山嶺隧道定向超前地質(zhì)預(yù)報(bào)人工地震波傳播規(guī)律研究

滿令聰， 婁國充,2， 孫志濤

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043; 2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

為了適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，近年來鐵路交通工程蓬勃發(fā)展，而隧道工程又是鐵路工程的核心，目前我國已經(jīng)成為世界上隧道建設(shè)規(guī)模最大的國家[1-2]。隧道建設(shè)過程中常常伴隨著斷層破碎帶、突水、突泥等多種不良地質(zhì)條件，對施工安全造成嚴(yán)重威脅。定向超前預(yù)報(bào)技術(shù)[3]是利用地震波法勘探原理在隧道施工掌子面上施作的最新超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確、直觀地預(yù)報(bào)掌子面前方復(fù)雜地質(zhì)災(zāi)害情況。為了提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)長度和質(zhì)量，研究水平激振地震波在不同巖質(zhì)體中的傳播規(guī)律尤為重要。李子順[4]應(yīng)用雙井微地震測井資料研究表明近震源區(qū)地震波高頻成分衰減快；陳樹民等[5]在研究松遼盆地地層吸收特性時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致地震波快速衰減的主要原因是低速帶的存在；張繼春等[6]通過巖體爆破現(xiàn)場試驗(yàn)得出爆破地震波在爆源近區(qū)的衰減比中、遠(yuǎn)區(qū)要大得多；高富強(qiáng)等[7]在露天煤炭爆破研究中發(fā)現(xiàn)地震波在傳播過程中低頻帶能量占總能量的比率隨傳播距離的增加而增加。上述研究重點(diǎn)均集中在巖石爆破或地質(zhì)勘探中地震波的衰減規(guī)律，對于人工水平激振地震波頻率及其在不同巖質(zhì)體中的傳播規(guī)律研究相對較少。

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了多種巖性條件下的隧道有限元模型并進(jìn)行波場模擬，研究了不同頻率地震波在隧道掌子面前方巖體中的衰減規(guī)律，該研究對于提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有重要意義。

1 計(jì)算模型建立

1.1 模型尺寸的確定

圖1 模型示意圖(單位:m)

有限元模型為350 m×150 m×1 m準(zhǔn)二維數(shù)值模型。其中隧道空腔寬14 m，長150 m，全局網(wǎng)格尺寸劃分為1 m，選用8節(jié)點(diǎn)六面體的SOLID164單元[8]，單元材料定義為線彈性。人工地震波以節(jié)點(diǎn)力的形式加在隧道掌子面節(jié)點(diǎn)上。為了分析地震波的傳播規(guī)律，從隧道掌子面前方10 m處開始，每隔20 m設(shè)置1個檢波器，共計(jì)10個，如圖1所示。

1.2 巖體參數(shù)選取

隧道掌子面前方地質(zhì)情況非常復(fù)雜，為了反映真實(shí)地質(zhì)情況，更好地探究地震波在隧道掌子面前方衰減規(guī)律，共選取了4種有代表性的巖體材料，分別為：炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)板巖、含礫砂巖、灰?guī)r，隧道空腔材料采用LS-DYNA中的Null材料，并定義*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程，各巖體材料的具體參數(shù)見表1。

表1 巖體參數(shù)

1.3 人工震源模擬

在進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，無論采用炸藥作為震源還是人工錘擊作為震源，地震波的生成都是在瞬間完成的，其能量也非常集中。因此利用雷克子波來模擬人工地震波，如圖2所示。其表達(dá)式如下

f(t)=[1-2(πft)2]exp[-(πft)]2

(1)

式中,t為時(shí)間；f為峰值頻率。用到的雷克子波主頻頻率分別為25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz。

1.4 邊界條件的設(shè)置

為了避免邊界處反射波傳回計(jì)算域內(nèi)對既有的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，除隧道進(jìn)口側(cè)設(shè)置自由邊界條件外，其他3個方向均設(shè)置無反射邊界條件。LS-DYNA中無反射邊界條件實(shí)質(zhì)上為黏彈性邊界條件，其原理通過阻尼來代替遠(yuǎn)場條件。以二維問題為例，不考慮入射角的影響，可得黏彈邊界條件為

(2)

用應(yīng)力表示為

(3)

LS-DYNA中無反射邊界條件是以集中力方式在模型邊界等效節(jié)點(diǎn)上施加2個方向的黏性阻尼力[9-12]。2個方向的阻尼力分別為

σn=-ρcpvn

(4)

τs=-ρcsvs

(5)

式中,σn為法向應(yīng)力；τs為切向應(yīng)力；ρ為巖體密度；cp為縱波波速；cs為橫波波速；vn為質(zhì)點(diǎn)法向速度；vs為質(zhì)點(diǎn)切向速度。

2 地震波傳播規(guī)律研究

2.1 均質(zhì)地層條件地震波的傳播規(guī)律

圖1為單一巖體介質(zhì)模型，共分為4種地質(zhì)條件，每種地質(zhì)條件隧道掌子面前方巖體分別為：炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)板巖、含礫砂巖以及灰?guī)r，各巖層的信息表1中已詳細(xì)列出。震源主頻分別采用25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz的雷克子波，共計(jì)16個有限元模型，采樣間隔為0.1 ms，網(wǎng)格尺寸為1 m，檢波器布置情況如圖1所示。

圖3 t=25 ms時(shí)x分量波場快照(單位：m)

為了更直觀地看到地震波在巖體中的傳播形式，現(xiàn)提取砂質(zhì)板巖加載100 Hz雷克子波25 ms時(shí)x分量的波場圖譜如圖3所示。從圖中可以看出地震波是以球面波的形式向四周傳播，波前面能量隨著傳播距離的增加而減小，P波要比S波的傳播速度快，同時(shí)面波和S波的速度相差很小，在波場快照上很難區(qū)分開來，隨著波的傳播在隧道邊墻處產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換波。

將速度檢波器在不同位置處獲得的x向最大速度值與震源前方1 m處x向最大速度相比，得到不同位置處的檢波器速度占比，把每個工況不同主頻震源下各檢波器速度占比繪成一張不同巖性條件下不同頻率的地震波衰減圖，如圖4～圖7。

圖4 炭質(zhì)頁巖條件下地震波衰減圖

圖5 砂質(zhì)板巖條件下地震波衰減圖

圖6 含礫砂巖條件下地震波衰減圖

圖7 灰?guī)r條件下地震波衰減圖

從圖4～圖7中可以看出：(1)隨著傳播距離的增加，檢波器獲取的巖體節(jié)點(diǎn)振動速度都呈減小趨勢，這符合地震波在巖體中的衰減規(guī)律；(2)在不同地質(zhì)條件下，人工地震波在傳播初期衰減較快，高頻地震波比低頻波更明顯，距離激發(fā)點(diǎn)10 m處的高頻地震波衰減至初期的18%以下，在100 m范圍以外，地震波衰減趨于平緩；(3)在軟巖地層(炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)板巖)中，高頻(400 Hz)地震波要比低頻(25 Hz)地震波衰減更快，激振震源頻率小于100 Hz時(shí)，地震波衰減差值不再明顯，由此說明，軟弱巖體對人工地震波頻率具有敏感性，低頻地震波更適宜軟弱巖體探測；(4)在硬巖地層(含礫砂巖、灰?guī)r)中，不同震源頻率對地震波衰減比影響不明顯；高頻(400 Hz)震源與低頻震源(25 Hz)的地震波衰減幅值基本一致。由此可以看出，硬質(zhì)巖體對人工震源頻率不甚敏感。

圖8 2種巖性地層透射計(jì)算模型(單位:m)

2.2 含1個分界面的不同均質(zhì)圍巖傳播規(guī)律

如圖8所示在隧道掌子面前方50 m處存在巖性分界面，巖性分界面左側(cè)為砂質(zhì)板巖，右側(cè)為炭質(zhì)頁巖或含礫砂巖或灰?guī)r，建立3種地質(zhì)條件下的有限元模型，震源采用主頻分別為50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz的雷克子波，其他條件與表1中參數(shù)相同。

圖9 t=30 ms時(shí)x分量波場快照(單位：m)

提取巖性分界面左側(cè)灰?guī)r工況下30 ms時(shí)x分量的波場圖譜如圖9所示。對比單一巖體介質(zhì)模型波場圖譜可以發(fā)現(xiàn)，2種巖體介質(zhì)條件下的波場圖譜更復(fù)雜。震源激發(fā)后地震波以球面波的形式向四周傳播，直達(dá)P波相比于直達(dá)S波能量要小，但P波速度要比S波速度快，同時(shí)能夠明顯地看到散射波， 直達(dá)P波與直達(dá)S波經(jīng)過巖性分界面后分別產(chǎn)生透射P波、透射S波，同時(shí)生成反射P波、反射S波；在隧道邊墻S波和面波速度相差很小，在圖上難以區(qū)分；受隧道空腔的影響，P波在隧道邊墻上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波。

不同圍巖條件選用不同主頻震源進(jìn)行探測地震波衰減規(guī)律如圖10～圖12所示。采用100 Hz激振震源針對不同地質(zhì)條件探測，地震波衰減規(guī)律如圖13所示。

圖10 掌子面右側(cè)為炭質(zhì)頁巖條件下地震波衰減圖

圖12 掌子面右側(cè)為灰?guī)r條件下地震波衰減圖

圖13 不同巖層條件下地震波衰減圖

(1)比較圖10～圖12與圖4～圖7可以看出：從一種巖性透入另一種巖體時(shí)，地震波波速會產(chǎn)生明顯的衰減，高頻地震波波速衰減率比低頻地震波波速衰減率更大；(2)從硬質(zhì)巖體透射入軟質(zhì)巖體時(shí)(如圖10所示)，高頻地震波(300 Hz、400 Hz)衰減比明顯高于低頻地震波(50 Hz、100 Hz)衰減比，低頻地震波更適宜探測隧道掌子面前方的軟弱夾層；(3)當(dāng)透入地層為硬質(zhì)巖層(含礫砂巖、灰?guī)r)時(shí)(如圖11、圖12所示)，不同頻率震源產(chǎn)生的地震波雖然均有明顯衰減，但衰減比相差較小，激振震源頻率小于300 Hz時(shí)，地震波波速衰減比不再明顯。

從圖13中可以看出，相同頻率的地震波從一種地層透入另一種地層時(shí)，由于被透入地層巖性不同，地震波波速衰減比會產(chǎn)生較大變化：被透入的巖體強(qiáng)度越高(灰?guī)r)，地震波波速衰減幅值越大；巖體強(qiáng)度越低(炭質(zhì)頁巖)，地震波波速衰減幅值相對較小。因此可見，對于較復(fù)雜的地質(zhì)條件，選用低頻人工震源進(jìn)行超前探測效果更佳。

3 結(jié)論

利用ANSYS/LS-DYNA建立不同地質(zhì)條件波場計(jì)算模型，研究分析了山嶺隧道定向超前探測技術(shù)中人工彈性波的傳播規(guī)律及衰減因素，得出如下結(jié)論：

(1)人工激發(fā)震源性質(zhì)是提高彈性波定向超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的關(guān)鍵，低頻高能震源適用性更強(qiáng)，有利于增大超前探測長度和提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。

(2)人工地震波頻率對探測巖體性質(zhì)具有適宜性，高頻地震波不適宜探測軟質(zhì)巖體地層，低頻地震波可以適用于硬質(zhì)巖體和軟弱巖體地層超前地質(zhì)探測。

(3)從一種巖體透入另一種巖體時(shí)，地震波會產(chǎn)生明顯的衰減，高頻地震波衰減率比低頻地震波衰減率更大。

(4)在較復(fù)雜地質(zhì)條件下，選用100 Hz以下激振震源更具有穿透性，既能透入軟弱巖體地層，也能透入硬質(zhì)巖體地層。