徐磊，汪思源，張建清，李文忠，李鵬

(1.長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

目前,我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了地下工程建設(shè)的飛速發(fā)展時(shí)期，在中大型地下工程建設(shè)前期，甲方與設(shè)計(jì)方都會(huì)要求通過(guò)地質(zhì)鉆探和地球物理勘探技術(shù)對(duì)工區(qū)一定范圍內(nèi)的大型地質(zhì)構(gòu)造(斷層、斷裂帶等)進(jìn)行前期勘探與了解，盡量使隧洞等地下建筑避開可能對(duì)工程造成威脅的不良地質(zhì)構(gòu)造[1-2]。

對(duì)于深埋隧洞等具有較大埋深的地下工程，地質(zhì)鉆探具有成本較高，工期較長(zhǎng)，“一孔之見(jiàn)”等特點(diǎn)。因此，一般都是采用地質(zhì)鉆探與地面物探相結(jié)合的勘探方法[3]。其中，地面物探方法一般包括：地震反射勘探法[4-5]、音頻大地電磁法[6]、可控源音頻大地電磁法[7-8]、高密度電法[9]、微動(dòng)探測(cè)法[10-11]、重磁測(cè)量法[12]等。

但是，由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，以及前期地面勘探工作的局限性(探測(cè)誤差、探測(cè)精度不能滿足工程需求)，在地下工程施工過(guò)程中，還是難以避免不良地質(zhì)構(gòu)造帶來(lái)的威脅。因此，在地下工程施工過(guò)程中的洞內(nèi)探測(cè)工作也至關(guān)重要，能夠幫助設(shè)計(jì)方和施工方及時(shí)掌握不良地質(zhì)構(gòu)造的走向、位置與規(guī)模，便于采取相應(yīng)的處理措施，保障施工安全。

筆者提出了一種洞內(nèi)的地球物理勘探方法——近垂直反射法[13]，首先簡(jiǎn)要地介紹了該方法的技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)該方法開展了正演模擬研究，最后結(jié)合正演模擬研究成果，將該方法成功應(yīng)用于深埋隧洞工程的斷層探測(cè)應(yīng)用中。

1 近垂直反射法

1.1 技術(shù)原理

垂直反射法實(shí)質(zhì)上是地震淺層反射法的一種特例，它以極小偏移距[14](發(fā)射與接收間的距離趨于零)的方式進(jìn)行工作，故也稱之為極小偏移反射法。

近垂直反射法是以垂直反射法為基礎(chǔ)，但是并不是每一炮檢距都以極小偏移距的工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于近垂直反射地震排列一般不會(huì)太長(zhǎng)，一般可在地震排列中間位置設(shè)置震源。其工作原理是：由擊發(fā)震源向巖石/(土)表面發(fā)射脈沖波，當(dāng)巖土體中存在具有一定規(guī)模的缺陷(如地質(zhì)構(gòu)造、巖溶等)時(shí)，會(huì)引起波阻抗(ρ·V)的變化，同時(shí)產(chǎn)生地震反射波而返回到地震傳感器，如圖1所示。資料處理分析過(guò)程中，可根據(jù)反射地震波信號(hào)的相位、振幅、頻率及走時(shí)等變化特征來(lái)判斷缺陷的范圍和埋深，其深度計(jì)算公式為：

(1)

式中，H為深度，Vp為縱波速度，t為雙程反射時(shí)間。

圖1 垂直反射法原理示意Fig.1 The principle sketch of vertical reflection method

1.2 地球物理?xiàng)l件

所有地震勘探方法的地球物理?xiàng)l件均為：介質(zhì)之間存在波阻抗。波阻抗指巖石中的縱波速度與巖石密度的乘積。

Z=Vp·ρ,

(2)

式中，Z為波阻抗，Vp為縱波速度，ρ為巖石密度。

只有當(dāng)兩種介質(zhì)之間的波阻抗不相等時(shí)，即Z1≠Z2，地震波才能發(fā)生反射，且當(dāng)Z1和Z2差別越大，反射波越強(qiáng)。典型介質(zhì)的波阻抗參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 典型巖石波阻抗參數(shù)Table 1 Wave impedance parameters of typical rock

1.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

近垂直反射法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1)地震檢波器所接收到的地震波反射信號(hào)波形成分單一，不含其他的轉(zhuǎn)換波。當(dāng)縱波入射時(shí)，記錄波形僅有反射縱波，因此，該方法的地震資料解釋比較簡(jiǎn)單與直觀。

2)適用于探測(cè)工作空間有限的區(qū)域，例如隧洞、巷道等地下工程。因?yàn)槌Ｒ?guī)的地震反射法需選擇足夠大的地震偏移距，以避免先于目的層反射波到達(dá)的直達(dá)縱波、橫波、聲波和折射波等的干擾。

3)該技術(shù)區(qū)別于常規(guī)隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[15]，不僅能應(yīng)用于掌子面做超前探測(cè)，而且能應(yīng)用于隧洞邊墻、頂拱、底板等任何位置完成多方位的探測(cè)。

2 近垂直反射法正演模擬研究

2.1 均勻介質(zhì)彈性波波動(dòng)方程

在二維均勻介質(zhì)中，彈性波波動(dòng)方程為[16]：

(3)

(4)

式中，u、w分別表示沿x軸、z軸方向的位移，ρ表示介質(zhì)密度，λ和μ為拉梅常數(shù)。

令Vx、Vy表示沿x軸、z軸方向的速度，τxx、τzz表示沿x軸、z軸方向的正應(yīng)力，τzx表示切應(yīng)力，可將式(3)和式(4)降階，得到彈性波一階速度應(yīng)力方程：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 差分格式

建立有限差分方程步驟如下：第一步，將網(wǎng)格剖分為合適的大小，并將函數(shù)的定義域分解為眾多相鄰但不重合的子區(qū)域，網(wǎng)格剖分的各個(gè)交點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)；第二步，使用有限差分法對(duì)方程進(jìn)行求解，求解的方法有兩種，一種為中心差分法，一種為交錯(cuò)網(wǎng)格法，其中交錯(cuò)網(wǎng)格法具有更高的精度，所以這里采用交錯(cuò)網(wǎng)格法對(duì)方程進(jìn)行離散求解[17-19]。交錯(cuò)網(wǎng)格中速度和應(yīng)力節(jié)點(diǎn)示意如圖2所示。

圖2 交錯(cuò)網(wǎng)格差分示意Fig.2 The sketch of staggered grids

2.3 穩(wěn)定性條件

均勻介質(zhì)中由譜分析法得到的穩(wěn)定性條件為：

(10)

當(dāng)Δx=Δz時(shí)，可化簡(jiǎn)為：

(11)

常規(guī)差分方程穩(wěn)定性條件為：

(12)

由于VS

(13)

2.4 邊界條件

地震波在真實(shí)地下介質(zhì)中傳播時(shí)，由于地下介質(zhì)是一個(gè)無(wú)限大的空間，而在進(jìn)行地震波有限差分正演模擬時(shí)，地震波在一個(gè)有限空間的模型中傳播，所以必須人為的建立一個(gè)吸收邊界來(lái)解決模型邊界的反射問(wèn)題，通過(guò)吸收邊界使地震波最大限度的衰減吸收[20]。

這里引入完美匹配層邊界條件模型(perfectly matched layer,PML)。PML吸收邊界層在二維傳播方向上吸收示意如圖3所示，在左、右邊界(S2、S4)處吸收沿x方向上傳播的波，在上、下部邊界(S1、S3)處吸收沿z方向上傳播的波，在四個(gè)角處(C1、C2、C3、C4)對(duì)沿x和z方向上傳播的波都進(jìn)行吸收。

圖3 PML吸收邊界示意Fig.3 The sketch of perfectly matched layer

2.5 震源

在進(jìn)行地震波正演模擬時(shí)需要引入合適的震源函數(shù)，一般經(jīng)常用于地震波數(shù)值模擬的震源子波函數(shù)有δ脈沖、雷克子波、指數(shù)衰減的正弦子波和高斯一階倒數(shù)等。本文使用的是雷克子波進(jìn)行正演模擬，雷克子波在時(shí)間域的表達(dá)式如式(14)所示：

R(t)=[1-2(πf0t)2]exp[-(πf0t)2] 。 (14)

圖4、5是主頻為400 Hz的雷克子波及其振幅譜。

圖4 主頻400 Hz雷克子波示意Fig.4 The sketch of 400 Hz ricker wavelet

圖5 主頻400 Hz雷克子波振幅譜示意Fig.5 Amplitude spectrum of 400 Hz ricker wavelet

3 工程概況與正演模擬

3.1 工程概況

圖6 2#斜井工程地質(zhì)圖Fig.6 Engineering geological map of 2# inclined shaft

3.2 正演模擬

根據(jù)地質(zhì)提供的工程地質(zhì)圖及其他地質(zhì)資料，建立2#斜井與F10斷層測(cè)區(qū)的地球物理模型，模型的尺寸設(shè)置為1 500 m×1 500 m，網(wǎng)格大小設(shè)置為5 m，即網(wǎng)格數(shù)為300×300，模型見(jiàn)圖7。圖中，黃色色標(biāo)代表隧洞，為空氣模型；紫色色標(biāo)代表普通圍巖，根據(jù)附近樁號(hào)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)得的波速，縱波波速設(shè)置為5 500 m·s-1；藍(lán)色色標(biāo)代表進(jìn)入斷層影響帶的圍巖，同樣根據(jù)TSP探測(cè)成果，縱波波速設(shè)置為4 000 m·s-1；綠色色標(biāo)代表F10斷層，根據(jù)前期地面鉆孔聲波成果，縱波波速設(shè)置為2 800 m·s-1。

圖7 正演模型示意Fig.7 Sketch of forward modeling

分別在隧洞距離F10斷層距離約120、55、20 m處附近布置3個(gè)近垂直反射地震排列，地震排列共設(shè)置8道地震檢波器，道間距為4 m，整個(gè)地震排列長(zhǎng)度為28 m，在地震排列正中心位置深度為2 m處設(shè)置激勵(lì)源，采樣率設(shè)置為0.05 ms，震源采用主頻為300 Hz的雷克子波。3次正演模擬結(jié)果如圖8～10。

3.3 正演成果分析

1)第1次正演模擬成果：由于F10斷層與正常圍巖界面存在明顯波阻抗差異，在時(shí)窗約45 ms附近地震波振幅增強(qiáng)發(fā)生強(qiáng)反射。

圖8 第1次正演模擬成果Fig.8 The result of the first forward simulation

圖9 第2次正演模擬成果Fig.9 The result of the second forward simulation

圖10 第3次正演模擬成果Fig.10 The results of the third forward simulation

2)第2次正演模擬成果：由于F10斷層與正常圍巖界面存在明顯波阻抗差異，在時(shí)窗約20 ms附近地震波振幅增強(qiáng)發(fā)生強(qiáng)反射。

3)第3次正演模擬成果：由于F10斷層與正常圍巖界面存在明顯波阻抗差異，在時(shí)窗約10 ms附近地震波振幅增強(qiáng)發(fā)生強(qiáng)反射。

4 探測(cè)成果與分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)工作布置

在2#施工斜井開挖過(guò)程中，共進(jìn)行了3次側(cè)向斷層探測(cè)工作，主要采用近垂直反射法對(duì)右邊墻的F10斷層進(jìn)行定位與追蹤。

近垂直反射法的具體工作布置為：在2#斜井掌子面后方約10 m處，右側(cè)洞壁上均勻的布置了8個(gè)地震檢波器，道間距為4 m，整個(gè)地震排列長(zhǎng)度為28 m，在地震排列正中心位置(即第4、5號(hào)檢波器中間)利用風(fēng)鉆造了一個(gè)直徑為40 mm、深度為2 m、向下傾斜約10°的鉆孔，在鉆孔中放置了約100 g乳化炸藥，并在鉆孔中充滿了水，利用電雷管觸發(fā)乳化炸藥爆炸作為震源進(jìn)行探測(cè)。工作布置示意圖見(jiàn)圖11，采集現(xiàn)場(chǎng)工作照片見(jiàn)圖12。

圖11 近垂直反射法工作布置示意Fig.11 Schematic layout of vertical reflection method

圖12 現(xiàn)場(chǎng)工作照片F(xiàn)ig.12 Field work photos

4.2 探測(cè)成果

2#施工斜井洞口樁號(hào)為K0+000，第1次斷層探測(cè)時(shí)，地震排列的中心位置樁號(hào)約為K0+600，附近圍巖的縱波波速約5 500 m·s-1；第2次斷層探測(cè)時(shí)，地震排列的中心位置樁號(hào)約為K0+980，附近圍巖的縱波波速約5 500 m·s-1；第3次斷層探測(cè)時(shí)，地震排列的中心位置樁號(hào)約為K1+200，由于隧洞已進(jìn)入斷層影響帶，附近圍巖的縱波波速約4 000 m·s-1。3次近垂直反射探測(cè)斷層成果圖見(jiàn)圖13～15。

圖13 第1次探測(cè)成果Fig.13 First detection result

圖14 第2次探測(cè)成果Fig.14 Second detection result

圖15 第3次探測(cè)成果Fig.15 Third detection result

4.3 探測(cè)成果分析

1)第1次探測(cè)成果：在時(shí)窗約44 ms附近開始出現(xiàn)地震波強(qiáng)反射界面，利用附近樁號(hào)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)得的平均圍巖縱波波速5 500 m·s-1計(jì)算，推測(cè)F10斷層距離隧洞右邊墻最近的距離約120 m。

2)第2次探測(cè)成果：在時(shí)窗約16 ms附近開始出現(xiàn)地震波強(qiáng)反射界面，利用附近樁號(hào)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)得的平均圍巖縱波波速5 500 m·s-1計(jì)算，推測(cè)F10斷層距離隧洞右邊墻最近的距離約45 m。

3)第3次探測(cè)成果：在時(shí)窗約10 ms附近開始出現(xiàn)地震波強(qiáng)反射界面，利用附近樁號(hào)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)得的平均圍巖縱波波速4 000 m·s-1計(jì)算，推測(cè)F10斷層距離隧洞右邊墻最近的距離約20 m。

3次近垂直反射法斷層探測(cè)工作均對(duì)2#斜井右側(cè)的F10斷層進(jìn)行了深度定位，并通過(guò)在不同隧洞樁號(hào)的多次探測(cè)工作，對(duì)F10的發(fā)育趨勢(shì)進(jìn)行了追蹤，3次探測(cè)成果對(duì)F10斷層的定位追蹤綜合分析見(jiàn)圖16。綜合分析圖顯示綜合探測(cè)成果與F10發(fā)育趨勢(shì)基本一致。

圖16 3次探測(cè)成果綜合分析Fig.16 Comprehensive analysis chart of the three survey results

4.4 開挖驗(yàn)證

斜井開挖至樁號(hào)K1+300附近，隧洞正式進(jìn)入F10斷層，圍巖破碎，裂隙與節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性差，圍巖用手即可輕輕剝落，圍巖波速約2 800 m·s-1。隧洞右側(cè)邊墻圍巖照片見(jiàn)圖17。

圖17 右側(cè)邊墻圍巖照片F(xiàn)ig.17 Right side wall rock photos

5 結(jié)論

近垂直反射法是一種以垂直反射法為基礎(chǔ)的地震探勘技術(shù)，不需要足夠大的偏移距，適用于隧洞、巷道等空間較狹小的地下工程。該技術(shù)區(qū)別于常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，不僅能應(yīng)用于隧洞掌子面，而且能應(yīng)用于隧洞邊墻、頂拱、底板等任何位置，能夠?qū)χ写笮偷刭|(zhì)構(gòu)造(例如：斷層、溶蝕帶等)進(jìn)行定位與追蹤，能夠較好地彌補(bǔ)前期地面勘探的“盲點(diǎn)”，有效保障地下工程施工安全。

在地下工程應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行正演模擬建模與模擬，結(jié)合正演模擬結(jié)果能夠極大地幫助相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行近垂直反射法的資料分析與解釋。