2. 中铁西北院科学研究院有限公司, 兰州 730000;
3. 四川农业大学土木工程学院, 成都 611830
2. Northwest research Institute Co, .Ltd of C.R.E.C, Gansu Lanzhou 730000, China;
3. Sichuan Agricultural University, Chengdu 611830, China
TSP隧道地震超前预报系统是瑞士Amberg公司开发的,进行隧道地质超前预报方面的地球物理勘探设备,其基本原理图如图 1所示,图中黄色管表示震源激发,红色管表示检波器接收,原理是在隧道内(刘志刚和刘秀峰,2003)采用小药量的炸药爆破作为震源,按照地震勘探中震源与检波器的互换原理,在隧道的边壁进行一系列的激发,只有两个检波器接收,这样可以实现单炮激发,多道接收的效果,由震源激发产生的地震波遇到地层界面、节理面,特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面时,将产生反射波;基于地震勘探原理,检波器所接收到的反射波传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与界面的性质和产状密切相关(Alimoradi et al., 2008),并通过不同振幅、同相轴等波形特征表现出来.
TSP主要用于超前预报隧道掌子面前方、上方和下方不良地质的性质、位置和规模,最大预报距离为掌子面前方300~500 m,最高分辨率为≥1 m的地质体(杨峰,2007),由于后期的数据处理是基于采集的数据,因此数据采集质量是TSP施工中最关键的环节,本文研究松动圈对TSP预报效果的影响.
TSP系统的数据处理软件是Amberg公司自主开发的TSPwin,其在处理环节中应用Radon变换、Q值滤波等方法对数据进行处理.处理的结果是形成反映相关界面或地质体反射能量的影像点图和隧道平面、剖面图,以供工程技术人员解译.其数据处理流程如图 2所示,主要处理步骤包括带通滤波、初至拾取、Radon变换、Q值估计、速度分析、深度偏移和反射界面提取:
(1)带通滤波:通过Fourier变换得到地震数据的频谱,然后根据有效波的频率范围设置滤波窗口,将频率在窗口之外的干扰波滤除.
(2)初至拾取:提取直达波到达检波器起跳时刻点.
(3)Radon变换:Radon变换是将t-x域地震记录转变为τ-p/q域数据的一种数学变换(王朝令和刘争平,2012),τ-p/q变换后各种波的运动学特征和动力学特征会发生变化,使得某些问题在τ-p/q域中解决更为方便(王朝令,2012).
(4)Q值估计(徐彦等,2004):衡量地震波在传播过程中能量衰减的品质因子,基于它可以分析传播介质的非弹性情况.
(5)速度分析:速度是地震勘探的关键参数,速度分析的主要目的是为水平叠加、偏移等处理步骤提供处理参数.
(6)深度偏移(王有新等,1994):深度偏移能将检波器接收到的时间剖面转换成以空间坐标表示的地质构造剖面.
(7)反射界面提取:提取到反射界面的椭圆形曲线代表界面的反射振幅,其明显程度表示物理反射界面的波阻抗强度对比,反射振幅越明显,则反射系数越大,岩石介质的弹性波阻抗分界面属性差异也就越大. 1 围岩松动圈
所谓围岩是指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化的岩体称作围岩(沈明荣和陈建峰,2006),围岩范围在理论上应该是一个无穷大的区域,但在实际中,它的大小与岩体自身特性和地应力的状态有关.虽然岩体中存在着许多规模不等的不连续面,但除了规模较大的断层以及软弱夹层外,这些不连续面的分布可近似地认为是随机的,对岩体整体分析来说,影响不会太大,因此大都将岩体作为均质的、各向同性体,这样的假设是满足弹塑性力学中介质的基本假设条件(李光扬和蒋再文,2012).
围岩松动圈是围岩应力高于围岩强度而在围岩中形成的破坏区域,开挖隧道会导致地应力和围岩强度的变化,围岩受力状态由三向变成近似二向,围岩强度下降很多.如果集中应力小于下降后的围岩强度,围岩将处于弹塑性状态,围岩可自稳,不存在隧道支护问题;反之,围岩破裂将从周边开始逐渐向深部扩展,直至达到新的三向应力平衡状态为止,此时围岩中出现一个破裂带,称之为围岩松动圈(石建军等,2008),松动圈的示意图如图 3(石建军等,2008)所示,其中σθ和σr表示极坐标下的切向应力和径向应力.大量的现场观测资料表明,在铁路、公路、采矿等地下工程中,围岩松动圈普遍存在,小的厚度约20~30 cm,大的厚度超过300 cm,平均厚度约150 cm左右.
由于TSP系统的数据采集是在存在松动圈的围岩中进行的,因此有必要模拟研究有围岩松动圈存在时,其对地震波场传播和预报结果的影响,为工程中的数据采集和处理工作提供依据. 2 围岩松动圈TSP地震波场的数值模拟
为了模拟松动圈存在时的TSP地震波场,建立如图 5所示的模型图,其中震源采用300 Hz的Ricker子波,这个频率与TSP实际工程中激发的频率相近,通常地震子波是由2至3个或多个相位组成的地震脉冲,最常用的Ricker子波由一个波峰和两波谷组成(王朝令,2012),在本文的数值模拟研究中,采用零相位的Ricker子波,其表示公式如下:
式中u表示位移,f0表示主频,t代表时刻,t0代表中心时刻.图 4a,b分别显示了主频为100 Hz的Ricker子波和它的振幅谱.Ricker子波是宽带的,它的振幅谱峰值频率依赖它的主频,带宽取决于它的延续时间宽度,在时间域内延续时间越短,分辨率越高,对应的振幅谱带宽越宽.
模型图 5中的倒三角符号表示震源,正三角符号表示检波器,根据炮检互换原理可知,模型的观测排列与TSP观测系统相同,模型周边加载了粘弹性边界,它可以吸收边界反射波(王朝令和刘争平,2012).加载震源主频300 Hz,偏移距15 m,道间距1.5 m,采样间隔62.5 μs,采样长度7218,采样时窗451.125ms.为了模拟隧道松动圈的存在,在隧道边壁中设置了低速区,其厚度为1 m,每个区域内的纵波速度、横波速度以及密度如图 5所示.
基于上述模型,分别模拟两种情况的隧道地震波场:(1)震源在松动圈内激发;(4)震源在松动圈外正常激发.生成时间剖面相当于是提取相应节点的位移值,因此模型低速区内外的相应节点提取两次位移值,就可以得到四组时间剖面,对时间剖面按照图 2所示的流程图进行处理,分析松动圈对隧道地震波场和预报结果的影响.
3 震源异常时的波场处理分析
按照图 5模型,震源布设在松动圈内激发地震波场的快照如图 6所示,T=1 ms时激发波场,由于震源靠近波速分界面,其所激发的地震波场存在“尾巴”现象,这是由计算产生的;T=5 ms时的波场快照,外圈纵波能量较小,中间横波能量较强;T=10 ms时传播到左边界的地震波被边界吸收,T=15 ms到T=30 ms的快照表示波场传播到底边界过程,由于震源激发是在非正常波速区中,波场由低速区传播到正常区,使得吸收边界条件不能得到满足,因此当波场到达底边界时,即使边界上加载了吸收条件,仍然发生了少量的边界反射,当波场到达左边界时,产生了RSSR现象(Bohlen et al., 2007),它表示当波传播到角点处,Rayleigh波转换为横波,当横波遇到反射界面,反射回角点后,又转换为Rayleigh波继续传播;T=35 ms到T=45 ms是波场到达掌子面位置时,产生的RSSR现象,即面波在此位置时,转换为横波,继续以新的波阵面传播;T=50 ms时横波到达介质分界面,产生反射;T=55 ms到T=85 ms波场快照显示的是反射横波到达接收排列的过程,从这几张快照中可以发现RSSR由反射横波转换为Rayleigh面波,并达到接收排列;T=90 ms到T=100 ms是横波波场经过排列后继续传播的情况,由于是在低速区内激发,所以整个波场的吸收情况不能彻底.
图 7是与图 6波场快照相对应的时间记录,图 7a表示检波器埋设在正常波速区,图 7b表示检波器埋设在低速区,两张时间剖面中比较明显的同相轴从上到下依次是反射纵波、反射横波、左边界角点经过RSSR反射所产生的横波和前方界面的反射横波,图 7b表示检波器和震源均在低速区,由于其波阻抗界面比较多,所产生的波场比较复杂,整个剖面的波形比较凌乱.这两张时间剖面的信噪比都不高,这与震源在松动圈内激发有关.
针对图 7的时间剖面,按照图 2所示的TSP数据处理流程示意图,采用TSPwin对其进行处理,图 8是处理之后所得的反射界面,横轴表示从参考位置起始的距离(模型中参考位置设定在震源处),纵轴表示以隧道为中轴到两边的扩展距离.
模型图 5中从参考位置(震源)到前方异常分界面的距离为90 m,图 8a中提取到的反射界面位于110 m处,图 8b中提取到比较显著的反射界面位于100~110 m处,其与模型的设定位置90 m相比,偏差比较大,但二者都比设定的位置靠后,且提取到的反射界面尺寸与模型设定相似.
4 震源正常的波场处理分析
图 9是震源在低速区外激发的波场快照,T=1 ms激发震源,相比图 6,震源位于正常速度区,其数值计算所引起的“尾巴”现象的能量较弱;T=5 ms激发的横波开始与纵波分离,其能量更强,二者一起向外传播;T=10 ms震源激发的横波到达左边界,由于绕射的原因,尽管左边界也加载了吸收边界条件,但仍有地震波在左边界角点的绕射波返回到接收排列,不过其能量比较小;T=15 ms到T=35 ms这段时间内,横波沿隧道边壁依次经过各个检波器,在时间记录上生成直达横波,同时波场传播到底边界,由于底边界设置了粘弹性吸收边界条件,因此没有反射波产生,T=35 ms时由于RSSR现象的缘故,Rayleigh面波产生了新的波阵面,由于横波与面波速度差异较小,因此二者的波阵面非常接近;T=40 ms到T=50 ms时间段内,横波波阵面传播到前方分界面上,遇到波阻抗分界面产生反射;T=50 ms到T=85 ms时间段内,前方反射横波由分界面传播到接收排列,此时RSSR现象所产生的反射横波,在隧道角点转换为Rayleigh面波继续传播;T=95 ms到T=100 ms时刻内,波场经过排列后继续传播,由于边界吸收,此时整个波场的能量变弱.
图 10a是检波器在正常埋设时,所接收到的时间记录,图 10b是检波器埋设在松动圈内所接收到的时间记录,两幅图中的同相轴依次为反射纵波、反射横波、左边界角点绕射横波和前方界面的反射横波,比较之下,图 10a的起跳点明显,信噪比较高,分辨率更高.需要指出的是前方界面的反射横波经过RSSR反射在隧道内产生的Rayleigh面波,其与横波速度相差很小,使得60 ms到80 ms内的反射波同相轴比较混乱,这影响了反射横波的分辨率,降低了地震解释的可靠性.为了降低此种干扰,提高资料解释的可靠性,观测系统应尽量采用大偏移距,使得RSSR现象在隧道内产生Rayleigh面波与前方界面的反射横波分离开来.
按照图 2所示的TSP数据处理流程示意图,采用TSPwin软件对模拟数据进行处理分析,图 11是采用TSPwin处理提取到的反射界面,图 11a表检波器正常埋设,图b是检波器埋设在松动圈的,当震源和检波器均正常埋设时,比较模型图 5和图 11a可知,依据时间记录处理所得的反射面位置与模型图中所设定的位置非常接近,其形状也比较相似,图 11b是检波器在松动圈内埋设时,所提取到反射界面的位置比较靠后,这与震源在松动圈内埋设时相近,即提取到的反射界面位置延后;推测出现这种情况是因为松动圈降低了地震波的传播速度,使得经过整个流程处理之后的反射界面位置延后所致.
在TSP现场施测时,通常是采用两个检波器接收地震反射波,为了进行试验研究,又不影响工程施工,所有的炮孔都按照正常深度进行埋设,炮孔同侧的检波器(定为检波器S)正常深度埋设,炮孔对侧的检波器(定为检波器D)只埋设正常深度的一半,这样比较2个检波器的处理结果,图 12是接收到的时间记录图.采样参数道间距1 m,偏移距15 m,采样间隔62.5 μs.由图中可见,相同增益时,正常埋设的剖面振幅更大,同相轴更明显.
与对数值模拟结果一样,按照图 2所示的TSP数据处理流程,采用TSPwin软件对实例数据进行处理分析,图 13是采用TSPwin处理提取到的反射界面,图 13a是正常埋设S检波器的提取结果,图 13b是非正常埋设D检波器的提取结果.相比于非正常埋设的检波器D,依据检波器S时间记录提取到的反射面位置更靠前,且分布分散;经与开挖后的实际地质界面比较,检波器S所得到的反射界面更接近地质界面的真实分布,可靠性更好.
本文分析了震源在松动圈内埋设与正常埋设时的波场,依据检波器埋设的不同组成四种情形的时间记录,采用TSPwin对时间记录进行了处理,提取到其相应的反射界面,最后对应用工程实例的检波器埋设在松动圈内的情况进行了比较分析.基于本文的研究,可以得到如下结论:
(1)对比图 7与图 10的时间记录,当震源正常激发时同相轴的连续性更好,能量更强、信噪比更高,故在激发震源时,应尽量使震源在正常波速区激发,以获取质量更高的原始数据,对比两图中的a图和b图,检波器埋设正常时,时间剖面的同相轴一致性更好,分辨率更高.按照TSP的采集要求,震源布设在隧道边壁1.5 m深度内,检波器布设在隧道边壁2 m深度内,即可最大限度避免松动圈的干扰.
(2)为了提高资料解释的可靠性,应尽量采用比较大的偏移距,使得RSSR现象产生Rayleigh面波的同相轴与前方界面反射横波的同相轴分离开来,提高资料解释的精度.
(3)通过对模拟数据和工程实例的分析可知,当震源与检波器都在或者其中之一在松动圈时,经过TSPwin软件处理提取到的反射界面位置比实际位置偏后,在解译资料时,由于每条隧道的地质情况都是不相同的,在资料解译时需要结合地质资料进行综合分析.
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