利用地震勘探預報隧道和地下空間的地質風險

（中冶武勘工程咨詢（湖北）有限公司，湖北 武漢 430080）

摘要：本文介紹了在隧道開挖階段采用儀器，可對掌子面前方＞100 m 的地質不確定因素進行間斷式或連續探測勘察出地質的地震反射數據，分別對地下含水帶、洞穴、斷層和破碎帶進行評估，結合P波和S波的速度及密度分析了彈性材料中的應力和應變的關系。通過地震勘探計算分析可以充分了解地質層的結構，對地址災害風險進行評估和預測，為地下工程施工人員及隧道通車的安全性提供了保障，有利于減少后期項目的維修成本，提高經濟效益。

關鍵詞：地震勘探；波阻抗；楊氏模量；泊松比

中圖分類號：U456" " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " 文章編號：

Prediction of Geological Risk of Tunnel and Underground Space by Seismic Prospecting

YANG Haibo

（MCC Wuhan Engineering Consulting （Hubei） Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430080，China）

Abstract： This paper introduces the use of instruments in the tunnel excavation stage， which can detect geological uncertainties gt; 100 m in front of the face of the face by intermittent or continuous seismic reflection data， respectively to evaluate the underground water-bearing zone， cave， fault and fracture zone， combined with P wave and S wave velocity and density to analyze the relationship between stress and strain in elastic materials. Through seismic exploration calculation and analysis， we can fully understand the structure of the geological layer， assess and predict the disaster risk of the site， and provide guarantee for the safety of underground engineering construction personnel and tunnel traffic， which is conducive to reducing the maintenance cost of the later project and improving the economic efficiency.

Keywords：seismic exploration;wave impedance;Young's modulus;poisson's ratio

0 引言

隧道及其地下工程建設是建筑工程中最危險的活動之一，這是因為地質條件復雜對施工安全的影響。對于地下工程，特別是深埋地下工程，通常無法像地面建筑一樣在計劃開挖的整個范圍內實施一般性的地質勘察，且勘察精度要求更高。地質條件不但決定了地下建筑的建設成本，也可能最終決定一個項目的整體可行性。工程人員對地質及其巖土參數等勘察資料的了解是地下工程建設重要的先決條件之一。由于條件的限制，越來越多的地下工程不得不在非常復雜的巖土條件下實施，特別是其深埋于地表以下時。

較高的建設成本和更高的安全需求導致對開挖效率的要求越來越高，這也要求盡可能使用更先進的技術和更為優化的方案。地下建筑項目的圍巖性質的空間不確定性普遍大于普通的地上建設工程項目，地質環境和造價之間相關聯，這使得工程專業知識和經驗成為項目順利開展的至關重要影響因素。但是，由于缺乏類似地質條件下的施工經驗，必須考慮與地質條件相對應的特有的不確定性。鑒于地下工程的特殊性，需要對地質條件進行徹底和持久的調查。這為巖土工程師和工程設計團隊帶來了不小的困難和挑戰。本文將討論如何采用輔助工具在復雜的地質條件下安全施工。

1 隧道地震勘探

20世紀60年代到70年代出版了許多關于地震勘探應用于地下建筑的文獻。最初對地震勘察方面的分析來自挪威，主要研究了不同地質條件的重要性，如節理密度、巖石類型和構造等，及其對地震參數的影響，建立了地震縱波速度與巖石力學參數之間的關系，由此得出了基于折射地震數據的巖石分類。

地震波通過震源（如爆炸、機械振動器或沖擊錘）的振動或振動位移而在地層中傳播[1]。與沿開挖面側壁的機械錘擊法相比，在開挖面側壁約1.5 m深的鉆孔中通過少量的非破壞性炸藥可獲得最大的探測距離，而機械錘擊法可以快速獲取多組可重現的振動信號，并通過信號疊加得到相當可觀的長達80 m～100 m的探測距離。

如果地震波穿過地層并遇到反射面，可被反射到接收器（傳感器）中，例如，接收器被放置于掌子面中1.5 m～2 m深的細長鉆孔中。傳感器最好由三軸加速度計組成，這樣可以測量高頻信號，該信號在低于其固有頻率的頻段范圍內受固體巖石影響較小。

圖1顯示地震記錄儀測量地震波從震源到反射界面再到接收器所需的傳播時間。

地震數據處理中的一個基本問題是確定時（間）-深（度）轉換，這是地球物理學和地質學的交匯點[2]。時-深轉換的計算需要在不同類型的地層或巖層中建立地震速度模型。一旦地震波在反射界面處被反射，就意味著波阻抗的變化足夠大，在接收端可以獲得一個可測出的\"非零的\"反射系數。若縱波從一個巖層傳播到另一個巖層時速度發生了變化，或者巖層的體積密度不同，就會出現這種情況。

波阻抗被定義為Z=ρVP，其中ρ為巖層的體積密度kg/m3，VP為縱波在巖層中的速度km/s。如果密度和速度有較大的變化，比如巖層和空洞接觸時，地震信號響應會非常顯著。相反，若是石灰巖和白云巖接觸，地震探測就很難觀測到，這是因為兩種巖石類型之間的波阻抗變化很小。其次，地震速度對于土木工程來說是一個強相關的參數。此外，縱波速度和橫波速度都很重要，但其只有在通過三維傳感器接收到完整的彈性波波場，且經過數據后處理程序，將不同類型的縱波和橫波清晰地分離出來，方才有用。鑒于地震處理和成像技術在石油和天然氣勘探中的進步，預計在未來十年內，利用機器學習算法，得出減少地震結果的多解性，從而實現更多的自動化。造成多解性的常見變量是深度（埋深）、孔隙度或節理裂隙密度、單軸抗壓強度和巖層密度。盡管巖石類型相同，但上述因素在地震波速變化中起著重要作用。當節理裂隙發育時，VP和VS通常會有很大程度的降低，而VP/VS相對于實驗室測量值則是增加的。另一方面，地震波速與節理裂隙密度不一定成正比，因為巖石成分等其他因素也發揮了重要作用。深度（埋深）對地震速度的影響是常見的。地震速度隨深度或覆蓋層的增加而增加。但這一規律具有不確定性，因為開挖層面的巖石質量和原位應力可能不同。因此，與直接在地下進行的測量相比，從地面進行的地震測量結果在解釋時包含更多的不確定性，因為在地下進行的測量結果可以將直達波的地震速度與開挖的地質情況進行真正的對比，這樣可以對測量的地震參數和觀測到的地質情況進行標定，減少多解性。此外彈性理論是描述彈性波傳播的基礎。胡克定律給出了彈性材料中的應力和應變的關系。各向同性材料具有三個常用的獨立彈性特性，即楊氏模量、剪切模量和泊松比。

楊氏模量E，定義為單軸應力狀態下的應力與應變之比。動態楊氏模量公式如下：（1）（2）（3）

式（1）～式（3）中：Edyn為動彈性或楊氏模量；ρ為巖層密度；μ為剪切模量，定義為剪應力與剪應變之比；V為泊松比，Vp為縱波速度，km/s；Vs為橫波速度，km/s；定義為單軸應力狀態下的側向應變與軸向應變的負比值。

所有三種彈性巖石特征都可以通過VP和VS，即P波和S波的速度及密度得出。

2 地下含水帶評估

地下水狀況調查對于地下工程的順利進行非常重要，僅憑地面進行的初步調查研究很難評估深埋地下水的狀況。然而，通過對P波和S波速度變化及泊松比的變化進行深入分析，利用地震方法探測含水帶是可行的[3]。在良好至中等巖體條件下，泊松比可在0.2～0.3變化。地震預測結果的經驗表明，如果計算的泊松比值取0.3～0.35，可探（預）測出含水巖層。

圖2顯示了在隧道掌子面前方約130 m范圍內的地震預測所得出的泊松比圖。在這個范圍內，里程9 750 m～9 722 m和里程9 701 m～9 674 m預測了兩段可能的含水帶。挖掘過程中，進行了多次超前鉆孔探測，在里程9 739 m處探測到一個長2 m、出水量為3 L/s 的含水帶，第二段含水帶長約32 m，從里程9 689 m開始，報告的出水量為10.2 L/s。

3 洞穴評估

在地下工程施工過程中遭遇隱藏在巖體中的溶洞或空洞會帶來多種危害，如塌方、泥石流或突涌水，導致人員和設備等存在被掩埋的風險。由于巖體與空洞之間的波阻抗比非常高，在這些界面處會產生非常顯著的地震信號響應，這樣可以大幅提高地震探測的有效性[4]。

圖3展示了一個實際案例，在此案例中，一座剛開始施工的寬為13 m的公路隧道需要垂直下穿一座既有隧道。圖3顯示隧道掌子面前方約140 m范圍內的P波速度分布。根據片巖試樣的物理性質測試，在干燥和飽和巖體條件下富含石英云母片巖的P波速度可能在4 300 m/s～5 000 m/s。然而，變質巖，尤其是片麻巖和片巖，表現出各向異性，平行于片理方向的波速大于垂直于片理方向的波速。本次案例研究在接收點和震源點間探測到的直達P波速度為5 700 m/s，這表明該巖體非常堅硬和完整，在圖3中以橙色表示，而黃色區域則代表硬度稍低的片巖。圖3（a）顯示隧道掌子面前方區域經計算得到的速度云圖，代表超低值的藍色區域在云圖的后方清晰可見。圖3（a）～（d）分別顯示了數據立方體模型的3D總體視圖、3D目標視圖、水平視圖、垂直視圖，此外，應用一個表面渲染算法繪制所有速度值低于1 420 m/s的目標值。

4 斷層和破碎帶評估

巖土工程師評估或測量最困難的變量之一是巖體中的原位應力場。靜態和動態模量之間的差異是由于巖石存在裂隙而不具有絕對的線彈性、均質和各向同性。巖石的裂隙和非線性響應對靜態探測的影響大于動態探測，這導致了靜態和動態模量的差異[5]。Van Heerden[6]通過對不同巖石類型在不同地應力下的測試得到了靜態和動態楊氏模量之間的一般關系，即靜態和動態模量之間存在下列指數關系。Estat=aEdynb，其中Estat和Edyn的值以GPa為單位，系數a和b與地應力有關。

圖4顯示了主要由砂巖、粉砂巖和黏土類巖所構成的巖體的真實案例研究。由于砂巖的P波速度一般介于2 700 m/s～5 600 m/s，所對應的地質條件顯然屬于低速度范圍，表明為劣質巖體。根據直達波速得到的動彈性模量Edyn參考值為20 GPa，由此計算得到的靜彈性模量Estat值為7 GPa～9 GPa。通過對掌子面前方VP，VS和巖土參數分析，確定了2個破碎帶和含水帶位置。

圖4包含縱向和平面圖上的VP，VS，泊松比，Estat，Edyn地震預測圖和根據掌子面素描進行的巖石分類。虛線表示軟弱圍巖的分界線，它與預測結果一致。

雖然在整個預測范圍內，巖體質量差異不大，但巖體整體狀況較差，存在較強的波能量衰減。將模量圖和速度圖與巖石分級的RMR值相比較，可以發現十分相同的曲線。特別是上述破碎帶可以很好地被預測到，因為它與圖4中通過掌子面繪圖所得到的巖體等級圖中的紅色區域具有可比性。在較遠的區域內，巖體的完整性從13 435 m開始至13 445 m變得較差，之后繼續變差直至13 470 m巖體破碎帶區域的開始。破碎帶區域的開始體現為VP和VS的雙下降，之后接收器沒有接收到進一步的信號反射，VP和VS與最后接收到的反射信號保持一致。地質預報圖（圖4）中所描述的淺藍色區域是指潛在含水帶區域。在開挖過程中，遇到25 L/s～100 L/s的涌水。

5 結語

三維地震勘探是一種經濟有效的地下工程探測方法，能夠評估巖石力學參數，將地震反射能量反演到實際反射體位置。借助準確的速度模型可以充分了解巖層結構，能夠對其巖石力學特性進行準確的描述。通過復雜的速度分析過程，建立一個非均質模型，在這個模型中，波阻抗差的結構成像以及與之相對應的地質變化被揭示出來。

本文討論的隧道案例研究表明，在沒有或僅有有限的通往地表的區域，地震探測有助于地質風險評估。盡管地震勘探還不能產生100%地下結構成像，但在識別巖石變化時，已實現了80%～90%的檢出率。如今，地震勘探在距掌子面50 m處的誤差精度為±1 m，在距掌子面150 m的誤差精度為±5 m，并朝著自動化數據處理和結構成像的方向持續努力，這將促進地下工程中地震勘探的長足發展。

參 考 文 獻

[1]王輝.用于巖體質量評價的地震波Q值計算方法[J].工程地質學報，2006，14（5）：699-702.

[2]牟元存，曹強，高樹全，等.隧道綜合超前預報效果及其影響因素分析[J].工程地球物理學報，2021，18（5）：603-612.

[3]李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2014，33（6）：1090-1113.

[4]趙永貴.國內外隧道超前預報技術評析與推介[J].地球物理學進展，2007（4）：1344-1352.

[5]王夢倩，岳建華，劉盛東.反射波超前成像預報系統及其應用[J].地球物理學進展，2014，29（3）：1439-1444.

[6]Vanheerden W L.General relations between static and dynamic module of rocks[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1987，24（6）：381-385.

編輯：楊洋

作者簡介：楊海波（1985～），男，湖北省紅安縣人，碩士，工程師，從事工程檢測、工程物探方面的工作。