地震波法在岩溶隧道中的应用研究

杨 旭

(重庆国际投资咨询集团有限公司，重庆 400020)

1 隧道地震波法超前地质预报技术原理和方法

1.1 超前地质预报技术的理论基础

依据弹塑性理论，取消力的作用能恢复的变形为弹性变形，不能恢复的变形为塑形变形。隧道超前预报中，小剂量药包所激发的震源波，由于所接受外力较小且短，异常的物体通常近似看作弹性体。在岩溶隧道超前预报中，大部分工作区域可视作为稳定的沉积地区，所以在观测中把目标体看成理想的各向同性，把常用的弹性理论结合到地震波的观测中。

通常理想的地震波模型为：设定震源脉冲bδ(t)，假定无透射、吸收、多次反射等因素干扰，无随机干扰的理想输出为

X(t)=bδ(t)Rt=bR(t)

(1)

式中:R(t)为反射系数函数。

对地震勘探而言，除了一次的反射波外其他均为干扰波，地震波在岩溶体内传播导致其发生震动，因为不同的地质岩体有不同的物理性质参数。这些模量主要有泊松比σ、拉梅系数λ、杨式模量E、体积压缩模量K、切变模量G、纵波速度Vp、横波速度Vs。弹性介质的地震波和这些参数紧密相连。各参数关系如下

式中：ρ、Vp、Vs分别表示岩石的密度、横波速度、纵坡速度。从以上公式知，由这三个参数可求出其他参数[3]。在进行超前预报时，通过研究超前地震波的速度，可以建立波速与反射系数、孔隙流体、上体密度、孔隙度、泊松比等的关系，从而确定隧道超前预判的理论原则。

1.2 隧道地震波法的基本原理

地震波分面波和体波两大类[4]，面波在介质自由界面传播，体波则主要在介质体积内部传播。以下主要从体波的横波和纵波两方面展开研究。

横波：岩体中弹性性质介质发生剪切时产生的波[5]，波的传播方向和质点的振动方向垂直。S波则是垂直面和水平面两个方向所组成。

纵波：介质发生压缩、拉伸所产生的波为纵波[6]，当纵波在介质内部传播时，会有间隔和稀疏带型出现，因此纵波又往往称为拉伸波或压缩波，波的振动方向与传播方向相一致。纵波在传播的过程中根据特点分为透射波、直达波、反射波。

在地震勘探的过程里，分界面两边的介质对波的阻抗和入射波振幅之间的关系式如下

(2)

式中：ρ1、v1表示反射面上介质的密度和速度；ρ2、v2表示反射界面下介质的密度与速度。震源所发出的地震波在传播的过程中，当遇到落水洞、溶洞、暗河时会产生较大的反射，尤其是充泥充水溶洞时，反射系数最高可达0.5。

振动是产生波动的源头，而波动是振动的传播过程，岩体内各点都是以弹性力相联系，在其传播过程中会有多次的透射、折射以及反射等进行信息的交换，所以地震波在传播过程中随着距离的增加，能量越来越弱，直至完全被损失掉。因此，选择合适的震源布置对提高前期观测岩体情况的精度尤为重要。

1.3 岩溶隧道的地震波数值模拟(以偏移理论为例)

对于地震波传播路径的追踪可以采取数值模拟方式，对于地震元素归位到反射层或者绕射点的相位位置则对应于偏移归位法。虽然对于水平面内的反射面不发生偏移，但由于山体一般都与隧道斜交。以图1为例，显然由于所观测的地质面不平，观测到的反射点往往不在其正下方，其位置发生了偏移变化。真实的反射层在CD，而视觉反射层在C′D′，视反射层倾角为ζa=BOD′，显然ζ>ζa，视反射层倾角与真实的反射产生不一样，从而可以对叠加面进行处理，回到正确的位置。

图1 偏移原理示意图

利用能量激发出地震波，其在地下传播的过程中遇到障碍物，记载反射波的时间和接收到的时间，可以计算地震波的波速。地震反射成像往往分为两步骤：①按时记载反射波的时间；②实时处理接收的反射波。

2 隧道地震波法TSP

2.1 TSP隧道地震波法的炮孔布置及工作原理

隧道地震波法TSP(Tunnel Seismic Prediction)探测是一种多分量多波高分辨率的地震反射方法，通常包括三个部分：配件、仪器主机和处理软件。通常在隧道边墙的一侧钻24炮孔，在隧道的边墙两侧各钻两个孔来设置地震波接收器，TSP地震波法钻孔的布置如表1。通过在24个炮孔里的小量炸药产生地震波，地震波在传播过程中如果遇到断层、暗河、溶洞时就会产生相应的反射信号通过两侧的接收装置记录下来。反射的信号经过汇总经相关软件的处理便可在显示器上成相，可以较准确地观测前方不良岩体的性质、大小和一些具体情况。如图5。

表1 地震波法TSP预报孔的布置要求

2.2 TSP在工程中的应用特点

TSP在岩溶隧道工程运用中通常应用距离较长(150～200 m)，可以在精确测量之前宏观了解地质岩土情况。同时TSP地震波法预测属于三维空间，波的全面预报可以更好地预测前方情况。由于其技术相对比较成熟，所以其抗干扰性、恶劣环境的适应性、采集信息完整准确性以及对测量人员的人身安全的保护性都已取得不错的效果。结合现有大量岩溶隧道工程的实际运用情况，TSP的超前地质预报结果往往和工程实际开挖的情况相吻合，从而可以验证TSP超前地质预报法在岩溶隧道中运用的可行性。

3 工程应用

3.1 工程概况

某隧道开挖面为灰岩，呈浅灰色、灰白色，矿物成分以方解石为主，隐晶质结构，层状构造，岩质坚硬。Ⅳ级围岩。

地震波速度测试段围岩：

纵波速度Vp=2 894 m/s

横波速度Vs=1 447 m/s

3.2 地质分析

根据三维成像地质探测数据图像分析，结合掌子面围岩地质揭示情况，对前方110 m范围内地质条件及异常预测，相应探测解译成果见下表2。

表2 探测解译结果

3.3 施工建议

(1)开挖时应采用短进尺、弱爆破，加强对周边孔的控制，爆破后应及时做好排险工作，及时做好支护，按照设计图纸施工，(建议下次报检里程DK104+574)；

(2)DK104+531～DK104+537段施工中应做好超前支护，预防局部掉块或坍塌；

(3)此次预报距离110 m，前方较远处因波形衰减，可能预报不确切，因此需及时进行前方二次预报。

隧道超前预报系统利用地震波作为探测手段，而地震波在水、空气以及不同岩体中的传播会有差异，对金属等致密材料敏感，本次预报若出现0.5～1 m的误差，应是在允许的范围之内。

4 总 结

研究地震波的理论、地震波的类型以及以偏移理论为重点的波速规律，结合TSP在工程实际中的布置设置方法，验证其工程运用的可行性。TSP地震波法在岩溶隧道施工过程中的应用可以准确预测前方介质情况，提前采取措施，可以减少岩溶对隧道建设和运营的灾害，起到良好的经济和社会效益。

TSP法超前地质预报由于其准备时间较长，对隧道的掘进进度有较高的要求，必须进洞不少于70 m才能钻孔布测点。其整体预测效果较好，局部精度不高，必须结合其他地质方法才能提高局部地区的精度。