地震波法在巖溶隧道中的應(yīng)用研究

楊 旭

(重慶國(guó)際投資咨詢集團(tuán)有限公司，重慶 400020)

1 隧道地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)原理和方法

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的理論基礎(chǔ)

依據(jù)彈塑性理論，取消力的作用能恢復(fù)的變形為彈性變形，不能恢復(fù)的變形為塑形變形。隧道超前預(yù)報(bào)中，小劑量藥包所激發(fā)的震源波，由于所接受外力較小且短，異常的物體通常近似看作彈性體。在巖溶隧道超前預(yù)報(bào)中，大部分工作區(qū)域可視作為穩(wěn)定的沉積地區(qū)，所以在觀測(cè)中把目標(biāo)體看成理想的各向同性，把常用的彈性理論結(jié)合到地震波的觀測(cè)中。

通常理想的地震波模型為：設(shè)定震源脈沖bδ(t)，假定無(wú)透射、吸收、多次反射等因素干擾，無(wú)隨機(jī)干擾的理想輸出為

X(t)=bδ(t)Rt=bR(t)

(1)

式中:R(t)為反射系數(shù)函數(shù)。

對(duì)地震勘探而言，除了一次的反射波外其他均為干擾波，地震波在巖溶體內(nèi)傳播導(dǎo)致其發(fā)生震動(dòng)，因?yàn)椴煌牡刭|(zhì)巖體有不同的物理性質(zhì)參數(shù)。這些模量主要有泊松比σ、拉梅系數(shù)λ、楊式模量E、體積壓縮模量K、切變模量G、縱波速度Vp、橫波速度Vs。彈性介質(zhì)的地震波和這些參數(shù)緊密相連。各參數(shù)關(guān)系如下

式中：ρ、Vp、Vs分別表示巖石的密度、橫波速度、縱坡速度。從以上公式知，由這三個(gè)參數(shù)可求出其他參數(shù)[3]。在進(jìn)行超前預(yù)報(bào)時(shí)，通過(guò)研究超前地震波的速度，可以建立波速與反射系數(shù)、孔隙流體、上體密度、孔隙度、泊松比等的關(guān)系，從而確定隧道超前預(yù)判的理論原則。

1.2 隧道地震波法的基本原理

地震波分面波和體波兩大類[4]，面波在介質(zhì)自由界面?zhèn)鞑ィw波則主要在介質(zhì)體積內(nèi)部傳播。以下主要從體波的橫波和縱波兩方面展開(kāi)研究。

橫波：巖體中彈性性質(zhì)介質(zhì)發(fā)生剪切時(shí)產(chǎn)生的波[5]，波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直。S波則是垂直面和水平面兩個(gè)方向所組成。

縱波：介質(zhì)發(fā)生壓縮、拉伸所產(chǎn)生的波為縱波[6]，當(dāng)縱波在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)，會(huì)有間隔和稀疏帶型出現(xiàn)，因此縱波又往往稱為拉伸波或壓縮波，波的振動(dòng)方向與傳播方向相一致。縱波在傳播的過(guò)程中根據(jù)特點(diǎn)分為透射波、直達(dá)波、反射波。

在地震勘探的過(guò)程里，分界面兩邊的介質(zhì)對(duì)波的阻抗和入射波振幅之間的關(guān)系式如下

(2)

式中：ρ1、v1表示反射面上介質(zhì)的密度和速度；ρ2、v2表示反射界面下介質(zhì)的密度與速度。震源所發(fā)出的地震波在傳播的過(guò)程中，當(dāng)遇到落水洞、溶洞、暗河時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反射，尤其是充泥充水溶洞時(shí)，反射系數(shù)最高可達(dá)0.5。

振動(dòng)是產(chǎn)生波動(dòng)的源頭，而波動(dòng)是振動(dòng)的傳播過(guò)程，巖體內(nèi)各點(diǎn)都是以彈性力相聯(lián)系，在其傳播過(guò)程中會(huì)有多次的透射、折射以及反射等進(jìn)行信息的交換，所以地震波在傳播過(guò)程中隨著距離的增加，能量越來(lái)越弱，直至完全被損失掉。因此，選擇合適的震源布置對(duì)提高前期觀測(cè)巖體情況的精度尤為重要。

1.3 巖溶隧道的地震波數(shù)值模擬(以偏移理論為例)

對(duì)于地震波傳播路徑的追蹤可以采取數(shù)值模擬方式，對(duì)于地震元素歸位到反射層或者繞射點(diǎn)的相位位置則對(duì)應(yīng)于偏移歸位法。雖然對(duì)于水平面內(nèi)的反射面不發(fā)生偏移，但由于山體一般都與隧道斜交。以圖1為例，顯然由于所觀測(cè)的地質(zhì)面不平，觀測(cè)到的反射點(diǎn)往往不在其正下方，其位置發(fā)生了偏移變化。真實(shí)的反射層在CD，而視覺(jué)反射層在C′D′，視反射層傾角為ζa=BOD′，顯然ζ>ζa，視反射層傾角與真實(shí)的反射產(chǎn)生不一樣，從而可以對(duì)疊加面進(jìn)行處理，回到正確的位置。

圖1 偏移原理示意圖

利用能量激發(fā)出地震波，其在地下傳播的過(guò)程中遇到障礙物，記載反射波的時(shí)間和接收到的時(shí)間，可以計(jì)算地震波的波速。地震反射成像往往分為兩步驟：①按時(shí)記載反射波的時(shí)間；②實(shí)時(shí)處理接收的反射波。

2 隧道地震波法TSP

2.1 TSP隧道地震波法的炮孔布置及工作原理

隧道地震波法TSP(Tunnel Seismic Prediction)探測(cè)是一種多分量多波高分辨率的地震反射方法，通常包括三個(gè)部分：配件、儀器主機(jī)和處理軟件。通常在隧道邊墻的一側(cè)鉆24炮孔，在隧道的邊墻兩側(cè)各鉆兩個(gè)孔來(lái)設(shè)置地震波接收器，TSP地震波法鉆孔的布置如表1。通過(guò)在24個(gè)炮孔里的小量炸藥產(chǎn)生地震波，地震波在傳播過(guò)程中如果遇到斷層、暗河、溶洞時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射信號(hào)通過(guò)兩側(cè)的接收裝置記錄下來(lái)。反射的信號(hào)經(jīng)過(guò)匯總經(jīng)相關(guān)軟件的處理便可在顯示器上成相，可以較準(zhǔn)確地觀測(cè)前方不良巖體的性質(zhì)、大小和一些具體情況。如圖5。

表1 地震波法TSP預(yù)報(bào)孔的布置要求

2.2 TSP在工程中的應(yīng)用特點(diǎn)

TSP在巖溶隧道工程運(yùn)用中通常應(yīng)用距離較長(zhǎng)(150～200 m)，可以在精確測(cè)量之前宏觀了解地質(zhì)巖土情況。同時(shí)TSP地震波法預(yù)測(cè)屬于三維空間，波的全面預(yù)報(bào)可以更好地預(yù)測(cè)前方情況。由于其技術(shù)相對(duì)比較成熟，所以其抗干擾性、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、采集信息完整準(zhǔn)確性以及對(duì)測(cè)量人員的人身安全的保護(hù)性都已取得不錯(cuò)的效果。結(jié)合現(xiàn)有大量巖溶隧道工程的實(shí)際運(yùn)用情況，TSP的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果往往和工程實(shí)際開(kāi)挖的情況相吻合，從而可以驗(yàn)證TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法在巖溶隧道中運(yùn)用的可行性。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某隧道開(kāi)挖面為灰?guī)r，呈淺灰色、灰白色，礦物成分以方解石為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬。Ⅳ級(jí)圍巖。

地震波速度測(cè)試段圍巖：

縱波速度Vp=2 894 m/s

橫波速度Vs=1 447 m/s

3.2 地質(zhì)分析

根據(jù)三維成像地質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)圖像分析，結(jié)合掌子面圍巖地質(zhì)揭示情況，對(duì)前方110 m范圍內(nèi)地質(zhì)條件及異常預(yù)測(cè)，相應(yīng)探測(cè)解譯成果見(jiàn)下表2。

表2 探測(cè)解譯結(jié)果

3.3 施工建議

(1)開(kāi)挖時(shí)應(yīng)采用短進(jìn)尺、弱爆破，加強(qiáng)對(duì)周邊孔的控制，爆破后應(yīng)及時(shí)做好排險(xiǎn)工作，及時(shí)做好支護(hù)，按照設(shè)計(jì)圖紙施工，(建議下次報(bào)檢里程DK104+574)；

(2)DK104+531～DK104+537段施工中應(yīng)做好超前支護(hù)，預(yù)防局部掉塊或坍塌；

(3)此次預(yù)報(bào)距離110 m，前方較遠(yuǎn)處因波形衰減，可能預(yù)報(bào)不確切，因此需及時(shí)進(jìn)行前方二次預(yù)報(bào)。

隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用地震波作為探測(cè)手段，而地震波在水、空氣以及不同巖體中的傳播會(huì)有差異，對(duì)金屬等致密材料敏感，本次預(yù)報(bào)若出現(xiàn)0.5～1 m的誤差，應(yīng)是在允許的范圍之內(nèi)。

4 總 結(jié)

研究地震波的理論、地震波的類型以及以偏移理論為重點(diǎn)的波速規(guī)律，結(jié)合TSP在工程實(shí)際中的布置設(shè)置方法，驗(yàn)證其工程運(yùn)用的可行性。TSP地震波法在巖溶隧道施工過(guò)程中的應(yīng)用可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)前方介質(zhì)情況，提前采取措施，可以減少巖溶對(duì)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的災(zāi)害，起到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

TSP法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)由于其準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)隧道的掘進(jìn)進(jìn)度有較高的要求，必須進(jìn)洞不少于70 m才能鉆孔布測(cè)點(diǎn)。其整體預(yù)測(cè)效果較好，局部精度不高，必須結(jié)合其他地質(zhì)方法才能提高局部地區(qū)的精度。