2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 国土资源部盐湖资源与环境重点实验室, 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environment, Ministry of Land and Resources, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
在地形条件较差、地质构造复杂的地区,断裂、褶皱、节理裂隙等比较发育,地下水丰富,隧道周围所处环境和工程条件较差,会增加隧道施工难度和危险.采用适宜的隧道超前预报方法来准确预报隧道施工前方及周围范围内的不良地质体的性质、规模和状态,对隧道工程施工质量、工期、人员设备安全等至关重要,特别是在地质条件复杂地段或采用掘进机施工隧道的情况下(赵永贵,2007).
弹性波类隧道地质超前预报是以围岩与异常体之间存在波阻抗物性差异为基础,是地震探测方法在隧道工作面上的应用,通过分析地震波场的传播规律及变化特征来研究工作面前方是否存在地质异常及其空间分布形态与性质.
隧道地质超前预报除了采用工程地质定性推断和超前钻孔探测外,主要应用造价低、效率高、准确性高的地球物理技术手段,如地质雷达短距离预报、瞬变电磁富水异常预报和地震反射波法构造预报等.其中,反射波超前预报方法因抗干扰能力强、预报精度高、预报距离远等特点,逐渐成为隧道施工中首选的地质超前预报方法,作为技术规范写入在施工设计中.反射波法主要包括TSP(Tunnel Seismic Prediction)法(戴前伟等,2005;温树林和吴世林,2003;李志祥等,2005)、负视速度法(曾兆璜,1994;何振起等,2000;查欣洁等,2016)、陆地声纳法(LDS)(钟世航,1995)、水平声波剖面技术(HSP)(周波和范洪海,2011)、TRT法(Richard O et al., 2002)、TST法(谯勉江等,2009;肖启航和谢朝娟,2012;赵永贵等, 2006, 2008)、TGP法(刘云祯,2009)等.
由于隧道工程工作面内地震波场异常复杂,上述方法还不能够完全满足隧道超前预报的要求.隧道施工现场狭小,布设检波器范围有限,排列短,造成速度分析准确性降低;钻爆施工掌子面岩石松动,激发条件和接收条件差、给多数反射法预报工作带来极大困难;岩石掘进机施工造成干扰严重,无法简便地布设接收仪器,不能利用炸药、锤击等作为震源激发方式.在隧道超前预报要求远距离、高精度、高效率需求的前提下,在现有预报仪器获得的地震数据基础上,研究有效的偏移方法能够提高成像精度.地震偏移成像类似医学成像,是实现对掌子面前方复杂地质结构超前预报的重要途径之一.地震偏移方法在石油地震勘探中应用最广、最成熟,且发展最快,各类偏移方法日臻完善.地震偏移方法经历了从计算射线走时类偏移到计算全波场的波动方程类偏移、从考虑界面倾斜归位的叠后时间偏移到复杂岩性及构造的叠前深度偏移、从垂直于构造走向的二维偏移到地下全空间的三维偏移、从基于水平地表叠加成像的非起伏地表偏移到基于共反射点道集的起伏地表偏移、从基于声波方程的声波介质偏移到基于弹性波方程的弹性介质偏移及各向异性偏移的发展.在隧道超前预报成像方法中,等走时面方法(Asida,1998)是基于Kirchhoff积分叠前时间偏移的原理,对隧道前方进行时间偏移,然后通过时深转换至空间域.Kirchhoff积分深度偏移方法(Geoertz et al., 2003)和射线追踪(杨峰,2007)等方法也被应用于隧道前方异常体成像.这些方法大都是建立在标量波动方程基础上,并没有考虑到复杂地震波场的成像条件.基于零偏移距的二维声波方程逆时偏移成像(常旭等,2006),考虑了地震波的几何学特征和动力学特征,借助绕射成像理论,直接进行深度域偏移成像.适于二维各向同性介质中的弹性波逆时偏移成像方法(鲁来银等, 2009, 2011)是在有限差分正演模拟基础上,采用激发时间成像条件进行偏移.基于互相关成像条件的隧道地震逆时偏移处理(蔡志成和顾汉明,2014),采用声波方程交错网格的方法进行非均匀各向同性介质中正演模拟,实现二维隧道逆时偏移成像.
本文从一阶速度-应力方程出发,构建二维各项同性介质隧道模型,以低速板体模拟隧道内不良地质体,采用高阶交错网格有限差分进行隧道复杂弹性波场的正演计算,压制干扰噪音,采用互相关成像条件实现隧道复杂波场的叠前逆时偏移成像,以提高隧道超前预报的分辨率与准确性.本文采用偏移数据体与常规地表地震观测数据体不同,其特点是多点接收单次激发,为单次覆盖数据体,因此对偏移数据体信噪比要求高;多点接收单次激发观测系统与现有地震波法隧道超前预报方法不同,其数据体不存在因震源药量不同引起的能量均衡问题、不同激发点时间延迟问题,并且因激发点离异常体最近,其反射波能量最强.
1 方法原理 1.1 交错网格高阶有限差分格式二维非均匀各向同性介质中的一阶速度-应力弹性波方程表达式为:
(1) |
其中,vx和vz分别表示x和z方向的速度分量,(τxx, τzz, τxz)表示应力张量,λ和μ代表拉梅系数,ρ是介质密度,t是时间.
采用高阶交错网格对方程(1)进行显式有限差分数值求解.图 1所示为交错网格法剖分示意图,将速度和应力分别定义在交替相间的网格节点上,巧妙地处理了速度和应力的耦合关系.对P波数值频散曲线(董良国,2004)分析后,采用空间十阶、时间二阶的网格差分方式对方程(1)进行离散.
在弹性波动方程正演过程中,空间网格和时间网格的网格间隔选取非常重要,既要保证计算精度,也要考虑到运算效率.对于各向同性介质模型计算中,高阶交错网格差分数值解的稳定性条件为:
(2) |
其中,(vp)max为最大P波速度,Δx、Δz为空间网格单位长度,Δt为时间网格采样长度.
对于隧道超前预报的数值模拟计算模型,需考虑隧道边界和模型边界两种边界条件(图 2).
隧道周围共3个自由边界,分别为左右侧壁(L、R)和掌子面(F),在自由边界上应满足应力为零,对侧壁有:
(3) |
对掌子面有:
(4) |
模型计算区域外部除顶部界面设置为自由地表外,其他3个界面都需要添加人工吸收边界条件来消除边界虚反射,本文选取完美匹配层边界条件(PML)(Berenger,1994).以方程(1)中第一个公式为例来说明,将vx分解为x方向的vxx和z方向的vxz,其衰减公式为:
(5) |
式中,d(x)、d(z)分别为x、z方向的衰减因子.
2 逆时偏移处理叠前逆时偏移(RTM)是一种高精度的地震数据深度偏移成像技术,主要包括双程弹性波动方程的数值模拟、炮集记录数据的逆时延拓和成像三个步骤,主要流程如图 3所示.
通过数值模拟的方法获得理论地震波场,再以炮集记录为初始条件,沿时间轴反方向自检波器位置向周围延拓,得到延拓波场.在每一个时间轴上的延拓后,将理论波场和延拓波场在模型的各个位置上运用互相关条件进行成像,然后在时间轴上进行叠加,得到深度成像结果.在成像过程中,对直达波、回折波等进行的互相关会产生低频假象,本文采用滤波方法消除这种低频干扰.
3 模型算例本文利用垂直低速异常、倾斜低速异常、倾斜与垂直低速异常组合3个模型进行数值计算,并根据3个模型的数值计算结果对叠前逆时偏移方法进行检验,最后用垂直低速异常体模型研究不同观测系统对偏移成像的影响.
构建含垂直低速体的二维速度模型1: 100×100 m,设计隧道高10 m,掌子面位于模型40 m处,隧道顶部位于模型40 m深度处,设计低速异常体水平方向65~75 m,垂直方向20~65 m,低速板体大小、速度、密度与溶洞异常体类似,低速板体边界与张性断层边界类似,如图 4所示.围岩参数为VP=4000 m·s-1、VS=2000 m·s-1、ρ=1800 kg·m-3,隧道内参数为VP=340 m·s-1、VS=1 m·s-1、ρ=100 kg·m-3,低速异常体参数为VP=1500 m·s-1、VS=600 m·s-1、ρ=540 kg·m-3.模拟参数:时间采样点数为Nt=4000,采样时间间隔为Δt=0.05 ms,记录长度为200 ms(下同),采用主频为300 Hz的雷克子波,波场记录特征与叠前逆时偏移的结果如图 5所示,简单低速异常体在隧道内产生的复杂波场,偏移结果清晰的显示了低速异常体边界.在常规超前预报成像结果中,其异常体左右边界成像为圆弧形,且顶底界面不能成像.
模型2:保持隧道模型不变,修改低速体的空间分布,设计为倾斜低速异常,模型3:在模型2中异常体后添加一个垂直低速异常,倾斜异常体对直立异常体具有屏蔽效果.模型参数为VP=2000 m·s-1、VS=1000 m·s-1、ρ=700 kg·m-3,得到偏移结果如图 6所示.从图中可以看到,成像结果对倾斜低速体同样敏感,因前一个异低速异常体对地震波的吸收与屏蔽作用,后续多层次的异常体敏感度逐次降低.因此,在溶洞、断裂带多发区,探测距离降低.
考虑不同观测系统对成像结果的影响,本文针对含垂直低速体的隧道模型设计4种观测系统,如图 7所示,其中(a)图表示炮点靠近掌子面,炮点与接收点排列位于隧道下方,(b)图表示炮点靠近掌子面,炮点与接收点排列位于隧道上方,(c)图表示炮点远离掌子面,炮点与接收点排列位于隧道下方,(d)图表示炮点远离掌子面,炮点与接收点排列位于隧道上方.该观测系统方式与常规TSP共接收点观测不同,此观测系统为共炮集记录方式,不需要进行初至波不同延迟时间校正与激发能量均衡校正,并且施工效率高.成像结果如图 8所示,从图中可以看到,炮点位于掌子面附近,逆时偏移对异常体成像效果最佳.从波射线角度分析,震源靠近或远离掌子面,地震波的传播路径一致,但震源靠近掌子面时,其入射波传播路径短,地震波能量衰减少,其反射能量强,因此近掌子面震源成像效果好.
地震波法超前探测是一个复杂的观测反演系统,适合于应用偏移成像技术,因施工条件限制了其应用效果.逆时偏移成像是以利用地震波动力学特征为主的偏移算法,在精确的速度模型条件下,其成像结果更为准确.本文通过利用一阶速度-应力波动方程实现弹性波方程的叠前逆时偏移成像,构建二维隧道地震模型,获得低速异常复杂波场特征;对不同位置、倾角的低速异常体,利用Laplace滤波方法进行压制噪声,采用互相关成像条件,获得异常体边界清晰成像结果;对比不同观测系统的逆时偏移成像结果,发现单一震源靠近掌子面的多道接收的观测系统,具有最佳成像效果.
致谢谨此祝贺姚振兴先生从事地球物理教学科研工作60周年
Ashida Y, Matsuoka T, Watanabe T. 1998. Imaging algorithm for looking ahead prediction of near subsurface data. //Proceedings of the 4th SEG International Symposium. Expanded Abstracts, 129-134.
|
|
Berenger J P.
1994. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves. Journal of Computational Physics, 114(2): 185-200.
DOI:10.1006/jcph.1994.1159 |
|
Cai Z C, Gu H M.
2014. Reverse time migration based on cross-correlation imaging condition for tunnel seismic reflecting wave prediction. Yangtze River, 45(21): 25-29.
DOI:10.3969/j.issn.1001-4179.2014.21.008 |
|
Chang X, Liu Y K, Gui Z X.
2006. Zero-offset reverse time migration for prediction ahead of tunnel face. Chinese Journal of Geophysics, 49(5): 1482-1488.
DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2006.05.028 |
|
Dai Q W, He G, Feng D S.
2005. Application of the TSP-203 system in geological Advanced prediction of tunnel. Progress in Geophysics, 20(2): 460-464.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2005.02.039 |
|
Dong L G, Li P M.
2004. Dispersive problem in seismic wave propagation numerical modeling. Natural Gas Industry, 24(6): 53-56.
DOI:10.3321/j.issn:1000-0976.2004.06.016 |
|
Goertz A, Mueller C, Buske S, et al. 2003. Fresnel-volume multicomponent migration. //EAGE 65th Conference and Exhibition. Extended Abstracts, 99.
|
|
He Z Q, Li H, Liang Y Z.
2000. Geological super-leading forecast during tunnel construction by utilizing seismic response analysis method. Journal of the Railway Engineering Society, 2000, 17(4): 81-85.
DOI:10.3969/j.issn.1006-2106.2000.04.022 |
|
Li Z X, He Z Q, Liu G W.
2005. The application of TSP-203 system in prediction of Dazhiping tunnel. Progress in Geophysics, 20(2): 465-468.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2005.02.040 |
|
Liu Y Z.
2009. TGP tunnel seismic wave forecast system and its technology. Geophysical and Geochemical Exploration, 33(2): 170-177.
|
|
Lu L Y, Xiong Y, Zhu Z Q.
2009. Reverse-time migration for detection ahead of mining tunnel by the reflection wave method in lane engineering. Progress in Geophysics, 24(6): 2308-2315.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.06.055 |
|
Lu L Y, Xiong Y, Zhu Z Q.
2011. Detection simulation ahead of tunnel face and reverse-time migration with reflection wave method. Journal of Central South University (Science and Technology), 42(1): 136-141.
|
|
Otto R, Button E, Bretterebner H, et al.
2002. The application of TRT-True reflection tomography-at the unterwald tunnel. Geophysics, 20(2): 51-56.
|
|
Qiao M J, Mo Y K, Liu H L, et al.
2009. The application of TST to Shimian tunnel advanced prediction. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 6(2): 196-202.
DOI:10.3969/j.issn.1672-7940.2009.02.013 |
|
Wen S L, Wu S L.
2003. Application of the TSP 203 system in geological advanced prediction of YuanMo expressway tunne. Progress in Geophysics, 18(3): 465-471.
|
|
Xiao Q H, Xie C J.
2012. Application of tunnel seismic tomography to tunnel prediction in karst area. Rock and Soil Mechanics, 33(5): 1416-1420.
DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2012.05.021 |
|
Yang F. 2007.
The ray tracing numerical simulation study of typical geological anomalous body in tunnel advance prediction[Master's thesis]. Chengdu: Southwest Jiaotong University.
|
|
Zeng Z H.
1994. Prediction ahead of the tunnel face by the seismic reflection methods. Acta Geophysica Sinica, 37(2): 268-271.
|
|
Zha X J, Wang W, Gao X.
2016. The application of Pseudo VSP method and Kirchhoff migration to the tunnel advanced geological prediction. Geophysical and Geochemical Exploration, 40(1): 214-219.
DOI:10.11720/wtyht.2016.1.38 |
|
Zhao Y G, Jiang H, Zhao X P.
2006. Tunnel seismic tomography method for geological prediction and its application. Applied Geophysics, 3(2): 69-74.
DOI:10.1007/s11770-006-0010-7 |
|
Zhao Y G.
2007. Analysis and recommendation of tunnel prediction techniques at home and abroad. Progress in Geophysics, 22(4): 1344-1352.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.04.047 |
|
Zhao Y G, Jiang H, Zhao X P.
2008. The technical bug of TSP203 and application of TST technique. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 5(3): 266-273.
DOI:10.3969/j.issn.1672-7940.2008.03.002 |
|
Zhong S H.
1995. The principle and application of landsonar method in railway geological survey and tunnel construction. China Railway Science, 16(4): 48-55.
|
|
Zhou B, Fan H H.
2011. Analysis on the Precision of Automatic Guiding Systems of Shield Machines. Modern Tunnelling Technology, 48(1): 133-136.
|
|
蔡志成, 顾汉明.
2014. 基于互相关成像条件的隧道地震波逆时偏移处理. 人民长江, 45(21): 25–29.
DOI:10.3969/j.issn.1001-4179.2014.21.008 |
|
常旭, 刘伊克, 桂志先.
2006. 反射地震零偏移距逆时偏移方法用于隧道超前预报. 地球物理学报, 49(5): 1482–1488.
|
|
戴前伟, 何刚, 冯德山.
2005. TSP-203在隧道超前预报中的应用. 地球物理学进展, 20(2): 460–464.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2005.02.039 |
|
董良国, 李培明.
2004. 地震波传播数值模拟中的频散问题. 天然气工业, 24(6): 53–56.
DOI:10.3321/j.issn:1000-0976.2004.06.016 |
|
何振起, 李海, 梁彦忠.
2000. 利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报. 铁道工程学报, 2000, 17(4): 81–85.
DOI:10.3969/j.issn.1006-2106.2000.04.022 |
|
李志祥, 何振起, 刘国伍.
2005. TSP-203在大支坪隧道超前预报中的应用. 地球物理学进展, 20(2): 465–468.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2005.02.040 |
|
刘云祯.
2009. TGP隧道地震波预报系统与技术. 物探与化探, 33(2): 170–177.
|
|
鲁来银, 熊瑛, 朱自强.
2009. 井巷工程反射波超前探测逆时偏移成像. 地球物理学进展, 24(6): 2308–2315.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.06.055 |
|
鲁来银, 熊瑛, 朱自强.
2011. 隧道反射波超前探测有限差分正演模拟与偏移处理. 中南大学学报(自然科学版), 42(1): 136–141.
|
|
谯勉江, 莫裕科, 刘洪炼, 等.
2009. TST技术在石棉隧道超前地质预报中的应用. 工程地球物理学报, 6(2): 196–202.
DOI:10.3969/j.issn.1672-7940.2009.02.013 |
|
温树林, 吴世林.
2003. TSP203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用. 地球物理学进展, 18(3): 465–471.
|
|
肖启航, 谢朝娟.
2012. TST技术在岩溶地区隧道超前预报中的应用. 岩土力学, 33(5): 1416–1420.
DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2012.05.021 |
|
杨峰. 2007.
TSP隧道超前预报中典型地质异常体的射线追踪数值模拟研究[硕士论文]. 成都: 西南交通大学.
|
|
曾昭璜.
1994. 隧道地震反射法超前预报. 地球物理学报, 37(2): 268–271.
|
|
查欣洁, 王伟, 高星.
2016. 拟VSP与克希霍夫偏移法在隧道超前预报中的应用. 物探与化探, 40(1): 214–219.
DOI:10.11720/wtyht.2016.1.38 |
|
赵永贵.
2007. 国内外隧道超前预报技术评析与推介. 地球物理学进展, 22(4): 1344–1352.
DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.04.047 |
|
赵永贵, 蒋辉, 赵晓鹏.
2008. TSP203超前预报技术的缺陷与TST技术的应用. 工程地球物理学报, 5(3): 266–273.
DOI:10.3969/j.issn.1672-7940.2008.03.002 |
|
钟世航.
1995. 陆地声纳法的原理及其在铁路地质勘测和隧道施工中的应用. 中国铁道科学, 16(4): 48–55.
|
|
周波, 范洪海.
2011. 基于HSP声波反射法的隧道超前地质预报. 现代隧道技术, 48(1): 133–136.
|
|