寧 剛

(鐵一院 甘肅勘察院物探新技術(shù)研究所， 蘭州 730000)

0 引言

基于地震波反射原理的隧道超前地震預(yù)報(bào)技術(shù)，國內(nèi)稱“地震負(fù)視速度法”[1]，國外稱TSP[3-5],即Tunnel Seismic Prediction ahead，也稱“隧道VSP”[7]。其原理是根據(jù)地震波在地層中產(chǎn)生的反射波特征，來預(yù)報(bào)隧道施工掘進(jìn)面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況，包括地層巖性界面、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、富水帶、巖溶發(fā)育帶等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模及大致產(chǎn)狀，推測其性質(zhì)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)，①預(yù)報(bào)距離相對較長；②成本低，資料提交快；③數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，對施工影響小。因而也成為地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的主要方法[1-8，17,19-20]。但TSP有效預(yù)報(bào)距離到底有多長？大部分的文獻(xiàn)報(bào)道為掌子面前方100 m～200 m[18]，也有文獻(xiàn)[13]說為掌子面前方300 m～500 m, 且圍巖越硬越完整預(yù)報(bào)長度就越長；石家莊鐵道學(xué)院的李忠等[8-16]從地質(zhì)構(gòu)造學(xué)理論、爆破地震學(xué)理論出發(fā)，就如何增加TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的探測距離進(jìn)行了初步的探討，他們認(rèn)為若能根據(jù)現(xiàn)場具體地質(zhì)情況來確定傳感器最佳安裝位置、選擇合適的采樣參數(shù)以及探測炸藥種類和用量，則探測距離可有效提高。他們還對如何利用TSP超前探測系統(tǒng)搜索角問題進(jìn)行了探討，指出當(dāng)以一個(gè)比較符合實(shí)際地質(zhì)情況的搜索角去處理地震記錄，不但會(huì)大大增加信息量，而且對構(gòu)造體的預(yù)測精度也會(huì)大大提高。他們應(yīng)用概率論數(shù)學(xué)方法，在新課納隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中也取得了一定效果。合理選擇參數(shù)能提高探測長度和精度，齊傳生和張景生[18-21]也認(rèn)同。上述都是在采集原始信號前對探測距離的探討，劉云禎老師[2,6]對采集到的數(shù)據(jù)中影響探測距離的“管道波”進(jìn)行了較為詳細(xì)地描述[2-6]，這也是影響探測距離的一個(gè)重要因素。

那么究竟能預(yù)報(bào)多長距離，實(shí)際中又有什么因素來影響探測距離。作者以最近兩在蘭渝鐵路、包西鐵路、天平鐵路、蘭新第二雙線、蘭青線、隆百高速等工程所做的280多次TSP現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行總結(jié)分析超前預(yù)報(bào)的有效信號長度，并根據(jù)TSP的偏移疊加原理來得出TSP的有效預(yù)報(bào)距離，并分析了影響有效信號的因素和提高預(yù)報(bào)距離應(yīng)采取的措施。原始信號以及有效信號長度的評價(jià)原則為正確判斷超前預(yù)報(bào)有效距離以及預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供依據(jù)，通過避免影響地震信號的因素來提高隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的長度。

1 TSP現(xiàn)場測試及影響預(yù)報(bào)距離的因素分析

作者僅對影響預(yù)報(bào)距離的主要因素和人為可控制的因素加以分析，對影響探測距離但又是常識性的因素做列舉，不做實(shí)例舉證。

1.1 TSP現(xiàn)場測試觀測系統(tǒng)及影響

超前預(yù)報(bào)現(xiàn)場測試的觀測系統(tǒng)是圖1[4-5，7，22]。在觀測系統(tǒng)中，需在隧道側(cè)壁設(shè)計(jì)鉆孔，包括左、右邊墻兩個(gè)接收孔和單邊墻的24個(gè)炮孔。具體的設(shè)計(jì)要求如下。

(1)接收孔的設(shè)計(jì)要求。兩個(gè)分別位于洞身兩側(cè)，φ50 mm(鉆頭鉆孔)，深度為1.9 m垂直隧道軸向，上傾5°～10°,離地面(隧底)高1 m ,距離掌子面約55 m。

(2)炮孔的設(shè)計(jì)要求。24個(gè)位于洞身同一側(cè),φ42 mm(鉆頭鉆孔)，深度1.5 m垂直隧道軸向，下傾10°～20°，離地面(隧底)高1 m，第1個(gè)炮孔離同側(cè)接收器孔20 m，炮孔距1.5 m，原則上要求炮孔和接收孔在平行與隧道軸線的一條直線上。

在實(shí)踐中，當(dāng)工程局準(zhǔn)備好炮孔和接收孔后，技術(shù)人員到現(xiàn)場還要進(jìn)行孔位測量，包括孔深和傾角，炮孔間距，測量的原因主要是在現(xiàn)場鉆孔過程中，由于多種原因設(shè)計(jì)的孔間距、孔深和孔傾角受人為因素影響，因而孔位參數(shù)的正確測量與否會(huì)影響偏移的處理結(jié)果，也影響判斷預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確性。

另外炮孔和接收孔是否符合要求，將對原始信號的質(zhì)量產(chǎn)生影響。比如較淺的炮孔震源激發(fā)的位置剛好在初襯后，而初襯后又有空洞，這將造成能量的損失；較淺的炮孔根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對聲波的壓制也不好，也就是說震源產(chǎn)生的能量很大一部分轉(zhuǎn)換成了聲波，而轉(zhuǎn)換為彈性波的能量較低。另外如果接收孔較淺，露出墻外的套管較長則可能造成接收器和套管在接收孔內(nèi)諧振，采集到的信號將包含虛假的信號，從而影響原始資料質(zhì)量。

1.2 影響探測距離的因素

1.2.1 震源對預(yù)報(bào)距離的影響

在石油勘探等深層地震方法勘探中，震源類型的可選擇性較大，另外震源能量的大小可以通過多種方法控制，現(xiàn)場激發(fā)環(huán)境對震源的形式和炸藥用量的限制較小。在隧道超前預(yù)報(bào)中，除了TRT(儀器)的錘擊震源外用，炸藥是被廣泛應(yīng)用的震源形式，炸藥用量的大小受到現(xiàn)場測試環(huán)境的影響，可選性較小，因此也使得震源對探測距離的影響成為較主要的因素。

(1)炸藥用量對激發(fā)的地震波振幅能量的影響。

炸藥震源屬于脈沖震源，脈沖的振幅A與炸藥量M的關(guān)系是A∞Mk1，當(dāng)炸藥量較小時(shí)，k1達(dá)到1～1.5，這時(shí)炸藥對巖石的破壞較小，爆炸的大部分能量轉(zhuǎn)換為彈性波[28-29]，因此藥量的增加有利于增加震源能量，較強(qiáng)的震源能量一般都預(yù)示著較長的探測距離。

圖1 超前預(yù)報(bào)現(xiàn)場測試的觀測系統(tǒng)Fig．1 TSP measurement layout

(2)震源激發(fā)頻率對探測距離的影響。地震脈沖的視周期或主頻與炸藥的關(guān)系由下式給出

(1)

由式(1)可見大的藥量時(shí)激發(fā)的波視周期大、主頻低[29]。大地對高頻率的吸收要比對低頻率的吸收高，因此如果炮點(diǎn)激發(fā)能量主要集中在低頻區(qū)，地震波傳播的距離就越長；相反如果炮點(diǎn)激發(fā)的能量集中在高頻區(qū)，那么地震波隨著傳播距離的增加能量衰減的快，傳播的距離就越短。因此震源能量大，激發(fā)的頻率低，探測距離在正常情況下應(yīng)該較大。但是通過增加震源能量的方法增加探測距離是有限的，這主要受到現(xiàn)場測試環(huán)境的影響，測試的位置一般都做了支護(hù)，較大的能量將破壞支護(hù)，這將影響施工。因此通過增加炸藥量的方法增加探測距離是有限的。在實(shí)踐中炸藥量的控制可以通過現(xiàn)場的試驗(yàn)，以及對一個(gè)地區(qū)的地質(zhì)情況的了解和經(jīng)驗(yàn)來確定，從而最大的增加探測距離。

1.2.2 地質(zhì)情況對預(yù)報(bào)距離的影響

地質(zhì)情況對預(yù)報(bào)距離的影響，主要體現(xiàn)在不同的巖性、不同破碎程度、不同含水性及礦物成分的圍巖對地震波的傳播能量衰減的影響，另外地震波的傳播過程中，球面擴(kuò)散、透射、反射、折射等也與地質(zhì)情況有關(guān)。

由于儀器采集到的數(shù)據(jù)是一個(gè)有限長度的數(shù)據(jù)，在這個(gè)有限時(shí)間長度內(nèi)反射波的傳播距離和地震波在圍巖中的傳播速度是密切相關(guān)的，地震波傳播速度越快，在有限的時(shí)間內(nèi)探測的距離就越長；地震波傳播的越慢有限時(shí)間內(nèi)探測的距離就越短。相對地質(zhì)情況來說在破碎的圍巖中，地震波傳播的速度要比在完整的圍巖中地震波的傳播速度慢，同時(shí)松散的介質(zhì)對地震波能量的吸收效果要強(qiáng)，因此在不考慮其他影響因素的前提下，速度較高的圍巖中地震預(yù)報(bào)勘探的距離要遠(yuǎn)的多。這個(gè)因素和與聲波影響成為確定預(yù)報(bào)探測距離的主要決定因素。

1.2.3 聲波對探測距離的影響

聲波對探測距離產(chǎn)生的影響，是指儀器采集到的地震信號中的混雜的聲音信號對探測距離的影響。在地震反射波法預(yù)報(bào)中，為了達(dá)到相應(yīng)的探測距離基本都在使用炸藥作為震源。按照觀測系統(tǒng)要求炮孔都需要封堵，目前主要采用錨固劑和水封的方法。封堵的目的，是讓炸藥爆炸產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為彈性波的形式在地層中傳播，而不要產(chǎn)生聲波，但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)這兩種方法都不能完全避免爆炸的能量產(chǎn)生聲波。當(dāng)聲波在隧道中傳播，對于原始信號來說它作為一種噪音干擾也被儀器一起采集到。圖2是聲波在隧道中相干加強(qiáng)的示意圖，從震源產(chǎn)生的聲波以直達(dá)聲波、多次反射聲波、單次反射聲波等形式傳到接收器進(jìn)行疊加。實(shí)際中的隧道是一個(gè)圓桶狀的幾何形態(tài)，因此在其中產(chǎn)生的多次反射聲波要比圖2中的復(fù)雜的多，這些多次反射的聲波疊加有時(shí)可淹沒有效信號。圖3是一個(gè)三分量檢波器采集到的原始數(shù)據(jù)，XYZ三個(gè)分量在60 ms附近都含有聲波的影響，從圖3中可以看到，聲波回響的能量已經(jīng)能夠達(dá)到淹沒整個(gè)有效信號的地步。聲波表現(xiàn)為振幅大，頻率高，相干加強(qiáng)的特點(diǎn)。

速度在340 m/s;圖4(b)是其對應(yīng)的頻譜，主要頻率集中在0 Hz～4 000 Hz；圖4(c)是a信號前60 ms的數(shù)據(jù)，這時(shí)聲波信號還沒有被采集到; 圖4(d)是其對應(yīng)的頻譜圖，主要頻率集中在0 Hz～2 000 Hz；圖4(e)是a信號60 ms后的數(shù)據(jù)，這時(shí)聲波信號已經(jīng)采集到;圖4(f)是其對應(yīng)的頻譜圖，主要頻率集中在0 Hz～4 000 Hz和a相同。從圖中可以看到,有效信號的頻率集中在0 Hz～2 000 Hz，而噪音信號集中在0 Hz～4 000 Hz這兩者有重疊的部分是不能用帶通濾波將其分開的。從圖4(a)中還可以看到,直達(dá)聲波的能量較弱，而在后續(xù)的數(shù)據(jù)中聲波加強(qiáng)，這主要是由于隧道內(nèi)聲波產(chǎn)生多次反射相干加強(qiáng)的結(jié)果。

圖2 聲波在隧道內(nèi)的相干加強(qiáng)示意圖Fig．2 Schematic diagram of the sound wave coherent strengthens in the tunnel

圖3 混雜有聲波影響的地震信號Fig．3 Seismic signal mixed with acoustic impact

在實(shí)際生產(chǎn)中像圖4(a)這樣的數(shù)據(jù)占到的比例非常高，并且聲波能量的相干加強(qiáng)，使得在后續(xù)資料處理時(shí)有效信號的識別受到嚴(yán)重干擾，帶通濾波也無用武之地，這就產(chǎn)生了本文提到的問題，探測距離直接受到聲波回響的影響。

1.2.4 實(shí)際中能探測到的距離

按照理論只要炸藥用量足夠大，隧道埋深足夠深，探測的距離應(yīng)該較長，像前面提到的幾百米甚至上公里。然而這種情況是一個(gè)理想狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，幾乎90%以上的數(shù)據(jù)在60 ms后都受到聲波的影響(偏移距20 m)，因此當(dāng)聲波干擾大于有效信號時(shí)探測距離也將受到影響。

表1 速度與探測距離的關(guān)系

按照設(shè)計(jì)的觀測系統(tǒng)計(jì)算，偏移距20 m時(shí)，聲波在傳播20 m的距離后就會(huì)被接收器接收到，按聲波在空氣中的傳播速度340 m/s計(jì)算，在58.8 ms后聲波就到達(dá)接收器并開始被接收器記錄到，這也就是為什么圖4與圖5聲波干擾出現(xiàn)在60 ms附近的原因。也就是說在58.8 ms之前的數(shù)據(jù)完全沒有摻雜聲波噪音影響。根據(jù)這個(gè)時(shí)間可以計(jì)算出不同速度的圍巖中的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)距離。如表1中的速度和不受聲波干擾的探測距離(探測距離根據(jù)橢圓偏移的保險(xiǎn)公式計(jì)算距離=時(shí)間×速度/5[23-25]，這個(gè)距離完全不受聲波干擾；最大不受干擾距離可按照雙程時(shí)間計(jì)算，公式為距離=時(shí)間×速度/2)。

劉云禎[2]提出由于聲波的傳播速度較慢，而巖石中地震波的傳播速度較快，因此增加偏移距可以使得有效信號長度增長，該方法也具有一定的可行性。然而由于震源藥量的限制，波能量的衰減，增加偏移距存在將有效能量損失在已開挖段的問題；而增加炸藥用量會(huì)增加對已有支護(hù)的影響，因此這是一個(gè)矛盾體，這就要求在現(xiàn)場根據(jù)情況安排合理的偏移距和藥量，已達(dá)到最好的探測要求。

2 提高預(yù)報(bào)距離的方法

提高預(yù)報(bào)的距離需要從如下幾項(xiàng)來控制：

(1)對藥量(能量)控制。這主要體現(xiàn)在控制震源能量上，一般較大的藥量能增加探測的深度，但過大的能量又會(huì)對隧道造成破壞，因此可以通過試驗(yàn)來確定一個(gè)工區(qū)采用多少藥量，既可以滿足探測深度要求又不對隧道造成破壞。

(2)控制觀測系統(tǒng)。觀測系統(tǒng)的科學(xué)布置可以減少因?yàn)榈卣鸩ㄔ谝验_挖段傳播的距離過長和能量損失，從而降低預(yù)報(bào)距離。也就是說最后一個(gè)炮點(diǎn)離掌子面越近越好，同時(shí)合適的偏移距能使得震源產(chǎn)生能量不在已開挖段損失過多，觀測系統(tǒng)定義偏移距20 m，在圍巖較差的情況下可以減小這個(gè)距離。另外控制偏移距還要同藥量控制相結(jié)合，因?yàn)閮x器對能量的響應(yīng)有一定的范圍，較大的能量將使得信號過大，失真變形，這時(shí)就要通過注意偏移距和藥量兩個(gè)因素來控制采集到的有效信號長度。

(3)炸藥埋設(shè)深度。按照觀測系統(tǒng)設(shè)置要求炸藥埋深為1.5 m，這個(gè)要求有兩點(diǎn)原因，①保證炸藥在未松弛巖體激發(fā)，因?yàn)樗淼篱_挖后在隧道襯砌后多少都存在一個(gè)松動(dòng)帶，松動(dòng)帶對炸藥的能量有吸收作用，而1.5 m基本可以保證跨過松弛帶，從而減少能量的損失；②對聲波的控制，炸藥埋設(shè)深度越深封堵效果越好，這有利于減少震源能量轉(zhuǎn)換為聲波。

圖4 儀器信號中不同信號和它的頻譜Fig．4 Different signal and its spectrum(a)儀器原始信號;(b)原始信號的頻譜；(c)是原始數(shù)據(jù)前60ms的數(shù)據(jù)沒有聲波;(d)是c相應(yīng)的頻譜； (e)是原始數(shù)據(jù)60ms后的數(shù)據(jù)有聲波影響;(f) 是e相對應(yīng)的頻譜

(4)充水和錨固劑封堵的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)充水可以保證炸藥周圍和基巖完全耦合，錨固劑則不能，因此充水激發(fā)的頻率要較低，而錨固劑封堵則激發(fā)的頻率較高，充水對聲波的壓制較好，而錨固劑封堵對聲波的壓制較差，不封堵則聲波的壓制最差。

(5)聲波的控制。除了上述第1、2點(diǎn)外，其他兩點(diǎn)都是在控制聲波對有效信號的影響，并且影響探測距離的最主要因素也是目前最不好解決的問題，就是聲波疊加到有效信號中去。經(jīng)過試驗(yàn)控制聲波還要注意檢波器套管的安裝、固定等。

3 結(jié)論

影響超前預(yù)報(bào)探測距離的因素有震源的能量大小、地質(zhì)情況、以及聲波等，在實(shí)踐中影響探測距離的最大因素就是疊加到地震信號中的聲波信號。要提高探測距離可以通過控制炸藥用量，觀測系統(tǒng)的合理科學(xué)布置，炸藥合適埋設(shè)以及炮孔的完好封堵等方法，做好上述幾個(gè)步驟控制好聲波噪音，從而提高探測距離。

致謝

作者編寫過程中得到韓永琦教高的大力支持和幫助，在這里表示感謝；在此還要感謝生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中認(rèn)真采集數(shù)據(jù)的物探所超前預(yù)報(bào)組成員。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾兆磺.隧道地震反射法超前預(yù)報(bào).地球物理學(xué)報(bào)[J]. 1994, 37(7):268-271.

[2] 劉云禎.論隧道管波對隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的影響[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2009,39(2):76-79

[3] KLOSE,CHRISTIAN D. Fuzzy rule-based expert system for short-range seismic prediction[J].Computers and Geosciences,2002,28(3):378-386.

[4] DICKMANN T, SANDER B K. Drivage-concurrent tunnel seismic prediction (TSP):results from Vereina north tunnel mega-project and Piora pilot gallery[J]. Geomechanics Abstracts,1997(2):82.

[5] SATTEL G， SANDER B， AMBERG F，et al. Predicting ahead of the fac[J]. Geomechanics Abstracts,1997(1):26.

[6] 劉云禎. TGP隧道地震波預(yù)報(bào)系統(tǒng)與技術(shù)[J].物探與化探,2009,33(2):170-177.

[7] 沈鴻雁.反射波法隧道、井巷地震超前預(yù)報(bào)研究[D]．西安：長安大學(xué)，2006.

[8] 白恒恒，辛民高.淺談長梁山隧道F5斷層的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2000(1):87-90.

[9] 李忠，劉秀峰,黃成麟,等. 提高TSP202超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測距離的技術(shù)措施的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003 (3) :472-475.

[10] 李忠. TSP-202探測系統(tǒng)在新倮納隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[J].地質(zhì)與勘探，2002,38 (1) :64.

[11] 汪琦，李忠.新課納隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中概率論的運(yùn)用[J].鐵道建筑技術(shù),2000(6):35-37.

[12] 鐘宏偉，趙凌.我國隧道工程超前預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].人民長江,2004,35(5):15-17.

[13] 劉志剛，劉秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003, 22 (8) :1399-1402.

[14] 劉秀峰，李忠.TSP探測數(shù)據(jù)采集和處理中應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J]. 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2002，15(2):1-5.

[15] 劉秀峰，劉志剛.TSP解譯及其功能擴(kuò)展時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問題的探討[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2003,16(1):91-94.

[16] 劉秀峰，劉志剛.巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2003,16(6):71-73.

[17] 趙永貴.工程地球物理檢測疑難問題研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2003,18(3):368-369.

[18] 齊傳生.TSP202隧道地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].世界隧道,1999 ,2(1):36-40.

[19] 史柏生.TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡介及其應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2004,84(4):27-30.

[20] 劉寶忠.TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在隧道施工中的應(yīng)用[J].山西建筑,2004,30(11):155-156.

[21] 張景科，堪文武.TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)原理及提高精度的途徑[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,10(3):170-173.

[22] 肖書安，G. SATTE.瑞士Vereina隧道工程中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)測量[J].廣東公路交通，1998,45(增刊):115-120.

[23] 沈鴻雁，李慶春，馮宏.隧道反射地震超前探測偏移成像[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(3):12-18.

[24] 沈鴻雁，李慶春，馮宏,等.隧道反射波地震超前探測技術(shù)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2008,30(6):75-81.

[25] 沈鴻雁,馮宏,李慶春,等.井巷掘進(jìn)超前地震探測資料處理方法技術(shù)系統(tǒng)研制與開發(fā)[C].西安：西安地圖出版社,2005.

[26] AMBERG MEASURING TECHNIQUE LTD. Operation Manual [M].Kunming(in China):Kunming Shape Regale Science and Technology Ltd:2003 .

[27] AMBERG MEASURING TECHNIQUE LTD. Software Manual [M]. Kunming(in China):Kunming Shape Regale Science and Technology Ltd:2003.

[28] 美國勘探地球物理學(xué)協(xié)會(huì).石油物探進(jìn)修教材(2).實(shí)用地震數(shù)據(jù)采集[M].1982.

[29] 何樵登.地震勘探原理和方法[M].北京：地質(zhì)出版社,1989.