地震反射波法在隧道超前預報中的應用

潘紀順 張允濤 朱葉 張嘉樂 張鑫 朱瑞

第一作者簡介：潘紀順（1968-），男，博士，教授。研究方向為地球物理反演。

*通信作者：張允濤（1998-），男，碩士研究生。研究方向為地球物理勘探。

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

摘? 要：該研究旨在探討隧道開挖過程中使用地震反射波法技術的可行性，以預防不良地質條件引發的地質災害。采用地震反射波法，通過觀察地震波在隧道掌子面前方巖體內的傳播情況，通過初至波拾取、速度分析、反射層提取等數據處理技術探測和描述巖體內的不良地質特征。研究結果表明，地震反射波法可有效探測掌子面前方不良地質體的位置，同時通過縱橫波波速比得到探測區內的物性參數。因此，地震反射波法可作為一種有效的地質勘測工具，用于隧道施工前的地質預測。該研究針對錘擊式震源進行探討，其能夠準確預測出隧道前方巖體完整性較差的區域分布情況，相較于其他震源，可提高勘探效率并降低探測成本。

關鍵詞：隧道；地震波；錘擊震源；地球物理；超前預報

中圖分類號：U45? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著城市化進程的不斷加速和交通需求的不斷增長，隧道工程的重要性在當今社會中變得越發突出。在這個背景下，隧道超前預報成為了一個備受關注的研究領域和實際應用領域。隧道超前預報是一種利用先進技術和數據分析手段，以提前識別和應對可能影響隧道工程的風險和挑戰的方法。隧道超前預報方法有探底雷達、地震波法、高密度電法等諸多物探方法，從以往的地表探測應用到工程實際中[1-3]，這一領域的發展為隧道工程的設計、施工、運營提供了新的可能性，有望減少事故風險，提高運行效率并降低維護成本。

但由于實際中隧道工程有限，為了探究地震波傳播，應該依靠計算機數值模擬，通常使用微積分求解波動方程來得到，得到最逼近、最優解的值。對于得到數據之后進行成像，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、擬合函數法等，這些方法在計算方面都有各自的優劣，比如有限差分法計算準確，但是計算消耗較大，射線追蹤計算較快[4-5]，但無法獲得能量強度等彈性波信息，所以在采用時應該更多地依據實際情況來選擇。

1? 方法原理

地震波法是一種基于地震波在不均勻地質層之間傳播時發生反射、折射、衍射的物理現象，從而得到隧道中不穩定巖體位置的物探方法。地震波在傳播過程中，由于地下介質的不均勻性導致波速變化，在遇到不同地層交界面時，由于存在波阻抗，會產生回彈的子波，此時波前繼續擴張，接收器將接收到回波信號。

地震反射波法主要通過激發點與接收器的布置，波傳播與介質特性、數據處理與分析的結果對地下結構解釋、模型的構建與數值模擬，以及對隧道進行預測與評估。地震波法數據處理程序主要有12個步驟：設置觀測系統、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、能量均衡、Q值估計、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點和接收器，采用錘擊的方式觸發震源，接受到地震信號之后，通過去噪、時移矯正等方法獲得高質量的地震剖面，然后對地震數據進行P、S波分離（公式（1）～（6）），最后進行偏移得到波速圖像，根據圖像上的波速變化去判斷和預測掌子面前方對地質條件。

通過速度分析，可以將反射信號的傳播時間轉換為距離（深度），可以用與隧洞軸的交角及隧洞工作面的距離來確定反射層所對應的地質界面的空間位置，并根據反射波的組合特征及其動力學特征解釋地質體特征。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參數曲線（泊松比、拉梅系數、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波產生的縱波速度和P波、S波產生的橫波速度；■、■為縱波中P波、S波速度關于時間的加速度，關于時間t的縱波P、S波波速的二階導數；■、■為橫波中P波、S波速度關于時間的加速度，關于時間t的橫波P、S波波速的二階導數。

2? 工程應用

2.1? 工程概況

某隧道起點里程樁號8+494終點里程樁號8+798，掌子面樁號8+659隧道區洞、井壁形態為無壓城門洞。其地層屬于泥盆系上統鐵列克提組的第六段（D3tl6），呈厚層至巨厚層的凝灰質含礫粗砂巖，夾帶少量凝灰質細砂巖和凝灰質含礫細砂巖。該地層的產狀表現為50°NW∠45°，巖體相對新鮮。洞室內部節理中等發育，主要包括2組貫穿性節理：①產狀為80°NW傾角，結構面平直光滑，呈閉合狀態；②產狀為310～345°NE傾角，結構面平直光滑，也是呈閉合狀態。巖體內部的節理和裂隙呈中等發育狀態。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構，屬于Ⅲ類圍巖。洞室內巖體節理中等發育，但整體上巖體完整性較高，無明顯缺陷。

2.2? 現場實施

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

圖1? 工作布置圖

（a）? 錘擊震源? ? ? ? ? ? ? （b）? 激發點布置

圖2? 隧道現場圖

2.3? 預報結果及地質分析

反射層提取后，反射層中主要反映探測范圍內幾何空間上的構造物理信息（包括反射強度和反射極性），地震波法處理成果的解釋應遵循下述準則。

1）反射振幅越強，說明反射系數越大，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，也就是軟弱巖石；負的反射振幅則表明是堅硬巖石。

2）對于同一個構造，進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，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。巖體的動態特性不等同于靜態條件下測得的特性，一般來說巖體的靜態特性小于巖體的動態特性，并且遵從下面的規律：巖體中包含的裂隙越多、巖石越軟，則靜態參數相對于動態參數就越低。

5）根據地震波法預報結果，結合前期地震波法預報成果及工程地質資料進行綜合分析，判斷掌子面前方的地質狀況，推測不良地質體性狀及位置，分析地下水賦存情況和圍巖完整程度，預測掌子面前方圍巖類別。

綜合以上解釋得出以下結果（表1），通過偏移成像，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。根據縱橫波速比與物性參數公式得出物性參數曲線如圖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

根據結果顯示，利用Vp/Vs波速比可以得到相關的物性參數，推測掌子面前方巖層條件裂隙發育程度，破碎情況和基巖裂隙水發育情況。地震反射波法不僅探測不良地質體方面表現出色，而且高分辨率的特點使相關人員能夠準確地識別巖體內的問題區域。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，采取相應的預防措施，以確保隧道工程的安全性和穩定性。

圖6? 縱波速度剖面

通過本研究中對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律，尤其是在面對軟弱夾層、巖溶發育和富水等復雜地質情況時。此外，錘擊式隧道預報系統的應用為工程建設提供了一種高效、經濟的選項，尤其是在時間和成本方面的節約是顯著的。對于隧道工程來說，這意味著更高效的施工和更可控的風險管理。

3? 結束語

本文研究了使用錘擊系統，能夠較準確地預測出隧道前方巖體完整性較差的區域分布情況。為了獲得清晰的初至波和更準確的波速度測量，采用每個炮點不少于2次疊加以提高信噪比。相比于傳統的炸藥爆破方式，錘擊系統通過敲擊隧道壁，避免了需要預先鉆孔引爆炸藥的過程。這不僅提高了勘探效率，還降低了隧道超前預報的成本。

隨著科技發展，未來將研究出更準確的理論公式、可控震源和更完善的觀測系統，以獲得更加準確的數據和預測結果，為后續工程提供可靠的地質資料。

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