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(huán)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(fā)生塌方、巖溶涌水等突發(fā)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(fā)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(fā)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(qū)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(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。本世紀初期，TST隧道地震CT成像技術由趙永貴教授團隊研發(fā)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(fā)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(chǎn)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?；诜瓷洳眯袝r、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(xiàn)在觀測系統(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行分析討論，評價各種地震反射波方法間的優(yōu)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(fā)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(shù)據(jù)中，直達波同相軸往右下角傾斜。當?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩共町惖姆纸缑妫纬上蜃髠鞑サ姆瓷洳?，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?shù)刭|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(shù)據(jù)缺乏配套的分析處理軟件，當?shù)卣鹩涗洈?shù)據(jù)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(fā)生。

圖1　負視速度觀測系統(tǒng)

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(fā)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(fā)，接收裝置收集掌子面前方反射信號。該方法的數(shù)據(jù)處理原理與負視速度法相類似?；诜瓷洳眯袝rT與直達波波速V，根據(jù)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(tǒng)的排列布置。觀測系統(tǒng)為空間排列，充分利用橫向空間，獲得較可靠的圍巖波速，進而提高反演的準確度。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(shù)據(jù)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(tǒng)

3　TSP隧道地震預報法

TSP隧道地震預報法觀測系統(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集合成一組數(shù)據(jù)，根據(jù)該組數(shù)據(jù)進行反演分析。基于互換定理，TSP與負視速度觀測系統(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(shù)據(jù)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(tǒng)

4　TRT地震層析成像方法

地震層析成像方法(TRT)觀測系統(tǒng)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(fā)，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(jù)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(shù)中，找出最優(yōu)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(tǒng)

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(tǒng)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(fā)點，組成空間觀測系統(tǒng)。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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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?？臻g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(tǒng)，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。