地震反射波法在隧道超前預報中的應用

曾勝強， 奉建軍， 黃　云

(1. 西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610031； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隧道在挖掘過程中常發生塌方、巖溶涌水等突發地質災害，嚴重影響施工進度甚至危害人員安全。隧道超前預報手段能夠有效探測掌子面前方不良地質情況，指導隧道開挖，降低事故的發生。地震反射波法在隧道超前預報中得到了廣泛應用。在二十世紀九十年代初期，負視速度法應用于我國鐵路領域，曾昭璜、何振起發表了相關的研究成果。二十世紀九十年代期間，HSP水平聲波剖面技術由中鐵西南院提出，在臺灣、日本地區得到應用。同一時期，瑞典測量公司研究出了TSP超前預報方法，NSA工程公司研發了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。本世紀初期，TST隧道地震CT成像技術由趙永貴教授團隊研發成功，并應用于隧道施工預報領域[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、費馬原理、斯奈爾定律[4]。在隧道圍巖上激發瞬時能量，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生反射波與透射波，預先放置在隧道中的檢波器接收到各類反射及干擾信號，運用波場分離方法濾除干擾信號，提取反射信號。基于反射波旅行時、振幅、圍巖波速等信息反演獲得掌子面前方不良地質情況。各種地震反射波法之間的差異主要表現在觀測系統排列與數據處理方法的不同。本文主要基于該層面進行分析討論，評價各種地震反射波方法間的優劣。

1　負視速度法

負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檢波器與單個震源。如圖1所示，因視速度存在方向性，震源處激發的地震波沿著隧道壁往右傳播，直達波視速度為正值，在地震記錄數據中，直達波同相軸往右下角傾斜。當地震波遇到波阻抗差異的分界面，形成向左傳播的反射波，視速度為負值，反射波同相軸往左下角傾斜。直達波與反射波同相軸延長線的焦點，對應波阻抗差異界面位置。由于震源、檢波器排列在一條直線上，當地質條件復雜多樣，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小于真實距離H。誤差值為ΔH=H-D，當波阻抗界面傾角越小，反演得到的誤差值越大。負視速度法采集得到的數據缺乏配套的分析處理軟件，當地震記錄數據干擾信號強，信噪比低，反射波同相軸無法清晰辨認，影響反演結果，容易造成誤判，導致事故發生。

圖1　負視速度觀測系統

2　HSP水平聲波剖面技術

HSP水平聲波剖面技術為空間排列方式，激發點線形布置于隧道邊墻中，另一側等距布置接收裝置。震源依次激發，接收裝置收集掌子面前方反射信號。該方法的數據處理原理與負視速度法相類似。基于反射波旅行時T與直達波波速V，根據公式D=T×V/2,反演得到異常體位置，該過程稱為走時反演。與負視速度相比，HSP的不同之處在于觀測系統的排列布置。觀測系統為空間排列，充分利用橫向空間，獲得較可靠的圍巖波速，進而提高反演的準確度。以上兩種地震發射波法的數據處理均是基于走時反演，獲得異常體位置，卻無法評價掌子面前方的圍巖力學特征，屬于低級別的處理方法。在以下討論的地震反射波法中，數據處理均是以偏移成像技術為基礎，彌補了走時反演中的不足，處理得到異常體里程段及圍巖力學特征。偏移成像技術在之后的地震反射波領域被廣泛應用(圖2)。

圖2　HSP水平聲波剖面觀測系統

3　TSP隧道地震預報法

TSP隧道地震預報法觀測系統為一維線形排列。如圖3所示，一枚三分量檢波器與多個震源線形布置在隧道邊墻中[3]，震源依次激發，采集到的多道地震記錄信號集合成一組數據，根據該組數據進行反演分析。基于互換定理，TSP與負視速度觀測系統一致，得到的地震數據屬零偏移距地震道集，故掌子面前方圍巖波速無法判定。在進行速度分析時，虛假給定圍巖波速，深度偏移剖面真實性有待商榷。其次，資料處理過程中推演得到的Q值與泊松比沒有可靠的數據支撐，嚴重影響反演結果的真實性[2]。

圖3　TSP隧道地震預報觀測系統

4　TRT地震層析成像方法

地震層析成像方法(TRT)觀測系統為空間排列。如圖4，檢波器在拱頂軸線及兩側邊墻共計布置于五條測線，每條測線等距離排列兩個檢波器。掌子面邊墻附近布置四個震源，依次激發，空間排列的五條測線共同接收反射信號，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]，根據地震反射波走勢，以震源和檢波器為橢圓曲線的焦點，既有的多個震源與檢波器進行排列組合，在三維空間中形成多個橢圓，異常體與上述橢圓相切。在多次矯正模型參數中，找出最優解，查明不良地質體的空間位置及傾斜方向。

圖4　TRT地震層析成像觀測系統

5　TST隧道地震CT成像技術

隧道地震CT成像技術(TST)是以逆散射成像為基礎，能夠有效辨別小于一倍波長的異常體[1]。觀測系統如圖5所示，隧道側壁兩側分別等間距布置6個檢波器，掌子面橫向分布有4～5個激發點，組成空間觀測系統。通過不同偏移距的共散射點，基于運動學與動力學特征，運用與TSP相類似的處理系統，反演出異常體的空間位置及力學性質。與TSP技術相比，TST技術有成熟的觀測系統與靈活的處理思想。

6　結束語

地震反射波超前預報方法觀測系統可分為線形與空間排列。線形排列無法獲取掌子面前方圍巖波速，故無法準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，反演的真實性得到有效提升。

走勢反演是基于反射波旅行時與波速，推算異常體位置。偏移成像技術是應用運動學的走勢信息與動力學的振幅信息，前者能夠計算出異常體位置，后者不但可以反演得到不良地質體里程位置，還可判斷圍巖力學特征。

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

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