TSP斷層模型數(shù)值模擬

林 義，劉爭平，王朝令，肖 締

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031 2.中鐵西北院科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 611830

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TSP斷層模型數(shù)值模擬

林 義1,2，劉爭平1，王朝令3，肖 締3

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031 2.中鐵西北院科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 611830

隧道在施工開挖中會(huì)遇到各種地質(zhì)問題，其中以斷層和軟弱帶居多，目前隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用TSP(tunnel seismic prediction)系統(tǒng)進(jìn)行。雖然TSP技術(shù)應(yīng)用廣泛，但目前對它的研究工作主要集中于工程應(yīng)用實(shí)例，采用正演模擬方法進(jìn)行的研究較少。筆者采用有限元方法模擬隧道地震波場，采用波場快照與時(shí)間記錄相結(jié)合的方法研究斷層對隧道地震波場傳播的影響，并對含斷層模型的時(shí)間記錄進(jìn)行了反演處理，得到了數(shù)值模型的速度云圖和反射層位圖。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：采用TSP Win軟件默認(rèn)值處理得到的速度云圖與模型設(shè)定的斷層位置一致；根據(jù)反射層位圖，對異常速度帶的層狀模型來說，P波預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性更高。研究表明，TSP系統(tǒng)具有良好的抗噪性能。通過對工程實(shí)例的處理，驗(yàn)證了數(shù)值模擬所得結(jié)論。

TSP；TSPwin；波場快照；隧道地震預(yù)報(bào)；斷層

0 引言

TSP(tunnel seismic prediction)系統(tǒng)是瑞士Amberg公司開發(fā)的、進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的地球物理勘探設(shè)備。研究原理是在隧道內(nèi)[1]采用小藥量的炸藥爆破作為震源，按照地震勘探中震源與檢波器的互換原理，在隧道的邊壁進(jìn)行一系列激發(fā)，只有兩個(gè)檢波器接收，這樣可以實(shí)現(xiàn)單炮激發(fā)、多道接收的效果。由震源激發(fā)產(chǎn)生的地震波遇到地層界面、節(jié)理面，特別是斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱、淤泥帶等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波?；诘卣鹂碧皆?，檢波器所接收到的反射波傳播速度、延遲時(shí)間、波形、強(qiáng)度和方向等均與界面的性質(zhì)和產(chǎn)狀密切相關(guān)[2]，并通過不同振幅、同相軸等波形特征表現(xiàn)出來。TSP主要用于超前預(yù)報(bào)隧道掌子面前方、上方和下方不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模，最大預(yù)報(bào)距離300～500 m，最高可以分辨直徑為1 m的地質(zhì)體[3]。

作為工程建設(shè)中的一種實(shí)用技術(shù)，TSP具有追求短平快的特點(diǎn)，前人已從工程應(yīng)用的角度對TSP進(jìn)行了研究和分析。劉志剛等[1]對TSP基本原理、技術(shù)狀況及其在隧道隧洞超前預(yù)報(bào)中能夠解決的技術(shù)問題、應(yīng)用效果、能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)以及發(fā)展進(jìn)行研究，論述了其存在的問題和解決的途徑。何剛[4]分析了分辨率、頻帶寬度及激發(fā)炸藥藥量之間的相互關(guān)系，提出了對TSP接收系統(tǒng)的改進(jìn)意見，并深入剖析系統(tǒng)測量的誤差因素。李堅(jiān)[5]應(yīng)用TSP對地層分界面、破碎帶、巖溶等進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果得到了后續(xù)施工開挖的驗(yàn)證。此外:Ashida[6]以隧道爆破和TBM(tunnel boring machine)震動(dòng)作為震源，對隧道掌子面前方的地質(zhì)情況做了成像研究，成像結(jié)果與前方實(shí)際地質(zhì)情況一致；Bohlen等[7]研究了隧道掌子面上RSSR現(xiàn)象，即隧道地震波場中的Rayleigh面波在掌子面上轉(zhuǎn)換為S波,遇到反射界面后反射到掌子面上再轉(zhuǎn)換為Rayleigh面波;王朝令等[8]基于有限元法對隧道地震波場進(jìn)行了模擬，在其中討論了頻散、邊界條件等環(huán)節(jié)。

筆者應(yīng)用數(shù)值模擬方法模擬存在斷層的TSP地震波場，提取其時(shí)間記錄和波場快照，分析存在斷層的情況下的地震波場特征;再應(yīng)用TSP后處理軟件TSPwin對得到的時(shí)間記錄進(jìn)行處理，對比模型圖與提取到反射界面的差異，并研究TSP系統(tǒng)的抗噪性能;最后通過工程實(shí)例驗(yàn)證了研究結(jié)果,以期為TSP隧道地震預(yù)報(bào)提供研究依據(jù)。

1 TSP系統(tǒng)

TSPwin是TSP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件。處理的結(jié)果是形成反映相關(guān)界面或地質(zhì)體反射能量的影像點(diǎn)圖和隧道平面、剖面圖，以供工程技術(shù)人員解譯。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，主要處理步驟包括帶通濾波、初至拾取、Radon變換、Q值濾波、速度分析、深度偏移和反射界面提取。

圖1 TSP數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of TSP data processing

①帶通濾波：通過Fourier變換得到地震數(shù)據(jù)的頻譜，然后根據(jù)有效波的頻率范圍設(shè)置濾波窗口，將頻率在窗口之外的干擾波濾除。

②初至拾取：提取直達(dá)波到達(dá)檢波器的起跳時(shí)刻點(diǎn)。

③Radon變換：Radon變換是將t-x域地震記錄轉(zhuǎn)變?yōu)棣?p/q域數(shù)據(jù)的一種數(shù)學(xué)變換[9]。τ-p/q變換后各種波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征會(huì)發(fā)生變化，使得某些問題在τ-p/q域中解決更為方便[10]。

④Q值濾波[11]：Q為衡量地震波在傳播過程中能量衰減的品質(zhì)因子，基于它可以分析傳播介質(zhì)的非彈性情況。

⑤速度分析：速度是地震勘探的關(guān)鍵參數(shù)，速度分析的主要目的是為水平疊加、偏移等處理步驟提供處理參數(shù)。

⑥深度偏移[12]：深度偏移是將檢波器接收到的時(shí)間剖面轉(zhuǎn)換成以空間坐標(biāo)表示的地質(zhì)構(gòu)造剖面。

⑦反射界面提?。禾崛〉椒瓷浣缑娴臋E圓形曲線代表界面的反射振幅。其明顯程度表示物理反射界面的波阻抗強(qiáng)度對比，反射振幅越明顯，則反射系數(shù)越大，巖石介質(zhì)的彈性波阻抗分界面屬性差異也就越大。

2 TSP地震波場數(shù)值模擬

為了模擬松動(dòng)圈存在時(shí)的TSP地震波場，建立如圖2所示的模型圖。震源采用300 Hz的Ricker子波，這個(gè)頻率與TSP實(shí)際工程數(shù)據(jù)采集的震源主頻相近。通常地震子波是由2至3個(gè)或多個(gè)相位組成的地震脈沖，最常用的Ricker子波由1個(gè)波峰和2個(gè)波谷組成[10]。在本文的數(shù)值模擬研究中，采用0相位的Ricker子波，其表示公式如下：

(1)

式中：u表示位移；f0表示主頻；t代表時(shí)刻；t0代表中心時(shí)刻。

TSP數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用單個(gè)三分量接收，24炮激發(fā)；根據(jù)炮檢互換原理，相當(dāng)于單炮激發(fā)，24道三分量檢波器接收。為了方便計(jì)算，在設(shè)置模型時(shí)，即采用單炮激發(fā)多道接收，使得計(jì)算模型的觀測系統(tǒng)與TSP實(shí)際采集時(shí)相同。需要說明的是，在模型數(shù)據(jù)處理過程中，速度云圖和反射層圖都是從震源位置起算。

模型(圖2)周邊加載了黏彈性邊界，它可以吸收邊界反射波[13]。模型的長度為135 m，高度為75 m，隧道高度6 m，有限元網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m，偏移距15 m，道間距1 m，采樣間隔62.5 μs，采樣點(diǎn)數(shù)7 218，采樣時(shí)窗451.125 ms。由于隧道開挖過程中存在松動(dòng)圈[14]，因此模擬時(shí)在隧道邊壁中設(shè)置了斷層帶，其厚度為1 m。工作面前面斷層帶總共設(shè)置3層，層厚3 m，層間距15 m，從震源到第一、二、三層異常帶的水平距離分別為65、80、95 m，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的縱波速度(vP)、橫波速度(vS)以及密度(ρ)如圖2所示。

圖2 模型圖Fig.2 Model diagram

作為地震勘探方法在隧道預(yù)報(bào)中的一種應(yīng)用，TSP的分辨率遵循地震勘探分辨率的Knapp準(zhǔn)則，TSP能區(qū)分的厚度是波長的1/2。本文模型中縱波的波長為4 000/300≈13.3，故TSP能區(qū)分6.65 m的厚度。模型中雖然斷層的厚度為3 m，但斷層間距為15 m，故可以分辨。模型中斷層只是作為一個(gè)反射層進(jìn)行勘探，這是因?yàn)門SP探測的目的主要是勘探斷層的位置和數(shù)量，對斷層厚度可以不予區(qū)分。

a.x分量;b.y分量。圖3 數(shù)值模擬的時(shí)間記錄Fig.3 Time recording of numerical simulation

由于模擬是在二維中進(jìn)行的，故只能取到x、y兩個(gè)分量。原始時(shí)間剖面如圖3所示。圖3a中的同相軸依次為直達(dá)縱波、直達(dá)橫波、左邊界角點(diǎn)繞射橫波和反射橫波。由于反射縱波能量較小,在圖中沒有顯示。時(shí)間剖面x分量(圖3a)各同相軸起跳點(diǎn)明顯，y分量(圖3b)各同相軸一致性好且較清晰，信噪比和分辨率都比較高。需要指出的是RSSR現(xiàn)象，即隧道內(nèi)沿邊壁傳播的Rayleigh面波在工作面角點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換為S波，以體波的形式向前傳播，遇到界面反射回到角點(diǎn)后轉(zhuǎn)換為Rayleigh面波的現(xiàn)象[7]。圖3a中前方界面的反射橫波經(jīng)RSSR轉(zhuǎn)換在隧道內(nèi)產(chǎn)生Rayleigh面波，由于其與橫波速度相差很小，使得60～80 ms時(shí)間段內(nèi)x分量剖面的反射波同相軸混亂，這影響了反射橫波的分辨率，也降低了地震解釋的可靠性。為了降低這種干擾，提高資料解釋的可靠性，觀測系統(tǒng)應(yīng)盡量采用大偏移距，使得RSSR現(xiàn)象在隧道內(nèi)產(chǎn)生Rayleigh面波與前方界面的反射橫波分離開來。

圖4是模型激發(fā)y分量的波場快照。t=1 ms時(shí)，震源開始激發(fā)；t=5 ms時(shí)觀察到S波傳播；t=8、10 ms時(shí)波傳播到左邊界；t=12 ms時(shí)可以看到波被左邊界吸收；t=15、18 ms時(shí)繼續(xù)在接收排列上傳播；t=20、22 ms時(shí)，波傳播到底邊界，底邊界將其吸收；t=25、28、30 ms時(shí)，波傳播到工作面角點(diǎn)位置；t=32、35 ms時(shí)，RSSR轉(zhuǎn)換出的S波向前方傳播，以角點(diǎn)為震源產(chǎn)生新的波陣面。此過程是波到達(dá)斷層之前的。

圖4 模擬y分量的波場快照Fige.4 The y-component snapshot of simulation

t=38 ms時(shí)波到達(dá)第一個(gè)反射層位置；t=40 ms時(shí)S波開始反射回工作面；t=42 ms時(shí)波通過第一個(gè)反射層，到達(dá)第一個(gè)反射層與第二個(gè)反射層之間的空間位置；t=45 ms時(shí)，波傳播到達(dá)第二個(gè)反射層；t=48、50 ms時(shí)，波穿過第二個(gè)反射層，此時(shí)從第一個(gè)反射層返回的波又傳播到排列上；t=52、55 ms時(shí)，波傳播到第三個(gè)反射層；t=58、60 ms時(shí)，穿過第三個(gè)反射層，傳播到右邊界上；t=62、65 ms時(shí)，從第一個(gè)反射層返回的波已經(jīng)通過接收排列；t=68、70 ms，不斷有從第二、三反射層上的波向排列上傳播；t=72～80 ms，反射波完全穿過排列，此時(shí)仍有大量的雜波在快照上存在。

3 模擬數(shù)據(jù)處理

按照如圖1所示的處理流程應(yīng)用TSPwin對得到的時(shí)間記錄進(jìn)行處理，各處理步驟均采用TSPwin默認(rèn)值進(jìn)行，可以得到如圖5所示速度云圖：橫坐標(biāo)表示預(yù)報(bào)距離，計(jì)算以震源位置起算；縱坐標(biāo)表示以隧道向兩邊展布半徑。圖5a中P波速度云圖的低速帶存在位置為75～110 m，模型(圖2)設(shè)定的斷層帶位置為65～100 m，兩者非常接近。圖5b中S波速度云圖低速帶在80～120 m，與模型(圖2)設(shè)置的斷層帶也比較接近；但所呈現(xiàn)的形態(tài)一致性不高，分析是受到RSSR轉(zhuǎn)換的干擾，使得速度分布云圖出現(xiàn)偏差。綜合兩張圖可知，P波異常帶的速度分布無論是位置還是形態(tài)都非常接近模型設(shè)定的斷層帶區(qū)域，表明采用TSPwin默認(rèn)值處理所得到的P波速度分布云圖與模型設(shè)定非常接近。

圖5 速度云圖Fig.5 Velocity Contours

圖6是提取得到的反射層圖。P波反射界面所處位置與模型設(shè)置非常接近，且形態(tài)也一致，預(yù)報(bào)的反射界面正好處于隧道軸線上(圖6a)，這正是隧道超前預(yù)報(bào)所需要解決的。S波提取反射界面(圖6b)與模型設(shè)定位置比較接近，但形態(tài)接近程度相對P波較差。對隧道地震超前預(yù)報(bào)來說，用P波進(jìn)行預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性比較高，而S波提取到的反射界面準(zhǔn)確性相對稍差。

對于如本模型這樣的多層異常帶模型來說，S波沒有P波準(zhǔn)確，P波的速度分布和反射界面都與模型設(shè)定的位置非常吻合；對隧道地震超前預(yù)報(bào)來說，P波預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性更高。

圖6 提取反射層Fig.6 Layers of extracting reflection

4 TSP抗噪性分析

為研究TSP的抗干擾能力，對數(shù)值模擬所提取的時(shí)間記錄加入隨機(jī)噪聲，得到如圖7所示的低信噪比信號(hào)。從圖7中可以看到：信號(hào)湮沒在隨機(jī)噪聲中，整個(gè)剖面不容易辨識(shí)，x分量中除了直達(dá)波比較明顯外，反射波幾乎被噪聲所掩蓋；相比于x分量，y分量信噪比稍高。

對加噪聲信號(hào)采用TSPwin進(jìn)行處理，經(jīng)過帶通濾波、初至拾取、反射波提取、P-S波分離、深度偏移和反射層提取，得到圖8所示的速度云圖和圖9的反射層提取圖。

圖8所示為加噪聲的速度云圖，對比模型(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，在65 ～100 m區(qū)間內(nèi)，P波的速度云圖存在低速區(qū)，這與模型設(shè)定相近；相比之下，S波的速度云圖在60～80 m范圍內(nèi)也存在低速區(qū)，但與模型的對應(yīng)程度較差。

圖9為加噪聲數(shù)據(jù)所提取的反射層，對比模型(圖2)可以看到：在70～100 m區(qū)間內(nèi)， P波反射界面所處位置與模型設(shè)置相近，且形態(tài)也較一致，但是相比于圖8未加噪聲的P波提取反射層，對應(yīng)性有所降低，且反射層強(qiáng)度也有所下降；S波在80～100 m存在反射層，這接近模型的設(shè)定位置，與圖8未加噪聲的S波提取反射層相比，一致性和對應(yīng)性相近。

加噪聲的數(shù)據(jù)處理表明TSP具有良好的抗噪性能。這是因?yàn)門SP在數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)在隧道邊壁打孔，并采用環(huán)氧樹脂將套管固定在接收孔中，然后將傳感器與套管緊密耦合，以此接收地震信號(hào)，使得原始時(shí)間記錄具有很高的信噪比，因此TSP系統(tǒng)所具有的抗噪性能可以滿足實(shí)際工程需要。

a.x分量;b.y分量。圖7 加噪聲的時(shí)間記錄Fig.7 Time recording with additive noise

圖8 加噪聲的速度云圖Fig.8 Velocity contours with additive noise

圖9 加噪聲的提取反射層Fig.9 Layers of extracting reflection with additive noise

5 實(shí)例

考慮到隧道超前預(yù)報(bào)方法的施工特點(diǎn)，若要驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，只能選取已經(jīng)開挖完的隧道，比較開挖之前的預(yù)報(bào)結(jié)果和開挖后揭示的地質(zhì)情況，對比兩者的差異。依據(jù)常規(guī)TSP觀測排列的布置方法，在隧道邊墻布置地震波信息接收孔，孔深2 m；按約1.5 m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔，孔深1.5 m左右，向下傾斜約10°；每個(gè)激發(fā)孔裝填藥量為100 g，激發(fā)孔和接收孔基本保持在同一個(gè)高度。

圖10 實(shí)例P波速度云圖(a)和反射層圖(b)Fig.10 Real case of P-wave velocity contours(a) and layers(b) of extracting reflection

圖10是實(shí)例P波的速度云圖和反射層圖。圖10a中，110～140 m存在異常低速區(qū)域。由于是實(shí)例預(yù)報(bào)，地震波場比較復(fù)雜，因此提取的反射層比較多，分布位置比較分散。其中，在110～140 m，存在比較多的反射層，形態(tài)以豎向反射層為主(圖10b)。它表示本段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，推測該段局部存在節(jié)理密集帶或破碎帶。開挖后，120～135 m段中間偏右存在黃黏土夾層，在拱腰至拱頂向內(nèi)延伸約1.5～3.0 m，是一處破碎帶構(gòu)造，與預(yù)報(bào)結(jié)果相吻合。

6 結(jié)論與建議

筆者建立斷層模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過波場快照研究隧道地震波場的傳播特征，對得到的時(shí)間剖面按照TSP的常規(guī)流程進(jìn)行處理。得到如下結(jié)論：

1)在速度分布云圖中，斷層的速度呈現(xiàn)比周圍速度低的特征，在提取的反射層圖中斷層呈現(xiàn)豎向條狀的特征。

2)對數(shù)值模擬所得的時(shí)間記錄添加噪聲，結(jié)果表明TSP具有良好的抗噪性能。

3)工程實(shí)例表明P波預(yù)報(bào)是比較準(zhǔn)確的，為工程中應(yīng)用TSP進(jìn)行隧道地震預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)處理和資料解釋提供理論依據(jù)。

由于隧道施工對TSP時(shí)效性的要求較高，采集環(huán)境復(fù)雜，且地質(zhì)體多樣，文中的結(jié)論是基于垂直多斷層的情況，因此需要研究不同情況下的TSP預(yù)報(bào)效果，并開展三維隧道地震波場數(shù)值模擬下的TSP預(yù)報(bào)效果研究，這是需要進(jìn)一步研究的工作。

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Numerical Simulation of TSP Fault Model

Lin Yi1,2, Liu Zhengping1, Wang Zhaoling3，Xiao Di3

1.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China2.NorthwestResearchInstituteCo,.LtdofC.R.E.C,Lanzhou730000,China3.CollegeofCivilEngineering,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611830,China

During tunnel excavation, a variety of geological disasters might be encountered, such as faults, caves, et.al. Tunnel seismic prediction (TSP) is adopted to mitigate the possible damages. Although TSP technology is used widely, the research about TSP is currently focused on its engineering application cases. We use the finite element method to simulate the tunnel seismic wave field, employ wave field snapshots and time recording method on the impact of faults on the characteristics of the propagation of tunnel seismic wave field, and inversely process the time record of model containing the fault. The digital model of the velocity scattered image and the reflection interface position are obtained, and the fault position from velocity scattered image processed with the default values set by using TSPwin is agreed to the one from the model. In respect to the layered model for an abnormal velocity zone, P-wave is more precise. The system of TSP is strong for its feature of anti-noise. The numerical simulation is verified finally through the process and analysis of the engineering cases.

TSP；TSPwin；snapshot；tunnel seismic prediction；fault

10.13278/j.cnki.jjuese.201506305.

2015-02-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40874051，51508358)

林義(1980--)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事隧道地震超前預(yù)報(bào)研究，E-mail:766708597@qq.com

王朝令(1980--)，男，副教授，博士，主要從事隧道地震波場模擬研究，E-mail:wong8010@gmail.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506305

P631.4

A

林義，劉爭平，王朝令,等. TSP斷層模型數(shù)值模擬.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(6):1870-1878.

Lin Yi, Liu Zhengping, Wang Zhaoling, et al. Numerical Simulation of TSP Fault Model.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1870-1878.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506305.