石靜雯

摘 要：本文是根據陸地聲納法的工作原理和地震正演模擬中的射線追蹤法提出的。環(huán)形信號采集觀測系統(tǒng)是在盾構機刀盤半徑上安裝兩個自激自收的檢波器，隨著盾構機轉動一圈，得到兩組反射波信息，對這兩組反射波信息進行處理和資料解釋，推斷前方不良地質體的形態(tài)特征和位置信息，實現(xiàn)盾構機陸地聲納的超前地質預報。本文所要研究的就是在此環(huán)形觀測系統(tǒng)下，反射波同相軸的形態(tài)特征。要實現(xiàn)本研究，不僅要推演出不同走向和傾角的斷層（以下簡化為反射面模型），不同位置和大小的溶洞和“孤石”相對于盾構機刀盤上各個測點的相對空間位置關系，然后數值模擬出它們的環(huán)形反射波同相軸特征，還要確定不同需求的情況下兩個檢波器的相對位置關系。

關鍵詞：陸地聲納法 盾構機 同相軸 環(huán)形采集系統(tǒng) 正演模擬 地質超前預報

中圖分類號：P642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0072-03

隨著城市密集度的提高和高層建筑的不斷增加，地面可利用的空間越來越少，許多城市都將地下交通網線作為解決交通擁擠最為有效的手段。由于盾構法具有機械化程度高、勞動強度低、施工進度快、對周邊環(huán)境干擾小等獨特的優(yōu)點，盾構法隧道技術廣泛應用于城市地鐵的修建工程。盾構法適用于松散軟土、淤泥、硬巖等幾乎所有復雜地層，快速地推動了在不良地質、大深度、長距離條件下地下工程開挖技術的發(fā)展。在地鐵盾構施工過程中，未探明的地質災害會帶來重大安全隱患，影響較大的災害主要有三種，為斷層、溶洞和“孤石”[1]。斷層破碎帶是誘發(fā)突水突泥的主要地質災害源之一，特別是發(fā)育規(guī)模較大、內部充填介質軟弱、地下水運動活躍的斷層帶，在工程擾動、地應力與水壓作用下極易失穩(wěn)破壞發(fā)生突水突泥災害。而溶洞常常充填高壓水、大體量泥質，且具有強補給通道，極易發(fā)生大體量突水、涌泥等地質災害。在盾構過程中遇到“孤石”時，盾構掘進非常困難，刀盤頻繁被卡或嚴重變形甚至磨損，即使能通過地面土壤加固、排石或換刀等技術措施處理，也會極大地增加施工成本，對工期和投資控制產生重大不利影響。更嚴重時，甚至導致工作面噴涌、塌方，危及地面行車或建筑物安全。地質超前預報工作對地鐵盾構施工非常重要[2]。陸地聲納法的技術屬于國內外首創(chuàng)，它在隧道施工中探查斷層破碎帶、溶洞等方面，以及在城市地面淺層勘探方面達到國際領先水平，有很好的推廣價值和廣闊的應用前景。

陸地聲納法原本主要采用交叉的兩條測線作為信號采集系統(tǒng)，而由于施工條件的限制，盾構過程中在掌子面前方由人工作兩條交叉測線并不現(xiàn)實，所以陸地聲納的信號采集系統(tǒng)發(fā)生了重大變化，在盾構機刀盤上作一個自動的環(huán)形信號采集系統(tǒng)，所以原有的正演數值模擬系統(tǒng)不可用了，需要重新設計正演數值模型，并進行研究。

地震數值模擬在地下勘探中起到重要的作用，是地質數據采集、處理、解釋的分析基礎，通過正演模擬，可以為地震數據的采集、處理、解釋提供科學的評估方法和理論依據，同時也可以檢測采集系統(tǒng)設計的可行性，處理和解釋結果的正確性[3]。地震正演模擬的主要方法有波動方程法和射線追蹤法。波動方程法是在理論上模擬地震波的傳播，同時保持了地震波的動力學特征和運動學特征。射線追蹤法是一種基于幾何光學的計算方法，在高頻近似的情況下，地震波的主能量沿著射線軌跡傳播，其方法的優(yōu)點是計算速度快，獲得的地震波時間比較準確[4]。

1 陸地聲納法信號采集系統(tǒng)分析

陸地聲納法是“陸上極小偏移距（震-檢距）超寬頻帶彈性波反射連續(xù)剖面法”的簡稱。陸地聲納法是彈性波反射法的一個新方法，它是以彈性波勘探的基本理論為基礎的。它采用接近于零震-檢距的方式工作，極小偏移距的特點，使得陸地聲納法可避開直達波和面波的干擾。它采用激振器作震源，檢波器緊固在盾構機刀盤上。通過采集排列實現(xiàn)自激自收，實際上為極小震-檢距。自激自收得到的是垂直反射面的入射波的反射波，不產生轉換波或者轉換波能量很小。陸地聲納法的接收系統(tǒng)具有超短余震的特性。在激震子波僅有一個周期的情況下，通常接收到的反射波也僅有一個周期，分辨率大大提高；同時，檢波器的接收方向性很強，使得接收角小。采用分窗口帶通濾波的方法，提取不同頻段的信號的時間剖面，并將不同頻段的時間剖面作對比；10Hz～4kHz寬頻帶的接收在城市物探工作中可不受人形、車流等常規(guī)干擾，可自由分離提取工作頻段[5]。

陸地聲納法在盾構掘進過程中向前探查時，需要在掌子面前方人工錘擊作震源，并且需要在掌子面前人工作十字形的兩條交叉測線作為信號采集系統(tǒng)。

地震記錄上各道振動相位相同的極值的連線稱為同相軸。根據以往的經驗，斷層在陸地聲納兩條交叉測線的時間剖面上表現(xiàn)為直線同相軸，溶洞和“孤石”在陸地聲納的時間剖面上表現(xiàn)為曲線同相軸[6]。

陸地聲納法與地震勘探的基本解釋方法一樣，就是追蹤同相軸。陸地聲納處理軟件僅僅提供了對數據的預處理功能，并沒有提供對地質的解析功能。而地質資料解釋的基礎就是正演的圖形?，F(xiàn)在受條件限制，人無法進入到掌子面前方去作兩條交叉的測線，所以進行盾構機環(huán)形采集觀測系統(tǒng)的研究。本課題主要就是進行環(huán)形采集系統(tǒng)的設計，并且研究環(huán)形采集系統(tǒng)下正演模擬的同相軸圖形。

2 環(huán)形采集系統(tǒng)設計

盾構機在隧道掘進過程中，由于受條件限制，人無法進入到掌子面前方去。所以采用環(huán)形采集系統(tǒng)實現(xiàn)反射波信號的觀測和采集。環(huán)形采集系統(tǒng)是直接在盾構機的刀盤半徑上安裝兩個彈性波的檢波器來實現(xiàn)自激自收彈性波，盾構機刀盤以每分鐘0.3圈的速度旋轉，這樣轉一圈過后，檢波器就能接收到具有半徑差的兩組波的信號。

由于陸地聲納法采用的是接近零震-檢距的方式工作，自激自收得到的是垂直反射面的入射波的反射波。對于反射面來說，兩個檢波點轉一圈得到的兩組反射波信號和一個檢波點轉一圈得到的一組反射波信號差別不是很大。而對于溶洞和“孤石”來說，情況會復雜很多，其大小的不同和位置的變化都會在反射波信號上有明顯的差別，所以在盾構機刀盤安裝兩個檢波器就十分有必要了。endprint

以上內容也是研究環(huán)形采集觀測系統(tǒng)要重點關注的地方，需要模擬溶洞和“孤石”的一些不同情況來確定兩個檢波器的間距。

3 正演數值模擬

射線追蹤法是一種基于幾何光學的計算方法，在高頻近似的情況下，地震波的主能量沿著射線軌跡傳播，其方法的優(yōu)點是計算速度快，獲得的地震波時間比較準確。若已知地下界面的產狀要素（傾角、傾向等）和速度參數等資料來求取地面觀測到的時距關系，稱作彈性波勘探的正演問題。反之，根據彈性勘探工作獲得的時距關系來求取地下界面的幾何形態(tài)的問題，則稱為彈性波勘探的反演問題[7]。本文采用射線追蹤法對三種地質體進行正演數值模擬，推算出盾構機上環(huán)形各個測點反射波信息和前方地質體的相對空間位置關系，進而得出它們的環(huán)形同相軸特征。

陸地聲納法由于采用了超寬頻帶的采集系統(tǒng)，在采用帶通濾波處理數據時，濾波檔頻段都在200～500Hz，通常頻寬都在200Hz以上。因此，反射波都呈超短余震狀態(tài)。即通常一個反射面的反射波僅有一個周期。在作數值模擬時，采用入射波和反射波均是一個周期[8]。

本文研究的關鍵步驟就是在環(huán)形觀測系統(tǒng)下建立數學模型，對三種地質體進行正演數值模擬，得出它們的環(huán)形反射波同相軸信息。相對來說，反射面屬于三種地質體里面已知距離、傾角、走向及波速比較容易推斷出環(huán)形反射波同相軸信息的。本文為了說明原理，假設前方有一個已知距離、傾角、走向的反射面，波速已知，推演此反射面的環(huán)形反射波同相軸各個測點信息，盾構機測點數量擬定為12個，即每轉過30°角作為一個測點，各個測點時間信息可由公式推導。由于反射面形態(tài)相對簡單，所以本例只研究外圈的檢波器的反射波信號即可，位置假設為在盾構機刀盤邊緣。

本例中盾構機半徑R=2.5m，反射面距掌子面垂直距離S=50m，傾向水平，傾角α=45°，走向為與盾構掘進方向呈θ=90°夾角，反射面在隧道出現(xiàn)中的里程為L=10m，波速V=2000m/s。根據波的反射定律，可得水平測線上各個測點測得反射波所用時間均為T=2S/V=0.05s。盾構機每次測點轉過的角度β=30°，離A0號測點轉過的角度設為βx，畫出示意圖（見圖1）。

圖1中A0A6，A9A3為盾構機直徑，A1為盾構機轉β1=30°所在位置，反射面的傾角α=45°，A0到斷層的距離記為AA0'，A1到斷層的距離記為A1A1'，各個測點到斷層的距離記法以此類推。

由于本例中反射面的走向為與盾構機掘進方向呈90°，所以水平測線上各個測點到斷層的距離均相等均等于S=50m，則圓心O到斷層的距離也已知為OO=50m，半徑R=2.5m，可求得A0A0'=50-R=47.5m，由波速V=2000m/s可得A0測點接收到反射波的時間T0=（2×A0 A0'）/V=0.0475s。

由A1向半徑OA0作垂線垂直于B1點，B1到反射面的距離B1B1'等于A1點到反射面的距離A1A1'，β1=30°，可得OB1=cosβ1×R=2.165m，（取1.732）。

求A1到反射面的距離A1A1'轉化為了求B1B1'，A1A1' =B1B1'=OO'-OB1，則測點A1處接收到反射波的時間為T1=（2×A1A1'）/V=0.0457s。其余各測點同理均可得出，化成公式為Tx=2（S-cosβx×R）/V，將本例中各測點接收到反射波的時間如下：T0=0.0475s，T1=0.0478s，T2=0.0486s，T3=0.0500s，T4=0.0513s，T5=0.0522s，T6=0.0525s，T7=0.0522s，T8=0.0513s，T9=0.0500s，T10=0.0486s，T11=0.0478s。

把盾構機各個測點所求出的反射波所用時間信息用Excel表格繪成展開平鋪圖，是個近似的雙曲線，若繪制到環(huán)形觀測點所在的掌子面前方隧道的筒面上，如圖2所示，可以明顯看出是個近似的橢圓形。

從圖2中可明顯看出此反射面環(huán)形反射波同相軸形態(tài)近似為橢圓，并且此橢圓與水平面的夾角也可得出。由時間和波速可以得出A0點在圓筒上的距離為2000×0.0475=95m，A6點在圓筒上的距離為2000×0.0525=105m，刀盤直徑為5m，可得出此反射面同相軸形成的橢圓與水平線的夾角tanγ為1/2，即γ=26.5°。

但本例數值模擬為了畫圖直觀和計算方便，是采用了一個相對簡單的數學模型。而往往實際情況會更復雜，但反射面的正演數值模擬的原理大致相似，環(huán)形同相軸圖像也可以同理畫出，同相軸的特征信息也可得出。

本課題將在之后的研究中同樣采用上述方式對溶洞和“孤石”建立數學模型，進行正演數值模擬，推演出各個測點反射波所用時間的公式，進而研究出環(huán)形采集觀測系統(tǒng)下的測點數量和檢波器間距，形成一個完整的環(huán)形采集觀測系統(tǒng)正演模擬同相軸形態(tài)設計程序。

參考文獻

[1] 陳建峰.隧道施工地質超前預報技術比較[J].地下空間與工程學報，2003，23（1）：5-8.

[2] 周黎明，尹健民，侯炳紳，等.彈性波反射法在地質超前預報中的應用分析[J].長江科學院院報，2008，25（1）：61-64.

[3] 鐘世航.用陸地聲納和微分電測深結合探查巖溶、洞穴[J].物探與化探，2003，27（3）：240-243.

[4] 張麗麗.深層目標正演模擬及應用研究[D].中國石油大學，2009.

[5] 朱軍.二維地震正演模擬方法技術研究[D].長安大學，2010.

[6] 李劍峰，趙群.油氣勘探地震物理模型[M].石油工業(yè)出版社，2003.

[7] 鐘世航，王榮.探查溶洞的一種好方法——陸地聲納法[A].中國地球物理學會年刊[C].2002.

[8] 鐘世航.陸地聲納法及其應用效果[J].物探與化探，1997，21（3）：172-179.endprint