道軸線的一條直線上。

在實踐中，當工程局準備好炮孔和接收孔后，技術人員到現場還要進行孔位測量，包括孔深和傾角，炮孔間距，測量的原因主要是在現場鉆孔過程中，由于多種原因設計的孔間距、孔深和孔傾角受人為因素影響，因而孔位參數的正確測量與否會影響偏移的處理結果，也影響判斷預報結果準確性。

另外炮孔和接收孔是否符合要求，將對原始信號的質量產生影響。比如較淺的炮孔震源激發的位置剛好在初襯后，而初襯后又有空洞，這將造成能量的損失；較淺的炮孔根據經驗對聲波的壓制也不好，也就是說震源產生的能量很大一部分轉換成了聲波，而轉換為彈性波的能量較低。另外如果接收孔較淺，露出墻外的套管較長則可能造成接收器和套管在接收孔內諧振，采集到的信號將包含虛假的信號，從而影響原始資料質量。

1.2 影響探測距離的因素

1.2.1 震源對預報距離的影響

在石油勘探等深層地震方法勘探中，震源類型的可選擇性較大，另外震源能量的大小可以通過多種方法控制，現場激發環境對震源的形式和炸藥用量的限制較小。在隧道超前預報中，除了TRT(儀器)的錘擊震源外用，炸藥是被廣泛應用的震源形式，炸藥用量的大小受到現場測試環境的影響，可選性較小，因此也使得震源對探測距離的影響成為較主要的因素。

(1)炸藥用量對激發的地震波振幅能量的影響。

炸藥震源屬于脈沖震源，脈沖的振幅A與炸藥量M的關系是A∞Mk1，當炸藥量較小時，k1達到1～1.5，這時炸藥對巖石的破壞較小，爆炸的大部分能量轉換為彈性波[28-29]，因此藥量的增加有利于增加震源能量，較強的震源能量一般都預示著較長的探測距離。

圖1 超前預報現場測試的觀測系統Fig．1 TSP measurement layout

(2)震源激發頻率對探測距離的影響。地震脈沖的視周期或主頻與炸藥的關系由下式給出

(1)

由式(1)可見大的藥量時激發的波視周期大、主頻低[29]。大地對高頻率的吸收要比對低頻率的吸收高，因此如果炮點激發能量主要集中在低頻區，地震波傳播的距離就越長；相反如果炮點激發的能量集中在高頻區，那么地震波隨著傳播距離的增加能量衰減的快，傳播的距離就越短。因此震源能量大，激發的頻率低，探測距離在正常情況下應該較大。但是通過增加震源能量的方法增加探測距離是有限的，這主要受到現場測試環境的影響，測試的位置一般都做了支護，較大的能量將破壞支護，這將影響施工。因此通過增加炸藥量的方法增加探測距離是有限的。在實踐中炸藥量的控制可以通過現場的試驗，以及對一個地區的地質情況的了解和經驗來確定，從而最大的增加探測距離。

1.2.2 地質情況對預報距離的影響

地質情況對預報距離的影響，主要體現在不同的巖性、不同破碎程度、不同含水性及礦物成分的圍巖對地震波的傳播能量衰減的影響，另外地震波的傳播過程中，球面擴散、透射、反射、折射等也與地質情況有關。

由于儀器采集到的數據是一個有限長度的數據，在這個有限時間長度內反射波的傳播距離和地震波在圍巖中的傳播速度是密切相關的，地震波傳播速度越快，在有限的時間內探測的距離就越長；地震波傳播的越慢有限時間內探測的距離就越短。相對地質情況來說在破碎的圍巖中，地震波傳播的速度要比在完整的圍巖中地震波的傳播速度慢，同時松散的介質對地震波能量的吸收效果要強，因此在不考慮其他影響因素的前提下，速度較高的圍巖中地震預報勘探的距離要遠的多。這個因素和與聲波影響成為確定預報探測距離的主要決定因素。

1.2.3 聲波對探測距離的影響

聲波對探測距離產生的影響，是指儀器采集到的地震信號中的混雜的聲音信號對探測距離的影響。在地震反射波法預報中，為了達到相應的探測距離基本都在使用炸藥作為震源。按照觀測系統要求炮孔都需要封堵，目前主要采用錨固劑和水封的方法。封堵的目的，是讓炸藥爆炸產生的能量轉換為彈性波的形式在地層中傳播，而不要產生聲波，但根據實際經驗這兩種方法都不能完全避免爆炸的能量產生聲波。當聲波在隧道中傳播，對于原始信號來說它作為一種噪音干擾也被儀器一起采集到。圖2是聲波在隧道中相干加強的示意圖，從震源產生的聲波以直達聲波、多次反射聲波、單次反射聲波等形式傳到接收器進行疊加。實際中的隧道是一個圓桶狀的幾何形態，因此在其中產生的多次反射聲波要比圖2中的復雜的多，這些多次反射的聲波疊加有時可淹沒有效信號。圖3是一個三分量檢波器采集到的原始數據，XYZ三個分量在60 ms附近都含有聲波的影響，從圖3中可以看到，聲波回響的能量已經能夠達到淹沒整個有效信號的地步。聲波表現為振幅大，頻率高，相干加強的特點。

速度在340 m/s;圖4(b)是其對應的頻譜，主要頻率集中在0 Hz～4 000 Hz；圖4(c)是a信號前60 ms的數據，這時聲波信號還沒有被采集到; 圖4(d)是其對應的頻譜圖，主要頻率集中在0 Hz～2 000 Hz；圖4(e)是a信號60 ms后的數據，這時聲波信號已經采集到;圖4(f)是其對應的頻譜圖，主要頻率集中在0 Hz～4 000 Hz和a相同。從圖中可以看到,有效信號的頻率集中在0 Hz～2 000 Hz，而噪音信號集中在0 Hz～4 000 Hz這兩者有重疊的部分是不能用帶通濾波將其分開的。從圖4(a)中還可以看到,直達聲波的能量較弱，而在后續的數據中聲波加強，這主要是由于隧道內聲波產生多次反射相干加強的結果。

圖2 聲波在隧道內的相干加強示意圖Fig．2 Schematic diagram of the sound wave coherent strengthens in the tunnel

圖3 混雜有聲波影響的地震信號Fig．3 Seismic signal mixed with acoustic impact

在實際生產中像圖4(a)這樣的數據占到的比例非常高，并且聲波能量的相干加強，使得在后續資料處理時有效信號的識別受到嚴重干擾，帶通濾波也無用武之地，這就產生了本文提到的問題，探測距離直接受到聲波回響的影響。

1.2.4 實際中能探測到的距離

按照理論只要炸藥用量足夠大，隧道埋深足夠深，探測的距離應該較長，像前面提到的幾百米甚至上公里。然而這種情況是一個理想狀態，根據現場采集的數據統計，幾乎90%以上的數據在60 ms后都受到聲波的影響(偏移距20 m)，因此當聲波干擾大于有效信號時探測距離也將受到影響。

表1 速度與探測距離的關系

按照設計的觀測系統計算，偏移距20 m時，聲波在傳播20 m的距離后就會被接收器接收到，按聲波在空氣中的傳播速度340 m/s計算，在58.8 ms后聲波就到達接收器并開始被接收器記錄到，這也就是為什么圖4與圖5聲波干擾出現在60 ms附近的原因。也就是說在58.8 ms之前的數據完全沒有摻雜聲波噪音影響。根據這個時間可以計算出不同速度的圍巖中的準確預報距離。如表1中的速度和不受聲波干擾的探測距離(探測距離根據橢圓偏移的保險公式計算距離=時間×速度/5[23-25]，這個距離完全不受聲波干擾；最大不受干擾距離可按照雙程時間計算，公式為距離=時間×速度/2)。

劉云禎[2]提出由于聲波的傳播速度較慢，而巖石中地震波的傳播速度較快，因此增加偏移距可以使得有效信號長度增長，該方法也具有一定的可行性。然而由于震源藥量的限制，波能量的衰減，增加偏移距存在將有效能量損失在已開挖段的問題；而增加炸藥用量會增加對已有支護的影響，因此這是一個矛盾體，這就要求在現場根據情況安排合理的偏移距和藥量，已達到最好的探測要求。

2 提高預報距離的方法

提高預報的距離需要從如下幾項來控制：

(1)對藥量(能量)控制。這主要體現在控制震源能量上，一般較大的藥量能增加探測的深度，但過大的能量又會對隧道造成破壞，因此可以通過試驗來確定一個工區采用多少藥量，既可以滿足探測深度要求又不對隧道造成破壞。

(2)控制觀測系統。觀測系統的科學布置可以減少因為地震波在已開挖段傳播的距離過長和能量損失，從而降低預報距離。也就是說最后一個炮點離掌子面越近越好，同時合適的偏移距能使得震源產生能量不在已開挖段損失過多，觀測系統定義偏移距20 m，在圍巖較差的情況下可以減小這個距離。另外控制偏移距還要同藥量控制相結合，因為儀器對能量的響應有一定的范圍，較大的能量將使得信號過大，失真變形，這時就要通過注意偏移距和藥量兩個因素來控制采集到的有效信號長度。

(3)炸藥埋設深度。按照觀測系統設置要求炸藥埋深為1.5 m，這個要求有兩點原因，①保證炸藥在未松弛巖體激發，因為隧道開挖后在隧道襯砌后多少都存在一個松動帶，松動帶對炸藥的能量有吸收作用，而1.5 m基本可以保證跨過松弛帶，從而減少能量的損失；②對聲波的控制，炸藥埋設深度越深封堵效果越好，這有利于減少震源能量轉換為聲波。

圖4 儀器信號中不同信號和它的頻譜Fig．4 Different signal and its spectrum(a)儀器原始信號;(b)原始信號的頻譜；(c)是原始數據前60ms的數據沒有聲波;(d)是c相應的頻譜； (e)是原始數據60ms后的數據有聲波影響;(f) 是e相對應的頻譜

(4)充水和錨固劑封堵的影響。根據經驗充水可以保證炸藥周圍和基巖完全耦合，錨固劑則不能，因此充水激發的頻率要較低，而錨固劑封堵則激發的頻率較高，充水對聲波的壓制較好，而錨固劑封堵對聲波的壓制較差，不封堵則聲波的壓制最差。

(5)聲波的控制。除了上述第1、2點外，其他兩點都是在控制聲波對有效信號的影響，并且影響探測距離的最主要因素也是目前最不好解決的問題，就是聲波疊加到有效信號中去。經過試驗控制聲波還要注意檢波器套管的安裝、固定等。

3 結論

影響超前預報探測距離的因素有震源的能量大小、地質情況、以及聲波等，在實踐中影響探測距離的最大因素就是疊加到地震信號中的聲波信號。要提高探測距離可以通過控制炸藥用量，觀測系統的合理科學布置，炸藥合適埋設以及炮孔的完好封堵等方法，做好上述幾個步驟控制好聲波噪音，從而提高探測距離。

致謝

作者編寫過程中得到韓永琦教高的大力支持和幫助，在這里表示感謝；在此還要感謝生產實踐當中認真采集數據的物探所超前預報組成員。

參考文獻：

[1] 曾兆磺.隧道地震反射法超前預報.地球物理學報[J]. 1994, 37(7):268-271.

[2] 劉云禎.論隧道管波對隧道地質超前預報的影響[J].山東大學學報：工學版,2009,39(2):76-79

[3] KLOSE,CHRISTIAN D. Fuzzy rule-based expert system for short-range seismic prediction[J].Computers and Geosciences,2002,28(3):378-386.

[4] DICKMANN T, SANDER B K. Drivage-concurrent tunnel seismic prediction (TSP):results from Vereina north tunnel mega-project and Piora pilot gallery[J]. Geomechanics Abstracts,1997(2):82.

[5] SATTEL G， SANDER B， AMBERG F，et al. Predicting ahead of the fac[J]. Geomechanics Abstracts,1997(1):26.

[6] 劉云禎. TGP隧道地震波預報系統與技術[J].物探與化探,2009,33(2):170-177.

[7] 沈鴻雁.反射波法隧道、井巷地震超前預報研究[D]．西安：長安大學，2006.

[8] 白恒恒，辛民高.淺談長梁山隧道F5斷層的地質超前預報[J].鐵道工程學報,2000(1):87-90.

[9] 李忠，劉秀峰,黃成麟,等. 提高TSP202超前預報系統探測距離的技術措施的研究[J].巖石力學與工程學報,2003 (3) :472-475.

[10] 李忠. TSP-202探測系統在新倮納隧道地質超前預報中的應用研究[J].地質與勘探，2002,38 (1) :64.

[11] 汪琦，李忠.新課納隧道地質超前預報中概率論的運用[J].鐵道建筑技術,2000(6):35-37.

[12] 鐘宏偉，趙凌.我國隧道工程超前預報技術現狀分析[J].人民長江,2004,35(5):15-17.

[13] 劉志剛，劉秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預報中的應用與發展[J].巖石力學與工程學報,2003, 22 (8) :1399-1402.

[14] 劉秀峰，李忠.TSP探測數據采集和處理中應注意的幾個問題[J]. 石家莊鐵道學院學報,2002，15(2):1-5.

[15] 劉秀峰，劉志剛.TSP解譯及其功能擴展時應注意幾個問題的探討[J].石家莊鐵道學院學報,2003,16(1):91-94.

[16] 劉秀峰，劉志剛.巖溶地質超前預報方法研究[J].石家莊鐵道學院學報,2003,16(6):71-73.

[17] 趙永貴.工程地球物理檢測疑難問題研究進展[J].地球物理學進展,2003,18(3):368-369.

[18] 齊傳生.TSP202隧道地震波超前地質預報系統的應用[J].世界隧道,1999 ,2(1):36-40.

[19] 史柏生.TSP203地質超前預報系統簡介及其應用[J].鐵道工程學報,2004,84(4):27-30.

[20] 劉寶忠.TSP203地質超前預報系統在隧道施工中的應用[J].山西建筑,2004,30(11):155-156.

[21] 張景科，堪文武.TSP203地質超前預報原理及提高精度的途徑[J].天津城市建設學院學報,2004,10(3):170-173.

[22] 肖書安，G. SATTE.瑞士Vereina隧道工程中的地質超前預報測量[J].廣東公路交通，1998,45(增刊):115-120.

[23] 沈鴻雁，李慶春，馮宏.隧道反射地震超前探測偏移成像[J].煤炭學報,2009,34(3):12-18.

[24] 沈鴻雁，李慶春，馮宏,等.隧道反射波地震超前探測技術研究[J].鐵道學報,2008,30(6):75-81.

[25] 沈鴻雁,馮宏,李慶春,等.井巷掘進超前地震探測資料處理方法技術系統研制與開發[C].西安：西安地圖出版社,2005.

[26] AMBERG MEASURING TECHNIQUE LTD. Operation Manual [M].Kunming(in China):Kunming Shape Regale Science and Technology Ltd:2003 .

[27] AMBERG MEASURING TECHNIQUE LTD. Software Manual [M]. Kunming(in China):Kunming Shape Regale Science and Technology Ltd:2003.

[28] 美國勘探地球物理學協會.石油物探進修教材(2).實用地震數據采集[M].1982.

[29] 何樵登.地震勘探原理和方法[M].北京：地質出版社,1989.