地震反射波法在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

曾勝?gòu)?qiáng)， 奉建軍， 黃　云

(1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隧道在挖掘過(guò)程中常發(fā)生塌方、巖溶涌水等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度甚至危害人員安全。隧道超前預(yù)報(bào)手段能夠有效探測(cè)掌子面前方不良地質(zhì)情況，指導(dǎo)隧道開挖，降低事故的發(fā)生。地震反射波法在隧道超前預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用。在二十世紀(jì)九十年代初期，負(fù)視速度法應(yīng)用于我國(guó)鐵路領(lǐng)域，曾昭璜、何振起發(fā)表了相關(guān)的研究成果。二十世紀(jì)九十年代期間，HSP水平聲波剖面技術(shù)由中鐵西南院提出，在臺(tái)灣、日本地區(qū)得到應(yīng)用。同一時(shí)期，瑞典測(cè)量公司研究出了TSP超前預(yù)報(bào)方法，NSA工程公司研發(fā)了TRT地震層析成像方法，且這兩種方法在歐亞范圍獲得廣泛使用。本世紀(jì)初期，TST隧道地震CT成像技術(shù)由趙永貴教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功，并應(yīng)用于隧道施工預(yù)報(bào)領(lǐng)域[1]。

各種地震反射波法的基本原理相同，均是基于惠更斯菲涅爾原理、費(fèi)馬原理、斯奈爾定律[4]。在隧道圍巖上激發(fā)瞬時(shí)能量，形成的壓縮縱波與剪切橫波在隧道三維空間中傳播，遇到波阻抗分界面產(chǎn)生反射波與透射波，預(yù)先放置在隧道中的檢波器接收到各類反射及干擾信號(hào)，運(yùn)用波場(chǎng)分離方法濾除干擾信號(hào)，提取反射信號(hào)。基于反射波旅行時(shí)、振幅、圍巖波速等信息反演獲得掌子面前方不良地質(zhì)情況。各種地震反射波法之間的差異主要表現(xiàn)在觀測(cè)系統(tǒng)排列與數(shù)據(jù)處理方法的不同。本文主要基于該層面進(jìn)行分析討論，評(píng)價(jià)各種地震反射波方法間的優(yōu)劣。

1　負(fù)視速度法

負(fù)視速度法為一維線形排列，在隧道底界面上縱向布置若干個(gè)檢波器與單個(gè)震源。如圖1所示，因視速度存在方向性，震源處激發(fā)的地震波沿著隧道壁往右傳播，直達(dá)波視速度為正值，在地震記錄數(shù)據(jù)中，直達(dá)波同相軸往右下角傾斜。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩共町惖姆纸缑妫纬上蜃髠鞑サ姆瓷洳ǎ曀俣葹樨?fù)值，反射波同相軸往左下角傾斜。直達(dá)波與反射波同相軸延長(zhǎng)線的焦點(diǎn)，對(duì)應(yīng)波阻抗差異界面位置。由于震源、檢波器排列在一條直線上，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜多樣，存在多組傾角的波阻抗界面，采集到多條斜率各異的反射波同相軸，反演得到的波阻抗分界面位置D小于真實(shí)距離H。誤差值為ΔH=H-D，當(dāng)波阻抗界面傾角越小，反演得到的誤差值越大。負(fù)視速度法采集得到的數(shù)據(jù)缺乏配套的分析處理軟件，當(dāng)?shù)卣鹩涗洈?shù)據(jù)干擾信號(hào)強(qiáng)，信噪比低，反射波同相軸無(wú)法清晰辨認(rèn)，影響反演結(jié)果，容易造成誤判，導(dǎo)致事故發(fā)生。

圖1　負(fù)視速度觀測(cè)系統(tǒng)

2　HSP水平聲波剖面技術(shù)

HSP水平聲波剖面技術(shù)為空間排列方式，激發(fā)點(diǎn)線形布置于隧道邊墻中，另一側(cè)等距布置接收裝置。震源依次激發(fā)，接收裝置收集掌子面前方反射信號(hào)。該方法的數(shù)據(jù)處理原理與負(fù)視速度法相類似。基于反射波旅行時(shí)T與直達(dá)波波速V，根據(jù)公式D=T×V/2,反演得到異常體位置，該過(guò)程稱為走時(shí)反演。與負(fù)視速度相比，HSP的不同之處在于觀測(cè)系統(tǒng)的排列布置。觀測(cè)系統(tǒng)為空間排列，充分利用橫向空間，獲得較可靠的圍巖波速，進(jìn)而提高反演的準(zhǔn)確度。以上兩種地震發(fā)射波法的數(shù)據(jù)處理均是基于走時(shí)反演，獲得異常體位置，卻無(wú)法評(píng)價(jià)掌子面前方的圍巖力學(xué)特征，屬于低級(jí)別的處理方法。在以下討論的地震反射波法中，數(shù)據(jù)處理均是以偏移成像技術(shù)為基礎(chǔ)，彌補(bǔ)了走時(shí)反演中的不足，處理得到異常體里程段及圍巖力學(xué)特征。偏移成像技術(shù)在之后的地震反射波領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用(圖2)。

圖2　HSP水平聲波剖面觀測(cè)系統(tǒng)

3　TSP隧道地震預(yù)報(bào)法

TSP隧道地震預(yù)報(bào)法觀測(cè)系統(tǒng)為一維線形排列。如圖3所示，一枚三分量檢波器與多個(gè)震源線形布置在隧道邊墻中[3]，震源依次激發(fā)，采集到的多道地震記錄信號(hào)集合成一組數(shù)據(jù)，根據(jù)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析。基于互換定理，TSP與負(fù)視速度觀測(cè)系統(tǒng)一致，得到的地震數(shù)據(jù)屬零偏移距地震道集，故掌子面前方圍巖波速無(wú)法判定。在進(jìn)行速度分析時(shí)，虛假給定圍巖波速，深度偏移剖面真實(shí)性有待商榷。其次，資料處理過(guò)程中推演得到的Q值與泊松比沒(méi)有可靠的數(shù)據(jù)支撐，嚴(yán)重影響反演結(jié)果的真實(shí)性[2]。

圖3　TSP隧道地震預(yù)報(bào)觀測(cè)系統(tǒng)

4　TRT地震層析成像方法

地震層析成像方法(TRT)觀測(cè)系統(tǒng)為空間排列。如圖4，檢波器在拱頂軸線及兩側(cè)邊墻共計(jì)布置于五條測(cè)線，每條測(cè)線等距離排列兩個(gè)檢波器。掌子面邊墻附近布置四個(gè)震源，依次激發(fā)，空間排列的五條測(cè)線共同接收反射信號(hào)，有利于得到三維空間異常體的分布。TRT資料處理是基于一假定初始波速模型[5]，根據(jù)地震反射波走勢(shì)，以震源和檢波器為橢圓曲線的焦點(diǎn)，既有的多個(gè)震源與檢波器進(jìn)行排列組合，在三維空間中形成多個(gè)橢圓，異常體與上述橢圓相切。在多次矯正模型參數(shù)中，找出最優(yōu)解，查明不良地質(zhì)體的空間位置及傾斜方向。

圖4　TRT地震層析成像觀測(cè)系統(tǒng)

5　TST隧道地震CT成像技術(shù)

隧道地震CT成像技術(shù)(TST)是以逆散射成像為基礎(chǔ)，能夠有效辨別小于一倍波長(zhǎng)的異常體[1]。觀測(cè)系統(tǒng)如圖5所示，隧道側(cè)壁兩側(cè)分別等間距布置6個(gè)檢波器，掌子面橫向分布有4～5個(gè)激發(fā)點(diǎn)，組成空間觀測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)不同偏移距的共散射點(diǎn)，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征，運(yùn)用與TSP相類似的處理系統(tǒng)，反演出異常體的空間位置及力學(xué)性質(zhì)。與TSP技術(shù)相比，TST技術(shù)有成熟的觀測(cè)系統(tǒng)與靈活的處理思想。

6　結(jié)束語(yǔ)

地震反射波超前預(yù)報(bào)方法觀測(cè)系統(tǒng)可分為線形與空間排列。線形排列無(wú)法獲取掌子面前方圍巖波速，故無(wú)法準(zhǔn)確反演得到波阻抗差異地段。空間排列能夠獲得可靠的圍巖波速，反演的真實(shí)性得到有效提升。

走勢(shì)反演是基于反射波旅行時(shí)與波速，推算異常體位置。偏移成像技術(shù)是應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)的走勢(shì)信息與動(dòng)力學(xué)的振幅信息，前者能夠計(jì)算出異常體位置，后者不但可以反演得到不良地質(zhì)體里程位置，還可判斷圍巖力學(xué)特征。

反射波為逆散射的特殊情況。前者分辨率有限，只能分辨大于一個(gè)波長(zhǎng)的異常體，后者可識(shí)別小于一個(gè)波長(zhǎng)的物體。

綜上分析，隧道地震CT成像技術(shù)(TST)為空間觀測(cè)系統(tǒng)，基于逆散射理論，運(yùn)用偏移成像技術(shù)，大大提高了反演的準(zhǔn)確性。