王朝令 楊 茜 陳 章 楊 文

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，都江堰市建設(shè)路288號(hào)，611830

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TSP隧道地震預(yù)報(bào)空洞模型的數(shù)值模擬研究

王朝令1楊 茜1陳 章1楊 文1

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，都江堰市建設(shè)路288號(hào)，611830

采用有限元方法模擬隧道地震波場(chǎng)，采用波場(chǎng)快照與時(shí)間記錄相結(jié)合的方法，研究空洞對(duì)隧道地震波場(chǎng)傳播的影響，并對(duì)含空洞模型的時(shí)間記錄進(jìn)行處理，得到數(shù)值模型的速度云圖和反射層位圖。經(jīng)數(shù)據(jù)處理表明，采用TSPwin設(shè)定默認(rèn)值處理得到的速度云圖與模型設(shè)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(xiàn)條帶狀特征，需要結(jié)合速度云圖來(lái)確定空洞位置，且P波預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性相對(duì)較高。對(duì)TSP系統(tǒng)的抗噪性進(jìn)行研究，表明其具有良好的抗噪性能。最后通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的處理，驗(yàn)證了數(shù)值模擬所得的結(jié)論。

TSP；TSPwin；空洞；波場(chǎng)快照；隧道地震預(yù)報(bào)

溶洞內(nèi)填充物與周圍巖體具有明顯的波阻抗差異，當(dāng)?shù)卣鸩▓?chǎng)傳播到波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)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(yù)報(bào)失誤的主要原因在于對(duì)探測(cè)對(duì)象的地質(zhì)特征及地球物理特征認(rèn)識(shí)不清。李術(shù)才等[2]對(duì)巖溶裂隙水和不良地質(zhì)情況在超前預(yù)報(bào)中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。孫克國(guó)等[3]采用TSP預(yù)報(bào)方法對(duì)多個(gè)巖溶隧道進(jìn)行預(yù)報(bào)，總結(jié)出洞穴和暗河的判別規(guī)律。許振浩等[4]研究巖溶隧道內(nèi)斷層破碎帶、地下水充填和無(wú)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(yīng)用數(shù)值模擬研究隧道地震波場(chǎng)的數(shù)值模擬、分離和反演。林義等[6]應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了圍巖松動(dòng)圈對(duì)隧道地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)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(chǎng)的傳播過(guò)程，并用TSPwin軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)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(jìn)行比較，分析TSP預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。然后在數(shù)據(jù)中加入噪聲進(jìn)行分析，研究TSPwin的抗噪性能。最后以實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 空洞模型的數(shù)值模擬

為模擬空洞模型的隧道地震波場(chǎng)傳播情形，建立模型時(shí)需要結(jié)合計(jì)算能力，并能滿足分析需要。若模型太大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，不利于進(jìn)行修改模擬。為此，建立如圖1所示的模型，模型長(zhǎng)135 m，高75 m，在隧道模型的前方設(shè)置一個(gè)圓形空洞，其圓心坐標(biāo)為(87,5)，半徑為20 m，內(nèi)部填充P波為0，S波為0。檢波器設(shè)置與上述兩個(gè)模型相同，都位于隧道的邊壁上，震源激發(fā)采用主頻為300 Hz的零相位Ricker子波。當(dāng)主頻為300 Hz時(shí)，網(wǎng)格劃分長(zhǎng)度為0.5 m，可以最大程度地減小頻散效應(yīng)[1]。采樣間隔為62.5 μs，點(diǎn)數(shù)為7 128，與TSP的設(shè)置相同。

圖1 模型圖Fig.1 Model diagram

TSP數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用單個(gè)三分量接收，24炮激發(fā)，根據(jù)炮檢互換原理，相當(dāng)于單炮激發(fā)，24道三分量檢波器接收。為方便計(jì)算，在數(shù)值模擬時(shí)，采用單炮激發(fā)多道接收，使得計(jì)算模型的觀測(cè)系統(tǒng)與TSP實(shí)際采集時(shí)的相同。需要說(shuō)明的是，在模型數(shù)據(jù)處理過(guò)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(jìn)行的，只能取到x、y兩個(gè)分量。圖2是提取的時(shí)間記錄，圖中的直達(dá)縱波、直達(dá)橫波都比較清晰，第一個(gè)同相軸的反射橫波是RSSR現(xiàn)象引起的，第二個(gè)反射同相軸是前方界面的反射橫波。隧道內(nèi)沿邊壁傳播的Rayleigh面波在工作面角點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換為S波，以體波的形式向前傳播，遇到界面反射回到角點(diǎn)后，轉(zhuǎn)換為Rayleigh面波，此即為RSSR現(xiàn)象[2]。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅娇斩磿r(shí)，x分量相對(duì)于y分量來(lái)說(shuō)要復(fù)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(gè)時(shí)間剖面存在反射縱橫波，其中直達(dá)橫波和反射橫波能量強(qiáng)，所以比較明顯。

圖2 數(shù)值模擬的時(shí)間剖面Fig.2 Time recording of numerical simulation

圖3為空洞模型提取的波場(chǎng)快照，T=7 ms顯示震源所激發(fā)的P波、S波開(kāi)始分離；T=10 ms、15 ms時(shí)，波場(chǎng)傳播到接收排列上；T=20 ms、25 ms、30 ms過(guò)程中，波場(chǎng)傳播過(guò)接收排列，并到達(dá)工作面位置，在角點(diǎn)上產(chǎn)生RSSR現(xiàn)象；T=33 ms、35 ms，經(jīng)RSSR轉(zhuǎn)換出來(lái)的橫波與原來(lái)的波場(chǎng)產(chǎn)生疊加一起向外傳播，產(chǎn)生新的波場(chǎng)；T=37 ms、40 ms過(guò)程中，橫波傳播到空洞位置，此時(shí)P波已經(jīng)到達(dá)下邊界；T=42 ms、45 ms，由于空洞的存在，產(chǎn)生繞射現(xiàn)象；T=49 ms、52 ms、55 ms、59 ms時(shí)反射波由空洞反射到工作面，可以觀察到明顯的繞射現(xiàn)象；T=63 ms、68 ms，經(jīng)過(guò)RSSR轉(zhuǎn)化的Rayleigh面波繼續(xù)沿排列方向傳播；T=72 ms、78 ms時(shí)，可以觀察到左邊界有波反射回來(lái)，這是由繞射現(xiàn)象產(chǎn)生的波場(chǎng)，同時(shí)反射波繼續(xù)沿排列傳播，此現(xiàn)象可以與圖2的時(shí)間剖面進(jìn)行對(duì)比，形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，此時(shí)波場(chǎng)已經(jīng)變得非常復(fù)雜。

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

2 模型數(shù)據(jù)處理

按照TSP的處理流程，應(yīng)用TSPwin對(duì)得到的時(shí)間記錄進(jìn)行處理，各處理步驟均采用TSPwin默認(rèn)值進(jìn)行，得到如圖4所示的速度云圖。圖4中，橫坐標(biāo)表示預(yù)報(bào)距離(以震源位置起算)，縱坐標(biāo)表示以隧道向兩邊展布半徑，兩者的單位均為m。在計(jì)算地震波傳播過(guò)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(wú)關(guān)。與模型進(jìn)行對(duì)比可知，低速異常區(qū)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(shè)定的位置非常接近，表明對(duì)空洞模型而言，速度分析云圖可以提供比較準(zhǔn)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(jīng)過(guò)偏移后處理得到的反射層位分布。可以發(fā)現(xiàn)，圖中反射層位分布比較明顯，模型中的分布位置相符，說(shuō)明TSP在探測(cè)空洞時(shí)，反射層所呈現(xiàn)的形態(tài)是以前后界面來(lái)表示的，這增加了空洞在提取反射層圖上的設(shè)定難度。此時(shí)，結(jié)合速度分布云圖，可以提高準(zhǔn)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(yù)報(bào)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(duì)數(shù)值模擬所提取的時(shí)間記錄加入隨機(jī)噪聲，得到圖6所示的低信噪比信號(hào)。從圖6可以看到，信號(hào)湮沒(méi)在隨機(jī)噪聲中，整個(gè)剖面不容易辨識(shí)，x分量中除了直達(dá)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(shí)間記錄Fig.6 Time recording with additive noise

對(duì)加噪聲信號(hào)采用TSPwin進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)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(shè)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(qiáng)，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(shù)據(jù)所提取的反射層。對(duì)比模型圖1可以看到，在70～100 m區(qū)間內(nèi)， P波反射界面所處位置與模型設(shè)置相近，且形態(tài)也較一致，但是相比于圖8未加噪聲的P波反射層提取，對(duì)應(yīng)性有所降低，且反射層強(qiáng)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(shè)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(yù)報(bào)精度而言，P波更好。

通過(guò)對(duì)加噪聲的數(shù)據(jù)處理表明，TSP具有良好的抗噪性能。TSP在數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)采用在隧道邊壁打孔，用環(huán)氧樹(shù)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(hào)，使得原始時(shí)間記錄具有很高的信噪比，因此TSP系統(tǒng)所具有的抗噪性能可以滿足實(shí)際工程需要。

4 工程實(shí)例

考慮到隧道超前預(yù)報(bào)方法的施工特點(diǎn)，若要驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，則只能選取已經(jīng)開(kāi)挖完的隧道，比較開(kāi)挖之前的預(yù)報(bào)結(jié)果和開(kāi)挖后揭示的地質(zhì)情況，對(duì)比兩者的差異。依據(jù)常規(guī)TSP觀測(cè)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(gè)激發(fā)孔，孔深1.5 m左右，向下傾斜約10°，每個(gè)激發(fā)孔裝填藥量為100 g，激發(fā)孔和接收孔基本保持在同一個(gè)高度。采用上文所述處理流程中設(shè)定的參數(shù)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)反射交錯(cuò)出現(xiàn)，推測(cè)發(fā)育有溶洞或是破碎帶。根據(jù)圖9(a)速度云圖，由于低速區(qū)呈區(qū)塊狀分布，推測(cè)為空洞；隧道開(kāi)挖結(jié)果顯示，在110 m處溶洞覆蓋掌子面左側(cè)拱腰處有溶洞，溶洞規(guī)模長(zhǎng)33.7 m、寬32.4 m、高24 m，溶洞深度超過(guò)隧底高程，整個(gè)溶洞靠線路右側(cè)，并超過(guò)右邊墻8 m以上。這說(shuō)明預(yù)報(bào)結(jié)果與開(kāi)挖結(jié)果非常一致，采用文中的參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)前方的地質(zhì)災(zāi)害。隧道地震超前預(yù)報(bào)作為一種地球物理勘探方法，其結(jié)果存在多解性，在參照速度云圖和反射層圖時(shí)，需要結(jié)合兩者作出判斷，并在施工時(shí)進(jìn)行多種準(zhǔn)備，應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的施工事故。

5 結(jié) 語(yǔ)

TSP在工程中應(yīng)用非常廣泛，但目前國(guó)內(nèi)外都將其作為一種工程方法進(jìn)行實(shí)例預(yù)報(bào)研究，采用正演模擬并進(jìn)行處理分析的研究相對(duì)較少。本文建立溶洞模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)波場(chǎng)快照研究隧道地震波場(chǎng)的傳播特征，對(duì)得到的時(shí)間剖面按照TSP的常規(guī)流程進(jìn)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(xiàn)比周圍速度低的特征，在提取的反射層圖中空洞呈現(xiàn)豎向條狀包圍的特征，因此需要結(jié)合速度分析空洞的位置和形態(tài)。分析表明，P波的準(zhǔn)確度較高。對(duì)數(shù)值模擬所得的時(shí)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(guò)工程實(shí)例表明，P波預(yù)報(bào)是比較準(zhǔn)確的。

本文以空洞模型為例，采用有限元數(shù)值計(jì)算模擬了隧道的地震波場(chǎng)，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)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(xiàn)的特征，并研究了TSP系統(tǒng)的抗噪性能，為工程中應(yīng)用TSP進(jìn)行隧道地震預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)處理和資料解釋提供理論依據(jù)。

[1] 鐘世航.TSP作隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)幾例失誤原因分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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(shù)才, 李樹(shù)忱, 張慶松,等. 巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報(bào)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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)

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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(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金(51508358)。

王朝令，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樗淼赖卣鸪邦A(yù)報(bào)，E-mail：wong8010@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.012

1671-5942(2016)011-0998-05

P315

A