TSP隧道地震預報空洞模型的數值模擬研究

王朝令 楊 茜 陳 章 楊 文

1 四川農業大學土木工程學院，都江堰市建設路288號，611830

?

TSP隧道地震預報空洞模型的數值模擬研究

王朝令1楊 茜1陳 章1楊 文1

1 四川農業大學土木工程學院，都江堰市建設路288號，611830

采用有限元方法模擬隧道地震波場，采用波場快照與時間記錄相結合的方法，研究空洞對隧道地震波場傳播的影響，并對含空洞模型的時間記錄進行處理，得到數值模型的速度云圖和反射層位圖。經數據處理表明，采用TSPwin設定默認值處理得到的速度云圖與模型設定的空洞位置比較一致，在提取反射層位圖上，空洞反射層呈現條帶狀特征，需要結合速度云圖來確定空洞位置，且P波預報的準確性相對較高。對TSP系統的抗噪性進行研究，表明其具有良好的抗噪性能。最后通過對工程實例的處理，驗證了數值模擬所得的結論。

TSP；TSPwin；空洞；波場快照；隧道地震預報

溶洞內填充物與周圍巖體具有明顯的波阻抗差異，當地震波場傳播到波阻抗界面時，會產生明顯的反射，因此其具有良好的地球物理特征。鐘世航[1]指出，TSP預報失誤的主要原因在于對探測對象的地質特征及地球物理特征認識不清。李術才等[2]對巖溶裂隙水和不良地質情況在超前預報中存在的主要問題進行了總結。孫克國等[3]采用TSP預報方法對多個巖溶隧道進行預報，總結出洞穴和暗河的判別規律。許振浩等[4]研究巖溶隧道內斷層破碎帶、地下水充填和無充填型溶洞的地震波反射特性。王朝令[5]基于有限元方法，應用數值模擬研究隧道地震波場的數值模擬、分離和反演。林義等[6]應用數值模擬方法研究了圍巖松動圈對隧道地震預報系統的影響。

本文基于有限元方法模擬空洞存在情形下隧道地震波場的傳播過程，并用TSPwin軟件對模擬結果進行處理分析，得到速度分布云圖和反射層提取圖，將兩者與模型圖進行比較，分析TSP預報的準確性。然后在數據中加入噪聲進行分析，研究TSPwin的抗噪性能。最后以實例驗證結果的準確性。

1 空洞模型的數值模擬

為模擬空洞模型的隧道地震波場傳播情形，建立模型時需要結合計算能力，并能滿足分析需要。若模型太大，計算時間長，不利于進行修改模擬。為此，建立如圖1所示的模型，模型長135 m，高75 m，在隧道模型的前方設置一個圓形空洞，其圓心坐標為(87,5)，半徑為20 m，內部填充P波為0，S波為0。檢波器設置與上述兩個模型相同，都位于隧道的邊壁上，震源激發采用主頻為300 Hz的零相位Ricker子波。當主頻為300 Hz時，網格劃分長度為0.5 m，可以最大程度地減小頻散效應[1]。采樣間隔為62.5 μs，點數為7 128，與TSP的設置相同。

圖1 模型圖Fig.1 Model diagram

TSP數據采集時，采用單個三分量接收，24炮激發，根據炮檢互換原理，相當于單炮激發，24道三分量檢波器接收。為方便計算，在數值模擬時，采用單炮激發多道接收，使得計算模型的觀測系統與TSP實際采集時的相同。需要說明的是，在模型數據處理過程中，速度云圖和提取反射層圖都是從震源位置起算。此模型中，空洞左邊緣距離震源67 m，右邊緣距離震源107 m。

由于模擬是在二維中進行的，只能取到x、y兩個分量。圖2是提取的時間記錄，圖中的直達縱波、直達橫波都比較清晰，第一個同相軸的反射橫波是RSSR現象引起的，第二個反射同相軸是前方界面的反射橫波。隧道內沿邊壁傳播的Rayleigh面波在工作面角點位置轉換為S波，以體波的形式向前傳播，遇到界面反射回到角點后，轉換為Rayleigh面波，此即為RSSR現象[2]。當地震波遇到空洞時，x分量相對于y分量來說要復雜一些。由于半徑為20m的空洞，其直徑大于第一Fresnel帶，因此整個時間剖面存在反射縱橫波，其中直達橫波和反射橫波能量強，所以比較明顯。

圖2 數值模擬的時間剖面Fig.2 Time recording of numerical simulation

圖3為空洞模型提取的波場快照，T=7 ms顯示震源所激發的P波、S波開始分離；T=10 ms、15 ms時，波場傳播到接收排列上；T=20 ms、25 ms、30 ms過程中，波場傳播過接收排列，并到達工作面位置，在角點上產生RSSR現象；T=33 ms、35 ms，經RSSR轉換出來的橫波與原來的波場產生疊加一起向外傳播，產生新的波場；T=37 ms、40 ms過程中，橫波傳播到空洞位置，此時P波已經到達下邊界；T=42 ms、45 ms，由于空洞的存在，產生繞射現象；T=49 ms、52 ms、55 ms、59 ms時反射波由空洞反射到工作面，可以觀察到明顯的繞射現象；T=63 ms、68 ms，經過RSSR轉化的Rayleigh面波繼續沿排列方向傳播；T=72 ms、78 ms時，可以觀察到左邊界有波反射回來，這是由繞射現象產生的波場，同時反射波繼續沿排列傳播，此現象可以與圖2的時間剖面進行對比，形成對應關系，此時波場已經變得非常復雜。

圖3 模擬y分量的波場快照Fig.3 Y-component snapshot of simulation

2 模型數據處理

按照TSP的處理流程，應用TSPwin對得到的時間記錄進行處理，各處理步驟均采用TSPwin默認值進行，得到如圖4所示的速度云圖。圖4中，橫坐標表示預報距離(以震源位置起算)，縱坐標表示以隧道向兩邊展布半徑，兩者的單位均為m。在計算地震波傳播過程中，如果所建立的速率模型與巖層中的傳播速度一樣，那么任何反射界面的位置都與其傳播距離無關。與模型進行對比可知，低速異常區的P波速在2 000 m/s左右，S波在1 000 m/s左右，且所在位置與模型設定的位置非常接近，表明對空洞模型而言，速度分析云圖可以提供比較準確的定位。

圖4 空洞模型的速度圖Fig.4 Velocity contours of cave model

圖5是20 m半徑空洞模型經過偏移后處理得到的反射層位分布。可以發現，圖中反射層位分布比較明顯，模型中的分布位置相符，說明TSP在探測空洞時，反射層所呈現的形態是以前后界面來表示的，這增加了空洞在提取反射層圖上的設定難度。此時，結合速度分布云圖，可以提高準確性。相比于P波，S波的反射層能量較弱，在提取反射層圖上不太明顯，因此P波的預報效果更好。

圖5 提取反射層Fig.5 Layers of extracting reflection

3 TSP抗噪性分析

為研究TSP的抗干擾能力，對數值模擬所提取的時間記錄加入隨機噪聲，得到圖6所示的低信噪比信號。從圖6可以看到，信號湮沒在隨機噪聲中，整個剖面不容易辨識，x分量中除了直達波比較明顯外，反射波幾乎被噪聲所掩蓋，y分量信噪比稍高。

圖6 加噪聲的時間記錄Fig.6 Time recording with additive noise

對加噪聲信號采用TSPwin進行處理，經過帶通濾波、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7所示的速度云圖和圖8的反射層提取圖。比較圖7的加噪聲速度云圖與未加噪聲的速度云圖，P波的速度為2 000 m/s，S波的速度為1 000 m/s左右；P波的速度云圖與設定的位置非常相近，而S波速度云圖相差較大，故P波的抗干擾能力更強，精度更高。

圖7 加噪聲的速度云圖Fig.7 Velocity contours with additive noise

圖8 加噪聲的反射層提取Fig.8 Layers of extracting reflection with additive noise

圖8為加噪聲數據所提取的反射層。對比模型圖1可以看到，在70～100 m區間內， P波反射界面所處位置與模型設置相近，且形態也較一致，但是相比于圖8未加噪聲的P波反射層提取，對應性有所降低，且反射層強度也有所下降。圖8(b)為提取的S波反射層，可以看到，在70～100 m之間存在反射層，接近模型的設定位置，與圖7未加噪聲的S波提取反射層相比，相差較大。因此，就預報精度而言，P波更好。

通過對加噪聲的數據處理表明，TSP具有良好的抗噪性能。TSP在數據采集時會采用在隧道邊壁打孔，用環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，使得原始時間記錄具有很高的信噪比，因此TSP系統所具有的抗噪性能可以滿足實際工程需要。

4 工程實例

考慮到隧道超前預報方法的施工特點，若要驗證預報結果的準確性，則只能選取已經開挖完的隧道，比較開挖之前的預報結果和開挖后揭示的地質情況，對比兩者的差異。依據常規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個激發孔，孔深1.5 m左右，向下傾斜約10°，每個激發孔裝填藥量為100 g，激發孔和接收孔基本保持在同一個高度。采用上文所述處理流程中設定的參數對此數據進行處理，得到圖9所示的速度云圖和反射層提取圖。

圖9 P波速度云圖和反射層圖Fig.9 Velocity contours and extracted reflection of P wave

圖9(b)反射層圖顯示，在110～140 m段反射層密集，且正負反射交錯出現，推測發育有溶洞或是破碎帶。根據圖9(a)速度云圖，由于低速區呈區塊狀分布，推測為空洞；隧道開挖結果顯示，在110 m處溶洞覆蓋掌子面左側拱腰處有溶洞，溶洞規模長33.7 m、寬32.4 m、高24 m，溶洞深度超過隧底高程，整個溶洞靠線路右側，并超過右邊墻8 m以上。這說明預報結果與開挖結果非常一致，采用文中的參數對數據進行處理，可以比較準確地預報前方的地質災害。隧道地震超前預報作為一種地球物理勘探方法，其結果存在多解性，在參照速度云圖和反射層圖時，需要結合兩者作出判斷，并在施工時進行多種準備，應對可能發生的施工事故。

5 結 語

TSP在工程中應用非常廣泛，但目前國內外都將其作為一種工程方法進行實例預報研究，采用正演模擬并進行處理分析的研究相對較少。本文建立溶洞模型進行數值模擬，通過波場快照研究隧道地震波場的傳播特征，對得到的時間剖面按照TSP的常規流程進行處理，分析空洞模型速度云圖和提取反射層圖的特征。在速度分布云圖中，空洞的速度呈現比周圍速度低的特征，在提取的反射層圖中空洞呈現豎向條狀包圍的特征，因此需要結合速度分析空洞的位置和形態。分析表明，P波的準確度較高。對數值模擬所得的時間記錄添加噪聲，研究表明，TSP具有良好的抗噪性能。最后通過工程實例表明，P波預報是比較準確的。

本文以空洞模型為例，采用有限元數值計算模擬了隧道的地震波場，經過對時間剖面的反演處理，分析空洞在速度分布云圖和反射層圖中呈現的特征，并研究了TSP系統的抗噪性能，為工程中應用TSP進行隧道地震預報的數據處理和資料解釋提供理論依據。

[1] 鐘世航.TSP作隧道掌子面前方地質預報幾例失誤原因分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2003，22(增1): 2 443-2 446(Zhong Shihang.Analysis of the Failure Reasons in Survey Forward from Working Face of Tunnels by Means of TSP[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(S1):2 443-2 446)

[2] 李術才, 李樹忱, 張慶松,等. 巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(2):217-225(Li Shucai, Li Shuchen, Zhang Qingsong, et al.Forecast of Karst-Fractured Groundwater and Defective Geological Conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechenics and Engineering, 2007,26(2):217-225)

[3] 孫克國, 李術才, 張慶松,等.TSP在巖溶區山嶺隧道預報中的應用研究[J]. 山東大學學報:工學版,2008,38(1): 74-79(Sun Keguo, Li Shucai, Zhang Qingsong, et al. Application of the TSP Geological Forecast Method of a Mountain Tunnel in a Karst Zone[J]. Journal of Shandong University:Engineering Science,2008,38(1):74-79)

[4] 許振浩, 李術才, 張慶松,等.TSP超前地質預報地震波反射特性研究[J]. 地下空間與工程學報,2008,4(4): 640-644(Xu Zhenhao, Li Shucai, Zhang Qingsong, et al. Reflection Characteristic of Seismic Wave in TSP Advance Geological Predicion[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008,4(4): 640-644)

[5] 王朝令.隧道地震超前預報中波場分離與反演方法的數值模擬研究[D]. 成都: 西南交通大學，2012(Wang Zhaoling. The Numerical Simulation Research on Separation of Wave Field and Inversion Method in Tunnel Seismic Prediction[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University，2012)

[6] 林義，劉爭平，王朝令.圍巖松動圈對TSP預報的影響研究[J]. 地球物理學進展，2015，30(2): 912-919(Lin Yi, Liu Zhengping, Wang Zhaoling, et.al Effects of Loosing Circle in Surrounding Rock of TSP[J].Progress in Geophysics, 2015, 30(2):912-919)

About the first author:WANG Zhaoling, PhD, associate professor, majors in tunnel seismic prediction, E-mail：wong8010@gmail.com.

Numerical Simulation of TSP Tunnel Cave Model of Seismic Prediction

WANGZhaoling1YANGQian1CHENZhang1YANGWen1

1 College of Civil Engineering, Sichuan Agriculture University, 288 Jianshe Road, Dujiangyan 611830, China

Tunnel excavation encounters a variety of geological challenges, such as faults, caves, etc. Currently tunnel seismic prediction adopts TSP, which is used widely, but research about TSP is currently focused on its engineering application examples. In this paper, we use the finite element method to simulate the tunnel seismic wave field, employing wave field snapshots and combined time recording methods to study the impact of caves on the characteristics of the propagation of seismic wave field tunnel. We also employ inversion processing of the time record of the model containing the cave. We compare our method with the velocity scattered image and reflection interface position, velocity processing with the default values set by using TSPwin. The results are good for tunnel seismic velocity cave layered model with single prediction, and have a higher prediction accuracy of the P-wave. Finally, we process and analyze engineering examples to verify the numerical simulation the conclusions.

TSP；TSPwin; cave；snapshot；tunnel seismic prediction

National Natural Science Foundation of China, No.5150835.

2015-12-14

項目來源：國家自然科學基金(51508358)。

王朝令，博士，副教授，主要研究方向為隧道地震超前預報，E-mail：wong8010@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.012

1671-5942(2016)011-0998-05

P315

A